CN118226729A - 一种扩大眼盒的光场显示***以及全息图计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扩大眼盒的光场显示***与全息图计算方法，***包括人眼光学***，虚拟全息面，光学成像***以及空间光调制器；所述人眼光学***中，人眼视网膜的傅里叶面被定义为虚拟全息面，所述光学成像***设于人眼光学***和空间光调制器之间；通过设定目标平面相位以及虚拟全息面滤波器构建全息图优化***，生成不同位置包含不同角度信息光场图像的全息图，生成的全息图加载在空间光调制器上，经光学成像***进行衍射传播，最终投影在人眼视网膜上，此时人眼视网膜能够在同一平面的不同位置接收到包含不同倾斜相位因子的复振幅，分别对应虚拟全息面不同位置的光场图像。

Description

一种扩大眼盒的光场显示***以及全息图计算方法

技术领域

本发明涉及光场全息显示技术领域，特别涉及一种扩大眼盒的光场显示***与全息图计算方法。

背景技术

随着科技的不断进步，人们对于视觉体验的要求也日益提高。传统的平面显示器虽然能够满足基本的观看需求，但在追求更为真实、立体的视觉感受方面显得力不从心。特别是在虚拟现实、三维建模等需要精确空间感知的领域，传统显示器无法提供足够的深度和位置信息，限制了用户的互动和沉浸感。

光场显示技术作为一种前沿的三维显示技术，通过模拟和记录光线的传播方向和强度，能够重建出物体的三维信息，为用户提供更加逼真的视觉体验。然而，受限于现有器件的性能，如液晶空间光调制器的衍射角度较小，导致眼盒大小有限，限制了光场显示技术的广泛应用。

为了突破这一限制，扩大眼盒的光场显示***成为了研究的热点。该***通过创新的设计和优化算法，旨在提高光场全息显示的观看范围和图像质量，使得用户能够享受到大尺寸、大范围、高质量的三维视觉体验。

全息图计算方法作为光场显示技术的核心之一，对于生成高质量的三维图像至关重要。通过精确计算和模拟物体的光场信息，全息图计算方法能够生成具有真实深度和细节的全息图像。随着计算机科学和光学理论的不断发展，全息图计算方法也在不断迭代和完善，为光场显示技术的发展提供了有力支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够完成眼盒扩大的光场全息显示***以及全息图的计算方法。

本发明采用以下技术方案：

一种扩大眼盒的光场显示***：包括人眼光学***，虚拟全息面，光学成像***以及空间光调制器；所述人眼光学***中，人眼视网膜的傅里叶面被定义为虚拟全息面，所述光学成像***设于人眼光学***和空间光调制器之间，配置所述***执行以下步骤：

获取光场图像作为***目标图像；

根据光场图像角度信息设定目标平面对应的倾斜相位，此时光场图像与倾斜相位共同组成目标平面复振幅；

将目标平面复振幅进行傅里叶变换，基于傅里叶变换的平移性质，此时频谱信息在虚拟全息面(2)分别处于不同的空间位置，设定低通滤波器对其进行对应位置的滤波，滤除冗余信息，用于完成全息图的重建；

根据虚拟全息面(2)设定的低通滤波器以及目标平面倾斜相位因子构建全息图优化***，生成全息图；

将生成的全息图加载在空间光调制器(4)上，经光学***(3)进行衍射传播，最终投影至人眼光学***(1)，此时人眼视网膜能够在同一平面的不同位置接收到包含不同倾斜相位因子的复振幅，分别对应虚拟全息面不同位置的光场图像。

进一步地，所述目标平面对应的倾斜相位可以根据不同角度的目标图像设定多个视点，完成多视点光场全息显示。设光场图像为T_i,j(i＝1,…n,j＝1,…m)，其中，n,m分别为横纵方向的图像位置坐标。

