CN112114437B - 一种实现大视区小视点间距的三维显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，利用显示屏中任意两个相邻子屏出射光之间具有光学特性的差异，置可时序开关的多个孔径阵列于观察者瞳孔前。任一孔径阵列的各孔径及其光学特性和各子屏及其出射光的光学特性一一对应，使各孔径对对应子屏出射光和对该对应子屏相邻子屏出射光的光强透过率比值大于9；且各子屏在不同孔径阵列中对应的不同孔径，以小于或等于该瞳孔直径的间距空间相邻排列。在一个时间点，只打开其中一个孔径阵列，各孔径阵列在相邻的时间点依次循环打开。在各时间点，各子屏相对于各自对应的打开孔径，同步加载视图信息。在各孔径阵列时序循环开关周期足够小时，基于视觉滞留可以实现大视区小视点间距的三维显示。

Description

一种实现大视区小视点间距的三维显示方法

技术领域

本发明涉及三维显示，更具体涉及一种可以实现大视区小视点间距的三维显示技术。

背景技术

现有的三维显示主要是基于体视技术。体视技术通过向观察者双目分别仅投射一个视图，利用双目视向在空间的会聚，来实现三维深度的呈现。但为了清晰地看到双目各自对应的视图，观察者需要将他/她的眼睛聚焦于显示面。由此，双目会聚距离和单目聚焦距离存在不一致。在自然观察真实物体的时候，来自于真实物点的圆锥状光束覆盖观察者双目。这种圆锥状光束使观察者眼睛自然聚焦于该物点。也即是说，自然情况下观察真实的空间场景，聚焦距离和会聚距离是一致的。所以，体视技术固有的这种不一致，即聚焦-会聚冲突，违反了人体的生理习惯。实际上，这种聚焦-会聚冲突正是阻碍三维显示技术推广的瓶颈问题视疲劳的主要诱因。

通过向观察者瞳孔不同区域投射不同视图，专利2016102578496(一种增加视点呈现数目的时分复用模组和方法)、201610212222.9(一种多视点三维显示***和方法)、201610304663.1(一种增加视点呈现数目的空间复用模组和方法)、PCT15/481,467(THREE-DIMENTIONAL DISPLAY SYSTEM BASED ON DIVISION MULTIPLEXING OF THE VIEWER'SENTRANCE-PUPIL AND DISPLAY METHOD THEREOF)描述了基于小间距(小于或等于观察者瞳孔直径)视点的光场三维显示***和方法，通过进入观察者一只眼睛、来自不同视图的光束叠加，形成该眼睛可以自然聚焦的真实空间光点，实现聚焦-会聚冲突的克服。上述专利中，采用时分复用方法的技术时，都是在一个时间点打开一个小间距孔径。而大视区要求较多小间距孔径才能实现，由此需要在一个循环周期的较多相邻时间点，依次对应打开较多的孔径，所以，上述专利所述技术进行大视角光场呈现时，对显示屏的刷新频率要求较高。

发明内容

为了克服现有技术中存在的实现大视区小视点间距三维显示需要在较多相邻时间点，依次对应打开较多的孔径所导致对显示屏刷新频率的要求过高问题，本发明提供如下方案。

一种大视区小视点间距的的三维显示方法，包括以下步骤：

(i)将显示屏分成M个子屏，对应于观察者的其中一个瞳孔设计一组孔径阵列，该组孔径阵列包括置于该瞳孔前的可时序开关的N个孔径阵列，每个孔径阵列由与各子屏一一对应的M个孔径组成，且各子屏在不同孔径阵列中对应的不同孔径，以小于或等于该瞳孔直径的间距空间相邻排列，其中N≧2，M≧2；所述子屏及对应孔径的特点在于，它们具有排它特性，该排它特性使各子屏出射光对其对应孔径的光强透过率和该子屏出射光对其相邻子屏对应孔径的光强透过率之比大于9；

