CN115145036A - 基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置和显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置和显示方法。本发明装置包括光源阵列、透镜、分束器、空间光调制器、中继光学系统、光源阵列控制器、空间光调制器驱动器以及总控制器。光源阵列中不同位置点光源发出的光线被透镜准直成不同角度的平行光照明空间光调制器，经空间光调制器上的计算全息图调制并衍射，衍射的图像光通过中继光学系统会聚到出瞳位置供人眼观看。本发明在保证出瞳大小一定的情况下通过时序依次点亮不同位置点光源来增加观看图像的可视角度范围以及图像分辨率，采用视场角分时扫描的方法同时实现大视场角和大出瞳的高分辨全息近眼显示。

Description

基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置和显示 方法

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置和显示方法。

背景技术

在传统的近眼显示技术当中，一般是利用双目视觉原理给人呈现具有立体信息的三维图像，但这种方式往往存在着辐辏-调节冲突问题，因为人的双目视差形成的深度感知和单目调节形成的深度感知具有差异，从而在长时间佩戴设备后会引起使用者眼镜疲劳、头晕、恶心等一系列不适感。

基于全息的显示技术可以从根本上解决辐辏-调节冲突问题。全息显示技术利用干涉原理将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，再利用光的衍射原理在一定条件下将物光波还原，由于这种技术保留了物光波的全部振幅和位相信息，因此可生成真实的三维场景，是一种真实空间的三维显示技术，不存在传统双目视差方法带来的辐辏-调节冲突问题。

而全息近眼显示一般采用振幅或相位型的空间光调制器加载计算全息图来数字再现三维场景。参考光入射至空间光调制器，由空间光调制器进行相位、振幅或相位与振幅一起调制后衍射经光学系统聚焦在人眼，可以让用户以符合人眼特性的方式观察三维图像内容，不存在传统双目视差方法带来的辐辏-调节冲突问题。然而，对于基于全息原理的近眼显示系统，其图像显示效果仍然很大程度上受到空间光调制器特性的制约，其中最为突出的问题，就是空间光调制器的像素总数决定了显示系统的空间带宽积，限制了系统能呈现的数据总量，从而导致视场角和眼瞳箱相互制约。如果眼瞳箱太小，近眼显示设备晃动或眼睛转动，就无法观看到整幅显示画面或仅能观看到不完整的画面，极大降低用户体验。而视场角也是一个提升视觉体验的重要因素，它直接决定着能够看到的虚拟图像的画幅大小，视场角越大显示虚拟图像面积越大，越接近人眼自然观看场景，沉浸式体验的效果也就越好。而现有的全息近眼显示在眼瞳箱尺寸满足正常观看需求的情况下，视场角的范围非常小。即使实现大视场角，但图像分辨率不高，颗粒感较大。因此需要在保证眼瞳箱尺寸满足正常观看需求的情况下，实现大视场角高分辨的全息近眼显示。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的是克服已有技术存在的不足，提供一种基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置和显示方法，能够在保证出瞳大小一定的情况下实现视场角的扫描扩展。

为了达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置，包括光源阵列、透镜、分束器、空间光调制器及驱动系统、中继光学系统、光源阵列控制器、总控制器；构成虚拟现实式全息近眼显示装置；其中：

光源阵列用于提供照明光，与光源阵列控制器相连接；

透镜的前焦面设有光源阵列，用于产生不同角度的宽光束平行光；

分束器将透镜准直的平行光反射照射到空间光调制器的有效工作区域上；

空间光调制器及驱动系统通过驱动将相应视场角的计算全息图加载到空间光调制器上，对照射在上面的不同角度平行光进行衍射调制，其与总控制器相连接；

中继光学系统将空间光调制器成像到人眼瞳孔附近，保证空间光调制器和人眼瞳孔面基本成共轭关系；

光源阵列控制器控制光源阵列中每个点光源的开关及出光强度，其与总控制器相连接；

总控制器用于计算光源阵列中需点亮的点光源位置和相应出光强度，以及空间光调制器上所需加载的相应全息图序列，并通过光源阵列控制器和空间光调制器及驱动系统同步控制。

优选地，还包括合光器，位于所述中继光学系统之后，用于让外界光直接透过进入人眼，构成增强现实式全息近眼显示装置。

优选地，所述的光源阵列为二维排列的LED点光源阵列加窄带滤光片的组合；

优选地，所述的光源阵列为二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列。

优选地，所述的光源阵列为面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列。其中，主动开关阵列可以机械式的电子小孔快门阵列，也可以是液晶开关阵列。

优选地，所述的透镜是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组。

优选地，所述的空间光调制器及驱动系统由反射型空间光调制器和空间光调制器驱动器组成；其中，所述的反射型空间光调制器可以为相位型空间光调制器，或振幅型空间光调制器，或振幅相位混合型空间光调制器。

优选地，所述的空间光调制器及驱动系统由透射型空间光调制器和空间光调制器驱动器组成；其中，所述的透射型空间光调制器可以为相位型空间光调制器，或振幅型空间光调制器，或振幅相位混合型空间光调制器。

优选地，所述的中继光学系统由第一中继透镜和第二中继透镜组成的4f光学成像系统，将空间光调制器成像到人眼瞳孔附近。

优选地，所述的第一中继透镜和所述的第二中继透镜的光轴重合，第一中继透镜的后焦点与第二中继透镜的前焦点重合。第一中继透镜可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组；第二中继透镜可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

