一種真實立體感的光場頭盔顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種真實立體感的光場頭盔顯示系統(tǒng)，包括一套以上的光場頭盔顯示裝置，每套光場頭盔顯示裝置均包括光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊以及依次排列的微顯示器件、微結(jié)構(gòu)陣列器件和光學(xué)目鏡系統(tǒng)，通過采用微結(jié)構(gòu)陣列器件將微顯示器件的不同像素發(fā)出的光進(jìn)行分束，形成空間光場，陣列的特征尺寸p的要求保證了至少兩個像素形成的光束的方向不同，通過這種方式可以提供符合人眼自然視覺的稠密的空間光場，通過光學(xué)目鏡系統(tǒng)改變空間光場，使得空間光場只在光學(xué)目鏡的出瞳內(nèi)生成，也就是說將這種光場顯示系統(tǒng)的可視區(qū)域控制在單眼可觀察的范圍中，從而解決了頭盔顯示器中出現(xiàn)的人眼的匯聚和輻輳不一致問題。
【專利說明】一種真實立體感的光場頭盔顯示系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實領(lǐng)域，具體涉及一種實現(xiàn)真實立體感的光場頭盔顯不系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]顯示裝置是虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實領(lǐng)域中人機(jī)交互界面的重要組成部分，一方面頭盔顯示器作為一種近眼顯示裝置，由于可移動性、便捷性以及私密性，成為近年來顯示領(lǐng)域中的科研和商業(yè)方面上的討論熱點，另一方面隨著3D電影的出現(xiàn)，三維顯示開始進(jìn)入人們的視野，人們開始將頭盔顯示器應(yīng)用于三維顯示領(lǐng)域。
[0003]三維顯示領(lǐng)域中，提供的待顯示的圖像是具有立體信息的，也就是說提供的圖像是有一定深度的，待顯示的虛擬物體成像在焦平面的前后，傳統(tǒng)的頭盔顯示器只能夠給人眼提供單個焦面的顯示信息，人眼為了看清物體需要調(diào)節(jié)人眼的晶狀體使得人眼聚焦到這個焦平面上，虛擬物體深度和焦平面的深度差異越大，人眼的匯聚和輻輳的差異就會越大，這樣會造成人觀察時候的不舒適感。尤其是當(dāng)頭盔顯示器具有光學(xué)透射功能時，即人眼在觀看真實環(huán)境的物體的同時可以看到虛擬場景的物體時，由于有外界真實的物體作為對比，這種匯聚和輻輳的差異所造成的不舒適感會更加明顯。
[0004]為了緩解人眼的匯聚和輻輳不一致的問題，需要能夠提供真實三維感的顯示設(shè)備，目前科學(xué)工作者提出的真實三維感的顯示設(shè)備主要有變焦面的頭盔顯示器和多焦面的頭藍(lán)顯不器。
[0005]其中，變焦面頭盔顯示器主要方法是在頭盔顯示器的使用過程中快速改變頭盔顯示設(shè)備中成像焦平面的位置，從而實現(xiàn)了人眼觀察的屏幕的位置沿著深度方向的快速改變，具體可以通過改變像面的位置、光學(xué)系統(tǒng)的位置，使用液體透鏡、變形鏡、雙折射率透鏡或者其他電可控的改變頭盔顯示器中光學(xué)系統(tǒng)的焦距的方式來實現(xiàn)，但是如果快速改變成像平面位置的周期短于人眼的視覺暫留時間，會出現(xiàn)人眼前重建出多個焦平面的問題。
[0006]多焦面的頭盔顯示器的方案是在頭盔顯示器中使用多個顯示裝置，或者利用將一個顯示裝置拆分成多個進(jìn)行使用，在整個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的過程中，多個顯示裝置進(jìn)行層疊的方式進(jìn)行使用，而且多個顯示裝置在空間形成了不同深度的觀察平面的位置，增加顯示裝置的數(shù)量會減輕人眼的匯聚和輻輳不一致的問題，但在空間中建立出的焦平面是有限的，仍然達(dá)不到人眼可以感知的空間深度的數(shù)量，且不完全符合人眼觀察空間真實物體的屬性，并不能完全解決人眼的匯聚和輻輳不一致造成的矛盾。
[0007]無論是變焦面的頭盔顯示器還是多焦面的頭盔顯示器，都是基于雙目視差原理來實現(xiàn)三維顯示的，雖然在一定程度上緩解了雙眼輻輳位置不重合的問題，但是在設(shè)計過程中設(shè)置多個顯示裝置、或者插入分光鏡、電可控的變焦器件，會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積和重量，會因為系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積和重量的增加而增加人體感知的不舒適感，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)過分龐大而導(dǎo)致無法佩戴。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種實現(xiàn)真實立體感的光場頭盔顯示系統(tǒng)，采用微結(jié)構(gòu)陣列器件將微顯示器件的不同像素發(fā)出的光進(jìn)行分束，提供符合人眼自然視覺的稠密的空間光場，通過光學(xué)目鏡系統(tǒng)改變空間光場，使得空間光場只在頭盔顯示裝置的出瞳內(nèi)生成即將這種光場顯示系統(tǒng)的可視區(qū)域控制在單眼可觀察的范圍中，從而解決了頭盔顯示器中出現(xiàn)的人眼的匯聚和輻輳不一致問題。
[0009]本發(fā)明的一種真實立體感的光場頭藍(lán)顯不系統(tǒng),該光場頭藍(lán)顯不系統(tǒng)包括一套以上的光場頭盔顯示裝置，每套光場頭盔顯示裝置均包括光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊以及依次排列的微顯不器件、微結(jié)構(gòu)陣列器件和光學(xué)目鏡系統(tǒng)，所述光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊與微顯不器件的輸入端相連；
[0010]所述微結(jié)構(gòu)陣列器件將微顯示器件上每個像素發(fā)出的光波通過折射或濾波處理使其形成空間光束，且微顯示器件中至少有兩個像素對應(yīng)的空間光束具有不同的方向，所有像素對應(yīng)的空間光束形成空間光場；
[0011]所述每套光場頭盔顯示裝置中的光學(xué)目鏡系統(tǒng)將各自的空間光場匯聚在光場頭盔顯示系統(tǒng)的出瞳內(nèi)；
[0012]所述微顯示器件的每個像素對應(yīng)的空間光束在所述頭盔顯示裝置出瞳平面上形成的光斑的最大內(nèi)切圓直徑不大于2mm ； [0013]在對三維虛擬物體進(jìn)行顯示時，所述光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊根據(jù)空間光場的分布，即微顯示器件的像素和空間光束中光線的對應(yīng)關(guān)系，光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊計算光線與要顯示的三維虛擬物體表面交點處的灰度值，則該交點處的灰度值即為該光線對應(yīng)的微顯示器件上像素的灰度值；所述光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊將每個像素的灰度值發(fā)給微顯示器件，微顯示器件根據(jù)接收到的灰度值進(jìn)行顯示。
[0014]較佳的,所述光學(xué)目鏡系統(tǒng)的F數(shù)為F#,滿足關(guān)系:0.5F# ( g/p ( 2F# ；
[0015]其中，g為微結(jié)構(gòu)陣列器件的分光平面和微顯示器件的顯示平面的距離；
