CN210072223U - 裸眼增强现实显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种裸眼增强现实显示装置，包括：光源，用于提供多视角图像；3D光场屏，用于对多视角图像中的图像像素进行位相调制后在空间中形成点阵、线阵或面阵的3D光场观察区域，获得裸眼3D显示；3D光场屏包括至少一个位相板，位相板上设有像素式纳米光栅；六轴调整装置，用于对3D光场屏进行六轴调整，以使像素式纳米光栅与图像像素相匹配，其包括CCD实时监控***和六轴调整屏幕框。该显示装置通过位相板将光源提供的***行光进行光场变换，在空间中形成点阵、线阵或面阵的3D光场观察区域，获得裸眼3D显示。既能实现无图像串扰、无视觉疲劳、宽视角、高衍射效率的显示要求，又能提高装置的光能利用率，使3D光场屏的亮度增加。

Description

裸眼增强现实显示装置

技术领域

本实用新型涉及一种裸眼增强现实显示装置，属于光学显示技术领域。

背景技术

由于受图像分辨率较低和易产生视觉疲劳等问题的制约，基于视差原理的裸眼3D显示一直未能真正进入消费电子领域。增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)，是1990年提出的一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的技术，把原本在现实世界很难体验到的实体信息(视觉、触觉等)，通过电脑等科学技术，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。可以结合真实和虚拟世界，创造新的可视化环境，在军事、医疗、教育、游戏和生活等重要领域有着广泛的应用前景。相比于当前热门的AR等增强现实方案，融合了自由立体显示技术的增强现实***可以一定程度上减少由于辅助式设备带来的负重等，给观看者提供更好的舒适度。

中国专利CN201610108401.8提供了一种基于液晶光栅的裸眼3D增强现实的装置。将视障屏覆盖在液晶显示LCD表面，视障屏将不同视角图像实现空间角度分离。理论上，由于鬼影和杂散光难以消除，在人眼观察3D图像时，易引起视觉疲劳。同时由于上述方法对光线不能实现任意的调控。受杂散光的影响，通常视角间隔设置较大，视角不连贯，无法实现无跳跃的裸眼3D显示效果。该专利将透明液晶代替传统的液晶，达到裸眼3D和增强现实的效果，同样存在以上缺点。

中国专利CN201710631326.8提供了一种人眼追踪的裸眼3D增强现实装置，其主要是利用基于微透镜阵列的裸眼3D显示终端结合半透半反镜达到增强现实的效果，但其视场角较小，且仅限于单人观察。

中国专利CN201610034105.8和CN201510778086.5，分别提出了一种投影式裸眼3D显示装置和一种利用彩色滤光片实现的裸眼3D显示装置，其核心为利用像素式纳米光栅结构实现光场相位调制。特点为，相比于视障法与微柱透镜法，可消除杂散光和鬼影的影响，视角间隔可设计成很小，形成较连续视差效果，观察时无跳跃感。因此在视场角范围内，3D体验效果佳。然而，彩色滤光片、RGB像素空间分离都使得光能利用率降低，最终导致屏幕上图像亮度下降，且制备工艺复杂。

为了能在实际应用中达到无串扰，无视觉疲劳，宽视角，高衍射效率的显示要求，本专利在上述专利基础上提出了一种纳米结构空间复用的位相板，将该位相板与激光投影技术结合可得到裸眼3D光场显示的增强现实装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种裸眼增强现实显示装置，其既能实现无图像串扰、无视觉疲劳、宽视角、高衍射效率的显示要求，又能提高装置的光能利用率，使3D光场屏的亮度增加。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种裸眼增强现实显示装置，包括：

光源，用于提供多视角图像；

3D光场屏，用于对所述多视角图像中的图像像素进行位相调制后在空间中形成点阵、线阵或面阵的3D光场观察区域，获得裸眼3D显示；所述3D光场屏包括至少一个位相板，所述位相板上设有像素式纳米光栅；

六轴调整装置，用于对所述3D光场屏进行六轴调整，以使所述像素式纳米光栅与所述图像像素相匹配，所述六轴调整装置包括CCD实时监控***和六轴调整屏幕框。

进一步地，所述光源投射RGB混合光，所述位相板包括第一光栅、第二光栅和第三光栅，所述第一光栅、第二光栅和第三光栅的上像素式纳米光栅对应设置在所述位相板的同一位置，并于所述图像像素相匹配，以分别对所述RGB混合光中的红光、绿光和蓝光进行位相调控。

