CN104007552B - 一种真实立体感的光场头盔显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真实立体感的光场头盔显示系统，包括一套以上的光场头盔显示装置，每套光场头盔显示装置均包括光学渲染实现模块以及依次排列的微显示器件、微结构阵列器件和光学目镜系统，通过采用微结构阵列器件将微显示器件的不同像素发出的光进行分束，形成空间光场，阵列的特征尺寸p的要求保证了至少两个像素形成的光束的方向不同，通过这种方式可以提供符合人眼自然视觉的稠密的空间光场，通过光学目镜系统改变空间光场，使得空间光场只在光学目镜的出瞳内生成，也就是说将这种光场显示系统的可视区域控制在单眼可观察的范围中，从而解决了头盔显示器中出现的人眼的汇聚和辐辏不一致问题。

Description

一种真实立体感的光场头盔显示系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实和增强现实领域，具体涉及一种实现真实立体感的光场头盔显示系统。

背景技术

显示装置是虚拟现实和增强现实领域中人机交互界面的重要组成部分，一方面头盔显示器作为一种近眼显示装置，由于可移动性、便捷性以及私密性，成为近年来显示领域中的科研和商业方面上的讨论热点，另一方面随着3D电影的出现，三维显示开始进入人们的视野，人们开始将头盔显示器应用于三维显示领域。

三维显示领域中，提供的待显示的图像是具有立体信息的，也就是说提供的图像是有一定深度的，待显示的虚拟物体成像在焦平面的前后，传统的头盔显示器只能够给人眼提供单个焦面的显示信息，人眼为了看清物体需要调节人眼的晶状体使得人眼聚焦到这个焦平面上，虚拟物体深度和焦平面的深度差异越大，人眼的汇聚和辐辏的差异就会越大，这样会造成人观察时候的不舒适感。尤其是当头盔显示器具有光学透射功能时，即人眼在观看真实环境的物体的同时可以看到虚拟场景的物体时，由于有外界真实的物体作为对比，这种汇聚和辐辏的差异所造成的不舒适感会更加明显。

为了缓解人眼的汇聚和辐辏不一致的问题，需要能够提供真实三维感的显示设备，目前科学工作者提出的真实三维感的显示设备主要有变焦面的头盔显示器和多焦面的头盔显示器。

其中，变焦面头盔显示器主要方法是在头盔显示器的使用过程中快速改变头盔显示设备中成像焦平面的位置，从而实现了人眼观察的屏幕的位置沿着深度方向的快速改变，具体可以通过改变像面的位置、光学系统的位置，使用液体透镜、变形镜、双折射率透镜或者其他电可控的改变头盔显示器中光学系统的焦距的方式来实现，但是如果快速改变成像平面位置的周期短于人眼的视觉暂留时间，会出现人眼前重建出多个焦平面的问题。

多焦面的头盔显示器的方案是在头盔显示器中使用多个显示装置，或者利用将一个显示装置拆分成多个进行使用，在整个系统进行设计的过程中，多个显示装置进行层叠的方式进行使用，而且多个显示装置在空间形成了不同深度的观察平面的位置，增加显示装置的数量会减轻人眼的汇聚和辐辏不一致的问题，但在空间中建立出的焦平面是有限的，仍然达不到人眼可以感知的空间深度的数量，且不完全符合人眼观察空间真实物体的属性，并不能完全解决人眼的汇聚和辐辏不一致造成的矛盾。

无论是变焦面的头盔显示器还是多焦面的头盔显示器，都是基于双目视差原理来实现三维显示的，虽然在一定程度上缓解了双眼辐辏位置不重合的问题，但是在设计过程中设置多个显示装置、或者插入分光镜、电可控的变焦器件，会增加系统的复杂性、体积和重量，会因为系统的复杂性、体积和重量的增加而增加人体感知的不舒适感，甚至导致系统过分庞大而导致无法佩戴。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种实现真实立体感的光场头盔显示系统，采用微结构阵列器件将微显示器件的不同像素发出的光进行分束，提供符合人眼自然视觉的稠密的空间光场，通过光学目镜系统改变空间光场，使得空间光场只在头盔显示装置的出瞳内生成即将这种光场显示系统的可视区域控制在单眼可观察的范围中，从而解决了头盔显示器中出现的人眼的汇聚和辐辏不一致问题。

本发明的一种真实立体感的光场头盔显示系统，该光场头盔显示系统包括一套以上的光场头盔显示装置，每套光场头盔显示装置均包括光学渲染实现模块以及依次排列的微显示器件、微结构阵列器件和光学目镜系统，所述光学渲染实现模块与微显示器件的输入端相连；

所述微结构阵列器件将微显示器件上每个像素发出的光波通过折射或滤波处理使其形成空间光束，且微显示器件中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，所有像素对应的空间光束形成空间光场；