(ii)在一个时间点，打开所述N个孔径阵列的其中一个孔径阵列，关闭其它孔径阵列；且各子屏分别相对于该打开孔径阵列中的对应孔径进行视图加载；

(iii)在相邻的N个时间点，依次对应于各时间点执行步骤(ii)使得所述N个孔径阵列被依次打开并且各子屏在各时间点，按步骤(ii)同步刷新显示对应视图；

(iv)重复执行步骤(iii)。

进一步地，各子屏的出射光具有线偏光特性，相邻子屏出射线偏振光的偏光方向相互垂直，即任意两个相邻的出射线偏振光的偏光方向相互垂直，且各子屏对应孔径打开时允许通过的线偏振光的偏光方向一致于该子屏出射线偏振光的偏光方向。

进一步地，各子屏的出射光具有旋转偏光特性，相邻子屏出射旋转偏振光的旋向相反，即任意两个相邻的子屏出射旋转偏振光的旋向相反，分别为左旋和右旋，且各子屏对应孔径打开时允许通过的旋转偏振光的旋向一致于该子屏出射旋转偏振光的旋向。

进一步地，所述显示屏的出射光能够经中转光学组件被引导至所述N个孔径阵列，显示屏关于该中转光学组件的像，作为等效显示屏进行视图加载。

进一步地，所述转光学组件是对显示屏起成像作用的、和/或对显示屏出射光传输方向起偏转作用的投影透镜、平面反射镜、半透半反镜、自由曲面光学组件、光波导，或者是该投影透镜、该平面反射镜、该半透半反镜、该自由曲面光学组件、该光波导的其中两种或两种以上组合而成的组件。

为了克服上述的问题观察者双眼能够分别接收来自于单个显示屏的多个视图需要，本发明还进一步提出以下方案：

一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，包括以下步骤：

(i)将显示屏分成M个子屏，设计两组孔径阵列，该两组孔径阵列与观察者的两个瞳孔一一对应，每组孔径阵列包括可时序开关的N个孔径阵列，置于该组孔径阵列所对应的瞳孔前，对于每组孔径阵列，该组孔径阵列的每个孔径阵列由与各子屏一一对应的M个孔径组成，且各子屏在该组孔径阵列的不同孔径阵列中对应的不同孔径，以小于或等于该瞳孔直径的间距空间相邻排列，其中N≧2，M≧2；

其中，对于每组孔径阵列，所述子屏及对应孔径的特点在于，它们具有排它特性，该排它特性使各子屏出射光对其对应孔径的光强透过率和该子屏出射光对其相邻子屏对应孔径的光强透过率之比大于9；

(ii)在一个时间点，只打开所述两组孔径阵列的其中一个孔径阵列，关闭其它孔径阵列；且各子屏分别相对于该打开孔径阵列中的对应孔径进行视图加载；

(iii)在相邻的2N个时间点，依次对应于各时间点执行步骤(ii)使得所述2组孔径阵列的2N个孔径阵列被依次打开并且各子屏在各时间点，按步骤(ii)同步刷新显示对应视图；

(iv)重复执行步骤(iii)；

进一步地，各子屏的出射光具有线偏光特性，相邻子屏出射线偏振光的偏光方向相互垂直，且各子屏对应孔径打开时允许通过的线偏振光的偏光方向一致于该子屏出射线偏振光的偏光方向。

进一步地，各子屏的出射光具有旋转偏光特性，相邻子屏出射旋转偏振光的旋向相反，分别为左旋和右旋，且各子屏对应孔径打开时允许通过的旋转偏振光的旋向一致于该子屏出射旋转偏振光的旋向。

本发明的具有的以下技术效果：本发明的一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，采用相邻子屏出射光之间存在相互的排它特性的显示屏，置可时序开关的多个孔径阵列于观察者瞳孔前，设计任一孔径阵列的各孔径和各子屏出射光的排它特性一一对应，由此通过各孔径阵列的依次循环打开，并控制各子屏同步刷新对应视图，在各子屏在不同孔径阵列中对应的不同孔径以小于或等于观察者瞳孔直径的间距相邻排列的前提下，基于视觉滞留实现单目多视图显示。通过进入观察者瞳孔、来自不同视图的光线叠加形成该瞳孔对应眼睛可以自然聚焦的空间光点，克服聚焦-会聚冲突。在本专利所述技术中，一个时间点，同时打开一个孔径阵列。相对于上述其它专利在一个时间仅打开一个孔径的方法，本专利所述技术仅需少量时间点即可实现大视区小视点间距三维显示所需的较多小间距孔径数量，明显降低了大视区小视点间距三维显示对显示屏刷新频率的要求。