进一步地，所述裸眼增强现实显示装置包括多个所述位相板，分别对应混合光中的红光、绿光和蓝光的像素式纳米光栅分别位于多个所述位相板的同一像素位置。

进一步地，所述光源为激光投影仪，所述激光投影仪位于所述3D光场屏的出光面，或者，所述激光投影仪位于与所述出光面相对的背光面。

进一步地，所述第一光栅、第二光栅和第三光栅依次设置，且按照与所述激光投影仪之间的距离从近到远排布。

进一步地，同一所述位相板上的像素式纳米光栅只对单色光进行位相调控。

进一步地，每个所述像素式纳米光栅的光栅周期与取向角根据光栅方程计算，满足以下关系：

(1)

(2)

其中，θ₁和

分别表示衍射光的衍射角与方位角，θ和λ分别表示入射光的入射角与波长，Λ和分别表示所述像素式纳米光栅中的纳米光栅结构的周期和取向角，n表示光波在介质中的折射率。

进一步地，所述像素式纳米光栅中的纳米光栅结构选自一维纳米光栅结构、二维纳米光栅结构、空间复用纳米光栅结构、纳米光栅阵列结构或二元光学元件中的任一种。

进一步地，所述六轴调整屏幕框包括俯仰屏幕框和与所述俯仰屏幕框连接的五轴调整台，所述俯仰屏幕框的上端设有千分尺。

进一步地，所述CCD实时监控***包括CCD相机，所述CCD相机设置在所述俯仰屏幕框的四个角上，以用于监控所述像素式纳米光栅与图像像素的相对位置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型的裸眼增强现实显示装置采用3D光场屏来对光源发出的图像像素进行位相调制，通过位相板将光源照射来的***行光进行光场变换，以在空间中形成点阵、线阵或面阵的3D光场观察区域，获得裸眼3D显示；由于图像的聚焦效应，不同视角图像件不存在串扰，同时携带振幅与位相信息，因此观察时不产生视觉疲劳，也没有对观察位置的限制；

(2)在3D光场屏的背光面未设置滤光片，而是采用纳米结构空间复用的位相板来实现彩色3D显示，提高了光能利用率，使3D光场屏的亮度增加；

(3)通过设置六轴调整装置来对3D光场屏进行位置调整，使得像素式纳米光栅与光源得图像像素相匹配，并且，通过采用五轴调整台+俯仰屏幕框的方案，以CCD相机监控像素式纳米光栅与图像像素的相对位置，在俯仰屏幕框的上端设置千分尺，以下端为转动支点，能精确调整俯仰的位移量；

(4)本实用新型的裸眼增强现实显示装置中的同一位相板上的像素式纳米光栅由于仅对单射光进行位相调控，而现有技术将对应红、绿、蓝三种光的纳米光栅像素结构设置在投影屏幕的同一功能层上形成像素式纳米光栅，与其相比，本实用新型在制备位相板的过程中，只需制作用于对单色光进行位相调控的纳米光栅结构，大大简化了制备工序，降低了工艺难度和生产成本。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型的裸眼增强现实显示装置中的纳米光栅结构在XY平面下的结构示意图；

图2为图1所示的纳米光栅结构在XZ平面下的结构示意图；

图3为现有技术的裸眼3D显示装置的结构示意图；

图4为本实用新型一实施例所示的裸眼增强现实显示装置的结构示意图；

图5为图4所示的裸眼增强现实显示装置中的3D光场屏的结构示意图；

图6为图4所示的裸眼增强现实显示装置中的第一光栅的结构示意图；

图7为图4所示的裸眼增强现实显示装置中的六轴调整装置的结构示意图；

图8为本实用新型另一实施例所示的裸眼增强现实显示装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

需要说明的是：本实用新型的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本实用新型进行说明，不作为限定用语。

本实用新型的裸眼增强现实显示装置，包括：

光源，优选的，为激光投影仪，用于振幅调节，即投射多视角图像，激光投影仪位于3D光场屏的背光面(背投式)，或者，出光面(正投式)，采用激光光源，其具有亮度高，指向性极佳等特点；

3D光场屏，用于对所述多视角图像中的图像像素进行位相调制后在空间中形成点阵、线阵或面阵的3D光场观察区域，获得裸眼3D显示；所述3D光场屏包括至少一个位相板，所述位相板上设有像素式纳米光栅；