优选地，所述的合光器是由分束器和透镜，或分束器和凹面反射镜构成的合光系统，也可以是半透半反的曲面合光器或者具有类似功能的全息光学元件。

优选地，还包括眼动追踪系统，其由眼动追踪驱动器和眼动追踪传感器构成，与总控制器相连接，用于追踪人眼瞳孔的中心位置；分别构成自动调节视场范围的虚拟现实式全息近眼显示装置，或包含合光器的自动调节视场范围的增强现实式全息近眼显示装置。

优选地，所述的眼动追踪传感器是CCD或CMOS相机模块，或是多个单点探测器的组合。

一种基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示方法，采用本发明基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置进行操作，操作步骤如下：

第一步：人眼瞳孔中心位置(x₀,y₀)一定，总控制器计算光源阵列中点光源的发光位置、发光时序与出光强度。根据瞳孔中心位置以及视场角的范围，确定该瞳孔中心位置在光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，为m_x1行到m_x2行，n_y1列到n_y2列包围的区域。

第二步：总控制器根据光源阵列中点光源的发光位置，对相应位置和相应帧数需要加载的全息图序列进行计算，并根据空间光调制器的类型进行相应编码。根据光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，对全息图进行相应编码得到全息图序列为[H_(x1,y1),…,H_(x2,y2)]。

第三步：总控制器通过光源阵列控制器依次点亮需点亮的光源阵列区域中从(m_x1,n_y1)到(m_x2,n_y2)间的所有点光源，并通过空间光调制器驱动器控制空间光调制器加载相应的全息图序列[H_(x1,y1),…,H_(x2,y2)]。依次点亮的点光源需要和空间光调制器加载的全息图相对应，每点亮一个光源阵列区域内的点光源(m_x,n_y)，加载一帧与之对应的全息图H_(x,y)，保证点光源的切换频率与全息图序列的刷新帧频相匹配。光源阵列控制器控制光源阵列中点光源的开关与空间光调制器驱动控制空间光调制器加载相应全息图是在总控制器的控制下同步进行的；(其中，m_x1≤m_x≤m_x2,m_y1≤m_y≤m_y2；x1≤x≤x2,y1≤y≤y2)。

第四步：根据系统共轭关系，中继光学系统将空间光调制器成像到人眼瞳孔处附近。

第五步：在人眼瞳孔中心不动的情况下，人眼观看到该系统呈现的大视角高分辨的全息三维图像。

一种视场随人眼自动调节的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示方法，采用本发明所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置进行操作，操作步骤如下：

第一步：若人眼转动θ角度时，根据眼动追踪系统实时获得人眼瞳孔中心位置(x,y)。

第二步：总控制器计算并通过光源阵列控制器控制光源阵列中点光源的发光位置、发光时序与出光强度。根据人眼转动θ角度后的瞳孔中心位置以及视场角的范围，确定该瞳孔位置(x,y)在光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，为m_xa行到m_xb行，n_ya列到n_yb列包围的区域。

第三步：总控制器根据光源阵列中点光源的发光位置，对相应位置和相应帧数需要加载的全息图序列进行计算，并根据空间光调制器的类型进行相应编码。根据光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，对全息图进行相应编码得到全息图序列为[H_(xa,ya),…,H_(xb,yb)]。

第四步：总控制器通过控制光源阵列控制器依次点亮需点亮的光源阵列区域中从(m_xa,n_ya)到(m_xb,n_yb)间的所有点光源，并通过空间光调制器驱动器控制空间光调制器加载相应的全息图序列[H_(xa,ya),…,H_(xb,yb)]。依次点亮的点光源需要和空间光调制器加载的全息图相对应，每点亮一个光源阵列区域内的点光源(m_x,n_y)，加载一帧与之对应的全息图H_(x,y)，保证点光源的切换频率与全息图序列的刷新帧频相匹配。光源阵列控制器控制光源阵列中点光源的开关与空间光调制器驱动控制空间光调制器加载相应全息图是在总控制器的控制下同步进行的；(其中，m_xa≤m_x≤m_xb,m_ya≤m_y≤m_yb；xa≤x≤xb,ya≤y≤yb)。

第五步：根据系统共轭关系，中继光学系统将空间光调制器成像到人眼瞳孔处附近。

第六步：人眼观看到该系统呈现的大视角高分辨的全息三维图像。当人眼瞳孔旋转后，跳转到第一步，继续上述步骤流程。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明基于光源阵列的大视场角全息近眼显示装置和显示方法，通过时序依次点亮不同位置的点光源控制平行光线入射至空间光调制器的工作位置，经过空间光调制器上加载的全息图衍射调制后通过中继光学系统进而会聚到人眼瞳孔所在位置，在出瞳大小不变的情况下，增加观看图像的可视角度范围，从而实现了大视场角全息近眼显示；

2.本发明基于光源阵列的高分辨全息近眼显示装置和显示方法，通过时序依次点亮不同位置的点光源，空间光调制器加载相应序列的全息图，保证点光源的切换频率与全息图序列的刷新帧频相匹配，通过图像的高速刷新，从而实现了高分辨全息近眼显示。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于反射型空间光调制器的虚拟现实式大视场角高分辨全息近眼显示系统的结构示意图。