所述显示***还包括对虚拟全息面完成扩瞳显示的光栅以及光波导组件。

所述目标平面的倾斜相位计算包括以下步骤，首先根据光栅方程，得出空间光调制器的最大衍射角其中，λ为输入光波长，p为空间光调制器的像素尺寸；其次，根据光场图像的不同角度信息设定对应的相位偏移角θ_i,j(i＝1,…n,j＝1,…m)(相位偏移角范围在0到最大衍射角θ_max之间)；最终得到目标平面的相位因子

根据目标平面相位因子确定全息图傅里叶面的频谱分布，具体为：其中F为傅里叶变换，取其振幅值FU_amp＝abs(FU_i,j)，确定频谱分布。

根据倾斜相位因子的傅里叶频谱分布FU_amp确定低通滤波区域W_i,j＝flFUamp，其中，fl是低通滤波器；低通滤波后的频谱面即为光学***当中的虚拟全息面。

一种扩大眼盒的全息图计算方法，包括以下步骤：首先，使用光场图像与倾斜相位因子共同组成目标平面复振幅；其次，根据倾斜相位因子的频谱分布设置对应位置的低通滤波器；最后根据预先设定的全息频谱面(虚拟全息面)的低通滤波器以及目标平面相位因子构建全息图生成***，完成带有光场图像角度信息的全息图的生成。

进一步地，所述全息图生成***可以是GS迭代优化方法；可以是随机梯度下降的优化方法；可以是神经网络的优化方法。

所述人眼光学***可以是人眼直接接收虚拟全息面(即，人眼视网膜的傅里叶平面)上不同位置的不同光场信息，从而在人眼视网膜上成清晰的光场重建像；

进一步地，可以通过光栅以及光波导组件完成对虚拟全息面的扩瞳处理，从而使人眼能够通过光波导组件接收大尺寸的光场重建像。

所述光学成像***可以是单透镜***，包括第一透镜及光阑；其中，所述单透镜为会聚透镜，焦距为f₀₁；此时单透镜位于空间光调制器后f₀₁距离处；

进一步地，所述光学***可以是光学透镜组1，包括第一透镜，光阑，第二透镜以及第三透镜；其中，所述第一透镜，第二透镜以及第三透镜均为会聚透镜，焦距分别为f₂₁,f₂₂,f₂₃；此时第一透镜位于空间光调制器距离f₂₁处，光阑位于第一透镜后距离f₂₁处，第二透镜位于光阑后距离f₂₂处，第三透镜位于第二透镜后距离f₂₃后；所述光学成像***均满足薄透镜成像公式。

所述空间光调制器可以是相位型空间光调制器；可以是振幅型空间光调制器；可以是复振幅型空间光调制器。

有益效果：1、该方案通过设定目标平面相位以及虚拟全息面滤波器构建全息图优化***，生成不同位置包含不同角度信息光场图像的全息图，生成的全息图加载在空间光调制器上，经光学成像***进行衍射传播，最终投影在人眼视网膜上，此时人眼视网膜能够在同一平面的不同位置接收到包含不同倾斜相位因子的复振幅，分别对应虚拟全息面不同位置的光场图像，完成眼盒扩大的三维物体光场重建；2、该方案将不同光场图像信息编码至一张全息图当中，完成高质量全息图的生成，利用倾斜相位因子作为目标相位，基于傅里叶变换的平移性质，将包含不同角度信息的光场图像在虚拟全息面实现频谱分离，从而得到扩展的频谱信息；

3、该方案中人眼视网膜接收到虚拟全息面上眼盒扩大的复振幅信息，对应不同位置的光场图像，实现眼盒扩大的三维物体光场重建；

4、该方案中适用于近眼显示，如AR眼镜；实现高质量全息重建，使用紧凑的单透镜***，并在不损失视场范围的情况下实现扩展的大眼盒结构，以实现更加逼真的近眼显示效果；