所述每套光场头盔显示装置中的光学目镜系统将各自的空间光场汇聚在光场头盔显示系统的出瞳内；

所述微显示器件的每个像素对应的空间光束在所述头盔显示装置出瞳平面上形成的光斑的最大内切圆直径不大于2mm；

在对三维虚拟物体进行显示时,所述光学渲染实现模块根据空间光场的分布,即微显示器件的像素和空间光束中光线的对应关系,光学渲染实现模块计算光线与要显示的三维虚拟物体表面交点处的灰度值，则该交点处的灰度值即为该光线对应的微显示器件上像素的灰度值；所述光学渲染实现模块将每个像素的灰度值发给微显示器件，微显示器件根据接收到的灰度值进行显示。

较佳的，所述光学目镜系统的F数为F#，满足关系：0.5F#≤g/p≤2F#；

其中，g为微结构阵列器件的分光平面和微显示器件的显示平面的距离；

光学目镜系统的出瞳直径D满足4mm≤D≤25mm；光学目镜系统的出瞳距离L满足关系12mm≤L≤45mm。

所述微结构阵列器件的微结构的特征尺寸p不小于微显示器件上的2个像素。

较佳的，所述光学目镜系统采用离轴光学目镜系统，所述的离轴光学目镜系统有三个光学表面，第一光学表面，第二光学表面和第三光学表面，其中第三光学表面镀有反射膜；

微显示器件上每个像素发出的光波经过微结构阵列器件进行折射或滤波后射到光学目镜系统的第一光学表面，经其折射进入光学目镜系统，在第二光学表面上发生全反射到第三光学表面，经过第三光学表面反射回至第二光学表面，再经第二光学表面(302)折射进入人眼。

较佳的，所述光学目镜系统采用光学透射式离轴反射光学系统，该光学透射式离轴反射光学系统包括四个光学表面：第一表面、第二表面、第三表面和第四表面，其中，第三表面镀有半透半反膜；

微显示器件上每个像素发出的光波经过微结构阵列器件进行折射或滤波后先经过光学目镜系统的第一表面的折射后到达第二表面，在第二表面上发生全反射后到达第三表面，在第三个表面反射后回到第二表面，经过第二表面的折射进入人眼，同时外界真实世界的三维物体依次经过透过第四表面、第三表面和第二表面的透射，最后透射后进入人眼。

进一步的，本发明的光场头盔显示系统还包括半透半反镜，所述依次排列的微显示器件、微结构阵列器件和光学目镜系统置于人眼的斜上方，所述半透半反镜置于人眼的前方并位于所述光学目镜系统的透射光路中；所述半透半反镜的半反半透面接收光学目镜系统透射的空间光场，并将其反射进人眼，同时，半反半透面将外界真实场景透射至人眼。

本发明的光场头盔显示系统进一步包括中继光学系统，中继光学系统位于微显示器件和微阵列器件之间，将微显示器件发出的光束成实像在微结构阵列的表面。

所述的光场头盔显示系统包括两套以上且视场连续的光场头盔显示装置，所述多套光场头盔显示装置分布于在人眼前方，并相对于光轴对称，多套光场头盔显示装置的光学目镜系统将各自的光场汇聚在光场头盔显示系统的出瞳内。

本发明的光场头盔显示系统包括两套视场连续的光场头盔显示装置，其中每套光场头盔显示装置的光学目镜系统包括四个表面，分别为第一表面、第二表面、第三表面和第四表面；微显示器件的每个像素发出的光波经过微结构阵列器件折射或滤波后经过第一表面的折射后到达第二表面，经第二表面全反射后至第三表面，经过第三表面反射回至第二表面，经过第二表面折射后进入人眼，同时外界真实场景依次经第四表面、第三表面和第二表面的折射进入人眼。

本发明的光场头盔显示系统包括两套视场重合的光场头盔显示装置，还进一步包括半透半反镜：

第一套光场头盔显示装置位于人眼的斜上方，第二套光场头盔显示装置位于人眼的正前方，所述半透半反镜位于人眼的正前方，同时位于第一套光场头盔显示装置和第二套光场头盔显示装置的透射光路中；

第一套光场头盔显示装置中的第一光学目镜系统将第一微显示器件的每个像素的空间光场汇聚后经过半透半反镜的反射面反射至所述出瞳内；第二套光场头盔显示装置中的第二光学目镜系统将第二微显示器件的每个像素的空间光场汇聚后经过半透半反镜的透射面透射至所述出瞳内。

本发明的光场头盔显示系统包括两套光场头盔显示装置，且两套装置共用一个光学目镜系统，所述的光学目镜系统为离轴反射式光学目镜系统，包括五个光学表面，分别为第一光学表面，第二光学表面，第三光学表面，第四光学表面，第五光学表面，其中第三光学表面镀有半透半反膜，第四光学表面镀有反射膜；第一微显示器件、第一微结构阵列器件、第一光学表面，第二光学表面，第三光学表面构成第一套光场头盔显示装置；第二微显示器件、第二微结构阵列器件、第二光学表面，第三光学表面，第四光学表面和第五光学表面构成第二套光场头盔显示装置；

第一微显示器件上每个像素发出的光波经过第一微结构阵列器件进行折射或滤波后先经过第一光学表面的折射，在第二光学表面上发生全反射，之后经过第三光学表面反射，最后回到第二光学表面，经过第二光学表面的折射进入人眼；