[0016]光學(xué)目鏡系統(tǒng)的出瞳直徑D滿足4mm ^ D ^ 25mm ;光學(xué)目鏡系統(tǒng)的出瞳距離L滿足關(guān)系 1 2mm ^ L ^ 45mm。
[0017]所述微結(jié)構(gòu)陣列器件的微結(jié)構(gòu)的特征尺寸P不小于微顯示器件上的2個像素。
[0018]較佳的，所述光學(xué)目鏡系統(tǒng)采用離軸光學(xué)目鏡系統(tǒng)，所述的離軸光學(xué)目鏡系統(tǒng)有三個光學(xué)表面，第一光學(xué)表面，第二光學(xué)表面和第三光學(xué)表面，其中第三光學(xué)表面鍍有反射膜；
[0019]微顯示器件上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件進(jìn)行折射或濾波后射到光學(xué)目鏡系統(tǒng)的第一光學(xué)表面，經(jīng)其折射進(jìn)入光學(xué)目鏡系統(tǒng)，在第二光學(xué)表面上發(fā)生全反射到第三光學(xué)表面，經(jīng)過第三光學(xué)表面反射回至第二光學(xué)表面，再經(jīng)第二光學(xué)表面(302)折射進(jìn)入人眼。
[0020]較佳的，所述光學(xué)目鏡系統(tǒng)采用光學(xué)透射式離軸反射光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)透射式離軸反射光學(xué)系統(tǒng)包括四個光學(xué)表面:第一表面、第二表面、第三表面和第四表面，其中，第三表面鍍有半透半反膜；
[0021]微顯示器件上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件進(jìn)行折射或濾波后先經(jīng)過光學(xué)目鏡系統(tǒng)的第一表面的折射后到達(dá)第二表面，在第二表面上發(fā)生全反射后到達(dá)第三表面，在第三個表面反射后回到第二表面，經(jīng)過第二表面的折射進(jìn)入人眼，同時外界真實世界的三維物體依次經(jīng)過透過第四表面、第三表面和第二表面的透射，最后透射后進(jìn)入人眼。
[0022]進(jìn)一步的，本發(fā)明的光場頭盔顯示系統(tǒng)還包括半透半反鏡，所述依次排列的微顯示器件、微結(jié)構(gòu)陣列器件和光學(xué)目鏡系統(tǒng)置于人眼的斜上方，所述半透半反鏡置于人眼的前方并位于所述光學(xué)目鏡系統(tǒng)的透射光路中；所述半透半反鏡的半反半透面接收光學(xué)目鏡系統(tǒng)透射的空間光場，并將其反射進(jìn)人眼，同時，半反半透面將外界真實場景透射至人眼。
[0023]本發(fā)明的光場頭盔顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括中繼光學(xué)系統(tǒng)，中繼光學(xué)系統(tǒng)位于微顯示器件和微陣列器件之間，將微顯不器件發(fā)出的光束成實像在微結(jié)構(gòu)陣列的表面。
[0024]所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)包括兩套以上且視場連續(xù)的光場頭盔顯示裝置，所述多套光場頭盔顯示裝置分布于在人眼前方，并相對于光軸對稱，多套光場頭盔顯示裝置的光學(xué)目鏡系統(tǒng)將各自的光場匯聚在光場頭藍(lán)顯不系統(tǒng)的出瞳內(nèi)。
[0025]本發(fā)明的光場頭盔顯示系統(tǒng)包括兩套視場連續(xù)的光場頭盔顯示裝置，其中每套光場頭盔顯示裝置的光學(xué)目鏡系統(tǒng)包括四個表面，分別為第一表面、第二表面、第三表面和第四表面；微顯示器件的每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件折射或濾波后經(jīng)過第一表面的折射后到達(dá)第二表面，經(jīng)第二表面全反射后至第三表面，經(jīng)過第三表面反射回至第二表面，經(jīng)過第二表面折射后進(jìn)入人眼，同時外界真實場景依次經(jīng)第四表面、第三表面和第二表面的折射進(jìn)入人眼。
[0026]本發(fā)明的光場頭盔顯示系統(tǒng)包括兩套視場重合的光場頭盔顯示裝置，還進(jìn)一步包括半透半反鏡:
[0027]第一套光場頭盔顯示裝置位于人眼的斜上方，第二套光場頭盔顯示裝置位于人眼的正前方，所述半透半反鏡位于人眼的正前方，同時位于第一套光場頭盔顯示裝置和第二套光場頭盔顯示裝置的透射光路中；
[0028]第一套光場頭藍(lán)顯不裝置中的第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)將第一微顯不器件的每個像素的空間光場匯聚后經(jīng)過半透半反鏡的反射面反射至所述出瞳內(nèi)；第二套光場頭盔顯示裝置中的第二光學(xué)目鏡系統(tǒng)將第二微顯示器件的每個像素的空間光場匯聚后經(jīng)過半透半反鏡的透射面透射至所述出瞳內(nèi)。
[0029]本發(fā)明的光場頭盔顯示系統(tǒng)包括兩套光場頭盔顯示裝置，且兩套裝置共用一個光學(xué)目鏡系統(tǒng)，所述的光學(xué)目鏡系統(tǒng)為離軸反射式光學(xué)目鏡系統(tǒng)，包括五個光學(xué)表面，分別為第一光學(xué)表面，第二光學(xué)表面，第三光學(xué)表面，第四光學(xué)表面，第五光學(xué)表面，其中第三光學(xué)表面鍍有半透半反膜，第四光學(xué)表面鍍有反射膜；第一微顯示器件、第一微結(jié)構(gòu)陣列器件、第一光學(xué)表面，第二光學(xué)表面，第三光學(xué)表面構(gòu)成第一套光場頭藍(lán)顯不裝置；第二微顯不器件、第二微結(jié)構(gòu)陣列器件、第二光學(xué)表面，第三光學(xué)表面，第四光學(xué)表面和第五光學(xué)表面構(gòu)成第二套光場頭盔顯示裝置；
[0030]第一微顯示器件上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過第一微結(jié)構(gòu)陣列器件進(jìn)行折射或濾波后先經(jīng)過第一光學(xué)表面的折射，在第二光學(xué)表面上發(fā)生全反射，之后經(jīng)過第三光學(xué)表面反射，最后回到第二光學(xué)表面，經(jīng)過第二光學(xué)表面的折射進(jìn)入人眼；
[0031]第二微顯示器件上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過第二微結(jié)構(gòu)陣列器件進(jìn)行折射或濾波后先經(jīng)過第四光學(xué)表面的折射到第三光學(xué)表面，發(fā)生反射之后到達(dá)第五光學(xué)表面，然后反射至第三光學(xué)表面，經(jīng)過第三光學(xué)表面透射到第二光學(xué)表面，最后經(jīng)過第二光學(xué)表面的折射進(jìn)入人眼。
[0032]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0033]I)本發(fā)明通過對待顯示的三維虛擬物體的光場進(jìn)行重建來實現(xiàn)真實三維感的顯示，而非基于雙目視差原理來實現(xiàn)三維顯示，不存在人眼的匯聚和輻輳不一致的問題，從而解決人眼通過頭盔顯示器觀察圖像時產(chǎn)生的不適問題。