本发明实施例的细节在附图或以下描述中进行体现。本发明的其它特性、目的和优点通过下述描述、附图而变得更为明显。

附图说明

附图用于帮助更好地理解本发明，也是本说明书的一部分。这些对实施例进行图解的附图和描述一起用以阐述本发明的原理。

图1以偏光特性为例示出显示屏子屏及对应孔径的排它特性设计规则。

图2示出一个时间点，经打开的一个孔径阵列，各子屏出射光信息的传输路径。

图3示出另一个时间点，经打开的另一个孔径阵列，各子屏出射光信息的传输路径。

图4为以具有放大成像功能的透镜作为中转光学组件的显示结构示意图。

图5为以具有放大成像功能的透镜和反射镜共同作为中转光学组件的显示结构示意图。

图6为以光波导作为中转光学组件的显示结构示意图。

图7为引入挡光板的双显示屏结构示意图。

图8为不同显示屏出射光互具排它特性的双显示屏显示***结构示意图。

具体实施方式

本发明所述方法，采用相邻子屏出射光之间具有排它特性的显示屏，置时序开关的多个孔径阵列于观察者瞳孔前。设计任一孔径阵列各孔径及其排它特性为和各子屏及其排它特性一一对应的孔径，且各子屏在不同孔径阵列中对应的不同孔径，以小于或等于该瞳孔直径的空间间距相邻排列。在相邻时间点，各孔径阵列依次循环打开，各子屏同步刷新显示相对于打开孔径阵列中对应孔径的视图，实现大视区小视点间距的三维显示。通过向观察者的一个眼睛呈现两个或多个视图，利用来自不同视图的光束叠加形成该眼睛可以自然聚焦的空间光点，由此实现聚焦-会聚冲突的克服。

