用于实现三维图像近眼显示的装置的制作方法

本发明涉及显示技术，特别涉及用于实现三维图像近眼显示的装置。

背景技术：

目前的三维显示主要基于人眼的双目视差原理，其借助视差屏障或柱透镜阵列等光学元件使得人的左右眼获得不同的图像信息。

在美国专利us8989535b2和us9581820b2所公开的近眼显示装置中，采用微投影器件与光波导镜片结合的方式实现了基于双目视差的增强现实3d显示，但是这种方式难以消除轴辏矛盾，容易产生视觉疲劳。美国专利us00795952公开了一种采用光纤微投影及光学波导镜片结合来实现光场三维显示的方法，但是该方法技术难度较大。美国专利us008014050b2公开了一种用于三维显示的光学全息相位板，所描述的纳米相位板包含一个体光栅结构和一种光敏材料，通过通过单个电极阵列可控制单个像素单元的衍射效率与位相延迟，实现光场相位的快速调控。然而利用这种电极阵列难以对单个像素微小化调制，其显示效果难以满足消费者所需的舒适度与清晰度。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种用于实现三维图像近眼显示的装置，其具有制造成本低、设计简便和结构紧凑等优点。

按照本发明一个方面的用于实现三维图像近眼显示的装置包含：

光场再现单元，其配置为重构目标物体的光场信息以再现虚拟景象，所述光场再现单元包括：

空间光调制器；以及

在所述空间光调制器的出光方向上设置的位相板，其具有衍射结构，所述衍射结构配置为将所述虚拟景象中的不同视角的图像投射至各自对应的观察位置；以及

虚实融合单元，其被配置为输出将所述虚拟景象与真实景象融合在一起的三维图像。

优选地，在上述装置中，所述装置进一步包括投影单元，其被配置为将光场再现单元输出的虚拟景象传送至虚实融合单元。

优选地，在上述装置中，所述空间光调制器包含多个体像素，每个体像素包含多个亚像素，每个亚像素对应于不同的视角，所述衍射结构包含多个纳米结构单元，每个纳米结构单元配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至与该亚像素相关联的同一个观察位置。

优选地，在上述装置中，所述空间光调制器包含多个体像素，每个体像素包含多个亚像素，每个亚像素对应于不同的视角，所述衍射结构包含多个纳米结构单元，每个纳米结构单元配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至与该亚像素相关联的一组观察位置。

优选地，在上述装置中，一组观察位置为沿水平方向和/或横向分布的多个观察位置。

优选地，在上述装置中，所述空间光调制器为下列中的一种：dlp显示屏、lcos显示屏或液晶显示屏。

优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包括波导、设置于波导内部的第一纳米光栅和第二纳米光栅，其中，所述第一纳米光栅使进入的光线发生衍射，所述波导使被第一纳米光栅衍射的光线全反射，所述第二纳米光栅使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域。

优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包括三层堆叠在一起的透明光场镜片，每层透明光场镜片包括波导、设置于波导内部的第一纳米光栅和第二纳米光栅，其中，所述第一纳米光栅使进入的光线发生衍射，所述波导使被第一纳米光栅衍射的光线全反射，所述第二纳米光栅使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域，其中，每层透明光场镜片的第一纳米光栅具有各不相同的取向角和/或周期，并且每层透明光场镜片的第二纳米光栅具有各不相同的取向角和/或周期。

优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包括棱镜、波导和设置于波导内部的纳米光栅，其中，所述棱镜使入射光线折射进入波导，所述波导使折射的光线全反射，所述纳米光栅使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域。

优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包括棱镜、波导和设置于波导内部的一对反射镜，其中，所述棱镜使入射光线折射进入波导，所述波导使折射的光线全反射，所述反射镜使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域。

