本发明涉及光场显示领域，具体涉及一种基于小型阵列图像源的光学透视式显示单元，特别有利于在用头戴式近眼显示器装置中，实现光学透视式的真三维显示。
背景技术：
头戴式显示器作为一种近眼显示装置，是虚拟现实和增强现实领域中人机交互界面的重要组成部分。由于可移动性、便携性以及私密性，成为面向个人消费的虚拟现实和增强现实领域首选的显示设备。另一方面，由于头戴式显示器可以使用双目视觉产生立体感，因此也被广泛用于显示三维信息。
针对增强现实应用，头戴显示器要求在观察到虚拟信息的同时看到外界环境信息，以实现虚实叠加的效果，增强现实效果，提高交互效率。目前采用的透视式显示方案有视频透视式和光学透视式。其中视频透射式通过摄像头实时捕捉外界环境图像并在人眼前呈现，因此不可避免地造成色彩失真、清晰度降低、延时明显等问题，因此光学透视式方案被更广泛地推崇。普遍被研究的光学透视式显示方式主要包括半透半反类和波导类。
虚实叠加的真实性必然要求虚拟图像的三维显示，传统的头戴显示器使用双目视差的原理产生三维立体感，如图1所示，通过将同一物点在双目对应的屏幕上显示在不同位置并成像在较远位置，在观察时，双目视轴形成夹角，即形成一种辐辏状态，从而感到该物点被成像在了某个具体深度处。但对于上述半透半反类或波导类方式，由于采用透镜成像的原理，对于屏幕上任何点来说焦距和物距确定，因此实际光学像面在固定深度处。由于双目辐辏可以通过调节视轴夹角来改变，但固定位置的像面导致人眼聚焦状态唯一，因此辐辏和聚焦通常存在着差异，即无法实现舒适得三维显示。辐辏和聚焦的差异越大，人眼的不舒适感会越强烈，尤其对于光学透射式而言，由于人眼能同时观察到虚拟图像和真实环境光，因此辐辏-聚焦状态的矛盾会极大影响虚实融合的效果，即人眼在观察真实环境的物体的同时，可以看到虚拟场景的物体时，由于有外界真实的物体作为对比，这种会聚和辐辏的差异所造成的不舒适感会更加明显，也使虚拟图像的实际视觉效果很难做到逼真。
缓解该问题的一个有效途径是通过将虚拟图像投射在距人眼不同距离处来模拟真实环境中光线进入眼睛的情形，可称为真三维的显示。光场显示是实现真三维显示的一种主要方案。目前采用的光场显示方案多是采用微结构阵列的方式实现，微结构阵列的形式包括小孔阵列、点光源阵列、微透镜阵列等。这些设备利用小孔成像或单透镜成像的基本原理，利用微结构阵列的单元与显示器件的像素在空间上的对应关系构造具有方向信息的光线集合，即光场。其中小孔阵列的方案能够获得较高的清晰度，并易于加装在透视式显示光路中以用于增强现实，但亮度损失较为明显；点光源阵列方案适用于穿透式显示，但在全彩色显示上较为复杂；微透镜阵列方案能获得较高的亮度，但目前缺少合适的方案能实现高质量的穿透式显示以用于增强现实。因此总体来说，目前尚缺乏将真三维与透视式良好结合的近眼显示技术。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提出了一种基于小型阵列图像源的光场显示单元，用于实现光学透射式显示。在观察过程中，由小型阵列图像源所发出的光线经微结构阵列的调制，能够复原出自然情形下物点发出的光线进入人眼时的空间分布，模拟人眼在观察真实环境时的自然状态，符合人眼的观察习惯，有效缓解虚实融合时辐辏-聚焦失调的问题，适宜增强现实应用的要求。
根据本发明的一种光场显示单元，包括在基底上形成的小型阵列图像源和配置于其附近的微结构阵列器件，所述小型阵列图像源用于将包含图像信息的光线向微结构阵列器件方向出射，所述微结构阵列器件用于接收来自小型阵列图像源发出的光线并对其进行调制；其特征在于，所述小型阵列图像源和微结构阵列器件以预定方式对齐，以使小型阵列图像源上的每个微显示区域单元的中心与所述微结构阵列器件的相应微结构单元的中心的连线交于所述显示单元的出瞳中心。