图1以线偏光特性作为排它特性，示例说明显示屏10各子屏和N个孔径阵列组合20中各孔径的排它特性设计规则。此处具体的以子屏数M＝3、孔径阵列个数N＝2为例，孔径阵列组合20之外区域可以通过光阑30进行光遮挡。沿x向，相邻子屏出射线偏振光的偏光态分别为相互垂直的“-”和“·”。具体地，子屏1出射线偏振光偏光态为“·”，子屏2出射线偏振光偏光态为“-”，子屏3出射线偏振光偏光态为“·”。相应的，子屏1对应特性孔径A₁₁和A₁₂在被打开时，仅允许偏光态为“·”的线偏振光通过，不允许偏光态为“-”的线偏振光通过；子屏2对应特性孔径A₂₁和A₂₂在被打开时，仅允许偏光态为“-”的线偏振光通过，不允许偏光态为“·”的线偏振光通过；子屏3对应特性孔径A₃₁和A₃₂在被打开时，仅允许偏光态为“·”的线偏振光通过，不允许偏光态为“-”的线偏振光通过。其中，孔径A₁₁、A₂₁、A₃₁属于一个孔径阵列，命名为孔径阵列1；孔径A₁₂、A₂₂、A₃₂属于另一组孔径阵列，命名为孔径阵列2。该N＝2个孔径阵列，以Δt/2为时间间隔，依次循环打开。具体地，在时间点t，孔径阵列1的A₁₁、A₂₁、A₃₁打开，孔径阵列2的A₁₂、A₂₂、A₃₂处于关闭状态，如图2。子屏1加载关于打开的对应孔径A₁₁的视图，子屏2加载关于打开的对应特性孔径A₂₁的视图，子屏3加载关于打开的对应特性孔径A₃₁的视图，则三个子屏上呈现的三个视图出射光束，过图中V₁点附近区域。同理，在时间点t+Δt/2，关闭孔径阵列1的A₁₁、A₂₁、A₃₁，打开孔径阵列2的A₁₂、A₂₂、A₃₂，子屏1加载关于打开的对应孔径A₁₂的视图，子屏2加载关于打开的对应孔径A₂₂的视图，子屏3加载关于打开的对应孔径A₃₂的视图，则三个子屏上呈现的三个视图出射光束，过图中V₂点附近区域，如图3。设计各子屏在不同孔径阵列中对应的不同孔径，以小于或等于该瞳孔直径的空间间距相邻排列，则略大于该间距的V₁点和V₂点间距，可以使上述两个时刻加载显示的视图分别经该瞳孔不同区域进入察者眼睛。则过各显示物点，会有N＝2条光束进入观察者眼睛，在Δt足够小时，基于视觉滞留，该两条光束叠加形成对应眼睛可以自然聚焦的显示物点，解决传统体视技术固有的聚焦-会聚冲突问题。此处，M＝3个子屏，采用了小于M＝3的2种排它特性，即相互垂直的偏光态“-”和“·”。在这种情况下，在一个孔径阵列打开时，一个子屏出射光无法过其相邻子屏对应的打开孔径，但却可以通过与其不相邻的子屏对应的打开孔径，作为噪声存在。如图2，在时间点t，子屏1显示的、关于打开的对应孔径A₁₁的视图信息，经子屏1对应的孔径A₁₁提供目标光信息；由于上述两个相邻的子屏出射光的之间存在光学特性差异，并且各个子屏的出射光的光学特性于对应孔径的光学特性匹配，子屏1显示的、关于打开的对应孔径A₁₁的视图信息不能通过子屏2对应的孔径A₂₁；但它们同时会经过子屏3对应的孔径A₃₁，作为噪声存在。如图所示，子屏1出射信息，经孔径A₁₁传输方向，和经A₃₁的传输方向，间隔了2N(排它特性数量2×孔径阵列数N)倍个孔径间距。合理设计排它特性数量、孔径阵列数和孔径空间间距，使各子屏出射光信息可以透射具有相同排它特性的非对应特性孔径而导致的噪声光信息不入射观察者眼睛。同时，如果排它特性的数量和子屏数量M一致，则上述噪声不存在。上述过程，排它特性的设计，以各子屏出射光完全不能通过该子屏相邻子屏对应孔径为例进行的说明，也即是各子屏出射光对其相邻子屏对应孔径的光强透过率和该子屏出射光对其对应孔径的光强透过率之比为零。实际上，只要各子屏出射光对其对应孔径的光强透过率和该子屏出射光对其相邻子屏对应孔径的光强透过率之比大于9，各子屏出射光通过其相邻子屏对应孔径而产生的噪声，将低于10％，该值在显示***对噪声的容忍范围内。

图1至图3中，所示孔径是沿一维x方向排列的，该x方向可以是观察者双目连线方向，也可以是观察者双目连线垂向，或者其它方向。同时，显示屏10和孔径阵列组合20之间的方位关系，也可以不仅限于图1至图3所示的平行关系。另外，图1至图3所示孔径是沿一维方向排列的，也可以扩展至二维方向排列。图1至图3以M＝3和N＝2，及2个排它特性为例，实际上，它们可以根据情况取更大值。比如，互补色和偏光方向的组合而成的排它特性：红光+左旋偏振、红光+右旋偏振、蓝光+左旋偏振和蓝光+右旋偏振。

图1至图3中，所示孔径分布和显示屏10都是以平面结构为例进行的讲解，它们也可以是曲面的。

图1至图3中，所示孔径是毗邻排列的，也即孔径尺寸和孔径间距相等。事实上，孔径尺寸可以小于孔径间距，也可以在大于孔径间距，即相邻特性孔径会发生空间重叠。比如使用通光孔径大小实时可控的电控液晶像素阵列和/或偏光态实时可控的电控波片可以根据需要实现这些情况。

