CN116457716A - 高分辨率光场投影仪 - Google Patents

Abstract

一种用于投影像的光场投影仪，包括：光场像源(1)，包括像生成设备(20a、20b)，其包括生成多个经调制的光束(111)的多个像素分量(15a‑15d)；成像光学元件(70)，其将多个调制光束(111)的像投影到光源像平面(34)；投影光学装置(2)，其被配置成投影经调制的光束(111)以便限定眼动范围(121)并且形成投影仪像素像(16a‑16d)；投影光学装置(2)还被配置成在投影仪像平面(115)处形成投影仪像素像(16a‑16d)并且在移位平面(114)处形成投影仪虚拟像素像(26a)。成像光学元件(70)被配置成使投影仪像平面(115)的位置与移位平面(114)的位置重合。

Description

高分辨率光场投影仪

技术领域

本公开涉及显示器，更具体讲，涉及用于投影像的光场投影仪，例如提供校正单目景深提示的3D显示器。具体讲，本公开涉及用于虚拟和增强现实护目镜和眼镜以及虚拟和增强现实应用的近眼光场投影仪。

相关领域

除了其它概念之外，当今的光场显示器使用通过一组空间上完全不同的虚拟针孔连续投影一组“始终对焦”的像。这种方法不允许重建虚拟像素的波前，因为像分量是按时间顺序投影的，而波前重建需要干涉，因此需要波前分量的重合。因此，感知的分辨率会受到分辨率或递送到成像传感器的各个光场分量的限制，例如，递送到眼睛中。分辨率是由针孔的有效数值孔径以及像源的像的焦平面(即像像素的平面)与成像光学装置(通常是人眼)聚焦的平面之间的差来确定的。因此，表述“始终对焦”是近似的，因为光场分量的光路始终具有有限的孔径，当孔径较大时，其携带有限景深的像，或者当孔径较小时，其由于孔径上的衍射而降低了像源的分辨率。

在基于发光显示器和透镜阵列的光场***中存在同样的问题。各个像素被去耦，并且不提供具有相互耦合相位的相互相干的光束，这使它们不能发生干涉，同时透镜阵列中的透镜的有限孔径控制了各个光场分量的分辨率和景深。

光场像通常是由通过光路中的空间上不同的光瞳投影的多个像构成的。它可以以各种方式实现，包括顺序光场投影或通过透镜阵列对来自发光显示器的光束进行分光和准直。

这些光学***显然是在与平面像源本身不同的焦平面中显示虚拟像素的。这可以使改进像源上的虚拟像素相对于真实像素的表观聚焦的要素就是内容本身以及由小光瞳确保的每个光场分量的大景深，与所有单独的空间上不同的子光瞳的组合孔径相比，每个光场分量都可以通过所述小光瞳。另一方面，每个子光瞳的有限孔径限制了光场像的有效分辨率，尤其是在远离像源本身的像的焦平面的位置处。

发明内容

本公开涉及一种用于投影像的光场投影仪，所述光场投影仪包括：像源，其包括像生成设备，所述像生成设备包括生成多个经调制的光束的多个像素分量；成像光学元件，其将多个调制经调制光束的像投影在一个光源平面上；投影光学装置，配置成投影所述调制光束，以便限定眼动范围并且形成投影仪像素像；投影光学装置还被配置成在投影仪像平面上形成投影像素像并且在移位平面上形成投影仪虚拟像素像。成像光学元件被配置成使投影仪像平面与移位平面重合。

此外，像源可以是可控的，以便调节形成要由光场投影仪投影的像分量的像素分量的空间分布。可控像源可以使调制光束构建预期的光场输出。

本文所公开的光场投影仪超过了已知光场投影***的有效分辨率限制。

光场投影仪可以使经调制的光束保持由已知光场投影***创建的光场的质量，并且此外，其还可以控制哪个焦平面与像源的像平面重合，其中，像分辨率仅受像源分辨率和每个光场分量的单独光路中的孔径限制。

所公开的光场投影仪比纯粹通过基于眼睛跟踪信息的变焦元件的动作实现的平面像的焦距的动态适应来模仿焦深的传统投影***更鲁棒。这些传统***不产生独立于观看者的光场，而是模仿眼睛根据其实际焦点应该看到的内容。

在本文公开的本发明中，独立于观看者的光场特征一直存在，并且提供了校正调节提示而无需任何附加动作。所公开的光场投影仪中的变焦距机构可以按需提升光场场景中的期望焦平面处的分辨率。