具体的，所述小型阵列图像源形成于基底上，具有像素覆盖的非透明区域作为微显示区域单元，各单元以预定方式排列，之间存在间隙；所述微结构阵列器件包括透明的介质材料的基底，和其上的多个与所述微显示区域单元相对应的微结构单元，各微结构单元之间存在间隙以用于透过外界环境光线。
对于所述小型阵列图像源的基底，可以为透明介质材料形成，以使间隙处无像素以保持透明而使外界环境光线透过；或者不透明介质材料形成，用于遮挡来自外界的环境光线使其不射向所述微结构阵列器件。
微结构单元将其对应的微显示区域单元上的每一个有效像素发出的光线通过折射或滤波调制使其形成平行或近似平行的空间光束，每个像素只对应一个方向的空间光束，所有像素形成的空间光束形成空间光场分布于微结构阵列器件与出瞳之间。
作为一种微结构单元，可以选自下述任一或其组合：具有光焦度的透镜、全息透镜、小孔光阑。
微结构阵列器件的透明基底具有相对的第一表面和第二表面，微结构单元分布于透明材质基底的第一表面。
优选的，在微结构单元的边缘部分或可对应于微结构便边缘的部分包括不透明的环形光阑，以屏蔽杂散光。
本发明还涉及一种基于上述光场显示单元的近眼显示装置，进一步包括图像渲染模块，用于将带显示图像进行预处理后形成为所述图像信息，通过有线或无线传输的方式输入至小型阵列图像源，经微结构阵列器件调制后在出瞳位置形成适合人眼观看的完整画面。
具体的对所述图像进行渲染的预处理步骤可包括：
根据所述预定方式对齐而生成子图像的步骤，所述子图像的数量与所述与微显示区域单元及微结构单元的数量相同。其中，每个子图像的生成均符合相机模型。
根据本发明的光场显示单元和近眼显示装置，由于各微显示区域单元与微结构单元的相对位置确定，因此各个像素发出的光经微结构阵列调制后形成的空间光束以可控的形式排列，这些空间细光束承载所源自的像素点的色彩和强度信息，可被用来描述空间中光线的位置和方向分布，复原空间光场；含有相同图像信息的空间光束的反向延长线的交点即为系统所成的像点，透明间隙可允许外界环境光线再限定的范围内穿过并进入出瞳区域，可以同时实现透视式的显示。
附图说明
图1示出了辐辏-聚焦矛盾的原理示意图
图2示出了根据本发明实施例的系统结构示意图
图3示出了本发明中小型阵列图像源、微结构阵列器件以及出瞳的光路关系
图4示出了本发明实施例的小型阵列图像源结构示意图
图5示出了本发明实施例的微结构阵列器件结构示意图
图6示出了本发明实施例的真实环境光线的传播光路
图7示出了本发明实施例的虚拟的图像信息光线的传播光路
图8示出了本发明实施例的杂散光的传播光路
图9示出了本发明实施例的利用环形光阑消杂散光的示意图
图10示出了本发明另一种实施例例的基于针孔阵列的微结构器件的光路示意图
图11示出了本发明中含光焦度的微结构器件光路示意图
图12示出了根据本发明的近眼显示装置用于虚实融合应用的示意图
具体实施方式
下面将结合附图并列举具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。本领域技术人员应当了解，下述各描述中使用的具体名称、用语等不构成对本发明技术方案的限定，并且在下文的描述中，为便于描述，相同的部件将使用相同的附图标记。
在下述实施例中，表述“第一”和“第二”等可以修饰本发明的多种组成元件，但是不限制对应的组成元件。例如，表述不限制对应的组成元件的顺序或重要性等。表述可以用于将一个组成元件与另一组成元件区分开来。例如，第一用户装置和第二用户装置全部为用户装置，且代表不同的用户装置。例如，第一组成元件可以被命名为第二组成元件而不脱离本公开的精神和范围。相同地，即使第二组成元件也可以被命名为第一组成元件。