[0034]2)本發(fā)明采用微結(jié)構(gòu)陣列器件將微顯示器件的不同像素發(fā)出的光進(jìn)行分束，形成空間光場，陣列的特征尺寸P的要求保證了至少兩個像素形成的光束的方向不同，通過這種方式可以提供符合人眼自然視覺的稠密的空間光場，通過光學(xué)目鏡系統(tǒng)改變空間光場，使得空間光場只在光學(xué)目鏡的出瞳內(nèi)生成，也就是說將這種光場顯示系統(tǒng)的可視區(qū)域控制在單眼可觀察的范圍中，從而解決了頭盔顯示器中出現(xiàn)的人眼的匯聚和輻輳不一致問題。
[0035]3)本發(fā)明微顯示器上每個像素對應(yīng)的空間光束出瞳平面的截面最大內(nèi)切圓直徑(2_，使得單個像素控制的光束進(jìn)入人眼時候小于瞳孔大小，多像素實現(xiàn)了稠密的光場，通過對于光場信息的控制，可以使得人眼觀察待顯示物體時每一個顯示物體上每個顯示信息有不止一個光束進(jìn)入人眼瞳孔，符合人眼正常觀察時候的特性，可以解決人眼的匯聚和輻輳不一致問題，實現(xiàn)真實感三維顯示。
[0036]4)本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)陣列器件的分光平面和微顯示器件的顯示平面的距離為g，光學(xué)目鏡系統(tǒng)的F數(shù)為F#，滿足關(guān)系:0.5F#≤ g/p≤2F#，保證了目鏡系統(tǒng)和微結(jié)構(gòu)陣列器件的匹配，使得微顯示器件上的像素能夠充分利用，光學(xué)目鏡系統(tǒng)的出瞳直徑D滿足4mm≤D≤ 25mm,在空間上壓縮生成的空間光場所需的區(qū)域，該尺寸保證系統(tǒng)針對單目進(jìn)行顯示，光學(xué)目鏡系統(tǒng)的出瞳距離L滿足關(guān)系12mm≤L≤45mm，保證了系統(tǒng)能夠方便的進(jìn)行佩戴。
[0037]6)本發(fā)明中較佳實施例的光學(xué)目鏡系統(tǒng)使用離軸反射光學(xué)系統(tǒng)可以在保證視場角和成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上簡化光學(xué)目鏡系統(tǒng)。
[0038]7)本發(fā)明中較佳實施例的光場頭盔顯示系統(tǒng)加入半透半反鏡這樣人眼可以同時看到真實場景和虛擬三維物體。
[0039]8)本發(fā)明中較佳實施例的光學(xué)目鏡系統(tǒng)采用三個表面棱鏡的結(jié)構(gòu)形式，減小了系統(tǒng)的體積，美化了系統(tǒng)的外觀，當(dāng)光學(xué)目鏡系統(tǒng)具有光學(xué)透射式的功能，使用第四表面的設(shè)計為了消除用戶在觀察真實空間物體的時候由于第三表面和第二表面引起的像差和畸變。
[0040]9)本發(fā)明中較佳實施例加入了中繼光學(xué)系統(tǒng)，從而使得在系統(tǒng)設(shè)計中不受微顯示系統(tǒng)中保護(hù)器件、光學(xué)引擎等器件的厚度限制，可以更好的控制微結(jié)構(gòu)陣列的分光平面和顯示表面之間的距離g，從而提高系統(tǒng)的分辨率。
[0041]10)本發(fā)明中采用多套視場重合或視場連續(xù)的光場頭盔顯示裝置組成光場頭盔顯示系統(tǒng)，這些裝置的三維光場在視場上連續(xù)擴(kuò)展，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大頭盔顯示系統(tǒng)的視場角。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0042]圖1是本發(fā)明中真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖2是本發(fā)明中微陣列結(jié)構(gòu)的特征尺寸P小于兩個像素時微結(jié)構(gòu)陣列分光示意圖；
[0044]圖3是本發(fā)明中微陣列結(jié)構(gòu)的特征尺寸P不小于兩個像素時微結(jié)構(gòu)陣列分光示意圖；
[0045]圖4是本發(fā)明中一維微結(jié)構(gòu)陣列器件的分光特性示意圖；
[0046]圖5是本發(fā)明中二維微結(jié)構(gòu)陣列器件的分光特性示意圖；
[0047]圖6是本發(fā)明中微顯示器件的每個像素的空間光束示意圖；
[0048]圖7是本發(fā)明中實施例二真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0049]圖8是本發(fā)明中實施例三真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0050]圖9為本發(fā)明中實施例四真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0051]圖10為本發(fā)明中實施例五真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0052]圖11為本發(fā)明中實施例六真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0053]圖12為本發(fā)明中實施例七真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0054]圖13為本發(fā)明中實施例八真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0055]圖14為本發(fā)明中實施例九真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0056]圖15為本發(fā)明中實施例十真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0057]圖16為本發(fā)明中實施例1^一真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)示意圖；
[0058]1-微顯示器件，2-微結(jié)構(gòu)陣列器件，3-光學(xué)目鏡系統(tǒng)，4-半透半反鏡，5-中繼透鏡，7-人眼。
【具體實施方式】
[0059]下面結(jié)合附圖并列舉具體實施例，對于本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0060]—種真實立體感的光場頭藍(lán)顯不系統(tǒng),該光場頭藍(lán)顯不系統(tǒng)包括一套以上的光場頭盔顯示裝置，如圖1所示，每套光場頭盔顯示裝置均包括光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊以及依次排列的微顯不器件1、微結(jié)構(gòu)陣列器件2和光學(xué)目鏡系統(tǒng)3,其中，光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊與微顯不器件I的輸入端相連。
[0061]光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊根據(jù)待顯示的三維物體計算微顯示器件I的每個像素的灰度值并輸出給微顯不器件I ;
[0062]微顯示器件I的每個像素按照接收的灰度值進(jìn)行顯示；
[0063]微結(jié)構(gòu)陣列器件2將微顯示器件I上每個像素發(fā)出的光波通過折射或濾波處理使其形成空間光束，且微顯示器件I中至少有兩個像素對應(yīng)的空間光束具有不同的方向，所有像素對應(yīng)的空間光束形成空間光場；
[0064] 每套光場頭盔顯示裝置中的光學(xué)目鏡系統(tǒng)3將各自的空間光場匯聚在光場頭盔顯示系統(tǒng)的出瞳內(nèi)。