第二微显示器件上每个像素发出的光波经过第二微结构阵列器件进行折射或滤波后先经过第四光学表面的折射到第三光学表面，发生反射之后到达第五光学表面，然后反射至第三光学表面，经过第三光学表面透射到第二光学表面，最后经过第二光学表面的折射进入人眼。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明通过对待显示的三维虚拟物体的光场进行重建来实现真实三维感的显示，而非基于双目视差原理来实现三维显示，不存在人眼的汇聚和辐辏不一致的问题，从而解决人眼通过头盔显示器观察图像时产生的不适问题。

2)本发明采用微结构阵列器件将微显示器件的不同像素发出的光进行分束，形成空间光场，阵列的特征尺寸p的要求保证了至少两个像素形成的光束的方向不同，通过这种方式可以提供符合人眼自然视觉的稠密的空间光场，通过光学目镜系统改变空间光场，使得空间光场只在光学目镜的出瞳内生成，也就是说将这种光场显示系统的可视区域控制在单眼可观察的范围中，从而解决了头盔显示器中出现的人眼的汇聚和辐辏不一致问题。

3)本发明微显示器上每个像素对应的空间光束出瞳平面的截面最大内切圆直径≤2mm，使得单个像素控制的光束进入人眼时候小于瞳孔大小,多像素实现了稠密的光场,通过对于光场信息的控制，可以使得人眼观察待显示物体时每一个显示物体上每个显示信息有不止一个光束进入人眼瞳孔，符合人眼正常观察时候的特性，可以解决人眼的汇聚和辐辏不一致问题，实现真实感三维显示。

4)本发明的微结构阵列器件的分光平面和微显示器件的显示平面的距离为g，光学目镜系统的F数为F#，满足关系：0.5F#≤g/p≤2F#，保证了目镜系统和微结构阵列器件的匹配，使得微显示器件上的像素能够充分利用，光学目镜系统的出瞳直径D满足4mm≤D≤25mm，在空间上压缩生成的空间光场所需的区域，该尺寸保证系统针对单目进行显示，光学目镜系统的出瞳距离L满足关系12mm≤L≤45mm，保证了系统能够方便的进行佩戴。

6)本发明中较佳实施例的光学目镜系统使用离轴反射光学系统可以在保证视场角和成像质量的基础上简化光学目镜系统。

7)本发明中较佳实施例的光场头盔显示系统加入半透半反镜这样人眼可以同时看到真实场景和虚拟三维物体。

8)本发明中较佳实施例的光学目镜系统采用三个表面棱镜的结构形式，减小了系统的体积，美化了系统的外观，当光学目镜系统具有光学透射式的功能，使用第四表面的设计为了消除用户在观察真实空间物体的时候由于第三表面和第二表面引起的像差和畸变。

9)本发明中较佳实施例加入了中继光学系统，从而使得在系统设计中不受微显示系统中保护器件、光学引擎等器件的厚度限制，可以更好的控制微结构阵列的分光平面和显示表面之间的距离g，从而提高系统的分辨率。

10)本发明中采用多套视场重合或视场连续的光场头盔显示装置组成光场头盔显示系统，这些装置的三维光场在视场上连续扩展，能够进一步扩大头盔显示系统的视场角。

附图说明

图1是本发明中真实立体感光场头盔显示系统结构示意图；

图2是本发明中微阵列结构的特征尺寸p小于两个像素时微结构阵列分光示意图；

图3是本发明中微阵列结构的特征尺寸p不小于两个像素时微结构阵列分光示意图；

图4是本发明中一维微结构阵列器件的分光特性示意图；

图5是本发明中二维微结构阵列器件的分光特性示意图；

图6是本发明中微显示器件的每个像素的空间光束示意图；

图7是本发明中实施例二真实立体感光场头盔显示系统示意图；

图8是本发明中实施例三真实立体感光场头盔显示系统示意图；

图9为本发明中实施例四真实立体感光场头盔显示系统示意图；

图10为本发明中实施例五真实立体感光场头盔显示系统示意图；

图11为本发明中实施例六真实立体感光场头盔显示系统示意图；

图12为本发明中实施例七真实立体感光场头盔显示系统示意图；

图13为本发明中实施例八真实立体感光场头盔显示系统示意图；

图14为本发明中实施例九真实立体感光场头盔显示系统示意图；

图15为本发明中实施例十真实立体感光场头盔显示系统示意图；

图16为本发明中实施例十一真实立体感光场头盔显示系统示意图；

1-微显示器件，2-微结构阵列器件，3-光学目镜系统，4-半透半反镜，5-中继透镜，7-人眼。

具体实施方式

下面结合附图并列举具体实施例，对于本发明作进一步的详细说明。

一种真实立体感的光场头盔显示系统，该光场头盔显示系统包括一套以上的光场头盔显示装置，如图1所示，每套光场头盔显示装置均包括光学渲染实现模块以及依次排列的微显示器件1、微结构阵列器件2和光学目镜系统3，其中，光学渲染实现模块与微显示器件1的输入端相连。