光场投影仪可以用于虚拟和增强现实护目镜和眼镜的近眼光场显示器以及虚拟和增强现实应用。

附图的简短描述

本发明的示例性实施例在说明书中公开并由附图示出，其中：

图1示出包括光场像源、成像光学元件和投影光学装置的光场投影仪。

图2示出包括根据一个实施例的成像光学元件的光场投影仪，并且其中，光场像源包括按时间顺序可激活的点光阵列；

图3a示出光场投影仪，其中，光场像源包括发光显示器；

图3b示出根据一个实施例的包括成像光学元件的图3a的光场投影仪；

图3c示出根据另一实施例的包括成像光学元件的图3a的光场投影仪；以及

图4示出根据一个实施例的光场投影仪，其中，光场像源包括照射反射或透射和衍射显示器的相干光源。

示例性实施例

图1示出了包括像源1的光场投影仪。像源包括光源10，其包括按时间顺序可激活的点光(也称为pin光)阵列，每个点光产生一个光束110。在图1中，示出了两个点光10a和10b。光场投影仪还包括空间光调制器(SLM)20a，其包括多个像素分量15a、15b，每个像素分量都调制在像素(例如15a和15b)上反射和衍射的光束分量111。

在图1的示例中，像素分量15a对于点光10a是有效的，并且像素分量15b对于点光10b是有效的。然而，实际上，光源10可以包括任意数量的、例如数十或数百个空间上不同的、按时间顺序照亮的点光10a、10b。空间差异仅可以是明显的，由单个光源或较小的光源阵列产生的，该光源阵列由诸如光束转向镜或相位空间光调制器的另一有源元件来倍增。光源阵列的功能也可以由有源相位阵列代替。SLM 20a可以包括具有数千或数百万的有源像素分量15a、15b的复杂像图案。

像源1还包括将光源10的像投影到点光源的光源像平面34的成像光学元件70。成像光学元件70可以进一步准直调制光束111。

光场像源1还可以包括准直SLM 20a上的光束110的准直元件50。在本文中，第一和第二光学元件50、70的组合将光源10的像投影到点光源的光源像平面34上。

在一个方面，光源像平面34可以包括无源或有源傅立叶滤波器。傅立叶滤波器可以由针孔阵列或光学快门阵列形成。光学快门阵列可以包括例如DMD、FLCOS的快速调制器、相变材料快门或任何其它用作光学快门的设备。光源像平面34可以被认为是入射光瞳，在该入射光瞳处，完全构建的光场进入投影光学装置中。

光场投影仪还包括投影光学装置2，其被配置成投影经调制的光束111以便限定眼动范围121。眼动范围121可以沿着光场投影仪的投影轴170限定，但是更概括地讲，眼动范围121被限定在投影的调制光束111的方向上。更特别是，投影光学装置2可以包括第一投影元件32，其被配置成投影调制光束111，以便形成投影仪像平面115，并且以便在投影仪像平面115中分别形成像素分量15a和15b的投影仪像素像16a、16b。图1分别示出了像素分量15a、15b的两个投影仪像素像16a和16b。

投影光学装置2还可以包括第二投影元件40，其被配置成将投影仪像平面115的像投影到投影的调制光束111的方向上的任何选定位置。第二投影元件40可以包括目镜或组合器。在图1的示例中，投影仪像平面115的像位于“中性”位置，使得眼动范围投影仪像，即从眼动范围121看到的像素分量15a、15b的像，在无穷远处。在图1中，未示出眼动范围投影仪像，但是其在无限远处的位置是由准直调制光束111指示的。

在图1中，来自像素15a和15b的两个示例性调制光束111在不同于投影仪像平面115的投影仪虚拟像素像26a处相交。投影仪虚拟像素像26a对应于光场投影仪中第二投影元件40之前的虚拟像素的像。因此，如从眼动范围121看到的，通过像素光束的明显相交形成眼动范围虚拟像素像24。眼动范围虚拟像素像24位于与眼动范围投影仪像平面(未示出)不同的距离处，在该示例中，眼动范围投影仪像平面在无穷远处。

光场投影仪可以被配置成将像投影到成像光学设备上，诸如相机或如图1所示的观看者的眼睛90。光场投影仪的出射光瞳可以与成像光学设备的入射光瞳重合，例如与观看者的眼睛90的眼睛瞳孔130重合。