根据本发明的基于小型阵列图像源的光场显示单元，可以实现成如2所示的近眼显示装置，图2所示，近眼显示装置以眼镜形态的可穿戴方式实现，该装置包括佩戴于头部的头戴部分，例如包括镜腿12的镜架结构和图像渲染模块13，虽然图2中以线缆外接的方式示出图像渲染模块，但本领域技术人员理解的，图像渲染模块也可以被置于镜架结构内，或者通过其他可实现信号连接的方式与显示部分连接。同样，头戴的部分也可以不局限于镜架式的结构，任何通过可穿戴的方式使本发明的光场显示单元的置于使用者眼前的结构均可视为本发明的头戴部分。
如图2所示的，本发明的光场显示单元1装配于眼镜形态的结构上在双目情况下形成为一对，每一光场显示单元包括以透明介质为基底的小型阵列图像源器件和以透明介质为基底的微结构阵列器件。由于透明基底的采用，本发明的光场显示单元可以对环境光提供高透过率，从而方便地应用于增强现实的虚实融合显示。具体的，如图3所示，在小型阵列图像源2中，具有提供图像百像素级显示覆盖的区域为微显示区域单元201，每个微显示区域单元201包括一定数量的像素显示点，多个微显示区域单元201按一定规律排列形成小型阵列图像源2，各单元之间存在间隙202构成无像素覆盖的区域，保持为透明介质基底，允许光线直接通过；微结构阵列器件3中，微结构单元301与相应的微显示区域对应排列，无微结构单元覆盖的区域302保持为透明介质允许光线直接通过。小型阵列图像源2和微结构阵列器件3以预定方式对齐，使得每个微显示区域单元201的中心像素与每个微结构单元的通光口径中心的连线相交于出瞳中心。其中小型阵列图像源2上所显示的图像信息由图像渲染模块13产生，小型阵列图像源2位于微结构阵列器件3的成像区域内，各区域的图像光经由相应的微结构301进入位于出瞳5处的人眼6。
图4示出了小型阵列图像源2的正面结构，其上的各微显示区域单元201按一定规律排列，典型的排列方式包括但不限于矩形排列或六边形排列，即多个微显示区域单元201分布在图像源2出光面上整体构成为矩形或者六边形的阵列图像显示区域，各单元之间的间隙202为透明介质基底；微结构阵列器件3上的微结构单元301与微显示区域单元201的排列规律相对应，各单元之间为间隙302区域，同样保持为透明介质基底。图像源2还包括驱动线、数据线、数据传输器、数据处理器等硬件电路部分(未图示)，通常，位于基底上或基底内。
图4示出的微显示区域单元201在透明介质基底上呈周期排列。图中所描述的排列方式是矩形排列方式，但不限于此，也可以为六边形排列或棋盘式排列，以提高光场空间分布的均匀性。小型阵列图像源2优选的，可采用在透明介质基底上覆盖oled/led发光点的方式制作，其中透明介质基底的材质可能是但不限于树脂材料或玻璃材料。oled/led发光点覆盖的部分为不透明区域，作为微显示区域单元201。
通过定制oled微型屏可以实现本发明的小型阵列图像源2。通常，采用ito玻璃作为基底材料，阳极和阴极203呈分组光栅式分布并且正交排列。阳极和阴极203的各组之间存在较大间隙，不蒸镀发光层，允许光线通过，而每组阴极或阳极203的内部则紧密排列，交错的位置则为像素的位置，每组阴极或阳极203交错的集合即为微显示区域单元201的位置，在现有技术下，其分辨率较小(如50×50)，但更高的像素密度(ppi)有利于获取更加细腻的显示效果，但对小型阵列图像源的则具有较高的制造难度。每个像素含有完整的oled结构，具有自发光能力，发出的光线可以是单色光或彩色光，对外呈不透明。为保持透视式显示能力和重建光场能力，每个微显示区域单元201覆盖尺寸不应大于1mm(以正方形边长计算)。小型阵列图像源2也可以用类似的方式用microled作为发光单元来实现，并且阴极和阳极203的排列方式可以是正交排列以外的其他排列方式，如六边形排列或棋盘状排列。像素的显示由阵列周围的电路204驱动，数据来源为图像渲染模块13，通过有线连接或无线连接的方式进行传输。电路204部分由于不参与显示，因此可以呈不透明，但为了扩大可视范围，可以采取适当的工艺使其呈现透明。