[0065]為了實現(xiàn)真實立體感顯示，要求進(jìn)入人眼瞳孔的光束要多于兩個，因此，微顯示器件I的每個像素對應(yīng)的空間光束在所述頭盔顯示裝置出瞳平面上形成的光斑的最大內(nèi)切圓直徑不大于2_，才能使得至少有兩個光束進(jìn)入人眼7。人眼的瞳孔大小為2_-8_，空間光束在出瞳平面的光斑最大內(nèi)切圓直徑< 2mm可以保證單個像素發(fā)出的光束進(jìn)入人眼時候小于瞳孔大小，每個像素在人眼所在的出瞳位置上形成了小于人眼的瞳孔的光束，在空間中形成的不再是一個只有二維信息的平面圖像，而是密集的各個不同方向的光束組成的空間光場，從而保證了頭盔顯示裝置形成稠密光場。由于空間光束在人眼瞳孔位置形成的光束小于瞳孔的大小，當(dāng)圖像進(jìn)行顯示的時候，顯示的圖像中的每一個點可以在人眼瞳孔中形成來自不同方向的光束，使得人眼可以聚焦到不同的位置，僅單目進(jìn)行觀察就可以進(jìn)行三維顯示，完全符合人眼平常自然觀察到真實物體的方式，不存在人眼的聚焦位置和視差所導(dǎo)致的雙眼輻輳位置不重合的現(xiàn)象。
[0066]人眼觀測的位置即真實立體感的光場頭盔顯示系統(tǒng)的出瞳位置，光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊也是基于這個位置進(jìn)行光場的渲染的。
[0067]需要說明的是，為了使得微顯示器件I中至少有兩個像素對應(yīng)的空間光束具有不同的方向，微結(jié)構(gòu)陣列的相鄰兩個陣列單元的中心距，即微結(jié)構(gòu)特征尺寸P至少要大于微顯示器件I的2個像素，如圖2所示，當(dāng)P小于微顯示器件I的2個像素時，微顯示器I的各個像素發(fā)出的光經(jīng)微陣列器件2后方向都相同；如圖3所示，而當(dāng)P大于或等于微顯示器件I的2個像素時，能夠保證至少兩個像素發(fā)出的光經(jīng)陣列器件2后形成的光束方向不同，圖中P大小等于3個像素尺寸，可以看到前三個像素經(jīng)過微陣列器件2后產(chǎn)生了 3個不同的方向，后三個像素也產(chǎn)生了 3個不同方向，多個不同方向的光束在空間形成光場，由此實現(xiàn)真實立體感顯示。
[0068]進(jìn)一步的，本發(fā)明中的光學(xué)目鏡系統(tǒng)的F數(shù)為F#，其滿足關(guān)系:0.5F# ( g/P ( 2F#，保證了光學(xué)目鏡系統(tǒng)3和微結(jié)構(gòu)陣列器件2的匹配，使得微顯示器件I上的各個像素被充分利用，當(dāng)g/p < 0.5F#時，像素沒有利用完全，使得分辨率降低；當(dāng)g/p > 2F#時，光學(xué)目鏡系統(tǒng)的出瞳變小，當(dāng)人眼7產(chǎn)生微小的晃動時就會導(dǎo)致人眼7錯開出瞳位置，影響人眼7觀察三維物體。由于4mm是人眼的瞳孔尺寸，而25mm大概是人眼瞳距的一半，光學(xué)目鏡系統(tǒng)3的出瞳直徑D滿足4mm < D < 25mm,該尺寸保證光場頭盔顯示系統(tǒng)針對單目進(jìn)行顯示，能夠?qū)⒖臻g光場壓縮成所需的大??；光學(xué)目鏡系統(tǒng)3的出瞳距離L滿足關(guān)系12mm ^ L ^ 45mm,最小12mm的尺寸可允許用戶佩戴框架式眼鏡，小于45mm保證系統(tǒng)體積不至于太大。
[0069]分光平面為微結(jié)構(gòu)陣列器件2具有分光作用的平面；顯示平面為微顯示器件I進(jìn)行發(fā)光顯示的面；分光作用由微結(jié)構(gòu)陣列器件2的微結(jié)構(gòu)對光束進(jìn)行折射或者空間濾波來實現(xiàn)。
[0070]微顯示器件I可以為單個微顯示器件，如OLE D、IXD，或由獨立的微顯示單元和照明光學(xué)引擎共同組成的微顯示系統(tǒng)，如LCOS，DMD。
[0071]微結(jié)構(gòu)陣列器件2為一維的陣列，如柱面光柵，或是二維的陣列，如微透鏡陣列，針孔陣列，一維陣列排列可以是斜向的，也可以是豎直或者水平的，如圖4所示，為一維陣列微結(jié)構(gòu)陣列及光波分束后方向示意圖，二維陣列可以是矩形排列的，也可以是六邊形排列的，也可以三角形排列或者其他多邊形形狀排列，如圖5所示，為二維陣列微透鏡陣列及光波分束后的方向不意圖。
[0072] 下面對光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊計算微顯示器件I的每個像素的顏色灰度值的方法進(jìn)行介紹:
[0073]首先，對微顯示器件I的每個像素經(jīng)微結(jié)構(gòu)陣列器件2和光學(xué)目鏡系統(tǒng)3到達(dá)出瞳位置的光線進(jìn)行追跡，獲得每個像素的空間光場，然后利用該空間光場和待顯示的三維虛擬物體進(jìn)行三維圖像的光場渲染，如圖6所示，具體方法為:
[0074]頭盔顯示裝置中的微顯示器件I上的每個像素發(fā)出的光經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件2和光學(xué)目鏡系統(tǒng)3后在出瞳位置形成具有特定方向的光束(至少兩個像素形成的光束的方向不同)。如圖6所示，假設(shè)微顯示器件I上的每個像素經(jīng)微結(jié)構(gòu)陣列2后形成的空間光束，每個像素對應(yīng)的空間光束由無數(shù)條光線組成，光線在空間與帶顯示的三維虛擬物體表面形成交點，交點處的灰度值即為該光線對應(yīng)的微顯示器件I的像素應(yīng)該渲染的灰度值，因此，對于本發(fā)明當(dāng)頭盔顯示裝置進(jìn)行三維虛擬物體的顯示時，若想獲得三維虛擬物體顯示所需要的該像素的灰度值，需要對于像素形成的空間光束中的光線進(jìn)行抽樣，使用光線追蹤方法或其他計算機(jī)圖形學(xué)的渲染方法計算各個光線需要渲染的灰度值，之后對獲得的灰度值進(jìn)行加權(quán)平均獲得裝置中微顯示器件I上對應(yīng)像素的灰度值，抽樣光線的數(shù)量可以是一條也可以是多條，此外，在計算微顯示器件I上每個像素應(yīng)該顯示的灰度值時，可以使用子像素代替整個像素的計算過程以增加空間光場的分辨率，還可以利用空間光束的幾何關(guān)系，使用批處理的方法或者是GPU并行計算的方法進(jìn)行上述過程，但是不改變本發(fā)明的提出的方法核心思想。
[0075]采用上述方法將獲得每個像素應(yīng)該顯示的灰度值賦給微顯示器件I上，即可以在系統(tǒng)出瞳處渲染出待顯示的三維虛擬物體的三維光場，人眼在系統(tǒng)出瞳位置進(jìn)行觀察時，獲得的不再是單一顯示平面的圖像信息，而是一個稠密的光場。通過光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊對于光場信息的控制，可以使得人眼觀察待顯示三維虛擬物體時不止一個光束進(jìn)入人眼瞳孔，符合人眼正常觀察時候的特性，從而可以解決了人眼的匯聚和輻輳不一致問題。
[0076]實施例一:
[0077]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，包括依次排列的微顯示器件1、微結(jié)構(gòu)陣列器件2、光學(xué)目鏡系統(tǒng)3和光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊，光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊連接微顯示器件I。
[0078]該實施例中的光學(xué)目鏡系統(tǒng)3為透射旋轉(zhuǎn)對稱光學(xué)系統(tǒng)，為包含多片同軸透鏡的透鏡組，實際使用過程中光學(xué)目鏡系統(tǒng)3不限于透射旋轉(zhuǎn)對稱光學(xué)系統(tǒng)。