图2为本发明实施例2提供的基于反射型空间光调制器的增强现实式大视场角高分辨全息近眼显示系统的结构示意图。

图3为本发明实施例3提供的基于透射型空间光调制器的虚拟现实式大视场角高分辨全息近眼显示系统的结构示意图。

图4为本发明实施例4提供的基于透射型空间光调制器的增强现实式大视场角高分辨全息近眼显示系统的结构示意图。

图5为本发明实施例5提供的视场角随人眼自动调节的虚拟现实式大视场角高分辨全息近眼显示系统的结构示意图。

图6为本发明实施例5中，以矩形光源阵列为例，眼睛旋转前后与对应的光源阵列中的点亮光源区域示意图。

图7为本发明实施例提供的基于光源阵列的大视场角高分辨的全息近眼显示方法示意流程图。

图8为本发明实施例提供的用于视场随人眼自动调节的大视场角高分辨全息近眼显示方法示意流程图。

图中：100为光源阵列、101为点光源、110为透镜、120为分束器、130为空间光调制器及驱动系统、131为反射型空间光调制器、132为空间光调制器驱动器、140为中继光学系统、141为第一中继透镜、142为第二中继透镜、150为光源阵列控制器、160为总控制器、170为合光器件、331为透射型空间光调制器、510为眼动追踪系统、511为眼动追踪驱动器、512为眼动追踪传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例1

本实施例用于虚拟现实式的大视场角高分辨全息近眼显示装置的一个实施例，如图1所示，所述的全息近眼显示装置包括光源阵列100、透镜110、分束器120、空间光调制器及驱动系统130、中继光学系统140、光源阵列控制器150、总控制器160。

所述的光源阵列100一般是由多个点光源101构成的二维阵列，用于提供照明光，与光源阵列控制器150相连接。由光源阵列控制器150控制光源阵列100中每个点光源101的开关及出光强度。该光源阵列控制器150与总控制器160相连接；所述的光源阵列100由二维排布的多个点光源101构成，其排列方式与空间光调制器的衍射角以及视场角扩展的范围和精度相关。光源阵列100中的每个点光源101可以根据实际需要和系统要求选择合适的数量和排布，每个点光源在眼瞳平面对应着一定的视场角范围。而且所述光源阵列100的形状可以是矩形，也可以是圆形或其他形状。所述的光源阵列100为二维排列的LED点光源阵列加窄带滤光片的组合，或为二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列，或为面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列。其中，主动开关阵列可以机械式的电子小孔快门阵列，也可以是液晶开关阵列。

在所述的透镜110的前焦面设有光源阵列100，透镜110对光源阵列100中的每个点光源101发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光，并且保证不同角度的宽光束平行光通过分束器120反射到所述空间光调制器及驱动系统130中的反射型空间光调制器131上，并覆盖反射型空间光调制器131的有效工作区域；光源阵列100中每个点光源101的自身位置以及光轴朝向决定了点光源出光的中心角度；光源阵列100中的点光源101与透镜110的相对位置决定了其产生的准直平行光角度；光源阵列100中的点光源101的间隔及透镜110的焦距决定产生不同角度平行光的角度间隔。所述的透镜110可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组。

所述的分束器120将透镜110准直的平行光反射照射到所述空间光调制器及驱动系统130中反射型空间光调制器131的有效工作区域上；所述的分束器120为平板分束镜或块状分束棱镜，分束器120前也可设置偏振片，用于调节光束偏振态与反射型空间光调制器131相匹配。

所述的空间光调制器及驱动系统130由反射型空间光调制器131和空间光调制器驱动器132组成。反射型空间光调制器131根据照射其上的平行光角度加载相应视场角的计算全息图，对照射在上面的平行光进行衍射调制，经衍射调制后的光束经过中继光学系统140会聚到出瞳位置为人眼提供三维图像。反射型空间光调制器131通过空间光调制器驱动器132与总控制器160相连接；所述的反射型空间光调制器131可以是相位型、振幅型、振幅相位混合型的反射型空间光调制器。所述的空间光调制器驱动器132，与反射型空间光调制器131、总控制器160分别相连接，主要用来控制反射型空间光调制器131的显示图像、显示帧率、分辨率等，其控制模式由总控制器160决定，其与总控制器160一般通过HDMI、DVI、VGA、DisplayPort等视频接口、USB、串口以及通用I/O等方式连接。

所述的中继光学系统140是由第一中继透镜141和第二中继透镜142组成的成像系统，保证反射型空间光调制器131和系统出瞳(人眼瞳孔面)基本成共轭关系，也可允许一定的偏差。中继光学系统140的基本结构为4f光学系统，第一中继透镜141和第二中继透镜142的光轴重合，第一中继透镜141的后焦点与第二中继透镜142的前焦点重合。根据系统共轭关系，中继光学系统140将空间光调制器成像到人眼瞳孔处附近。第一中继透镜141的焦距和第二中继透镜142的焦距由空间光调制器和系统出瞳(人眼瞳孔)两者尺寸关系决定。中继光学系统140将带有图像信息的衍射光束传播到出瞳位置为人眼提供三维图像。当点亮光源阵列100中不同位置的点光源101而产生不同角度的平行光照射反射型空间光调制器131后，通过中继光学系统140成像，形成不同视角方向的全息三维图像供人眼观看。所述的第一中继透镜141可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。所述的第二中继透镜142可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