图5示出了与图4相应的微结构阵列器件3成像功能区域的结构示意图，图中省略了与成像功能无关的结构。器件3的基底也为透明介质材料，包括但不限于树脂材料或玻璃材料，基底的形状可以是平行平板或带有屈光度的形状，微结构单元301的排布规律与微显示区域单元201相对应。对于采用具有光焦度的器件，例如微透镜或全息透镜形成为微结构单元301时，微显示区域单元201的发光表面应位于对应的微结构单元301的前焦面处或前焦面附近，每个像素所发出的光线经微结构单元调制后形成平行光束或近似平行光束。为提高成像清晰度，每个像素发出的光线经过微结构单元形成的光束的口径应小于1mm，即优选的，使微显示区域单元201以定向的方式向微结构单元301发射光。
图6示出了出瞳5范围的确定方式。出瞳5范围的通过求解外界环境光7仅通过小型阵列图像源2的间隙202区域和微结构阵列器件3的间隙302区域的范围，所有此类范围的重叠部分定义了瞳孔所能够移动的位置(eyebox)，以口径最大处为出瞳5所在的位置。从几何上看，取每个微显示区域单元201的下边缘和其对应的微结构单元301的下边缘的连线，所有这些连线的交点即定义了出瞳5的上边缘；取微显示区域单元201的上边缘和微结构单元301的上边缘的连线，所有这些连线的交点确定了出瞳5的下边缘。在此范围内，人眼6所观察到的外界环境光7只能是透过小型阵列图像源2的间隙202区域和微结构阵列器件3的间隙302区域的部分。对于近眼显示装置而言，出瞳5距离靠近其的微结构阵列器件3最外侧表面的距离(eyerelief)大约20mm。
虽然图2所示的显示装置为双目显示装置，左右眼分别对应一个光场显示单元1。但本领域技术人员理解的，该装置也可以以单目显示的形态实现，并且也可以取消基底的透明特性而屏蔽真实环境光线从而也可以适用于非穿透式的沉浸式显示(虚拟现实)。同样的，根据本发明的光场显示单元1并非仅仅可用于近眼的显示，也可以适用于大显示尺寸的窗户玻璃、挡风玻璃、展示柜以及其他移动设备等，此时对阵列图像源2的像素密度(ppi)要求将降低，相应的微透镜的口径可以增大，且确定的出瞳5距离靠近其的微结构阵列器件3最外侧表面的距离(eyerelief)可被调整为无限大。虽然仅包含单个像素的微显示区域单元201在大尺寸低ppi的情况下也可以实现显示，但对于体现光场显示的效果而言，在单个微显示区域单元201内保持至少2×2的像素数量是应该的。
图7示出了来自渲染模块提供的虚拟信息的显示方式。微显示区域单元201上的各像素发出的光线经对应微结构单元301的调制后，以平行光束或近似平行光束的形式分布在微结构阵列3和出瞳5之间，每个像素点的位置和对应微结构中心的位置即确定了该光束的位置和方向，因此可以用光场8中不同位置和方向的光束来定义各个虚像点。对于由图像信息中的同一点所渲染得到的像素所对应的光束，它们的主光线的反向延长线在像空间相交于一点，即所成的虚像。根据这些光线夹角的不同，该系统能够产生较近距离处的虚像点901或较远距离处的虚像点902。