[0079]微顯示器件I上的每一個像素發(fā)出的光波，經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件2后被分成不同方向的光波，形成空間光場，空間光場經(jīng)過光學(xué)目鏡系統(tǒng)3后匯聚進(jìn)入人眼。
[0080]實施例二
[0081]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，包括光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊以及在人眼7斜上方依次排列的微顯不器件1、微結(jié)構(gòu)陣列器件2和光學(xué)目鏡系統(tǒng)3,光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊與微顯示器件I的輸入端相連。
[0082]如圖7所示，該實施例中的光學(xué)目鏡系統(tǒng)3為離軸反射式光學(xué)目鏡系統(tǒng)，該離軸反射式光學(xué)目鏡系統(tǒng)有三個表面，第一光學(xué)表面301,第二光學(xué)表面302和第三表面303,其中第三光學(xué)表面303鍍有反射膜，三個光學(xué)表面可以是平面、球面、非球面，也可以是沒有對稱性質(zhì)的自由曲面表面，實際使用過程中光學(xué)目鏡不限于三個表面的離軸反射光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)目鏡系統(tǒng)3使用離軸反射光學(xué)系統(tǒng)可以在保證視場角和成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上簡化光學(xué)目鏡系統(tǒng)。
[0083]微顯示器件I每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件2進(jìn)行分光后射到光學(xué)目鏡系統(tǒng)3的第一光學(xué)表面301后再折射進(jìn)入光學(xué)目鏡系統(tǒng)3，在第二光學(xué)表面302上發(fā)生全反射到第三光學(xué)表面303，經(jīng)過第三光學(xué)表面303反射回至第二光學(xué)表面302，折射進(jìn)入人眼。
[0084]實施例三
[0085]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，包括光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊以及在人眼7斜上方依次排列的微顯不器件1、微結(jié)構(gòu)陣列器件2和光學(xué)目鏡系統(tǒng)3,光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊與微顯示器件I的輸入端相連。如圖8所示，還包括位于人眼前方的半透半反鏡4。微結(jié)構(gòu)陣列器件2將微顯示器件I每個像素發(fā)出的光波進(jìn)行折射或濾波，形成空間光場，空間光場經(jīng)過光學(xué)目鏡系統(tǒng)3的準(zhǔn)直后經(jīng)過半透半反鏡4的反射進(jìn)入人眼，同時真實場景經(jīng)過半透半反鏡4透射進(jìn)入人眼，這樣人眼可以同時看到真實場景和虛擬三維物體。
[0086]實施例四
[0087]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，包括光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊以及在人眼7斜上方依次排列的微顯不器件1、微結(jié)構(gòu)陣列器件2和光學(xué)目鏡系統(tǒng)3,光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊與微顯示器件I的輸入端相連。
[0088]如圖9所示，該實施例中的光學(xué)目鏡系統(tǒng)3為光學(xué)透射式離軸反射光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)透射式離軸反射光學(xué)系統(tǒng)有四個表面，第一表面401,第二表面402,第三表面403和第四表面404，其中，第三表面403鍍設(shè)有半透半反膜。四個表面可以是平面、球面、非球面以及沒有對稱性質(zhì)的自由曲面表面。但是實際使用過程中光學(xué)透射式光學(xué)目鏡不限于四個表面的離軸反射光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)目鏡系統(tǒng)3使用光學(xué)透射式離軸反射光學(xué)系統(tǒng)可以在保證視場角和成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上簡化光學(xué)目鏡系統(tǒng)。
[0089]微顯示器件I上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件2進(jìn)行分光后先經(jīng)過光學(xué)目鏡系統(tǒng)3的第一表面401的折射后到達(dá)第二表面402，在第二表面402上發(fā)生全反射后到達(dá)第三表面403，在第三個表面403反射后回到第二表面402經(jīng)過第二表面402的折射進(jìn)入人眼，同時外界真實世界的三維物體透過光學(xué)目鏡的第四表面404的透射至第三表面403，然后透射至第二表面402，最后透射后進(jìn)入人眼7，人眼7可以同時看到真實場景和虛擬三維物體。第四表面404的設(shè)計是為了消除第三表面403和第二表面402引起的像差和畸變。
[0090]實施例五
[0091]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，包括依次排列的微顯示器件1、微結(jié)構(gòu)陣列器件2、光學(xué)目鏡系統(tǒng)3和光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊，此外還包括中繼光學(xué)系統(tǒng)5，光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊連接微顯示器件I。中繼光學(xué)系統(tǒng)5位于微顯示器件I和微結(jié)構(gòu)陣列器件2之間，將微顯示器件I發(fā)出的光束成實像在微結(jié)構(gòu)陣列器件2的表面顯不,光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊連接微顯不器件1，如圖10所示。
[0092]微顯示器件I的每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過中繼光學(xué)系統(tǒng)5后形成虛的顯示平面，如圖10中的虛線所示，虛的顯示平面上的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件2進(jìn)行分束，形成不同方向的空間光束，經(jīng)過光學(xué)目鏡3準(zhǔn)直后進(jìn)入人眼。由于中繼光學(xué)系統(tǒng)5的存在，可以使得微顯示器件I的顯示表面成像在任意位置，從而使得在系統(tǒng)設(shè)計中不受微顯示器件I中保護(hù)器件、光學(xué)引擎等器件的厚度限制，可以更好的控制微結(jié)構(gòu)陣列的分光平面和顯示表面之間的距離g，從而提高系統(tǒng)的分辨率。
[0093]實施例六