六轴调整装置，用于对所述3D光场屏进行六轴调整，以使所述像素式纳米光栅与所述图像像素相匹配，所述六轴调整装置包括CCD实时监控***和六轴调整屏幕框。

该裸眼增强现实显示装置在非指向性光源照射区域，3D光场屏成透明状态，可实现增强现实效果。

本实用新型中，像素式纳米光栅由若干纳米光栅结构形成，纳米光栅结构选自一维纳米光栅结构、二维纳米光栅结构、空间复用纳米光栅结构、纳米光栅阵列结构或二元光学元件中的任一种，在本实用新型一个实施例中，纳米光栅为一维纳米光栅结构，其一维光栅周期和取向角对位相调控的具体细节如下所示。

请参见图1和图2，图1和图2分别是结构尺度在纳米级别的纳米光栅结构在XY平面和XZ平面下的结构图。根据光栅方程，纳米光栅结构101的周期、取向角满足以下关系：

(1)

(2)

其中，光线以一定的角度入射到XY平面，θ₁和

依次表示衍射光202的衍射角(衍射光线与z轴正方向夹角)和衍射光202的方位角(衍射光线与x轴正方向夹角)，θ和λ依次表示光源201的入射角(入射光线与z轴正方向夹角)和波长，Λ和

依次表示纳米光栅结构101的周期和取向角(槽型方向与y轴正方向夹角)，n表示光波在介质中的折射率。换言之，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线衍射角和衍射方位角之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米光栅结构的周期和取向角了。例如，650nm波长红光以60°角入射，光的衍射角为10°、衍射方位角为45°，通过计算，对应的纳米光栅结构的周期为550nm，取向角为-5.96°。由此，光栅周期、取向和方位角根据全息原理与光栅方程计算获得。

按照上述原理，将每一个或多个纳米光栅结构视为一个像素，在一块屏幕表面制作出多个按需设定的不同取向角和周期的像素式纳米光栅之后，理论上就可以获得足够多的具有不同视点，配合颜色和灰度的控制，就能实现多视角下的裸眼3D显示。多个像素阵列的视角范围在正负90度之间。

然而，具有上述纳米光栅结构的屏幕在应用到激光显示模组之后，却存在如下的问题：不同波长的光源，对应的纳米光栅结构的周期也会不同。对于同一个指向投影屏幕模组，如果R、G、B三种波长的光源以相同的角度入射，那么R、G、B三束光的衍射角必定不同，即R、G、B三束光不在同一个焦点上。然而实现彩色图形，必须依赖RGB三种颜色(或者其他三色)的搭配。这就意味着在一块指向投影屏幕模组中使用3颜色光源的话，必须使3种颜色的光源以不同的角度入射到对应的同一个纳米光栅上。

解决上述技术问题的关键在于，使RGB三种颜色(或者其他三色)通过一块指向投影屏幕模组后形成相同的衍射角度和相同的空间视点。请参考图3，中国专利CN201510778086.5所公开的裸眼3D显示装置中，采用了指向性彩色滤光片1、激光光源(未图示)以及液晶显示面板2配合使用来实现彩色化显示的方案。其中，该指向性彩色滤光片1包括彩色滤光片和位于彩色滤光片出光面的指向性功能结构层，在彩色滤光片上设有多个滤光单元，在指向性功能结构层上设有多个结构单元，且滤光单元和结构单元需要一一对应设置。而其液晶显示面板2则需要设置多个包括至少三个子像素(红、绿、蓝)的像素单元。此种设计相比于传统的视障法与微柱透镜法，虽然具有可消除杂散光和鬼影的影响，视角间隔可设计成很小，形成较连续视差效果，观察时无跳跃感等优点，但是由于指向性彩色滤光片1复杂的结构以及液晶显示面板2像素单元的空间分离，使得整个装置光能利用率低，最终导致屏幕上图像亮度下降。并且，复杂的结构使得整个组织制备工艺复杂，生产成本极高。

本实用新型中，可以通过采用光刻方法在位相板上刻蚀制作出纳米光栅结构；或者，制作出用于压印的模板，再通过纳米压印技术压印出纳米光栅结构，以形成像素式纳米光栅，降低生产成本。其制备方法均为现有技术，在此不再进行阐述。该光刻技术可参照申请号为CN201310166341.1的中国专利申请记载的光刻设备和光刻方法。