光学渲染实现模块根据待显示的三维物体计算微显示器件1的每个像素的灰度值并输出给微显示器件1；

微显示器件1的每个像素按照接收的灰度值进行显示；

微结构阵列器件2将微显示器件1上每个像素发出的光波通过折射或滤波处理使其形成空间光束，且微显示器件1中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，所有像素对应的空间光束形成空间光场；

每套光场头盔显示装置中的光学目镜系统3将各自的空间光场汇聚在光场头盔显示系统的出瞳内。

为了实现真实立体感显示，要求进入人眼瞳孔的光束要多于两个，因此，微显示器件1的每个像素对应的空间光束在所述头盔显示装置出瞳平面上形成的光斑的最大内切圆直径不大于2mm，才能使得至少有两个光束进入人眼7。人眼的瞳孔大小为2mm-8mm,空间光束在出瞳平面的光斑最大内切圆直径≤2mm可以保证单个像素发出的光束进入人眼时候小于瞳孔大小,每个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，在空间中形成的不再是一个只有二维信息的平面图像，而是密集的各个不同方向的光束组成的空间光场，从而保证了头盔显示装置形成稠密光场。由于空间光束在人眼瞳孔位置形成的光束小于瞳孔的大小，当图像进行显示的时候，显示的图像中的每一个点可以在人眼瞳孔中形成来自不同方向的光束，使得人眼可以聚焦到不同的位置，仅单目进行观察就可以进行三维显示，完全符合人眼平常自然观察到真实物体的方式，不存在人眼的聚焦位置和视差所导致的双眼辐辏位置不重合的现象。

人眼观测的位置即真实立体感的光场头盔显示系统的出瞳位置，光学渲染实现模块也是基于这个位置进行光场的渲染的。

需要说明的是，为了使得微显示器件1中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，微结构阵列的相邻两个阵列单元的中心距，即微结构特征尺寸p至少要大于微显示器件1的2个像素，如图2所示，当p小于微显示器件1的2个像素时，微显示器1的各个像素发出的光经微阵列器件2后方向都相同；如图3所示，而当p大于或等于微显示器件1的2个像素时，能够保证至少两个像素发出的光经阵列器件2后形成的光束方向不同，图中p大小等于3个像素尺寸，可以看到前三个像素经过微阵列器件2后产生了3个不同的方向，后三个像素也产生了3个不同方向，多个不同方向的光束在空间形成光场，由此实现真实立体感显示。

进一步的，本发明中的光学目镜系统的F数为F#，其满足关系：0.5F#≤g/p≤2F#，保证了光学目镜系统3和微结构阵列器件2的匹配，使得微显示器件1上的各个像素被充分利用，当g/p＜0.5F#时，像素没有利用完全，使得分辨率降低；当g/p＞2F#时，光学目镜系统的出瞳变小，当人眼7产生微小的晃动时就会导致人眼7错开出瞳位置，影响人眼7观察三维物体。由于4mm是人眼的瞳孔尺寸，而25mm大概是人眼瞳距的一半，光学目镜系统3的出瞳直径D满足4mm≤D≤25mm，该尺寸保证光场头盔显示系统针对单目进行显示，能够将空间光场压缩成所需的大小；光学目镜系统3的出瞳距离L满足关系12mm≤L≤45mm，最小12mm的尺寸可允许用户佩戴框架式眼镜，小于45mm保证系统体积不至于太大。

分光平面为微结构阵列器件2具有分光作用的平面；显示平面为微显示器件1进行发光显示的面；分光作用由微结构阵列器件2的微结构对光束进行折射或者空间滤波来实现。

微显示器件1可以为单个微显示器件，如OLED、LCD，或由独立的微显示单元和照明光学引擎共同组成的微显示系统，如LCOS，DMD。

微结构阵列器件2为一维的阵列，如柱面光栅，或是二维的阵列，如微透镜阵列，针孔阵列，一维阵列排列可以是斜向的，也可以是竖直或者水平的，如图4所示，为一维阵列微结构阵列及光波分束后方向示意图，二维阵列可以是矩形排列的，也可以是六边形排列的，也可以三角形排列或者其他多边形形状排列，如图5所示，为二维阵列微透镜阵列及光波分束后的方向示意图。

下面对光学渲染实现模块计算微显示器件1的每个像素的颜色灰度值的方法进行介绍：

首先，对微显示器件1的每个像素经微结构阵列器件2和光学目镜系统3到达出瞳位置的光线进行追迹，获得每个像素的空间光场，然后利用该空间光场和待显示的三维虚拟物体进行三维图像的光场渲染，如图6所示，具体方法为：