优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包含第一波导镜片、第二波导镜片、第一组纳米光栅、第二组纳米光栅和第三组纳米光栅，所述第一组纳米光栅位于第一与第二波导镜片之间，所述第二组纳米光栅位于第二波导镜片的、远离第一波导镜片的表面，所述第三组纳米光栅位于所述第二组纳米光栅之上，所述第一-第三组纳米光栅具有各不相同的取向角和/或周期。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的示意框图。

图2为可用于图1所示装置中的位相板的结构示意图。

图3为图2所示位相板在x-y平面与x-z平面内的结构示意图。

图4为实现单个视点汇聚的指向性功能薄膜的纳米结构分布图。

图5a和5b分别为按照本发明另一个实施例的利用光场再现单元实现单视点和多视点的示意图。

图6为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。

图7为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。

图8为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。

图9为按照本发明另一个实施例的虚实融合单元的俯视图。

图10为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。

图11a和11b为利用如上所述的位相板分别实现纵向和横向可视区域拓展的示意图。图12为按照本发明另一个实施例的虚实融合单元的示意图。

图13为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像的近眼显示的装置的示意图。

图14为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像的近眼显示的装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的目的进行详细说明。

图1为按照本发明一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的示意框图。

图1所示的用于实现三维图像近眼显示的装置100包括光场再现单元110、投影单元120和虚实融合单元130。在本实施例中，光场再现单元110被配置为重构目标物体的光场信息以再现虚拟景象。投影单元120光学耦合在光场再现单元110与虚实融合单元130之间，其被配置为例如通过诸如反射、折射或衍射之类的几何光学方式，将光场再现单元110输出的虚拟景象传送至虚实融合单元130。虚实融合单元130被配置为输出将虚拟景象与真实景象融合在一起的三维图像。

需要指出的是，投影单元120是可选的部件。可选地，通过合适的设计，可以使光场再现单元110重构的虚拟景象直接耦合至虚实融合单元130。

在本实施例中，光场再现单元110包含空间光调制器和位相板以实现光场的重建。

空间光调制器用于振幅调制，即加载多视角混合的图像信息。空间光调制器例如可包括显示面板、驱动电路、控制系统和软件控制等。根据具体应用领域需要，空间光调制器可以实现单色或彩色显示。优选地，空间光调制器可采用dlp显示屏、lcos显示屏和液晶显示屏中的一种。空间光调制器可包含多个体像素或振幅调制像素，每个体像素包含多个亚像素，并且每个亚像素对应于不同的视角。

位相板具有衍射光栅结构，该衍射光栅结构包含多个体像素。进一步地，位相板的每个体像素包含多个纳米结构单元，每个纳米结构单元与空间光调制器的视角图像像素匹配对准，也就是说，将来自于空间光调制器的多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至与该亚像素相关联的一组观察位置。

图2为可用于图1所示装置中的位相板的结构示意图。

不失一般性地，图2所示的情形以5个视角为例并且仅示出位相板的三个体像素，但是显而易见的是，本实施例可以应用于视角为其它数量的情形。如图2所示，位相板212包含体像素212a-212c。位相板212的每个体像素采用像素单元形式并且包含5个具有不同周期和/或取向角的纳米光栅区域或亚像素，当来自空间光调制器的亚像素的光线到达时，不同的纳米光栅区域将使光线偏转至不同的观察位置或视角1-5，由此实现了同一个视角的光束到多个观察位置的投射，从而实现视角分离的三维显示。同样地，通过位相板的设计，可实现点阵、线阵、面阵分布的多个分离或连续视点，以达到最佳观察区域的效果。

光栅区域的周期和取向角可以根据下列光栅方程确定：

tanφ1＝sinφ/(cosφ-nsinθ(λ/λ))(1)

sin²(θ1)＝(λ/λ)²+(nsinθ)²-2nsinθcosφ(λ/λ)(2)