所述的光源阵列控制器150，与光源阵列100和总控制器160相连接，用于控制光源阵列100中每个点光源101的开关及出光强度，从而改变入射到空间光调制器上平行光的方向。通过依次点亮光源阵列100中不同位置的点光源101，对不同视角方向的全息三维图像进行视场角分时扫描，形成大视场角高分辨的全息近眼显示。

所述的总控制器160，用于控制光源阵列100中不同位置的点光源101及光源强度以及反射型空间光调制器131上所需加载的相应全息图序列。所述的总控制器160驱动光源阵列驱动器150控制光源阵列100中相应的点光源101发光，改变入射到反射型空间光调制器131上的平行光的方向，同时通过空间光调制器驱动器132驱动反射型空间光调制器131加载相应的全息图，保证经过反射型空间光调制器131衍射调制后的图像经中继光学系统140后能够传播到人眼瞳孔位置。

所述总控制器160计算光源阵列100中需要点亮的点光源101位置及出光强度，并通过光源阵列控制器150控制所需要点亮的点光源101的开关以及出光强度。当光源阵列100中不同位置的点光源101发光时，会在同一出瞳位置接收到来自不同角度的经反射型空间光调制器131调制的衍射光束。通过光源阵列控制器150依次点亮光源阵列100中的点光源101，产生不同角度的平行光照射到反射型空间光调制器131上，经过中继光学系统140将反射型空间光调制器131成像到人眼瞳孔附近，给人眼提供不同视角方向的全息三维图像，并进行视场角分时扫描进行视场角的拓展，最终形成大视场角高分辨率的全息近眼显示。这种分时扫描的方式，在保证系统出瞳大小满足瞳孔需求的情况下(一般与瞳孔尺寸相当，为3mm至5mm)，同时完成了观看视场角的拓展，从而实现了大视场角和大出瞳的高分辨全息近眼显示。

实施例2

本实施例用于增强现实式的大视场角高分辨全息近眼显示装置的一个实施例，如图2所示，所述的全息近眼显示装置包括光源阵列100、透镜110、分束器120、空间光调制器及驱动系统130、中继光学系统140、光源阵列控制器150、总控制器160、合光器170。

所述合光器170位于所述中继光学系统140之后，用于让外界光直接透过进入人眼，让所述反射型空间光调制器131衍射调制后的反射光会聚进入人眼，让人眼既能看到外界真实环境又能看到虚拟图像，实现增强现实式的全息近眼显示；所述合光器170可以由分束器和透镜，或是由分束器和凹面反射镜构成的合光系统，也可以是单个半透半反的曲面合光器或者具有类似功能的全息光学元件等。

所述的光源阵列100用于提供照明光，与光源阵列控制器150相连接，通过光源阵列控制器150依次点亮光源阵列100中的点光源101；透镜110对点光源阵列100中的每个点光源101发出的光束进行准直，用于产生不同角度的平行光；所述的分束器120将透镜110准直的平行光反射照射到所述反射型空间光调制器131的有效工作区域上，经反射型空间光调制器131上的计算全息图调制并衍射后，通过中继光学系统140成像后到达所述合光器170，所述合光器170将带有图像信息的光束反射进入人眼，同时让外界光束直接透射进入人眼，让人眼既能看到外界真实环境又能看到虚拟图像，实现增强现实式的全息近眼显示。所述的总控制器160，用于计算光源阵列100中需要点亮的点光源101及出光强度以及反射型空间光调制器131上所需加载的相应全息图序列。该系统为人眼提供高分辨全息三维图像，并通过视场角分时扫描进行视场角的拓展，最终形成大视场角高分辨率的增强现实式全息近眼显示。这种分时扫描的方式，在保证系统出瞳大小满足瞳孔需求的情况下(一般与瞳孔尺寸相当，为3mm至5mm)，同时完成了观看视场角的拓展，从而实现了同时大视场角和大出瞳的高分辨全息近眼显示。

实施例3

本实施例用于虚拟现实式的大视场角高分辨全息近眼显示装置的一个实施例，如图3所示，所述的全息近眼显示系统包括光源阵列100、透镜110、空间光调制器及驱动系统130、中继光学系统140、光源阵列控制器150、总控制器160。

所述的空间光调制器及驱动系统130由透射型空间光调制器331和空间光调制器驱动器132组成。透射型空间光调制器331根据照射其上的平行光角度加载相应视场角的计算全息图，所述平行光直接照射到所述透射型空间光调制器331上面，经过透射型空间光调制器331进行相位、振幅或复振幅衍射调制后，透射到中继光学系统140上，经过中继光学系统140成像到人眼瞳孔附近供人眼观看三维图像。透射型空间光调制器331通过空间光调制器驱动器132与总控制器160相连接；所述的透射型空间光调制器331可以是相位型、振幅型、振幅相位混合型的透射型空间光调制器。所述的空间光调制器驱动器132，与透射型空间光调制器331、总控制器160分别相连接，主要用来控制透射型空间光调制器331的显示图像、显示帧率、分辨率等，其控制模式由总控制器160决定，其与总控制器160一般通过HDMI、DVI、VGA、DisplayPort等视频接口、USB、串口以及通用I/O等方式连接。