头盔显示装置中的微显示器件1上的每个像素发出的光经过微结构阵列器件2和光学目镜系统3后在出瞳位置形成具有特定方向的光束(至少两个像素形成的光束的方向不同)。如图6所示，假设微显示器件1上的每个像素经微结构阵列2后形成的空间光束，每个像素对应的空间光束由无数条光线组成，光线在空间与带显示的三维虚拟物体表面形成交点，交点处的灰度值即为该光线对应的微显示器件1的像素应该渲染的灰度值，因此，对于本发明当头盔显示装置进行三维虚拟物体的显示时，若想获得三维虚拟物体显示所需要的该像素的灰度值，需要对于像素形成的空间光束中的光线进行抽样，使用光线追踪方法或其他计算机图形学的渲染方法计算各个光线需要渲染的灰度值，之后对获得的灰度值进行加权平均获得装置中微显示器件1上对应像素的灰度值，抽样光线的数量可以是一条也可以是多条，此外，在计算微显示器件1上每个像素应该显示的灰度值时，可以使用子像素代替整个像素的计算过程以增加空间光场的分辨率，还可以利用空间光束的几何关系，使用批处理的方法或者是GPU并行计算的方法进行上述过程，但是不改变本发明的提出的方法核心思想。

采用上述方法将获得每个像素应该显示的灰度值赋给微显示器件1上，即可以在系统出瞳处渲染出待显示的三维虚拟物体的三维光场，人眼在系统出瞳位置进行观察时，获得的不再是单一显示平面的图像信息，而是一个稠密的光场。通过光学渲染实现模块对于光场信息的控制，可以使得人眼观察待显示三维虚拟物体时不止一个光束进入人眼瞳孔，符合人眼正常观察时候的特性，从而可以解决了人眼的汇聚和辐辏不一致问题。

实施例一：

一种真实立体感光场头盔显示系统，包括依次排列的微显示器件1、微结构阵列器件2、光学目镜系统3和光学渲染实现模块，光学渲染实现模块连接微显示器件1。

该实施例中的光学目镜系统3为透射旋转对称光学系统，为包含多片同轴透镜的透镜组，实际使用过程中光学目镜系统3不限于透射旋转对称光学系统。

微显示器件1上的每一个像素发出的光波，经过微结构阵列器件2后被分成不同方向的光波，形成空间光场，空间光场经过光学目镜系统3后汇聚进入人眼。

实施例二

一种真实立体感光场头盔显示系统，包括光学渲染实现模块以及在人眼7斜上方依次排列的微显示器件1、微结构阵列器件2和光学目镜系统3，光学渲染实现模块与微显示器件1的输入端相连。

如图7所示，该实施例中的光学目镜系统3为离轴反射式光学目镜系统，该离轴反射式光学目镜系统有三个表面，第一光学表面301，第二光学表面302和第三表面303，其中第三光学表面303镀有反射膜，三个光学表面可以是平面、球面、非球面，也可以是没有对称性质的自由曲面表面，实际使用过程中光学目镜不限于三个表面的离轴反射光学系统。光学目镜系统3使用离轴反射光学系统可以在保证视场角和成像质量的基础上简化光学目镜系统。

微显示器件1每个像素发出的光波经过微结构阵列器件2进行分光后射到光学目镜系统3的第一光学表面301后再折射进入光学目镜系统3，在第二光学表面302上发生全反射到第三光学表面303，经过第三光学表面303反射回至第二光学表面302，折射进入人眼。

实施例三

一种真实立体感光场头盔显示系统，包括光学渲染实现模块以及在人眼7斜上方依次排列的微显示器件1、微结构阵列器件2和光学目镜系统3，光学渲染实现模块与微显示器件1的输入端相连。如图8所示，还包括位于人眼前方的半透半反镜4。微结构阵列器件2将微显示器件1每个像素发出的光波进行折射或滤波，形成空间光场，空间光场经过光学目镜系统3的准直后经过半透半反镜4的反射进入人眼，同时真实场景经过半透半反镜4透射进入人眼，这样人眼可以同时看到真实场景和虚拟三维物体。

实施例四

一种真实立体感光场头盔显示系统，包括光学渲染实现模块以及在人眼7斜上方依次排列的微显示器件1、微结构阵列器件2和光学目镜系统3，光学渲染实现模块与微显示器件1的输入端相连。

如图9所示，该实施例中的光学目镜系统3为光学透射式离轴反射光学系统，该光学透射式离轴反射光学系统有四个表面，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镀设有半透半反膜。四个表面可以是平面、球面、非球面以及没有对称性质的自由曲面表面。但是实际使用过程中光学透射式光学目镜不限于四个表面的离轴反射光学系统。光学目镜系统3使用光学透射式离轴反射光学系统可以在保证视场角和成像质量的基础上简化光学目镜系统。

微显示器件1上每个像素发出的光波经过微结构阵列器件2进行分光后先经过光学目镜系统3的第一表面401的折射后到达第二表面402，在第二表面402上发生全反射后到达第三表面403，在第三个表面403反射后回到第二表面402经过第二表面402的折射进入人眼，同时外界真实世界的三维物体透过光学目镜的第四表面404的透射至第三表面403，然后透射至第二表面402，最后透射后进入人眼7，人眼7可以同时看到真实场景和虚拟三维物体。第四表面404的设计是为了消除第三表面403和第二表面402引起的像差和畸变。