其中，θ1和φ1分别表示衍射光的衍射角(衍射光线与z轴负方向的夹角)和方位角(衍射光线与y轴正方向的夹角)，θ和λ分别表示光源的入射角(入射光线与z轴负方向的夹角)和波长，λ和φ分别表示纳米衍射光栅的周期和取向角(槽型方向与x轴正方向夹角)，n表示光波在介质中的折射率。

图3为图2所示位相板在x-y平面与x-z平面内的结构示意图。

当入射光线波长、入射角、衍射光线衍射角和衍射方位角确定之后，即可利用上式计算出所需的光栅周期和取向角。纳米结构单元的周期和取向角决定了光场角度和光谱的调制特性，通过设计纳米结构单元的取向角和周期的变化样式，可实现对光场的调控和转换。所示的衍射光栅结构可作为功能薄膜层在例如玻璃衬底上直接制作。

如上所述，每个纳米光栅区域被视为一个像素单元或亚像素。该光栅区域的取向决定了光场角度调制特性，其周期决定了光谱滤波特性。通过使各个纳米光栅区域的周期(空间频率)和取向在各亚像素之间连续变化，即可实现光场的调控和变换。因此，当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光栅区域之后，即可获得足够多的视点，在辅之以振幅控制，就能实现多视角下的3d显示。

图4为实现单个视点汇聚的指向性功能薄膜的纳米结构分布图。所示的纳米结构具有单个离轴菲涅尔结构，其可使图像汇聚于视点1。在图4所示的结构中，n×m个子像素构成了n×m个不同焦点的离轴菲涅尔结构。需要指出的是，图4中的子像素的形状并不限于矩形，其也可以是圆形、六边形等其它形状。

图5a和5b分别为按照本发明另一个实施例的利用光场再现单元实现单视点和多视点的示意图。

图5a和5b所示的光场再现单元510包括空间光调制器(例如液晶显示屏)511和表面设置具有不同取向和/或周期的光栅区域的位相板512(例如具有如图2所示的位相板的结构)，其中位相板512使得通过空间光调制器511的光线聚焦到一个或若干个视点。

图6为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。

图6所示的装置600包括光场再现单元610、投影单元620和虚实融合单元630。

光场再现单元610包括液晶显示屏611和位于液晶显示屏出光面的位相板612。位相板612可采用上面借助图2所述的结构。由光场再现单元610再现的物体的光场信息例如通过投影单元620的衍射、折射或反射作用，被耦合至虚实融合单元630。

在本实施例中，虚实融合单元630包括波导631、第一纳米光栅632a和第二纳米光栅632b。参见图6，第一纳米光栅632a被设置于波导631内部并靠近光线射入波导的位置，其使进入的光线发生衍射。经第一纳米光栅632a衍射的光线在波导631内部发生全反射。光线经历多次全反射之后到达第二纳米光栅632b，随后经第二纳米光栅632b的衍射作用而射向波导外部的可视区域，由此输出将虚拟景象与真实景象融合融合在一起的三维图像。

图7为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。

图7所示的装置700包括光场再现单元710、投影单元720和虚实融合单元730。

光场再现单元710包括液晶显示屏711和位于液晶显示屏出光面的位相板712。位相板712可采用上面借助图2所述的结构。由光场再现单元710再现的物体的光场信息例如通过投影单元720的衍射、折射或反射作用，被耦合至虚实融合单元730。

本实施例与图6所示实施例的主要不同之处在于虚实融合单元的结构。具体而言，本实施例的虚实融合单元730包括棱镜731、波导732和位于波导内部的纳米光栅733。参见图7，投影单元720将来自光场再现单元710的虚拟景象投射到棱镜731，经棱镜731折射后进入波导732。折射后的光线在波导732内部发生全反射。光线经历多次全反射之后到达纳米光栅733，随后经纳米光栅733的衍射作用而射向波导外部的可视区域，由此输出将虚拟景象与真实景象融合融合在一起的三维图像。