请参见图4至图7，本实用新型一实施例提供了一种裸眼增强现实显示装置，其包括激光投影仪1-10、3D光场屏1-1以及六轴调整装置1-2。以图4中箭头A所指方向为该裸眼增强现实显示装置的正面，3D光场屏1-1包括位于正面的出光面1-11以及位于背面的背光面1-12。本实施例中，如图5所示，3D光场屏1-1中的位相板包括分别用于对红光、绿光和蓝光进行位相调制的第一光栅1-13、第二光栅1-14以及第三光栅1-15，该第一光栅1-13、第二光栅1-14和第三光栅1-15从装置的背面至正面依次设置。同时，在位相板上分别设有用于对红、绿、蓝光进行位相调控的纳米光栅结构。激光投影仪1-10设置在3D光场屏1-1的背光面1-12(背投式)的中间偏上的位置，用于倾斜投射多视角编码图像，使每个像素的光线经过3D光场屏1-1上的纳米光栅结构的位相调控，精准的分离至对应的水平视点(或者垂直视点)，在视点区域产生3D光场，多余的零级光则直射到地面，避免投影仪的激光直射人眼。将实物放置在屏幕后方，调整优化虚拟场景，在视点区域观察，可以实现现实增强的效果。

在本实施例中，第一光栅1-13、第二光栅1-14以及第三光栅1-15上对应RGB波长的三种的纳米光栅结构设置在位相板的同一位置。以第一光栅1-13为例，如图6所示，第一光栅1-13上设有多个阵列排布的像素式纳米光栅1-131，每个像素式纳米光栅1-131与激光投影仪1-10投影过来的单个图像像素对应设置，每一像素式纳米光栅1-131又包括至少一个纳米光栅结构1-130。本实施例的纳米光栅结构1-130采用一维纳米光栅结构，其具体的结构设计已在前阐述。由于本实用新型中的每个位相板仅用于对一种颜色的光进行位相调控，因此在制备位相板的过程中，每个位相板上只需要制备单色的纳米光栅结构，相对于现有技术制备至少三色(红、绿、蓝)的纳米光栅结构而言，大大简化了制备工艺，降低了制备难度。通过采用本实用新型的空间复用的方法进行彩色化显示，即将红、绿、蓝对应的纳米光栅结构制备在同一像素位置，重叠在一起，对入射到该纳米光栅结构上的红、绿、蓝混合光分别进行位相调控，互不影响，提高了光能利用率，使得3D光场屏1-1的显示亮度增加。

本实施例中的3D光场屏仅设有一个位相板，诚然，在其他实施例中，还可以设置多个位相板对RGB混合光进行位相调控，且每个位相板中对应RGB波长的三种的纳米光栅结构设置在同一位置。

请结合图7，为了使得像素式纳米结构与激光投影仪1-10投射的图像像素能够精度对准，需要在空间中对3D光场屏1-1进行六轴调整，即X、Y、Z、θx、θy、θz。现有的调整装置将六轴调整台设置在屏幕下方，但是，由于俯仰(θy)的转动点到屏幕上端的像素距离较大，所以俯仰(θy)的转动很小的角度则会转换成像素较大的位移，造成无法对准。在本实用新型中，该六轴调整装置1-2包括CCD实时监控***(未图示)和六轴调整屏幕框1-21。其中，六轴调整屏幕框1-21包括俯仰屏幕框1-211和与其连接的五轴调整台1-212，在俯仰屏幕框1-211的上方设有千分尺(未图示)，其固定在与俯仰屏幕框1-211连接的固定单元(未图示)上，以俯仰屏幕框1-211的下端为转动支点，配合该千分尺可以精确调整俯仰屏幕框1-211俯仰(θy)的位移量。本实施例中，CCD实时监控***包括四个CCD相机(未图示)，四个CCD相机分别安装在3D光场屏1-1的四个角上，用来监控3D光场屏1-1中各位相板上的像素式纳米结构与激光投影仪1-10投射图像像素的相对位置，为六轴调整提供参考。当然，在其他实施例中，还可以通过采用六轴调整算法，通过CCD相机反馈的相对位置来对调整台进行电控实现对准操作。

本实用新型中的3D光场屏，单个像素尺寸可根据屏幕的分辨率做调整，可实现2D/3D切换。多幅(n)视角图形分别对应于指向性像素(n)，形成3D图像显示。如果不是多视角图像，而是单视角图形，那么即形成2D显示，这里2D图像的像素尺寸等于“n*指向性像素尺寸”。由于像素尺寸可做到很小，比如20微米，如果是9个视点，这样，2D像素的尺寸就为60微米，不影响显示屏幕的2D图像分辨率。

请参见图8，本实用新型另一实施例的裸眼增强现实显示***与前一实施例基本相同，不同之处在于，本实施例采用正投式的激光投影仪2-10，且其3D光场屏2-1上的纳米光栅结构也相对于进行调整设计。与背投式相同，本实施例同样采用倾斜投射的方式来消除激光直射人眼的隐患。