5、该方案中适用于远场显示，如车载HUD；通过光学成像***实现大尺寸图像的显示，通过频谱扩展***实现大眼盒的显示效果。

附图说明

图1为本发明的扩大眼盒的光场显示***的结构示意图，其中(a)单视点，(b)多视点；

图2为使用光栅以及光波导组件的扩大眼盒的光场显示***的结构示意图；

图3为本发明的扩大眼盒的光场显示***的全息图计算方法流程图；(a)单视点，(b)多视点；

图4为光栅以及光波导组件结构示意图；(a)透射式线性二元光栅，(b)光波导组件：入射光线与出射光线反向传播；

图5为光学成像***；(a)单透镜***，(b)光学透镜组1

图6为人眼视网膜成像原理示意图；(a)虚拟全息面位于人眼视网膜傅里叶面，(b)虚拟全息面位于人眼视网膜傅里叶面之前，(c)虚拟全息面位于人眼视网膜傅里叶面之后；

图7增强现实***结构示意图；

图8抬头显示***结构示意图。

图中：1、人眼光学***，1-1、线性二元光栅、1-2、入耦合元件，1-3、出耦合元件，2、虚拟全息面，2-1人眼视网膜傅里叶面，3、光学成像***，3-1、第一透镜，3-2、光阑，3-3、第二透镜，3-4、第三透镜，4、空间光调制器，5、准直光源，6、反射镜，7、风挡玻璃。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1(a)所示，一种扩大眼盒的光场显示***：包括人眼光学***(1)，虚拟全息面(2)，光学成像***(3)以及空间光调制器(4)；所述人眼光学***(1)中，人眼视网膜的傅里叶面被定义为虚拟全息面(2)，所述光学成像***(3)设于人眼光学***(1)和空间光调制器(4)之间；

其特征在于，配置所述***执行以下步骤：

获取光场图像作为***目标图像；

根据光场图像角度信息设定目标平面对应的倾斜相位，此时光场图像与倾斜相位共同组成目标平面复振幅；

将目标平面复振幅进行傅里叶变换，基于傅里叶变换的平移性质，此时频谱信息在虚拟全息面(2)分别处于不同的空间位置，设定低通滤波器对其进行对应位置的滤波，滤除冗余信息，用于完成全息图的重建；

根据虚拟全息面(2)设定的低通滤波器以及目标平面倾斜相位因子构建全息图优化***，生成全息图；

将生成的全息图加载在空间光调制器(4)上，经光学***(3)进行衍射传播，最终投影至人眼光学***(1)，此时人眼视网膜能够在同一平面的不同位置接收到包含不同倾斜相位因子的复振幅，分别对应虚拟全息面不同位置的光场图像。

具体地，所述目标平面对应的倾斜相位可以根据不同角度的目标图像设定多个视点，完成多视点光场全息显示，如图1(b)所示。设光场图像为T_i,j(i＝1,…n,j＝1,…m)，其中，n,m分别为横纵方向的图像位置坐标。

进一步地，如图2所示，所述显示***还包括对虚拟全息面完成扩瞳显示的光栅以及光波导组件。

所述光场显示***，目标平面的倾斜相位计算包括以下步骤：首先根据光栅方程，得出空间光调制器的最大衍射角其中，λ为输入光波长，p为空间光调制器的像素尺寸；其次，根据光场图像的不同角度信息设定对应的相位偏移角θ_i,j(i＝1,…n,j＝1,…m)(相位偏移角范围在0到最大衍射角θ_max之间)；最终得到目标平面的相位因子

根据目标平面相位因子确定全息图傅里叶面的频谱分布，具体为：其中F为傅里叶变换，取其振幅值FU_amp＝abs(FU_i,j)，确定频谱分布。

根据倾斜相位因子的傅里叶频谱分布FU_amp确定低通滤波区域W_i,j＝flFUamp，其中，fl是低通滤波器；低通滤波后的频谱面即为光场显示***当中的虚拟全息面。