所述的光源阵列100用于提供照明光，与光源阵列控制器150相连接，通过光源阵列控制器150依次点亮光源阵列100中的点光源101；透镜110对点光源阵列100中的每个点光源101发出的光束进行准直，用于产生不同角度的平行光；不同角度的平行光直接照射到透射型空间光调制器331上，经过透射型空间光调制器331进行相位、振幅或复振幅衍射调制后，透射到中继光学系统140上，通过中继光学系统140将透射型空间光调制器331成像到人眼瞳孔附近供人眼观看三维图像。所述的总控制器160，用于控制光源阵列100中不同位置的点光源101及光源强度以及透射型空间光调制器331上所需加载的相应全息图序列。该系统为人眼提供宽视角的全息三维图像，并通过视场角分时扫描进行视场角的拓展，最终形成大视场角高分辨率的全息近眼显示。这种分时扫描的方式，在保证系统出瞳大小满足瞳孔需求的情况下(一般与瞳孔尺寸相当，约3mm至5mm)，同时完成了观看视场角的拓展，从而实现了同时大视场角和大出瞳的高分辨全息近眼显示。

实施例4

本实施例用于增强现实式的大视场角高分辨全息近眼显示装置的一个实施例，如图4所示，所述的全息近眼显示系统包括光源阵列100、透镜110、空间光调制器及驱动系统130、中继光学系统140、光源阵列控制器150、总控制器160、合光器170。

所述的光源阵列100用于提供照明光，与光源阵列控制器150相连接，通过光源阵列控制器150依次点亮光源阵列100中的点光源101；透镜110对点光源阵列100中的每个点光源101发出的光束进行准直，用于产生不同角度的平行光；不同角度的平行光直接照射到透射型空间光调制器331上，经过透射型空间光调制器331进行相位、振幅或复振幅衍射调制后，透射到中继光学系统140上，经过中继光学系统140成像后到达所述合光器170，所述合光器170将带有图像信息的光束反射进入人眼，同时让外界光束直接透射进入人眼，让人眼既能看到外界真实环境又能看到虚拟图像，实现增强现实式的全息近眼显示。所述的总控制器160，用于控制光源阵列100中不同位置的点光源101及光源强度以及透射型空间光调制器331上所需加载的相应全息图序列。该系统为人眼提供宽视角的全息三维图像，并通过视场角分时扫描进行视场角的拓展，最终形成大视场角高分辨率的全息近眼显示。这种分时扫描的方式，在保证系统出瞳大小满足瞳孔需求的情况下(一般与瞳孔尺寸相当，约3mm至5mm)，同时完成了观看视场角的拓展，从而实现了同时大视场角和大出瞳的高分辨全息近眼显示。

实施例5

本实施例用于视场随人眼自动调节的虚拟现实式大视场角高分辨全息近眼显示装置的一个实施例，如图5所示，所述的全息近眼显示系统包括光源阵列100、透镜110、分束器120、空间光调制器及驱动系统130、中继光学系统140、光源阵列控制器150、眼动追踪系统510、总控制器160。

所述的眼动追踪系统510，由眼动追踪驱动器511和眼动追踪传感器512构成，与总控制器160相连接，用于追踪人眼瞳孔的中心位置。所述的眼动追踪传感器512可以是CCD或CMOS相机模块，也可以是多个单点探测器的组合。

所述总控制器160根据人眼瞳孔的中心位置确定观察区域以后对人眼转动空间角度θ信息进行处理，该处理主要包括两个方面：一是计算人眼旋转后中心视场对应的光源阵列100中需要发光的点光源位置和出光强度，并确定光源阵列100中以此位置为中心的点亮光源阵列区域，通过光源阵列控制器150依次点亮光源阵列100中需要点亮的点光源101，产生不同角度的平行光照射到反射型空间光调制器131上，经过中继光学系统140将反射型空间光调制器131成像到人眼瞳孔附近，给人眼提供不同视角方向的全息三维图像；另一个方面则是根据人眼瞳孔中心位置变化计算加载到反射型空间光调制器131上的对应全息图序列，然后将对应全息图加载到反射型空间光调制器131上，依次同步点亮光源阵列100中的点光源101并在反射型空间光调制器131上加载对应全息图，让人眼旋转后依然可以观看到大视场角高分辨率的的三维图像。

需注意，所述的该实施例用于视场角随人眼自动调节的虚拟现实式大视场角高分辨的全息近眼显示。该实施例在结构上相较实施例1，添加了眼动追踪系统510，当人眼瞳孔中心转动角度θ时，总控制器160对眼动追踪系统510获取的人眼瞳孔的中心位置信息进行分析计算后控制光源阵列100中点光源101的发光位置和出光强度，使人眼瞳孔中心在偏离一定角度情况下仍然可以接收到来自不同角度的图像信息，从而实现视场随人眼转动动态调节。通过光源阵列控制器150依次点亮光源阵列100中需要点亮的点光源101，透镜110对光源阵列100中的每个点光源101发出的光束进行准直，产生不同角度的平行光经分束器120反射照射到反射型空间光调制器131上，经过中继光学系统140将反射型空间光调制器131成像到人眼瞳孔附近，给人眼提供不同视角方向的全息三维图像，使在人眼瞳孔中心位置偏离一定角度情况下仍然可以接收到来自不同角度的图像信息，并通过视场角分时扫描进行视场角的拓展，最终形成大视场角高分辨的全息近眼显示。