图像渲染模块根据空间光场的分布，即小型阵列图像源的像素和空间细光束的对应关系(即一个相机模型)，对小型阵列图像源的每个像素赋予该细光束与三维虚拟物体表面交点处的灰度值(对于单色显示时)/各彩色通道(如rgb)中各通道的灰度值，从而生成各微显示区域单元显示的子图，相机模型中涉及的视场角、视轴方向、以及视点位置等参数由微显示区域单元201的尺寸、小型阵列图像源2和微结构阵列器件3的间隔距离、以及中心连线4分布决定。例如，在常见的opengl中，可以将每对微显示区域单元-微结构单元组合视为一个视锥体，即赋予一个投影矩阵；这些视锥体的视点位于微结构单元的几何中心处，视轴在微显示区域单元和微结构单元的几何中心连线上，并相交于出瞳中心。视锥体以微显示区域单元为近裁剪平面，其远裁剪平面可以位在远处任何位置。
同时，图像渲染模块还能够对每个微显示区域单元201的子图像进行再一次强度调制。通常，对于每个微显示区域单元201内的所有像素点而言，越远离中心像素位置，则在视网膜上重聚焦时，越容易与临近微显示区域单元201发出的光线发生重合，因此可依据像素点距离每个微显示区域单元201中心像素的距离对像素点的亮度进行减弱，以减少光线重合引起的亮度明显升高，提高画面均匀性。
本发明中，环境光7的强度和图像信息光线的强度为一对矛盾量。当像源亮度一定时，二者呈此消彼长的关系，强度比例由间隙区域302在微结构期间3上的面积占空比决定，可通过改变该占空比进行调节。为了达到更好的显示效果，优选的，使小型阵列图像源2上最外围微显示区域单元201所定义的区域a的面积大于微结构阵列器件3上最外围微结构定义的外缘区域b的面积(即面积a大于面积b)，如图4和5所示，并且，在a区域内的间隔202比b区域内的间隔302要大。
由于环境光7的光源距离人眼6的距离相比于微结构阵列器件3的尺寸而言很大，可以看作近似平行光入射，因此，可以忽略光场显示单元1中各透明介质本身对光线的吸收，环境光7通常被认为以平行状态入射，其透过率约等于微结构阵列器件3中间隙区域302的面积占空比。而图像渲染模块提供的图像信息的强度除了可以通过改变各个微结构单元301的通光口径进行调节，还可以通过改变小型阵列图像源201的像素亮度来调节。为保证显示质量，对于近眼显示状态下时，每个微结构单元301最大处尺度不应超过1mm。由于人眼6的瞳孔直径一般在2～8mm之间，因此无论何时，都能同时接收到从小型阵列图像源2发出并经微结构阵列器件3调制的光线以及来自外界环境并穿过光场显示单元1的光线。
由于各种结构和配准问题的存在，光场显示单元1可能带来杂散光，图8示出对系统可能存在的杂散光的分析。如果保持无光阑的前提下要得到完全没有杂散光的显示效果，则要求微结构单元要有较大的口径，使得微显示区域单元201发出的光线在进入出瞳5之前能够全部被微结构单元301调制。但在一般的制造工艺和显示效果限制下，尤其是对于具有光焦度的微结构单元301而言，其口径通常小于该理想尺寸，因此在光线由微显示区域单元201发出并射向微结构阵列器件3时，部分光线可能从微结构单元301以外的间隙区域302进入出瞳5范围，就形成杂散光10被人眼6所接收。杂散光10的特点是越远离出瞳5中心的位置越强烈。对此，优选的处理方式为调整光场显示单元1中各结构涉及的参数，如消减出瞳5尺寸，或调节后截距(eyerelief)等，以削弱实际进入人眼6的杂散光10。当杂散光10在出瞳5范围内的最大处的照度占正常光场的平均照度的比率在某一阈值(如50％)以下，且杂散光10在出瞳5中心的照度占正常光场的平均照度的比率在某一阈值(如10％)以下时，可以认为杂散光10的分布在人眼所能接受的范围内。本领域技术人员可以理解的，缩小的出瞳5范围使对外界环境光7具有较高的透过率，但也导致适应不同瞳距的佩戴者难度增加可以添加瞳距调节机构实现出瞳5的位置与使用者人眼6的配准。