一种扩大眼盒的全息图计算方法，如图3所示，包括以下步骤：首先，使用光场图像与倾斜相位因子共同组成目标平面复振幅①；其次，根据倾斜相位因子的频谱分布设置对应位置的低通滤波器②；最后根据预先设定的全息频谱面(虚拟全息面)的低通滤波器以及目标平面相位因子构建全息图生成***③，完成带有光场图像角度信息的全息图的生成。

进一步地，所述全息图生成***可以是GS迭代优化方法；可以是随机梯度下降的优化方法；可以是神经网络的优化方法。

具体地，本实施例使用随机梯度下降方法构建全息图生成***，将预先设定的全息频谱面的低通滤波器以及目标平面相位因子分别作为频域以及空域的约束信息，具体为：

Holo＝f_SGD{L_SGD{U_i,j,U_target

L_SGD＝L_amp+L_pha

U_i,j＝F^-1{F{f_ASM{φ}}*W_i,j}

其中，L_SGD为优化***损失函数，表示为振幅损失函数L_amp以及相位损失函数L_pha之和，f_SGD表示随机梯度下降方法，F^-1表示逆傅里叶变换，f_ASM表示角谱衍射，φ为输入的随机相位。

所述人眼光学***(1)：

如图1所示，由人眼直接接收虚拟全息面(即，人眼视网膜的傅里叶平面)上不同位置的不同光场信息，从而在人眼视网膜上成清晰的光场重建像；

进一步地，如图2所示，通过光栅以及光波导组件完成对虚拟全息面的扩瞳处理，从而使人眼能够通过光波导组件接收大尺寸的光场重建像。

具体地，光栅按照形状划分可以是线性光栅、棋盘光栅或者倾斜光栅，按照出射方式划分可以是透射式光栅、反射式光栅。

具体地，光波导组件组件包括入耦合元件，转向元件以及出耦合元件；根据原理划分可以是PB液晶光栅、表面浮雕光栅或体全息光栅中的任意一种；根据光波出射方式划分可以是透射式光栅、反射式光栅。

进一步地，所述虚拟全息面经光栅结构向不同的方向衍射出离散化的多个衍射级次，后经光波导组件中的入耦合元件入射到转向元件发生全反射并传播到出耦合元件区域，在此区域完成眼盒扩大，在出耦合元件区域后侧，人眼可观看大尺寸的连续光场图像。

具体地，本实施例中，所述光栅为透射式线性二元光栅1-1，如图4(a)所示，光波导组件的入耦合元件与出耦合元件为表面浮雕光栅的反射式光栅。如图4(b)所示，光波导组件中的入耦合元件1-2和出耦合元件1-3位于光波导基底同侧，入射光线和出射光线反向传播。

具体地，所述虚拟全息面置于光栅平面，向不同方向衍射出多个离散级次，部分级次输入光波导的入耦合元件，满足光波导全反射条件的光线耦入光波导片，并在光波导片内传播，最后经出耦合元件将光线耦出波导，得到二维扩展的光场信息。此时可以在光波导的耦出区域后实现大眼盒、大尺寸的全息显示。

所述光学成像***(3)：

在一个实施例中，如图5(a)所示，为单透镜***，包括第一透镜及光阑；其中，所述单透镜为会聚透镜，焦距为f₀₁；此时单透镜位于空间光调制器后f₀₁距离处；

在另一个实施例中，如图5(b)所示，为光学透镜组，包括第一透镜，光阑，第二透镜以及第三透镜；其中，所述第一透镜，第二透镜以及第三透镜均为会聚透镜，焦距分别为f₂₁,f₂₂,f₂₃；此时第一透镜位于空间光调制器距离f₂₁处，光阑位于第一透镜后距离f₂₁处，第二透镜位于光阑后距离f₂₂处，第三透镜位于第二透镜后距离f₂₃后。