当光场投影仪向观看者的眼睛90投影像时，眼睛90的透镜130聚焦在眼动范围虚拟像素像24的位置上。因此，透镜130将调制光束111投影在同一位置上，在本文中是靠近眼睛视网膜92的传感器虚拟像素像27a。注意，光场投影仪也可以朝向相机投影像。然后，相机的透镜将调制光束111投射到相机传感器附近的传感器虚拟像素像27a上。

像素分量15的传感器像素像17a、17b在视网膜92(或传感器)之前形成在与传感器虚拟像素像27a不同的距离处。传感器像素像17a、17b分别对应于观看者的眼睛90中或成像光学设备中的像素分量15a和15b的第二像。

在一些方面，光场投影仪还可以被配置成投影内容或对内容相关指令做出反应，以便提升感兴趣的虚拟对象的分辨率，例如在特定距离处的虚拟文本的分辨率。

图2示出根据一个实施例的光场投影仪，其中，成像光学元件70被配置成移动投影仪像平面115的位置，使得投影仪像平面115的位置可以与投影仪像素像16a、16b的位置重合。

在图2的示例中，成像光学元件70包括可移动的透镜。在本实施例中，透镜70向SLM20a移动。与图1相比，投影仪像平面115被移位到投影仪像素像16a、16b与投影仪虚拟像素像26a重合的移位平面114处。换句话说，投影仪像素像16a、16b位于来自像素15a和15b的调制光束111相交的位置。

使投影仪像平面115的位置移动到移位平面114的成像光学元件70的其它配置也是可能的。例如，成像光学元件70可以包括具有可变焦距的光学元件，诸如包括具有可变几何形状的元件、折射率可变的介质、电光材料、具有偏振旋转元件的双折射元件诸如液晶的光学元件或进行相同操作的其他元件。

此外，SLM 20a可以被控制以调节形成要由光场投影仪投影的像分量的像素分量15a、5b的空间分布。如图2所示，与图1的配置相比，像素分量15a和15b在SLM 20a中分布不同(更近)。形成像分量的有源像素分量15a、15b的调节可以构建预期的光场输出，并且使投影仪像素像16a、16b与投影仪虚拟像素像26a重合。

如图2所示，眼动范围虚拟像素像24是由从眼动范围121看到的调制光束111的明显交叉形成的。眼动范围虚拟像素像24的位置与眼动范围投影仪像18a、18b的位置重合。

当光场投影仪向观看者眼睛90投影像时，眼睛90的透镜130聚焦在眼动范围虚拟像素像24的位置上。透镜130将调制光束111投影在同一位置处，在本文中是眼睛视网膜92附近的传感器虚拟像素像27a。像素分量15的传感器像素像17a、17b也形成在眼睛视网膜92附近，并与传感器虚拟像素像27a重合。

在感兴趣的焦距中，即在眼动范围虚拟像素像24的距离中，虚拟像的感知分辨率基本上仅受SLM 20a上的像源的分辨率限制。

在一个方面，光源像平面34可以包括傅立叶滤波器，尤其是当使用高度衍射SLM20a时。在本文中，光源像平面34可以沿投影轴170向SLM 20a移动，以便使投影仪像平面115的位置与投影仪像素像16a、16b的位置重合。

图3a示出了根据另一实施例的光场投影仪，其中，像源1包括发光显示器20b。在本文中，光场投影仪是基于由透镜阵列将发光显示器分解成具有准直像素光束的调制光束111的。发光显示器20b可包括液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、微LED或其它合适的显示器。虚拟像素24的像素分量15a、15b是由发光显示器20b直接发出的，并且由位于光源像平面34或入射光瞳中的成像光学元件70准直。在本文中，成像光学元件70包括准直光学元件的阵列，例如透镜阵列。成像光学元件70还可以充当傅立叶滤波器，并且针对每个像素分量15a、15b确定与单独的调制光束111相对应的针孔孔径。

类似于图1和2的光场投影仪配置，投影光学装置2可以包括第一投影元件32和第二投影元件40。

在图3a中，观看者的眼睛90的透镜130聚焦在处于中间位置的投影仪像平面115上，这样，眼动范围投影仪像的位置，即从眼动范围121看到的像素分量15a、15b的像，在无穷远处。图3a中未示出眼动范围投影仪像(投影仪SLM平面的像)，但是其无限远处的位置是由进入眼动范围121的准直调制光束111指示的。