[0094]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，包括光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊以及人眼7斜上方依次排列的微顯不器件1、微結(jié)構(gòu)陣列器件2和光學(xué)目鏡系統(tǒng)3,光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊連接微顯示器件I。如圖11所示，本實施例中的顯示裝置還包括半透半反鏡4和中繼光學(xué)系統(tǒng)5，中繼光學(xué)系統(tǒng)5位于微顯示器件I和微陣列器件2之間，半透半反鏡4位于人眼前方，將微顯示器件I發(fā)出的光束成實像在微結(jié)構(gòu)陣列2的表面，虛的顯示平面上的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件2進(jìn)行分束，形成不同方向的空間光束，經(jīng)過光學(xué)目鏡系統(tǒng)3準(zhǔn)直后，經(jīng)過半透半反鏡4的反射進(jìn)入人眼，同時真實場景經(jīng)過半透半反鏡4的透射進(jìn)入人眼，這樣人眼可以同時看到真實場景和虛擬三維物體。
[0095]實施例七
[0096]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，如圖12所示，包括兩套光場頭盔顯示裝置，兩套真實立體感光場頭盔顯示裝置形成的空間光場在視場角上連續(xù)擴(kuò)展，具體包括第一微顯不器件1、第一微結(jié)構(gòu)陣列器件2、第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)3、第一光學(xué)渲染及實現(xiàn)模塊,第二個微顯示器件I’、第二個微結(jié)構(gòu)陣列器件2’、第二光學(xué)目鏡系統(tǒng)3’和第二光學(xué)渲染及實現(xiàn)模塊。本實施例中的第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)3和第二光學(xué)目鏡系統(tǒng)3’均為共軸透射系統(tǒng)。
[0097]第一微結(jié)構(gòu)陣列器件2將第一微顯示器件I的每個像素發(fā)出的光波進(jìn)行分束形成空間光場，空間光場經(jīng)過第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)3的準(zhǔn)直后進(jìn)入人眼，同時第二微結(jié)構(gòu)陣列器件2’將第二微顯示器件I’的每個像素發(fā)出的光波進(jìn)行分束形成空間光場，空間光場經(jīng)過第二光學(xué)目鏡系統(tǒng)3’準(zhǔn)直后進(jìn)入人眼，兩套真實立體感光場頭盔顯示裝置形成的空間光場在視場角上連續(xù)擴(kuò)展，從而擴(kuò)大了真實立體感光場頭盔顯示裝置的視場角。
[0098]實施例八
[0099]一種真實立體感光場頭藍(lán)顯示系統(tǒng),如圖13所示,包括三套圖1所示的真實立體感光場頭盔顯示裝置，這些裝置的三維光場視場上連續(xù)擴(kuò)展，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大視場角。
[0100]實施例九
[0101]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，如圖14所示，包括兩套光場頭盔顯示裝置，兩套裝置的三維光場視場上連續(xù)擴(kuò)展，具體包括第一微顯示器件1、第一微結(jié)構(gòu)陣列器件
2、第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)3、第一光學(xué)渲染及實現(xiàn)模塊、第二個微顯示器件I’、第二個微結(jié)構(gòu)陣列器件2’、第二個光學(xué)目鏡系統(tǒng)3’、第二光學(xué)渲染及實現(xiàn)模塊。本實施例中的第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)3和第二光學(xué)目鏡系統(tǒng)3’為光學(xué)透射式離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)。第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)3有四個表面，分別為第一表面1201，第二表面1202，第三表面1203和第四表面1204，第二光學(xué)目鏡3’有四個表面，分別為第一表面1201’，第二表面1202’，第三表面1203’和第四表面1204，ο
[0102]第一微顯示器件I的每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過第一微結(jié)構(gòu)陣列器件2分光后經(jīng)過第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)3第一表面1201的折射后到達(dá)在第二表面1202,全反射后經(jīng)過第三表面1203反射回至第二表面1202，經(jīng)過第二表面1202折射后進(jìn)入人眼，同時外界真實世界透過光學(xué)目鏡系統(tǒng)3的第四表面1204的透射至第三表面1203，最后透射至第二表面1202的折射進(jìn)入人眼。
[0103]第二微顯示器件I’的每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過第二微結(jié)構(gòu)陣列器件2’分光后經(jīng)過第二光學(xué)目鏡系統(tǒng)3’的第一表面1201’折射后到達(dá)在第二表面1202’，全反射后經(jīng)過第三表面1203’反射回至第二表面1202’，經(jīng)過第二表面1202’折射后進(jìn)入人眼，同時外界真實世界透過光學(xué)目鏡系統(tǒng)3’的第四表面1204’的透射至第三表面1203’，最后透射至第二表面1202’的折射進(jìn)入人眼。
[0104]第四表面1204和1204’的設(shè)計為了消除虛擬三維物體顯示光路表面引起的像差和畸變。人眼可以同時看到由兩個微顯示器件形成的不同的三維光場，同時三維光場視場上連續(xù)擴(kuò)展，擴(kuò)大了視場角，該實施例中，光學(xué)目鏡系統(tǒng)使用離軸反射光學(xué)系統(tǒng)可以在保證視場角和成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上簡化光學(xué)目鏡，同時使得人眼同時看到真實場景和虛擬三維物體。
[0105]實施例十
[0106]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，該光場頭盔顯示系統(tǒng)包括兩套視場重合的光場頭盔顯示裝置，還進(jìn)一步包括半透半反鏡4，如圖15所示。
[0107]第一套光場頭盔顯示裝置位于人眼7的斜上方，第二套光場頭盔顯示裝置位于人眼7的正前方，所述半透半反鏡4位于人眼7的正前方，同時位于第一套光場頭盔顯示裝置和第二套光場頭盔顯示裝置的透射光路中。
[0108]第一套光場頭藍(lán)顯不裝置中的第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)3’將第一微顯不器件I’的每個像素的空間光場匯聚后經(jīng)過半透半反鏡4的反射面反射至所述出瞳內(nèi)；第二套光場頭盔顯示裝置中的第二光學(xué)目鏡系統(tǒng)3”將第二微顯示器件I”的每個像素的空間光場匯聚后經(jīng)過半透半反鏡4的透射面透射至所述出瞳內(nèi)。