实施例五

一种真实立体感光场头盔显示系统，包括依次排列的微显示器件1、微结构阵列器件2、光学目镜系统3和光学渲染实现模块，此外还包括中继光学系统5，光学渲染实现模块连接微显示器件1。中继光学系统5位于微显示器件1和微结构阵列器件2之间，将微显示器件1发出的光束成实像在微结构阵列器件2的表面显示，光学渲染实现模块连接微显示器件1，如图10所示。

微显示器件1的每个像素发出的光波经过中继光学系统5后形成虚的显示平面，如图10中的虚线所示，虚的显示平面上的光波经过微结构阵列器件2进行分束，形成不同方向的空间光束，经过光学目镜3准直后进入人眼。由于中继光学系统5的存在，可以使得微显示器件1的显示表面成像在任意位置，从而使得在系统设计中不受微显示器件1中保护器件、光学引擎等器件的厚度限制，可以更好的控制微结构阵列的分光平面和显示表面之间的距离g，从而提高系统的分辨率。

实施例六

一种真实立体感光场头盔显示系统，包括光学渲染实现模块以及人眼7斜上方依次排列的微显示器件1、微结构阵列器件2和光学目镜系统3，光学渲染实现模块连接微显示器件1。如图11所示，本实施例中的显示装置还包括半透半反镜4和中继光学系统5，中继光学系统5位于微显示器件1和微阵列器件2之间，半透半反镜4位于人眼前方，将微显示器件1发出的光束成实像在微结构阵列2的表面，虚的显示平面上的光波经过微结构阵列器件2进行分束，形成不同方向的空间光束，经过光学目镜系统3准直后，经过半透半反镜4的反射进入人眼，同时真实场景经过半透半反镜4的透射进入人眼，这样人眼可以同时看到真实场景和虚拟三维物体。

实施例七

一种真实立体感光场头盔显示系统，如图12所示，包括两套光场头盔显示装置，两套真实立体感光场头盔显示装置形成的空间光场在视场角上连续扩展，具体包括第一微显示器件1、第一微结构阵列器件2、第一光学目镜系统3、第一光学渲染及实现模块，第二个微显示器件1’、第二个微结构阵列器件2’、第二光学目镜系统3’和第二光学渲染及实现模块。本实施例中的第一光学目镜系统3和第二光学目镜系统3’均为共轴透射系统。

第一微结构阵列器件2将第一微显示器件1的每个像素发出的光波进行分束形成空间光场，空间光场经过第一光学目镜系统3的准直后进入人眼，同时第二微结构阵列器件2’将第二微显示器件1’的每个像素发出的光波进行分束形成空间光场，空间光场经过第二光学目镜系统3’准直后进入人眼，两套真实立体感光场头盔显示装置形成的空间光场在视场角上连续扩展，从而扩大了真实立体感光场头盔显示装置的视场角。

实施例八

一种真实立体感光场头盔显示系统，如图13所示，包括三套图1所示的真实立体感光场头盔显示装置，这些装置的三维光场视场上连续扩展，能够进一步扩大视场角。

实施例九

一种真实立体感光场头盔显示系统，如图14所示，包括两套光场头盔显示装置，两套装置的三维光场视场上连续扩展，具体包括第一微显示器件1、第一微结构阵列器件2、第一光学目镜系统3、第一光学渲染及实现模块、第二个微显示器件1’、第二个微结构阵列器件2’、第二个光学目镜系统3’、第二光学渲染及实现模块。本实施例中的第一光学目镜系统3和第二光学目镜系统3’为光学透射式离轴反射式光学系统。第一光学目镜系统3有四个表面，分别为第一表面1201，第二表面1202，第三表面1203和第四表面1204，第二光学目镜3’有四个表面，分别为第一表面1201’，第二表面1202’，第三表面1203’和第四表面1204’。

第一微显示器件1的每个像素发出的光波经过第一微结构阵列器件2分光后经过第一光学目镜系统3第一表面1201的折射后到达在第二表面1202，全反射后经过第三表面1203反射回至第二表面1202，经过第二表面1202折射后进入人眼，同时外界真实世界透过光学目镜系统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的折射进入人眼。

第二微显示器件1’的每个像素发出的光波经过第二微结构阵列器件2’分光后经过第二光学目镜系统3’的第一表面1201’折射后到达在第二表面1202’，全反射后经过第三表面1203’反射回至第二表面1202’，经过第二表面1202’折射后进入人眼，同时外界真实世界透过光学目镜系统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’的折射进入人眼。

第四表面1204和1204’的设计为了消除虚拟三维物体显示光路表面引起的像差和畸变。人眼可以同时看到由两个微显示器件形成的不同的三维光场，同时三维光场视场上连续扩展，扩大了视场角，该实施例中，光学目镜系统使用离轴反射光学系统可以在保证视场角和成像质量的基础上简化光学目镜，同时使得人眼同时看到真实场景和虚拟三维物体。

实施例十

一种真实立体感光场头盔显示系统，该光场头盔显示系统包括两套视场重合的光场头盔显示装置，还进一步包括半透半反镜4，如图15所示。

第一套光场头盔显示装置位于人眼7的斜上方，第二套光场头盔显示装置位于人眼7的正前方，所述半透半反镜4位于人眼7的正前方，同时位于第一套光场头盔显示装置和第二套光场头盔显示装置的透射光路中。