投影仪虚拟像素像26a和传感器虚拟像素像27a对应于来自像素15a和15b的调制光束111的交点，投影仪虚拟像素像26b和传感器虚拟像素像27b对应于来自像素15c和15d的调制光束111的交点。投影仪像素像16a、16b、16c和16d分别对应于来自像素15a、15b、15c和15d的调制光束111在投影仪像平面115中的像(焦点)。传感器像素像17a、17b、17c和17d分别对应于像素分量15a、15b、15c和15d在观看者的眼睛90中或在成像光学设备中的第二像。

在图3a的配置中，投影仪虚拟像素像26a、26b中没有一个与投影仪像素像16a、16b、16c和16c重合，并且传感器虚拟像素像27a、27b中没有一个与传感器像素像17a、17b、17c和17d重合。

图3b示出了图3a的光场投影仪，其中，成像光学元件70已经从图3a所示的其“中性”位置向发光显示器20b移动到这样的一个位置，在该位置处使投影仪像平面115移动到更靠近发光显示器20b的移动平面114。此外，控制发光显示器20b，以便调节形成要由光场投影仪投影的像分量的有源像素分量15。如图3b所示，与像素分量15c和15d相比，像素分量15a和15b在发光显示器20b中不同地分布(彼此更接近)。

结果，投影仪像素像16a、16b与投影仪虚拟像素像26a重合。当光场投影仪与观看者眼睛90协同工作时，透镜130将调制光束111投影到眼睛视网膜92附近的传感器虚拟像素像27a处，并且传感器像素像17a、17b形成在眼睛视网膜92附近并与传感器虚拟像素像27a重合。

由于未调节在发光显示器20b中的像素分量15c和15d，投影仪像素像16c、16d与投影仪虚拟像素像26a不重合，并且传感器像素像17a、17b与传感器虚拟像素像27b不重合。

此外，成像光学元件70可以包括变焦光学元件，其被配置成移动投影仪像平面115的位置，使投影仪像平面115的位置可以与投影仪像素像16a、16b的位置重合。

图3c示出了图3a的光场投影仪，其中，成像光学元件70已经从图3a中所示的更靠近发光显示器20b的“中性”位置移动到诸如将投影仪像平面115移动到更远离发光显示器20b的移动平面114的位置处。此外，控制发光显示器20b，以便调节形成要由光场投影仪投影的像分量的有源像素分量15a-15d。如图3b所示，与像素分量15a和15b相比，像素分量15c和15d在发光显示器20b中不同地分布(间隔更远)。

结果，投影仪像素像16a、16b与投影仪虚拟像素像26a重合。当光场投影仪向观看者的眼睛90投影像时，透镜130将调制光束111投影在眼睛视网膜92附近的传感器虚拟像素像27a处，并且传感器像素像17c、17d形成在眼睛视网膜92附近并与传感器虚拟像素像27b重合。由于不调节在发光显示器20B中的像素分量15a和15b，投影仪像素像16a、16b与投影仪虚拟像素像26a不重合，并且传感器像素像17a、17b与传感器虚拟像素像27a不重合。

图4示出了根据另一实施例的光场投影仪，其中，像源1包括投射相互相干的光束的相干单色光源11，其照射透射或反射和衍射显示器20b，诸如图3a和3b的配置。在图4的实施方式中，光场投影仪可以用作波前成形投影***。

例如，相干单色光源11可以包括一个激光器。显示器20b可以是透射的或反射的，用于调制入射光的幅度和可能的相位。显示器20b作为SLM，在每个像素衍射相干光源11的光束，并在光源像平面34的透镜阵列的每个透镜之前加宽光束。相干光源11的光束可以任选地由准直元件50准直，并在作为SLM的显示器20b上进行调制。

成像光学元件70包括准直光学元件的阵列，例如透镜阵列。成像光学元件70还可以充当傅立叶滤波器，并且确定与每个像素分量15a、15b的各个光场分量像相对应的针孔孔径。然而，在该实施例中不需要傅立叶滤波。

通过成像光学元件70的不同透镜以及可能的光源像平面34离开像源1的调制光束111是相互相干的。因此，调制光束111能够在它们的入射点处发生干涉，在该入射点处它们构建了由多个波前分量组成的波前。然后，当光场分量在成像光学设备的传感器附近或正好在成像光学设备的传感器处(例如眼睛90的视网膜92)重合时，可以重建任意虚拟像素的波前。

波前构造在图4的放大部分中示出，其中，箭头表示波矢量并且排列出各个光场分量的波前。平面波仅被认为是用于说明。实际上，每个分量都可以近似为具有相互不同原点的球形的。相干光场分量构建出一个球面波，该球面波在代表虚拟像素的虚拟点源中具有表观原点。