[0109]使用兩套真實立體感光場頭盔顯示裝置形成了兩個不同的空間光場進(jìn)入人眼，兩個空間光場的視場角相互重疊從而增加真實立體感光場頭盔顯示裝置的分辨率。
[0110]實施例十一
[0111]一種真實立體感光場頭盔顯示系統(tǒng)，如圖16所示，包括兩套光場頭盔顯示裝置，具體包括第一微顯不器件1、第一微結(jié)構(gòu)陣列器件2、第一光學(xué)渲染及實現(xiàn)模塊第二微顯不器件I’、第二微結(jié)構(gòu)陣列器件2’、第二光學(xué)渲染及實現(xiàn)模塊和光學(xué)目鏡系統(tǒng)3，光學(xué)目鏡系統(tǒng)3為離軸反射式光學(xué)目鏡,該光學(xué)目鏡系統(tǒng)3有五個表面,分別為第一光學(xué)表面1001,第二光學(xué)表面1002,第三光學(xué)表面1003,第四光學(xué)表面1004,第五光學(xué)表面1005,其中第三光學(xué)表面1003表面鍍有半透半反膜,第四光學(xué)表面1004表面鍍有反射膜。第一微顯器件
1、第一微結(jié)構(gòu)陣列器件2、第一光學(xué)表面1001,第二光學(xué)表面1002,第三光學(xué)表面1003構(gòu)成第一套真實立體感光場頭盔顯示裝置，而第二微顯示器件I’、第二微結(jié)構(gòu)陣列器件2’、第二光學(xué)表面1002,第三光學(xué)表面1003,第四光學(xué)表面1004,第五光學(xué)表面1005構(gòu)成第二套真實立體感光場頭盔顯示裝置。
[0112]第一微顯示器件I上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過第一微結(jié)構(gòu)陣列器件2進(jìn)行分光后先進(jìn)過第一光學(xué)表面1001的折射，在第二光學(xué)表面1002上發(fā)生全反射，之后經(jīng)過第三光學(xué)表面1003反射，最后回到第二光學(xué)表面1002，經(jīng)過第二光學(xué)表面1002的折射進(jìn)入人眼。第二微顯示器件I’上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過第二微結(jié)構(gòu)陣列器件2’進(jìn)行分光后先經(jīng)過第四光學(xué)表面1004的折射到第三光學(xué)表面1003上發(fā)生反射之后后到達(dá)第五光學(xué)表面1005,然后反射至第三光學(xué)表面1003，經(jīng)過第三光學(xué)表面1003透射到第二光學(xué)表面1002，之后經(jīng)過第二光學(xué)表面1002的折射進(jìn)入人眼。
[0113]綜上，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種真實立體感的光場頭藍(lán)顯不系統(tǒng)，其特征在于:該光場頭藍(lán)顯不系統(tǒng)包括一套以上的光場頭盔顯示裝置，每套光場頭盔顯示裝置均包括光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊以及依次排列的微顯示器件(I)、微結(jié)構(gòu)陣列器件(2)和光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)，所述光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊與微顯示器件(I)的輸入端相連； 所述微結(jié)構(gòu)陣列器件(2)將微顯示器件(I)上每個像素發(fā)出的光波通過折射或濾波處理使其形成空間光束，且微顯示器件(I)中至少有兩個像素對應(yīng)的空間光束具有不同的方向，所有像素對應(yīng)的空間光束形成空間光場； 所述每套光場頭盔顯示裝置中的光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)將各自的空間光場匯聚在光場頭盔顯示系統(tǒng)的出瞳內(nèi)； 所述微顯示器件(I)的每個像素對應(yīng)的空間光束在所述頭盔顯示裝置出瞳平面上形成的光斑的最大內(nèi)切圓直徑不大于2mm ； 在對三維虛擬物體進(jìn)行顯示時，所述光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊根據(jù)空間光場的分布，即微顯示器件(I)的像素和空間光束中光線的對應(yīng)關(guān)系，光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊計算光線與要顯示的三維虛擬物體表面交點處的灰度值，則該交點處的灰度值即為該光線對應(yīng)的微顯示器件(I)上像素的灰度值；所述光學(xué)渲染實現(xiàn)模塊將每個像素的灰度值發(fā)給微顯示器件(1)，微顯示器件(I)根據(jù)接收到的灰度值進(jìn)行顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)的F數(shù)為 F#，滿足關(guān)系:0.5F# ( g/p ( 2F# ； 其中，g為微結(jié)構(gòu)陣列 器件(2)的分光平面和微顯示器件(I)的顯示平面的距離； 光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)的出瞳直徑D滿足4mm < D < 25mm ;光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)的出瞳距離L 滿足關(guān)系 1 2mm ^ L ^ 45mm。 所述微結(jié)構(gòu)陣列器件(2)的微結(jié)構(gòu)的特征尺寸P不小于微顯示器件(I)上的2個像素。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)采用離軸光學(xué)目鏡系統(tǒng)，所述的離軸光學(xué)目鏡系統(tǒng)有三個光學(xué)表面，第一光學(xué)表面(301),第二光學(xué)表面(302)和第三光學(xué)表面(303),其中第三光學(xué)表面(303)鍍有反射膜； 微顯示器件(I)上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件(2)進(jìn)行折射或濾波后射到光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)的第一光學(xué)表面(301)，經(jīng)其折射進(jìn)入光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)，在第二光學(xué)表面(302)上發(fā)生全反射到第三光學(xué)表面(303)，經(jīng)過第三光學(xué)表面(303)反射回至第二光學(xué)表面(302)，再經(jīng)第二光學(xué)表面(302)折射進(jìn)入人眼(7)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)采用光學(xué)透射式離軸反射光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)透射式離軸反射光學(xué)系統(tǒng)包括四個光學(xué)表面:第一表面(401)、第二表面(402)、第三表面(403)和第四表面(404)，其中，第三表面(403)鍍有半透半反膜； 微顯示器件(I)上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件(2)進(jìn)行折射或濾波后先經(jīng)過光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)的第一表面(401)的折射后到達(dá)第二表面(402)，在第二表面(402)上發(fā)生全反射后到達(dá)第三表面(403)，在第三個表面(403)反射后回到第二表面(402)，經(jīng)過第二表面(402)的折射進(jìn)入人眼(7)，同時外界真實世界的三維物體依次經(jīng)過透過第四表面(404)、第三表面(403)和第二表面(402)的透射，最后透射后進(jìn)入人眼。