图8为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。

图8所示的装置800包括光场再现单元810、投影单元820和虚实融合单元830。

光场再现单元810包括液晶显示屏811和位于液晶显示屏出光面的位相板812。位相板812可采用上面借助图2所述的结构。由光场再现单元810再现的物体的光场信息例如通过投影单元820的衍射、折射或反射作用，被耦合至虚实融合单元830。

本实施例与图6所示实施例的主要不同之处在于虚实融合单元的结构。具体而言，本实施例的虚实融合单元830包括棱镜831、波导832和位于波导内部的一对反射镜833a和833b。参见图8，投影单元820将来自光场再现单元810的虚拟景象投射到棱镜831，经棱镜831折射后进入波导832。折射后的光线在波导832内部发生全反射。光线经历多次全反射之后到达反射镜833a，光线的一部分经反射镜833a反射而导向波导外部的可视区域，其余部分透过反射镜833a到达反射镜833b并经反射镜833b反射而导向波导外部的可视区域，由此输出将虚拟景象与真实景象融合融合在一起的三维图像。

图9为按照本发明另一个实施例的虚实融合单元的俯视图。

图9所示的虚实融合单元930采用衍射光学元件的形式，元件表面包含多个功能区931-933，每个功能区含有像素型纳米衍射光栅。在本实施例中，纳米衍射光栅可利用光刻技术、纳米压印或全息干涉技术制备。如图9所示，具有圆形光栅的第一功能区931用于光线耦合输入。需要指出的是，第一功能区的形状并不限于圆形。光线经第一功能区931耦合后导入楔形衍射光栅的第二功能区932，由后者实现投影到虚实融合单元930上的图像在x轴方向上的扩展。图像经第二功能区932在x轴方向扩张后被导入第三功能区933。该功能区933实现投影图像在y轴方向上的扩展。由此，人眼可通过虚实融合单元930观察到视角放大的虚拟图像。

图10为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。

图10所示的装置1100包括光场再现单元1010、投影单元1020和虚实融合单元1030。

光场再现单元1010包括液晶显示屏1011和位于液晶显示屏出光面的位相板1012。位相板1012可采用上面借助图2所述的结构。由光场再现单元1010再现的物体的光场信息例如通过投影单元1020的衍射、折射或反射作用，被耦合至虚实融合单元1030。虚实耦合单元1030包含多个功能区1031-1033，其与图9所示的功能区931-933相似，此处不再赘述。

图11a和11b为利用如上所述的位相板分别实现纵向和横向可视区域拓展的示意图。不失一般性地，这里仅以四个视角为例。

参见图11a，其示出了位相板1112的一个体像素(图中被划分为4个区域的矩形)，该体像素包含4个亚像素(以数字1-4标识)。每个亚像素对应于空间光调制器的一个亚像素，其包含三个堆叠或排列分布的纳米光栅像素单元。亚像素内的纳米光栅像素单元具有各不相同的取向和/或周期，因此对于每个视点，可在垂直方向上形成纵向连续排布的、具有相同视角信息的多个视窗1a-1c，从而达到扩大纵向视场角的效果。

参见图11b，同样的，其示出了位相板1112的多个体像素(图中被划分为4个区域的矩形)。以最左边的体像素为例，该体像素包含4个亚像素(以数字1-4标识)。每个亚像素对应于空间光调制器的一个亚像素，其包含三个堆叠或排列分布的纳米光栅像素单元。亚像素内的纳米光栅像素单元具有各不相同的取向和/或周期，因此对于每个视点，可沿着水平方向形成多个横向连续排布的、具有相同视角信息的视窗，从而达到扩大横向视场角的效果。