在本实施例中，眼睛旋转前后与对应的光源阵列中的点亮光源区域示意图如图6所示，以矩形光源阵列为例，当眼睛未发生转动前，如图6(a)所示，光源阵列100中心实线框内为需点亮的光源阵列区域，通过光源阵列控制器150依次点亮光源101；当眼睛转动角度θ后，眼睛瞳孔中心位置偏离，人眼旋转θ后中心视场对应的光源阵列100中需要点亮的光源阵列区域改变，通过总控制器确定光源阵列100中以此位置为中心的点亮光源阵列区域，如图6(b)实线框内区域所示，并通过光源阵列控制器150依次点亮光源101。

当用于视场随人眼自动调节的情况下，也可采用这种方式与实施例2增强现实的方案相结合，实现用于增强现实的大视场角高分辨全息近眼显示系统。

实施例6

本实施例提供的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示方法示意流程图，如图7所示，该方法包括如下操作步骤：

第一步：人眼瞳孔中心位置(x₀,y₀)一定，总控制器计算光源阵列中点光源的发光位置、发光时序与出光强度。以矩形光源阵列为例，设点光源阵列中包含M×N个点光源，根据瞳孔中心位置以及视场角的范围，确定该瞳孔中心位置在光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，一般为光源阵列中m_x1行到m_x2行，n_y1列到n_y2列包围的区域，需依次点亮区域内从点光源(m_x1,n_y1)到点光源(m_x2,n_y2)间的所有点光源，并与空间光调制器加载的全息图序列相对应。也可以根据实际需求，在所需点亮的光源阵列区域内，选取一部分点光源依次点亮，并与所需加载到空间光调制器全息图序列相对应。

第二步：总控制器根据光源阵列中点光源的发光位置，对相应位置和相应帧数需要加载的全息图序列进行计算，并根据空间光调制器的类型进行相应编码。所编码的全息图序列需要与依次点亮的点光源相对应，根据光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域(一般包含从点光源(m_x1,n_y1)到点光源(m_x2,n_y2)间的所有点光源)，对全息图进行相应编码得到全息图序列为[H_(x1,y1),…,H_(x2,y2)]。在本实施例当中，空间光调制器的调制方式有振幅、相位以及复振幅调制这三种，因此全息图的编码可以根据空间光调制器的种类进行振幅编码、相位编码以及复振幅编码。其全息图生成和编码流程如下：

1.根据需要显示的三维场景，通过点源法、角谱法、菲涅尔衍射、弗朗和费衍射等方法计算出瞳位置的复振幅分布U_EP；

2.根据出瞳位置的复振幅分布U_EP，计算空间光调制器面的复振幅分布U_SLM；

3.将空间光调制器面的复振幅分布U_SLM根据空间光调制器的调制方式的不同，编码为空间光调制器相应的加载全息图像信息H。

第三步：总控制器通过控制光源阵列控制器依次点亮光源阵列区域中从点光源(m_x1,n_y1)到点光源(m_x2,n_y2)间的所有点光源，并通过空间光调制器驱动器控制空间光调制器加载相应的全息图序列[H_(x1,y1),…,H_(x2,y2)]。依次点亮的点光源需要和空间光调制器加载的全息图相对应，每点亮一个光源阵列区域内的点光源(m_x,n_y)，加载一帧与之对应的全息图H_(x,y)，保证点光源的切换频率与全息图序列的刷新帧频相匹配。光源阵列控制器控制光源阵列中点光源的开关与空间光调制器驱动控制空间光调制器加载相应全息图是在总控制器的控制下同步进行的。其中，m_x1≤m_x≤m_x2,m_y1≤m_y≤m_y2；x1≤x≤x2,y1≤y≤y2。

第四步：根据系统共轭关系，中继光学系统将空间光调制器成像到人眼瞳孔处附近。

第五步：在人眼瞳孔中心不动的情况下，人眼观看到该系统呈现的大视角高分辨的全息三维图像。

实施例7

本实施例提供的用于视场随人眼自动调节的大视场角高分辨率全息近眼显示方法流程示意图，如图8所示，该方法包括如下操作步骤：

第一步：若人眼转动θ角度时，根据眼动追踪系统实时获得人眼瞳孔中心位置(x,y)。

第二步：总控制器计算并通过光源阵列控制器控制光源阵列中点光源的发光位置、发光时序与出光强度。以矩形光源阵列为例，设点光源阵列中包含M×N个点光源，根据人眼转动θ角度后的瞳孔中心位置以及视场角的范围，确定该瞳孔位置(x,y)在光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，一般为光源阵列中m_xa行到m_xb行，n_ya列到n_yb列包围的区域，需依次点亮区域内从点光源(m_xa,n_ya)到点光源(m_xb,n_yb)间的所有点光源，并与空间光调制器加载的全息图序列相对应。也可以根据实际需求，在所需点亮的光源阵列区域内，选取一部分点光源依次点亮，并与所需加载到空间光调制器全息图序列相对应。