第一套光场头盔显示装置中的第一光学目镜系统3’将第一微显示器件1’的每个像素的空间光场汇聚后经过半透半反镜4的反射面反射至所述出瞳内；第二套光场头盔显示装置中的第二光学目镜系统3”将第二微显示器件1”的每个像素的空间光场汇聚后经过半透半反镜4的透射面透射至所述出瞳内。

使用两套真实立体感光场头盔显示装置形成了两个不同的空间光场进入人眼，两个空间光场的视场角相互重叠从而增加真实立体感光场头盔显示装置的分辨率。

实施例十一

一种真实立体感光场头盔显示系统，如图16所示，包括两套光场头盔显示装置，具体包括第一微显示器件1、第一微结构阵列器件2、第一光学渲染及实现模块第二微显示器件1’、第二微结构阵列器件2’、第二光学渲染及实现模块和光学目镜系统3，光学目镜系统3为离轴反射式光学目镜，该光学目镜系统3有五个表面，分别为第一光学表面1001，第二光学表面1002，第三光学表面1003，第四光学表面1004，第五光学表面1005，其中第三光学表面1003表面镀有半透半反膜，第四光学表面1004表面镀有反射膜。第一微显示器件1、第一微结构阵列器件2、第一光学表面1001，第二光学表面1002，第三光学表面1003构成第一套真实立体感光场头盔显示装置，而第二微显示器件1’、第二微结构阵列器件2’、第二光学表面1002，第三光学表面1003，第四光学表面1004，第五光学表面1005构成第二套真实立体感光场头盔显示装置。

第一微显示器件1上每个像素发出的光波经过第一微结构阵列器件2进行分光后先进过第一光学表面1001的折射，在第二光学表面1002上发生全反射，之后经过第三光学表面1003反射，最后回到第二光学表面1002，经过第二光学表面1002的折射进入人眼。第二微显示器件1’上每个像素发出的光波经过第二微结构阵列器件2’进行分光后先经过第四光学表面1004的折射到第三光学表面1003上发生反射之后后到达第五光学表面1005，然后反射至第三光学表面1003，经过第三光学表面1003透射到第二光学表面1002，之后经过第二光学表面1002的折射进入人眼。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种真实立体感的光场头盔显示系统，其特征在于：该光场头盔显示系统包括一套以上的光场头盔显示装置，每套光场头盔显示装置均包括光学渲染实现模块以及依次排列的微显示器件(1)、微结构阵列器件(2)和光学目镜系统(3)，所述光学渲染实现模块与微显示器件(1)的输入端相连；

所述微结构阵列器件(2)将微显示器件(1)上每个像素发出的光波通过折射或滤波处理使其形成空间光束，且微显示器件(1)中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，所有像素对应的空间光束形成空间光场；

所述每套光场头盔显示装置中的光学目镜系统(3)将各自的空间光场汇聚在光场头盔显示系统的出瞳内；

所述微显示器件(1)的每个像素对应的空间光束在所述头盔显示装置出瞳平面上形成的光斑的最大内切圆直径不大于2mm；

在对三维虚拟物体进行显示时,所述光学渲染实现模块根据空间光场的分布,即微显示器件(1)的像素和空间光束中光线的对应关系,光学渲染实现模块计算光线与要显示的三维虚拟物体表面交点处的灰度值，则该交点处的灰度值即为该光线对应的微显示器件(1)上像素的灰度值；所述光学渲染实现模块将每个像素的灰度值发给微显示器件(1)，微显示器件(1)根据接收到的灰度值进行显示；所述光学目镜系统(3)的F数为F#，满足关系：0.5F#≤g/p≤2F#；

其中，g为微结构阵列器件(2)的分光平面和微显示器件(1)的显示平面的距离；

光学目镜系统(3)的出瞳直径D满足4mm≤D≤25mm；光学目镜系统(3)的出瞳距离L满足关系12mm≤L≤45mm；

所述微结构阵列器件(2)的微结构的特征尺寸p不小于微显示器件(1)上的2个像素，其中，特征尺寸p是指微结构阵列器件(2)的相邻两个阵列单元的中心距。

2.如权利要求1所述的光场头盔显示系统，其特征在于，所述光学目镜系统(3)采用离轴光学目镜系统，所述的离轴光学目镜系统有三个光学表面，第一光学表面(301)，第二光学表面(302)和第三光学表面(303)，其中第三光学表面(303)镀有反射膜；

微显示器件(1)上每个像素发出的光波经过微结构阵列器件(2)进行折射或滤波后射到光学目镜系统(3)的第一光学表面(301)，经其折射进入光学目镜系统(3)，在第二光学表面(302)上发生全反射到第三光学表面(303)，经过第三光学表面(303)反射回至第二光学表面(302)，再经第二光学表面(302)折射进入人眼(7)。

3.如权利要求1所述的光场头盔显示系统，其特征在于：所述光学目镜系统(3)采用光学透射式离轴反射光学系统，该光学透射式离轴反射光学系统包括四个光学表面：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)镀有半透半反膜；