在上面的示例中，在同一个视点的垂直或水平方向上形成了拓展的视角信息，且此视角信息与原视点所覆盖的光场信息相同，因而可在不减少图像分辨率的情况下使视场角得以增大。

优选地，为使人眼在大视场角度观测到虚拟的图像，位相板的像素结构亦可采用空间复用堆叠或二元光学元件进行宽视角的三维图像显示。视角拓展后的图像再现信息经投影单元耦合进入虚实融合单元。在实际应用中，通过使投影光学单元的出瞳及虚实融合镜片的入瞳二者匹配，观察者无需移动即可经虚实融合单元观察到视场角扩大的三维景象。

图12为按照本发明另一个实施例的虚实融合单元的示意图。

图12所示的虚实融合单元1230包含堆叠在一起的三个子单元1231-1233，每个子单元可采用图6所示的虚实融合单元的结构。对于每一个子单元，通过使其中的纳米光栅具有不同的取向角和/或周期，可在距离虚实融合单元的不同距离处产生不同的图像，从而获得具有景深感的图像。

图13为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像的近眼显示的装置的示意图。

图13所示的近眼显示装置1300可实现彩色显示。为此，在装置1300中，如图13所示，光场再现单元1310包含空间光调制器、位相板和位于空间光调制器与位相板之间的滤光片。不失一般性地，以位相板的每个体像素(图中被划分为四个区域的矩形)包含四个不同取向的亚像素(图中以数字1-4标识)为例，每个亚像素对应于四个视角中的其中一个。在本实施例中，空间光调制器的亚像素与滤光片的像素、位相板的亚像素匹配。更进一步地，位相板的每个亚像素由r、g、b三个子像素或像素光栅单元组成(图中以不同的阴影线示出)。对于每个亚像素，通过将每个像素光栅单元设计为具有适当的取向角及周期，可以使光线经r、g、b三个子像素都汇聚在同一视点处。在汇聚视点上含有图像的彩色信息。图像经光场再现单元1310的重建，经投影单元1320耦合入虚实融合单元1330，最终透过虚实融合单元1330呈现彩色的虚拟图像。在实际的三维显示中，可通过计算机控制空间光调制器的输入，从而实现彩色图像的视频播放。

图14为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像的近眼显示的装置的示意图。

图14所示的近眼显示装置1400可实现彩色显示。在图14所示的装置1400中，虚实融合单元1430采用双层波导镜片的结构。具体而言，虚实融合单元1430包含第一波导镜片1431、第二波导镜片1432、第一组纳米光栅1433a、1433b、第二组纳米光栅1434a、1434b和第三组纳米光栅1435a、1435b。参见图14，第一组纳米光栅1433a、1433b位于第一与第二波导镜片之间，第二组纳米光栅1434a、1434b位于第二波导镜片1432的远离第一波导镜片1431的表面，第三组纳米光栅1435a、1435b位于第二组纳米光栅1434a、1434b之上。

在本实施例中，每一组纳米光栅仅对特定颜色(例如r、g和b)的光线发生衍射作用。投影单元1420使来自光场再现单元1410的光线耦合入第一波导镜片1431，由于光栅的波长选择性，特定颜色(例如绿色)的光线在第一波导镜片1431内发生全反射，而其它颜色(例如蓝色及红色)的光线由于衍射角不满足全反射条件而无法在第一波导镜片1431内传输。同理，分别只对蓝色和红色的光线具有衍射效应的第二组纳米光栅1434a、1434b和第三组纳米光栅1435a、1435b使蓝色和红色光线在第二波导镜片1432内发生全反射。由此，具有不同颜色的图像信息经波导镜片传输而不会产生串扰。虚实融合单元1430在人眼前方投射出彩色会聚光场。

与现有技术相比，本发明的用于实现三维图像近眼显示的装置具有诸多优点。例如，本发明的基于微透镜阵列的近眼显示装置可自动产生立体的图像，操作简单，结构紧凑且可在非相干光源下工作而无需特殊的照明光，并且向观察者提供了连续的视差和观察点。

上文描述了本发明的原理和较佳实施例。然而，本发明不应被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本发明的范围的前提下，可以在这些实施例中作出变化。