为此，本发明进一步提出了如图9示出的一种消杂散光的方式：在微结构阵列3的间隙区域302上沿微结构单元301的周围通过镀膜或加装机械结构的方式增加不透光的环形光阑303，使原有的杂散光10在经过微结构阵列器件3出射前被吸收或反射，从而不进入出瞳5区域。镀膜可以为反射膜或者吸收膜。添加环形光阑303利于扩大出瞳5的尺寸，在多数情况下可以无需额外的瞳距调节机构来匹配佩戴者的瞳距，提高穿戴和观察舒适度。此时，对于b区域内的间隔302应该不包括光阑所覆盖的区域，即微结构阵列3上的间隔为对图像无调制作用的透光部分，优选的，占b区域的30％以上，以保证对环境图像的透射。而a区域内的每个不透光部分，即显示子图的微显示区域单元201，要比光阑最外圈所定义的面积小。
根据本发明的光场显示单元1可以实现为如图2所示的眼镜式近眼显示装置时，眼镜的框架12内部可以进一步安装有驱动小型阵列图像源的电路和其他信号处理器、传感器等，光场显示单元1分别对应左右眼6，可以实现无辐辏-聚焦矛盾的双目真三维立体视觉。
作为一种替换方式，本发明还包括一种基于小孔阵列的透视式显示方案，如图10所示。其中微结构单元301由无光焦度的小孔形成，使得由微显示区域单元201发出的光线经小孔后张角限制在较小的范围内，从而体现出方向性，分布形成光场。进一步的，在每个小孔周围设置一个环形光阑303，对不经过小孔而直接进入出瞳的光进行屏蔽，以实现消杂散光。
虽然本发明的上述技术方案中均以平板的方式示出微结构阵列器件3的基板，但不限于此的，微结构阵列器件3的基板可以形成为具有光焦度的形式，如图11所示，此时，本发明的光场显示单元支持对佩戴者观察环境光时的视力矫正。具体的，两侧具有不同面型而带有光焦度的镜片11作为微结构阵列器件3的基底。微结构单元1101位在镜片11面向小型阵列图像源的表面，环形光阑1103位在镜片11的另一表面。观察时，外界真实环境的光线可以通过小型阵列图像源的透明基底部分入射到镜片11上，由间隙区域1102穿过的同时受到镜片11光焦度的折射，从而实现针对外界环境光线的视力矫正。而微显示区域单元201发出的光线经微结构1101调制后穿过镜片11，同时也受到镜片11的折射，从而实现针对虚拟信息的视力矫正。
图12示出了一种基于本发明光场显示单元的ar应用方式，由于本发明的光场显示单元能够实现人眼辐辏和聚焦状态的一致，因此可以将虚拟信息16(对应各像素点的图像信息)渲染在任何位置，即人眼接收到的虚拟图像光线看上去可以由任何指定的位置发出最终进入人眼，在该应用方式中，人眼可以在真实环境中的位置601、602移动，使用本发明光场显示单元的近眼显示装置则可以根据传感器等反馈的人眼位置始终将虚拟信息渲染在与真实物体15一致的位置上，使得无论人眼在近处601，如0.5米以内，还是在远处602观察虚拟信息时，都能够长时间保持舒适的状态，并且确保虚拟信息和真实环境有一致的清晰度。
根据本发明的光场显示单元，在增强现实方式显示时，微显示区域单元在基底内表面，本身不透明，从基底外表面入射到微显示区域单元区域内的外界环境光线受到微显示器件的遮挡而无法入射到微结构阵列上，从而外界环境光线能够且只能够直接透过透明介质基底的间隙入射到微结构阵列上，避免了杂散光和通常的采用透反分光膜的方式来合成虚拟图像和真实环境光时真实环境光的损失。在出瞳范围内，只包括了透过小型阵列图像源的间隙的外界环境光线和被微结构单元调制过的虚拟图像，且虚拟图像看上去是模拟其真实发生位置发生而射入人眼的，使虚实融合更加真实。
虽然已经详细示出了本发明的实施例，但是应当明白，本发明可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里所阐述的各实施例。本领域的技术人员可以想到对这些实施例的修改和调整，而不脱离如所附权利要求所提出的本发明的范围。