具体地，所述光学成像***均满足薄透镜成像公式：

经所述光学成像***后的重建图像与光学透镜组(或单透镜)主平面之间的距离为u，经所述光学透镜组(或单透镜)后所成虚像与光学透镜组(或单透镜)主平面之间的距离为v，u和v满足如下关系：

其中：f为光学成像***3的等效焦距，且满足0＜u＜f。

所述空间光调制器(4)：

可以是相位型空间光调制器；可以是振幅型空间光调制器；可以是复振幅型空间光调制器。

具体地，本实施例中使用相位型空间光调制器来加载相位型全息图。

进一步地，所述虚拟全息面与人眼的视网膜平面互为傅里叶变换关系，如图6(a)所示；假定人眼的焦距为f(f＝17mm-23mm)，虚拟全息面2与人眼1之间的距离为z；

具体地，虚拟全息面可以位于人眼视网膜傅里叶平面之前，即z>f，通过对虚拟全息面添加会聚的球面波二次相位因子，例如：exp(-ik(x²+y²)/2f)，对复振幅信息进行相位补偿，从而在人眼视网膜平面得到不同方向光场图像的清晰重建像，如图6(b)所示；

虚拟全息面可以位于人眼视网膜傅里叶平面之后，即z<f，通过对虚拟全息面添加发散的球面波二次相位因子，例如：exp(ik(x²+y²)/2f)，对复振幅信息进行相位补偿，从而在人眼视网膜平面得到不同方向光场图像的清晰重建像，如图6(c)所示。

进一步地，将该***与计算方法应用在近眼显示***中。

具体地，如图7所示，应用于AR眼镜当中，将所述扩大眼盒的光场显示***添加准直光源5，封装入眼镜两侧，两侧光波导组件作为镜片，完成增强现实的光场全息显示。

进一步地，将该***与计算方法应用在远场显示***中。

具体地，如图8所示，应用于HUD显示装置当中，将所述光场显示***添加反射镜6与风挡玻璃7，共同构成车载抬头显示***。光波导组件耦出光线经反射镜反射至风挡玻璃上，最终由风挡玻璃将光线反射到新的观察位置。

本发明的实施过程为：

首先获取光场图像作为***目标图像；其次，根据光场图像角度信息设定目标平面对应的倾斜相位，此时光场图像与倾斜相位共同组成目标平面复振幅；基于傅里叶变换的平移性质，倾斜相位的频谱信息在傅里叶面上分别处于不同的空间位置，对其进行对应位置的低通滤波，获取低频信息；最终通过设定目标平面相位以及频谱面滤波窗构成全息图优化***，生成包含角度信息光场图像的全息图，将该全息图加载在空间光调制器上，经光学成像***进行衍射传播，最终投影在人眼视网膜上，此时人眼视网膜能够在同一平面的不同位置接收到不同倾斜相位因子，分别对应虚拟全息面不同位置的光场图像。

Claims (10)

1.一种扩大眼盒的光场显示***：包括人眼光学***(1)，虚拟全息面(2)，光学成像***(3)以及空间光调制器(4)；所述人眼光学***(1)中，人眼视网膜的傅里叶面被定义为虚拟全息面(2)，所述光学成像***(3)设于人眼光学***(1)和空间光调制器(4)之间；

其特征在于，配置所述显示***执行以下步骤：

获取光场图像作为***目标图像；

根据光场图像角度信息设定目标平面对应的倾斜相位，此时光场图像与倾斜相位共同组成目标平面复振幅；

将目标平面复振幅进行傅里叶变换，基于傅里叶变换的平移性质，此时频谱信息在虚拟全息面(2)分别处于不同的空间位置，设定低通滤波器对其进行对应位置的滤波，滤除冗余信息，用于完成全息图的重建；