参考数字和符号

1 像源

2 光场投影光学装置

10 光源

10a，10b 点光

11 相干单色光源

15a-15d 像素分量

16a-16d 投影仪像素像

17a-17d 传感器像素像

18a，18b 眼动范围投影仪像

20a 空间光调制器

20b 显示器

24 眼动范围虚拟像素像

26a 投影仪虚拟像素像

26b 投影仪虚拟像素像

27a 传感器虚拟像素像

27b 传感器虚拟像素像

32 第一投影元件、透镜

34 光源像平面、傅立叶滤波器

40 第二投影元件

50 准直元件

70 成像光学元件

90 成像光学设备、眼睛

92 传感器，视网膜

110 光束

111 调制光束

114 移位平面

115 投影仪像平面

121 眼动范围

130 眼睛瞳孔，透镜

Claims (16)

1.一种用于投影像的光场投影仪，所述光场投影仪包括：

像源(1)，包括像生成设备(20a、20b)，所述像生成设备包括生成多个调制光束(111)的多个像素分量(15a-15d)；

成像光学元件(70)，将多个经调制的光束(111)的像投影到一个光源像平面(34)上；

投影光学装置(2)，配置成投影所述调制光束(111)以便限定眼动范围(121)并且形成投影仪像素像(16a-16d)；

投影光学装置(2)还被配置成在投影仪像平面(115)处形成投影仪像素像(16a-16d)并且在移位平面(114)处形成投影仪虚拟像素像(26a)；

其中，所述成像光学元件(70)被配置成使投影仪像平面(115)与移位平面(114)重合。

2.根据权利要求1所述的光场投影仪，

其中，所述成像光学元件(70)包括可移动的透镜。

3.根据权利要求1所述的光场投影仪，

其中，所述成像光学元件(70)包括具有可变焦距的光学元件。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光场投影仪，

其中，所述像生成设备(20a、20b)被控制以调节形成要由所述光场投影仪投影的所述像分量的所述像素分量(15a-15d)的空间分布。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的光场投影仪，

其中，所述像源(1)包括光源(10)，所述光源包括按时间顺序可激活的点光(10)的阵列，每个点光生成照亮所述像生成设备的光束(110)；以及

其中，所述像生成设备包括空间光调制器(SLM)(20a)。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的光场投影仪，

其中，所述像源(1)包括发光显示器(20b)。

7.根据权利要求6所述的光场投影仪，

其中，所述发光显示器(20b)包括液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)或微LED。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的光场投影仪，

其中，所述光源包括一种相干光源(11)，在显示器(20b)上投射相互相干光束。

9.根据权利要求8所述的光场投影仪，

其中，所述显示器(20b)被配置成在所述第二光学元件(70)的所述光学元件中的每个光学元件之前在每个像素分量(15a、15b)处衍射和加宽所述经调制的光束(111)。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的光场投影仪，

其中，所述第二光学元件(70)包括位于所述光源像平面(34)中的准直光学元件的阵列。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的光场投影仪，

其中，所述投影光学装置(2)还包括投影所述经调制的光束(111)的第三光学元件(32)，以在所述投影仪像平面(115)上形成投影仪像素像(16a，16b)。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的光场投影仪，

其中，所述投影光学装置(2)包括光学组合器(40)，所述光学组合器从所述投影仪像平面(115)投影所述经调制的光束(111)以形成传感器像素像(17a-17d)；以及

其中，所述成像光学元件(70)在所述传感器像素像(17a-17d)与传感器虚拟像素像(27a)重合的位置使所述投影仪像平面(115)移位。

13.根据权利要求8和11所述的光场投影仪，

其中，由所述显示器(20b)生成的所述经调制的光束(111)是相互相干的，并且被配置成在所述传感器虚拟像素像(27a)处构建由多个波前分量组成的波前。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的光场投影仪，

其中，所述光源像平面(34)包括傅立叶滤波器。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的光场投影仪，

被配置成将像投影到包括传感器(92)的成像光学设备(90)上；以及

其中，所述像素分量(15a-15d)的传感器像素像(17a-17d)基本上形成在所述传感器(92)处，并且与所述传感器虚拟像素像(27a)重合。

16.根据权利要求1或14所述的光场投影仪，

其中，所述光场投影仪被配置成投影内容或对内容相关指令做出反应。