微显示器件(1)上每个像素发出的光波经过微结构阵列器件(2)进行折射或滤波后先经过光学目镜系统(3)的第一表面(401)的折射后到达第二表面(402)，在第二表面(402)上发生全反射后到达第三表面(403)，在第三表面(403)反射后回到第二表面(402)，经过第二表面(402)的折射进入人眼(7)，同时外界真实世界的三维物体依次经过透过第四表面(404)、第三表面(403)和第二表面(402)的透射，最后透射后进入人眼。

4.如权利要求1所述的光场头盔显示系统，其特征在于：还包括半透半反镜(4)，所述依次排列的微显示器件(1)、微结构阵列器件(2)和光学目镜系统(3)置于人眼(7)的斜上方，所述半透半反镜(4)置于人眼(7)的前方并位于所述光学目镜系统(3)的透射光路中；所述半透半反镜(4)的半反半透面接收光学目镜系统(3)透射的空间光场，并将其反射进人眼(7)，同时，半反半透面将外界真实场景透射至人眼(7)。

5.如权利要求1所述的光场头盔显示系统，其特征在于：所述的光场头盔显示系统进一步包括中继光学系统(5)，中继光学系统(5)位于微显示器件(1)和微结构阵列器件(2)之间，将微显示器件(1)发出的光束成实像在微结构阵列器件(2)的表面。

6.如权利要求1所述的光场头盔显示系统，其特征在于：所述的光场头盔显示系统包括两套以上且视场连续的光场头盔显示装置，所述两套以上的光场头盔显示装置分布在人眼(7)前方，并相对于光轴对称，多套光场头盔显示装置的光学目镜系统将各自的光场汇聚在光场头盔显示系统的出瞳内。

7.如权利要求6所述的光场头盔显示系统，其特征在于：该光场头盔显示系统包括两套视场连续的光场头盔显示装置，其中每套光场头盔显示装置的光学目镜系统(3)包括四个表面，分别为第一表面(1201)、第二表面(1202)、第三表面(1203)和第四表面(1204)；微显示器件(1)的每个像素发出的光波经过微结构阵列器件(2)折射或滤波后经过第一表面(1201)的折射后到达第二表面(1202)，经第二表面(1202)全反射后至第三表面(1203)，经过第三表面(1203)反射回至第二表面(1202)，经过第二表面(1202)折射后进入人眼(7)，同时外界真实场景依次经第四表面(1204)、第三表面(1203)和第二表面(1202)的折射进入人眼(7)。

8.如权利要求1所述的光场头盔显示系统，其特征在于：该光场头盔显示系统包括两套视场重合的光场头盔显示装置，还进一步包括半透半反镜(4)：

第一套光场头盔显示装置位于人眼(7)的斜上方，第二套光场头盔显示装置位于人眼(7)的正前方，所述半透半反镜(4)位于人眼(7)的正前方，同时位于第一套光场头盔显示装置和第二套光场头盔显示装置的透射光路中；

第一套光场头盔显示装置中的第一光学目镜系统(3’)将第一微显示器件(1’)的每个像素的空间光场汇聚后经过半透半反镜(4)的反射面反射至所述出瞳内；第二套光场头盔显示装置中的第二光学目镜系统(3”)将第二微显示器件(1”)的每个像素的空间光场汇聚后经过半透半反镜(4)的透射面透射至所述出瞳内。

9.如权利要求1所述的光场头盔显示系统，其特征在于：该光场头盔显示系统包括两套光场头盔显示装置，且两套装置共用一个光学目镜系统(3)，所述的光学目镜系统(3)为离轴反射式光学目镜系统，包括五个光学表面，分别为第一光学表面(1001)，第二光学表面(1002)，第三光学表面(1003)，第四光学表面(1004)，第五光学表面(1005)，其中第三光学表面(1003)镀有半透半反膜，第四光学表面(1004)镀有反射膜；第一微显示器件(1’)、第一微结构阵列器件(2’)、第一光学表面(1001)，第二光学表面(1002)，第三光学表面(1003)构成第一套光场头盔显示装置；第二微显示器件(1”)、第二微结构阵列器件(2”)、第二光学表面(1002)，第三光学表面(1003)，第四光学表面(1004)和第五光学表面(1005)构成第二套光场头盔显示装置；

第一微显示器件(1’)上每个像素发出的光波经过第一微结构阵列器件(2’)进行折射或滤波后先经过第一光学表面(1001)的折射，在第二光学表面(1002)上发生全反射，之后经过第三光学表面(1003)反射，最后回到第二光学表面(1002)，经过第二光学表面(1002)的折射进入人眼(7)；

第二微显示器件(1”)上每个像素发出的光波经过第二微结构阵列器件(2”)进行折射或滤波后先经过第四光学表面(1004)的折射到第三光学表面(1003)，发生反射之后到达第五光学表面(1005)，然后反射至第三光学表面(1003)，经过第三光学表面(1003)透射到第二光学表面(1002)，最后经过第二光学表面(1002)的折射进入人眼(7)。