5.如權(quán)利要求1或2所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于:還包括半透半反鏡(4)，所述依次排列的微顯示器件(I)、微結(jié)構(gòu)陣列器件(2)和光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)置于人眼(7)的斜上方，所述半透半反鏡(4)置于人眼(7)的前方并位于所述光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)的透射光路中；所述半透半反鏡(4)的半反半透面接收光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)透射的空間光場，并將其反射進(jìn)人眼(7)，同時，半反半透面將外界真實場景透射至人眼(7)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括中繼光學(xué)系統(tǒng)(5)，中繼光學(xué)系統(tǒng)(5)位于微顯示器件(I)和微陣列器件(2)之間，將微顯示器件(I)發(fā)出的光束成實像在微結(jié)構(gòu)陣列(2)的表面。
7.如權(quán)利要求1或2所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于:所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)包括兩套以上且視場 連續(xù)的光場頭盔顯示裝置，所述多套光場頭盔顯示裝置分布于在人眼(X)前方，并相對于光軸對稱，多套光場頭藍(lán)顯不裝置的光學(xué)目鏡系統(tǒng)將各自的光場匯聚在光場頭藍(lán)顯不系統(tǒng)的出瞳內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于:該光場頭盔顯示系統(tǒng)包括兩套視場連續(xù)的光場頭盔顯示裝置，其中每套光場頭盔顯示裝置的光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)包括四個表面，分別為第一表面(1201)、第二表面(1202)、第三表面(1203)和第四表面(1204)；微顯示器件(I)的每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過微結(jié)構(gòu)陣列器件(2)折射或濾波后經(jīng)過第一表面(1201)的折射后到達(dá)第二表面(1202)，經(jīng)第二表面(1202)全反射后至第三表面(1203)，經(jīng)過第三表面(1203)反射回至第二表面(1202)，經(jīng)過第二表面(1202)折射后進(jìn)入人眼(7)，同時外界真實場景依次經(jīng)第四表面(1204)、第三表面(1203)和第二表面(1202)的折射進(jìn)入人眼(7)。
9.如權(quán)利要求1或2所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于:該光場頭盔顯示系統(tǒng)包括兩套視場重合的光場頭盔顯示裝置，還進(jìn)一步包括半透半反鏡(4): 第一套光場頭盔顯示裝置位于人眼(7)的斜上方，第二套光場頭盔顯示裝置位于人眼(7)的正前方，所述半透半反鏡(4)位于人眼(7)的正前方，同時位于第一套光場頭盔顯示裝置和第二套光場頭盔顯示裝置的透射光路中； 第一套光場頭藍(lán)顯不裝置中的第一光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3’ )將第一微顯不器件(I’ )的每個像素的空間光場匯聚后經(jīng)過半透半反鏡(4)的反射面反射至所述出瞳內(nèi)；第二套光場頭盔顯示裝置中的第二光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3”)將第二微顯示器件(I”)的每個像素的空間光場匯聚后經(jīng)過半透半反鏡(4)的透射面透射至所述出瞳內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所述的光場頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于:該光場頭盔顯示系統(tǒng)包括兩套光場頭盔顯示裝置，且兩套裝置共用一個光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)，所述的光學(xué)目鏡系統(tǒng)(3)為離軸反射式光學(xué)目鏡系統(tǒng)，包括五個光學(xué)表面，分別為第一光學(xué)表面(1001),第二光學(xué)表面(1002),第三光學(xué)表面(1003),第四光學(xué)表面(1004),第五光學(xué)表面(1005),其中第三光學(xué)表面(1003)鍍有半透半反膜，第四光學(xué)表面(1004)鍍有反射膜；第一微顯示器件0- )、第一微結(jié)構(gòu)陣列器件(2’)、第一光學(xué)表面(1001),第二光學(xué)表面(1002),第三光學(xué)表面(1003)構(gòu)成第一套光場頭盔顯示裝置；第二微顯示器件(I”)、第二微結(jié)構(gòu)陣列器件(2”)、第二光學(xué)表面(1002),第三光學(xué)表面(1003),第四光學(xué)表面(1004)和第五光學(xué)表面(1005)構(gòu)成第二套光場頭盔顯示裝置； 第一微顯示器件0-)上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過第一微結(jié)構(gòu)陣列器件(2’)進(jìn)行折射或濾波后先經(jīng)過第一光學(xué)表面(1001)的折射,在第二光學(xué)表面(1002)上發(fā)生全反射,之后經(jīng)過第三光學(xué)表面(1003)反射,最后回到第二光學(xué)表面(1002),經(jīng)過第二光學(xué)表面(1002)的折射進(jìn)入人眼(7)； 第二微顯示器件(I”)上每個像素發(fā)出的光波經(jīng)過第二微結(jié)構(gòu)陣列器件(2”)進(jìn)行折射或濾波后先經(jīng)過第四光學(xué)表面(1004)的折射到第三光學(xué)表面(1003)，發(fā)生反射之后到達(dá)第五光學(xué)表面(1005),然后反射至第三光學(xué)表面(1003),經(jīng)過第三光學(xué)表面(1003)透射到第二光學(xué)表面(1002)，最后經(jīng)過第二光學(xué)表面(1002)的折射進(jìn)入人眼(7)。
【文檔編號】G02B27/22GK104007552SQ201410240121
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】王涌天, 宋維濤, 程德文, 劉越 申請人:北京理工大學(xué)