综上所述：

(1)本实用新型的裸眼增强现实显示装置采用3D光场屏来对光源发出的图像像素进行位相调制，通过位相板将光源照射来的***行光进行光场变换，以在空间中形成点阵、线阵或面阵的3D光场观察区域，获得裸眼3D显示；由于图像的聚焦效应，不同视角图像件不存在串扰，同时携带振幅与位相信息，因此观察时不产生视觉疲劳，也没有对观察位置的限制；

(2)在3D光场屏的背光面未设置滤光片，而是采用纳米结构空间复用的位相板来实现彩色3D显示，提高了光能利用率，使3D光场屏的亮度增加；

(3)通过设置六轴调整装置来对3D光场屏进行位置调整，使得像素式纳米光栅与光源得图像像素相匹配，并且，通过采用五轴调整台+俯仰屏幕框的方案，以CCD相机监控像素式纳米光栅与图像像素的相对位置，在俯仰屏幕框的上端设置千分尺，以下端为转动支点，能精确调整俯仰的位移量；

(4)本实用新型的裸眼增强现实显示装置中的同一位相板上的像素式纳米光栅由于仅对单射光进行位相调控，而现有技术将对应红、绿、蓝三种光的纳米光栅像素结构设置在投影屏幕的同一功能层上形成像素式纳米光栅，与其相比，本实用新型在制备位相板的过程中，只需制作用于对单色光进行位相调控的纳米光栅结构，大大简化了制备工序，降低了工艺难度和生产成本。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种裸眼增强现实显示装置，其特征在于，包括：

光源，用于提供多视角图像；

3D光场屏，用于对所述多视角图像中的图像像素进行位相调制后在空间中形成点阵、线阵或面阵的3D光场观察区域，获得裸眼3D显示；所述3D光场屏包括至少一个位相板，所述位相板上设有像素式纳米光栅；

六轴调整装置，用于对所述3D光场屏进行六轴调整，以使所述像素式纳米光栅与所述图像像素相匹配，所述六轴调整装置包括CCD实时监控***和六轴调整屏幕框。

2.如权利要求1所述的裸眼增强现实显示装置，其特征在于，所述光源投射RGB混合光，所述位相板包括第一光栅、第二光栅和第三光栅，所述第一光栅、第二光栅和第三光栅的上像素式纳米光栅对应设置在所述位相板的同一位置，并于所述图像像素相匹配，以分别对所述RGB混合光中的红光、绿光和蓝光进行位相调控。

3.如权利要求1所述的裸眼增强现实显示装置，其特征在于，所述裸眼增强现实显示装置包括多个所述位相板，分别对应混合光中的红光、绿光和蓝光的像素式纳米光栅分别位于多个所述位相板的同一像素位置。

4.如权利要求2所述的裸眼增强现实显示装置，其特征在于，所述光源为激光投影仪，所述激光投影仪位于所述3D光场屏的出光面，或者，所述激光投影仪位于与所述出光面相对的背光面。

5.如权利要求4所述的裸眼增强现实显示装置，其特征在于，所述第一光栅、第二光栅和第三光栅依次设置，且按照与所述激光投影仪之间的距离从近到远排布。

6.如权利要求1至5中任一项所述的裸眼增强现实显示装置，其特征在于，同一所述位相板上的像素式纳米光栅只对单色光进行位相调控。

7.如权利要求1所述的裸眼增强现实显示装置，其特征在于，每个所述像素式纳米光栅的光栅周期与取向角根据光栅方程计算，满足以下关系：

(1)

(2)

其中，θ₁和

分别表示衍射光的衍射角与方位角，θ和λ分别表示入射光的入射角与波长，Λ和

分别表示所述像素式纳米光栅中的纳米光栅结构的周期和取向角，n表示光波在介质中的折射率。

8.如权利要求1所述的裸眼增强现实显示装置，其特征在于，所述像素式纳米光栅中的纳米光栅结构选自一维纳米光栅结构、二维纳米光栅结构、空间复用纳米光栅结构、纳米光栅阵列结构或二元光学元件中的任一种。

9.如权利要求1所述的裸眼增强现实显示装置，其特征在于，所述六轴调整屏幕框包括俯仰屏幕框和与所述俯仰屏幕框连接的五轴调整台，所述俯仰屏幕框的上端设有千分尺。

10.如权利要求9所述的裸眼增强现实显示装置，其特征在于，所述CCD实时监控***包括CCD相机，所述CCD相机设置在所述俯仰屏幕框的四个角上，以用于监控所述像素式纳米光栅与图像像素的相对位置。

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