第三步：总控制器根据光源阵列中点光源的发光位置，对相应位置和相应帧数需要加载的全息图序列进行计算，并根据空间光调制器的类型进行相应编码。所编码的全息图序列需要与依次点亮的点光源相对应，根据光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域(一般包含从点光源(m_x1,n_y1)到点光源(m_x2,n_y2)间的所有点光源)，对全息图进行相应编码得到全息图序列为[H_(xa,ya),…,H_(xb,yb)]。在本实施例当中，空间光调制器的调制方式有振幅、相位以及复振幅调制这三种，因此全息图的编码可以根据空间光调制器的种类进行振幅编码、相位编码以及复振幅编码。其全息图生成和编码流程如下：

1.根据需要显示的三维场景，通过点源法、角谱法、菲涅尔衍射、弗朗和费衍射等方法计算出瞳位置的复振幅分布U_EP；

2.根据出瞳位置的复振幅分布U_EP，计算空间光调制器面的复振幅分布U_SLM；

3.将空间光调制器面的复振幅分布U_SLM根据空间光调制器的调制方式的不同，编码为空间光调制器相应的加载全息图像信息H。

第四步：总控制器通过控制光源阵列控制器依次点亮需点亮的光源阵列区域中从点光源(m_xa,n_ya)到点光源(m_xb,n_yb)间的所有点光源，并通过空间光调制器驱动器控制空间光调制器加载相应的全息图序列[H_(xa,ya),…,H_(xb,yb)]。依次点亮的点光源需要和空间光调制器加载的全息图相对应，每点亮一个光源阵列区域内的点光源(m_x,n_y)，加载一帧与之对应的全息图H_(x,y)，保证点光源的切换频率与全息图序列的刷新帧频相匹配。光源阵列控制器控制光源阵列中点光源的开关与空间光调制器驱动控制空间光调制器加载相应全息图是在总控制器的控制下同步进行的。其中，m_xa≤m_x≤m_xb,m_ya≤m_y≤m_yb；xa≤x≤xb,ya≤y≤yb。

第五步：根据系统共轭关系，中继光学系统将空间光调制器成像到人眼瞳孔处附近。

第六步：人眼观看到该系统呈现的大视角高分辨的全息三维图像。当人眼瞳孔旋转后，跳转到第一步，继续上述步骤流程。

综上所述，上述实施例基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置和显示方法。该全息近眼显示装置包括光源阵列、透镜、空间光调制器、中继光学系统、光源阵列控制器、空间光调制器驱动器以及总控制器。光源阵列中不同位置点光源发出光线被透镜准直成不同角度的平行光照明空间光调制器，经空间光调制器上的计算全息图调制并衍射，衍射的图像光通过中继光学系统会聚到出瞳位置供人眼观看。通过控制计算光源阵列中需点亮点光源的相应位置以及加载到空间光调制器的相应全息图，使不同角度入射的全息图经过中继光学系统会聚到出瞳位置以供人眼观察，在保证出瞳大小一定的情况下通过时序依次点亮不同位置点光源来增加观看图像的可视角度范围以及图像分辨率，采用视场角分时扫描的方法同时实现大视场角和大出瞳的高分辨全息近眼显示。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置，其特征在于，包括光源阵列(100)、透镜(110)、分束器(120)、空间光调制器及驱动系统(130)、中继光学系统(140)、光源阵列控制器(150)、总控制器(160)，构成虚拟现实式全息近眼显示装置；其中：

光源阵列(100)用于提供照明光，与光源阵列控制器(150)相连接；

透镜(110)的前焦面设有光源阵列(100)，用于产生不同角度的宽光束平行光；

分束器(120)将透镜(110)准直的平行光反射照射到空间光调制器的有效工作区域上；

空间光调制器及驱动系统(130)通过驱动将相应视场角的计算全息图加载到空间光调制器上，对照射在上面的不同角度平行光进行衍射调制，其与总控制器(160)相连接；

中继光学系统(140)将空间光调制器成像到人眼瞳孔附近，保证空间光调制器和人眼瞳孔面基本成共轭关系；

光源阵列控制器(150)控制光源阵列(100)中每个点光源的开关及出光强度，其与总控制器(160)相连接；

总控制器(160)用于计算光源阵列(100)中需点亮的点光源位置和相应出光强度，以及空间光调制器上所需加载的相应全息图序列，并通过光源阵列控制器(150)和空间光调制器及驱动系统(130)同步控制。

2.根据权利要求1所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置，其特征在于，还包括合光器(170)，位于所述中继光学系统(140)之后，用于让外界光直接透过进入人眼，构成增强现实式全息近眼显示装置。

3.根据权利要求1或2所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置，其特征在于，所述的光源阵列(100)为二维排列的LED点光源阵列加窄带滤光片的组合；或者所述的光源阵列(100)为二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列；或者所述的光源阵列(100)为面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列；其中，主动开关阵列是机械式的电子小孔快门阵列，或者是液晶开关阵列；

所述的透镜(110)是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组；

所述的空间光调制器及驱动系统(130)由反射型空间光调制器(131)和空间光调制器驱动器(132)组成；其中，所述的反射型空间光调制器(131)为相位型空间光调制器，或振幅型空间光调制器，或振幅相位混合型空间光调制器；或者所述的空间光调制器及驱动系统(130)由透射型空间光调制器(331)和空间光调制器驱动器(132)组成；其中，所述的透射型空间光调制器(331)为相位型空间光调制器，或振幅型空间光调制器，或振幅相位混合型空间光调制器；