图1至图3所示过程，以向观察者一只眼睛呈现大于一个的视图为例进行的讲解。实际上，该过程也可以扩展至双目情况。比如，另外设置类似于图1所示的N个孔径阵列分布给观察者另外一只眼睛，则共2N＝4个孔径阵列。以Δt/2N＝Δt/4为间隔的N＝4个时间点，左右眼睛各自对应的两个孔径阵列，分别占据两个时间点，轮流开关，基于相同方法进行各子屏的视图加载，即可实现观察者各目的多视图呈现。上述过程中，观察者两只眼睛以时序的方法接收各自对应光信息，也可以通过其它的排它特性来实现。比如，屏上的奇数列和偶数列出射光分别为垂直线偏振光和水平线偏振光，然后M个子屏的出射光又分别具有其它的排它特性，比如M＝2个子屏出射光分别为红光和蓝光，则左眼对应N＝2个孔径阵列中，各孔径阵列的相邻孔径允许通过光的特性分别为垂直线偏振光+红光和垂直线偏振光+蓝光，右眼对应N＝2孔径阵列中，各孔径阵列的相邻孔径允许通过光的特性分别为水平线偏振光+红光和水平线偏振光+蓝光，则通过左右眼各自对应的N＝2个孔径阵列的时序循环开关，同时实现观察者各目的多视图呈现。该过程中，一个显示屏奇数列组合和偶数列组合分别等效为针对左眼的显示屏和针对右眼的显示屏。在现有的3D影院***中，常常通过两个投影仪，分别向保持入射光偏振光方向不变的反射屏或透射屏，投射偏振光方向正交(比如水平线偏光和垂直线偏光)的图像，通过左右眼睛对应偏光片对该正交偏光方向的排它性通过，实现左右眼图像的不同。这时，该两个投影仪的投影面，和上述过程中针对左眼的显示屏和针对右眼的显示屏具有相同的功能。

图1至图3所示显示屏10出射光，也可以通过中转光学组件40引导至所述N个孔径阵列，显示屏10关于该中转光学组件40的像，作为等效显示屏，同理图1至图3所示过程进行视图加载。图4以具有放大成像功能的透镜作为中转光学组件40，该结构可以作为头戴式虚拟现实***中的单目结构。图5以具有放大成像功能的透镜41和反射镜42的组合作为中转光学组件40，当反射镜42也允许外部环境光透射时，比如其为半透半反镜时，该结构可以作为头戴式增强现实***中的单目结构，其中该反射镜可以被各种具有类似导向功能，或导向功能+放大成像功能的其它光学结构代替，比如图6所示的光波导中转光学组件40，或综合了光学折衍反功能的自由曲面光学组件。对应观察者的双目，分别设计两个类似于图5或图6所示单目结构，则可构建头戴式虚拟/增强现实***。

图4至图5所示引入中转光学组件40的结构，也可以引入一个以上的显示屏。如图7，建立两套显示屏、孔径阵列组合和透镜中转光学组件的组合：10-20-40组合和10′-20′-40′组合。其中孔径阵列组合20和20′毗邻放置。每一套组合均遵循图4所示光学结构，它们可以独立或同步按图1至图3所示过程进行视图加载显示。两套结构之间，引入了挡光板50，以避免两套组合间的光串扰。其中，各组合中的显示屏于对应透镜光轴之间，可以存在偏差δ和δ′，通过这两个值的设计，可以让两个显示屏10和10′对应的虚像发生不同的重叠。该当光板50的功能也可以通过其它方式进行替代，比如两个显示屏10和10′出射光具有排它特性，各自对应的孔径20和20′，基于该排它特性，不允许非对应显示屏出射光入射。例如图8所示，显示屏10像素出射“·”偏振光，显示屏10′出射“-”偏振光；同时，显示屏10的相邻子屏，以“·”偏振红光和“·”偏振蓝光作为排它特性，显示屏10′的相邻子屏，以“-”偏振红光和“-”偏振蓝光作为排它特性。

本文件所述方法，可以应用于专利2016102578496、201610212222.9、201610304663.1及PCT15/481,467所述各适用***。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。比如，所采用的排它特性，并不局限于前文所述的特性。相应地，所有相关实施例都要处于下述权利要求项限定范畴内。

Claims (8)