根据虚拟全息面(2)设定的低通滤波器以及目标平面倾斜相位因子构建全息图优化***，生成全息图；

将生成的全息图加载在空间光调制器(4)上，经光学***(3)进行衍射传播，最终投影至人眼光学***(1)，此时人眼视网膜能够在同一平面的不同位置接收到包含不同倾斜相位因子的复振幅，分别对应虚拟全息面不同位置的光场图像。

2.根据权利要求1所述的一种扩大眼盒的光场显示***，其特征在于，目标平面对应的倾斜相位根据不同位置的不同角度的目标图像设定多个视点，完成多视点光场全息显示，设光场图像为T_i,j(i＝1,…n,j＝1,…m)，其中，n,m分别为横纵方向的图像位置坐标。

3.根据权利要求1所述的一种扩大眼盒的光场显示***，其特征在于，所述显示***还包括对虚拟全息面完成扩瞳显示的光栅以及光波导组件。

4.根据权利要求1所述的一种扩大眼盒的光场显示***，其特征在于，目标平面的倾斜相位计算包括以下步骤，首先根据光栅方程，得出空间光调制器的最大衍射角其中，λ为输入光波长，p为空间光调制器的像素尺寸；其次，根据光场图像的不同角度信息设定对应的相位偏移角θ_i,j(i＝1,…n,j＝1,…m)(相位偏移角范围在0到最大衍射角θ_max之间)；最终得到目标平面的相位因子/>

5.根据权利要求1所述的一种扩大眼盒的光场显示***，其特征在于，根据目标平面相位因子确定全息图傅里叶面的频谱分布，具体为：/> 其中F为傅里叶变换，取其振幅值FU_amp＝abs(FU_i,j)，确定频谱分布。

6.根据权利要求1所述的一种扩大眼盒的光场显示***，其特征在于，根据倾斜相位因子的傅里叶频谱分布FU_amp确定低通滤波区域W_i,j＝f_l{FU_amp}，其中，f_l是低通滤波器；低通滤波后的频谱面即为光学***当中的虚拟全息面。

7.根据权利要求1所述的一种扩大眼盒的光场显示***，其特征在于，所述人眼光学***(1)：

人眼直接接收虚拟全息面(即，人眼视网膜的傅里叶平面)上不同位置的不同光场信息，从而在人眼视网膜上成清晰的光场重建像；

通过光栅以及光波导组件完成对虚拟全息面的扩瞳处理，从而使人眼能够通过光波导组件接收大尺寸的光场重建像。

8.根据权利要求1所述的一种扩大眼盒的光场显示***，其特征在于，所述光学成像***(3)：

设置为单透镜***，包括第一透镜及光阑；其中，所述单透镜为会聚透镜，焦距为f₀₁；此时单透镜位于空间光调制器后f₀₁距离处；

可以是光学透镜组1，包括第一透镜，光阑，第二透镜以及第三透镜；其中，所述第一透镜，第二透镜以及第三透镜均为会聚透镜，焦距分别为f₂₁,f₂₂,f₂₃；此时第一透镜位于空间光调制器距离f₂₁处，光阑位于第一透镜后距离f₂₁处，第二透镜位于光阑后距离f₂₂处，第三透镜位于第二透镜后距离f₂₃后；所述光学成像***均满足薄透镜成像公式；

所述空间光调制器(4)是相位型空间光调制器；或者振幅型空间光调制器；或者是复振幅型空间光调制器。

9.一种扩大眼盒的全息图计算方法，包括以下步骤：首先，使用光场图像与倾斜相位因子共同组成目标平面复振幅①；其次，根据倾斜相位因子的频谱分布设置对应位置的低通滤波器②；最后根据预先设定的全息频谱面(虚拟全息面)的低通滤波器以及目标平面相位因子构建全息图生成***③，完成带有光场图像角度信息的全息图的生成。

10.根据权利要求9所述的一种扩大眼盒的全息图计算方法，其特征在于，全息图生成***是GS迭代优化方法；或者是随机梯度下降的优化方法；或者是神经网络的优化方法。