所述的中继光学系统(140)由第一中继透镜(141)和第二中继透镜(142)组成的4f光学成像系统，将空间光调制器成像到人眼瞳孔附近。

4.根据权利要求3所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置，其特征在于，所述的第一中继透镜(141)和所述的第二中继透镜(142)的光轴重合，第一中继透镜(141)的后焦点与第二中继透镜(142)的前焦点重合；第一中继透镜(141)是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组；第二中继透镜(142)是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

5.根据权利要求2所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置，其特征在于，所述的合光器(170)是由分束器和透镜，或分束器和凹面反射镜构成的合光系统。

6.根据权利要求2所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置，其特征在于，所述的合光器(170)是半透半反的曲面合光器或者具有类似功能的全息光学元件。

7.根据权利要求1或2所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置，其特征在于，还包括眼动追踪系统(510)，其由眼动追踪驱动器(511)和眼动追踪传感器(512)构成，与总控制器(160)相连接，用于追踪人眼瞳孔的中心位置；分别构成自动调节视场范围的虚拟现实式全息近眼显示装置，或包含合光器(170)的自动调节视场范围的增强现实式全息近眼显示装置。

8.根据权利要求7所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置，其特征在于，所述的眼动追踪传感器(512)是CCD或CMOS相机模块，或是多个单点探测器的组合。

9.一种基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示方法，采用权利要求1或2所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置进行操作，其特征在于，操作步骤如下：

第一步：人眼瞳孔中心位置(x₀,y₀)一定，总控制器计算光源阵列中点光源的发光位置、发光时序与出光强度；根据瞳孔中心位置以及视场角的范围，确定该瞳孔中心位置在光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，为m_x1行到m_x2行，n_y1列到n_y2列包围的区域；

第二步：总控制器根据光源阵列中点光源的发光位置，对相应位置和相应帧数需要加载的全息图序列进行计算，并根据空间光调制器的类型进行相应编码；根据光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，对全息图进行相应编码得到全息图序列为[H_(x1,y1),…,H_(x2,y2)]；

第三步：总控制器通过光源阵列控制器依次点亮需点亮的光源阵列区域中从(m_x1,n_y1)到(m_x2,n_y2)间的所有点光源，并通过空间光调制器驱动器控制空间光调制器加载相应的全息图序列[H_(x1,y1),…,H_(x2,y2)]；依次点亮的点光源需要和空间光调制器加载的全息图相对应，每点亮一个光源阵列区域内的点光源(m_x,n_y)，加载一帧与之对应的全息图H_(x,y)，保证点光源的切换频率与全息图序列的刷新帧频相匹配；光源阵列控制器控制光源阵列中点光源的开关与空间光调制器驱动控制空间光调制器加载相应全息图是在总控制器的控制下同步进行的；其中，m_x1≤m_x≤m_x2,m_y1≤m_y≤m_y2；x1≤x≤x2,y1≤y≤y2；

第四步：根据系统共轭关系，中继光学系统将空间光调制器成像到人眼瞳孔处附近；

第五步：在人眼瞳孔中心不动的情况下，人眼观看到该系统呈现的大视角高分辨的全息三维图像。

10.根据权利要求9所述的基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示方法，其特征在于，操作步骤如下：

第一步：若人眼转动θ角度时，根据眼动追踪系统实时获得人眼瞳孔中心位置(x,y)；

第二步：总控制器计算并通过光源阵列控制器控制光源阵列中点光源的发光位置、发光时序与出光强度；根据人眼转动θ角度后的瞳孔中心位置以及视场角的范围，确定该瞳孔位置(x,y)在光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，为m_xa行到m_xb行，n_ya列到n_yb列包围的区域；

第三步：总控制器根据光源阵列中点光源的发光位置，对相应位置和相应帧数需要加载的全息图序列进行计算，并根据空间光调制器的类型进行相应编码；根据光源阵列平面对应的需点亮的光源阵列区域，对全息图进行相应编码得到全息图序列为[H_(xa,ya),…,H_(xb,yb)]；

第四步：总控制器通过控制光源阵列控制器依次点亮需点亮的光源阵列区域中从(m_xa,n_ya)到(m_xb,n_yb)间的所有点光源，并通过空间光调制器驱动器控制空间光调制器加载相应的全息图序列[H_(xa,ya),…,H_(xb,yb)]；依次点亮的点光源需要和空间光调制器加载的全息图相对应，每点亮一个光源阵列区域内的点光源(m_x,n_y)，加载一帧与之对应的全息图H_(x,y)，保证点光源的切换频率与全息图序列的刷新帧频相匹配；光源阵列控制器控制光源阵列中点光源的开关与空间光调制器驱动控制空间光调制器加载相应全息图是在总控制器的控制下同步进行的；其中，m_xa≤m_x≤m_xb,m_ya≤m_y≤m_yb；xa≤x≤xb,ya≤y≤yb；

第五步：根据系统共轭关系，中继光学系统将空间光调制器成像到人眼瞳孔处附近；

第六步：人眼观看到该系统呈现的大视角高分辨的全息三维图像；当人眼瞳孔旋转后，跳转到第一步，继续上述步骤流程。

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