1.一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

(i)将显示屏分成M个子屏，对应于观察者的其中一个瞳孔设计一组孔径阵列，该组孔径阵列包括置于该瞳孔前的可时序开关的N个孔径阵列，每个孔径阵列由与各子屏一一对应的M个孔径组成，且各子屏在不同孔径阵列中对应的不同孔径，以小于或等于该瞳孔直径的间距空间相邻排列，其中N≧2，M≧2；其中所述子屏及其对应孔径的特点在于，它们具有排它特性，该排它特性使各子屏出射光对其对应孔径的光强透过率和该子屏出射光对其相邻子屏对应孔径的光强透过率之比大于9；

(ii)在一个时间点，只打开所述N个孔径阵列的其中一个孔径阵列，关闭其它孔径阵列；且各子屏分别相对于该打开孔径阵列中的对应孔径进行视图加载；

(iii)在相邻的N个时间点，依次对应于各时间点执行步骤(ii)，使得所述N个孔径阵列被依次打开并且各子屏在各时间点，按步骤(ii)同步刷新显示对应视图；

(iv)重复执行步骤(iii)。

2.根据权利要求1所述的一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，其特征在于，各子屏的出射光具有线偏光特性，相邻子屏出射线偏振光的偏光方向相互垂直，且各子屏对应孔径打开时允许通过的线偏振光的偏光方向一致于该子屏出射线偏振光的偏光方向。

3.根据权利要求1所述的一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，其特征在于，各子屏的出射光具有旋转偏光特性，相邻子屏出射旋转偏振光的旋向相反，分别为左旋和右旋，且各子屏对应孔径打开时允许通过的旋转偏振光的旋向一致于该子屏出射旋转偏振光的旋向。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，其特征在于，所述显示屏的出射光能够经中转光学组件被引导至所述N个孔径阵列，显示屏关于该中转光学组件的像，作为等效显示屏进行视图加载。

5.根据权利要求4所述的一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，其特征在于，所述中转光学组件是对显示屏起成像作用的、或/和对显示屏出射光传输方向起偏转作用的投影透镜、平面反射镜、半透半反镜、自由曲面光学组件、光波导，或者是该投影透镜、该平面反射镜、该半透半反镜、该自由曲面光学组件、该光波导的其中两种或两种以上组合而成的组件。

6.一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

(i)将显示屏分成M个子屏，设计两组孔径阵列，该两组孔径阵列与观察者的两个瞳孔一一对应，每组孔径阵列包括可时序开关的N个孔径阵列，置于该组孔径阵列所对应的瞳孔前，对于每组孔径阵列，该组孔径阵列的每个孔径阵列由与各子屏一一对应的M个孔径组成，且各子屏在该组孔径阵列的不同孔径阵列中对应的不同孔径，以小于或等于该瞳孔直径的间距空间相邻排列，其中N≧2，M≧2；

其中所述子屏及其对应孔径的特点在于，它们具有排它特性，该排它特性使各子屏出射光对其对应孔径的光强透过率和该子屏出射光对其相邻子屏对应孔径的光强透过率之比大于9；

(ii)在一个时间点，只打开所述两组孔径阵列的其中一个孔径阵列，关闭其它孔径阵列；且各子屏分别相对于该打开孔径阵列中的对应孔径进行视图加载；

(iii)在相邻的2N个时间点，依次对应于各时间点执行步骤(ii)使得所述2组孔径阵列的2N个孔径阵列被依次打开，并且各子屏在各时间点，按步骤(ii)同步刷新显示对应视图；

(iv)重复执行步骤(iii)。

7.根据权利要求6所述的一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，其特征在于，各子屏的出射光具有线偏光特性，相邻子屏出射线偏振光的偏光方向相互垂直，且各子屏对应孔径打开时允许通过的线偏振光的偏光方向一致于该子屏出射线偏振光的偏光方向。

8.根据权利要求6所述的一种实现大视区小视点间距的三维显示方法，其特征在于，各子屏的出射光具有旋转偏光特性，相邻子屏出射旋转偏振光的旋向相反，分别为左旋和右旋中的一种，且各子屏对应孔径打开时允许通过的旋转偏振光的旋向一致于该子屏出射旋转偏振光的旋向。

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