一种光场显示装置及其显示方法与流程

本发明涉及显示技术领域，尤指一种光场显示装置及其显示方法。

背景技术：

在目前的近眼显示领域中，用户在佩戴近眼显示设备时，所显示的三维(3d)物体是通过向用户的左右眼分别显示不同的图像，形成的立体视觉，由于基于双眼立体视觉的3d显示存在辐辏调节冲突的问题，如图1所示，人眼在观看真实世界中的物体时，人眼的聚焦距离与辐辏距离一致，如图2所示，人眼在观看显示屏时，人眼的聚焦距离为人眼与显示屏之间的距离，而人眼的辐辏距离为人眼与3d显示的虚像之间的距离，从图2可以明显看出，人眼的聚焦距离与辐辏距离相差较大，使得用户长时间佩戴近眼显示设备时会造成眼睛的疲劳和眩晕，这是立体显示中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种光场显示装置及其显示方法，用以解决现有技术中存在的用户长时间佩戴近眼显示设备时会造成眼睛的疲劳和眩晕的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种光场显示装置，包括：视线追踪元件，图像渲染元件，显示元件，位于所述显示元件出光面一侧的焦距调节元件，位于所述焦距调节元件的光学路径上的投影镜头，位于所述投影镜头的光学路径上的光学元件，以及系统控制元件；

所述视线追踪元件，用于检测人眼注视点的三维位置信息；

所述系统控制元件，用于根据所述视线追踪元件得到的三维位置信息，控制所述图像渲染元件按照设定时序对显示图像进行渲染，以使显示图像符合人眼聚焦平面的视觉效果，以及控制所述焦距调节元件按照设定时序调节焦距；每个显示周期对应的设定时序的总时长小于人眼的刷新时间；

所述显示元件，用于出射携带渲染后的显示图像的图像信息的光线；

所述焦距调节元件，用于将所述显示元件出射的光线射向所述投影镜头；

所述投影镜头，用于将所述焦距调节元件出射的光线投射至所述光学元件；

所述光学元件，用于将所述投影镜头投射的光线射向人眼。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光场显示装置中，所述光学元件，包括：偏振分光元件，相位延迟片和反射元件；

所述偏振分光元件，用于将所述投影镜头投射的光线射向所述相位延迟片，并将所述相位延迟片出射的光线射向人眼；

所述相位延迟片，用于将所述偏振分光元件出射的光线射向所述反射元件，并将所述反射元件反射的光线射向所述偏振分光元件。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光场显示装置中，所述显示元件发出的光线为自然光；

所述相位延迟片，包括：位于所述偏振分光元件在第一方向上的一侧的第一相位延迟片，以及位于所述偏振分光元件在第二方向上的一侧的第二相位延迟片；

所述反射元件，包括：位于所述偏振分光元件在第一方向上的一侧的第一反射元件，以及位于所述偏振分光元件在第二方向上的一侧的第二反射元件；第二方向为不同与第一方向的方向；

所述第一反射元件和所述第二反射元件具有相同的光焦度，且所述第一反射元件和所述第二反射元件相对于所述偏振分光元件对称设置；

所述偏振分光元件，用于将所述投影镜头出射的光线分为第一线偏振光和第二线偏振光，并将第一线偏振光反射至所述第一相位延迟片，将所述第二线偏振光透射至所述第二相位延迟片，以及将所述第一相位延迟片出射的第二线偏振光透射至人眼，将所述第二相位延迟片出射的第一线偏振光反射至人眼；

所述第一相位延迟片，用于将所述偏振分光元件出射的所述第一线偏振光转变为圆偏振光，并将所述第一反射元件反射的圆偏振光转变为第二线偏振光；

所述第二相位延迟片，用于将所述偏振分光元件出射的所述第二线偏振光转变为圆偏振光，并将所述第二反射元件反射的圆偏振光转变为第一线偏振光。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光场显示装置中，还包括：位于所述显示元件与所述焦距调节元件之间的偏振转换元件；

所述显示元件出射的光线为自然光；

所述系统控制元件，还用于控制所述偏振转换元件在1～n的n个时序中将所述显示元件出射的光线转换为第一线偏振光，在n+1～2n的n个时序中将所述显示元件出射的光线转换为第二线偏振光；其中，n为所述焦距调节元件的可变焦的数量；

所述相位延迟片，包括：位于所述偏振分光元件在第一方向上的一侧的第一相位延迟片，以及位于所述偏振分光元件在第二方向上的一侧的第二相位延迟片；

所述反射元件，包括：位于所述偏振分光元件在第一方向上的一侧的第一反射元件，以及位于所述偏振分光元件在第二方向上的一侧的第二反射元件；第二方向为不同与第一方向的方向；

所述第一反射元件和所述第二反射元件具有不相同的光焦度；

所述偏振分光元件，用于将所述投影镜头出射的光线分为第一线偏振光和第二线偏振光，并将第一线偏振光反射至所述第一相位延迟片，将所述第二线偏振光透射至所述第二相位延迟片，以及将所述第一相位延迟片出射的第二线偏振光透射至人眼，将所述第二相位延迟片出射的第一线偏振光反射至人眼；

所述第一相位延迟片，用于将所述偏振分光元件出射的所述第一线偏振光转变为圆偏振光，并将所述第一反射元件反射的圆偏振光转变为第二线偏振光；

所述第二相位延迟片，用于将所述偏振分光元件出射的所述第二线偏振光转变为圆偏振光，并将所述第二反射元件反射的圆偏振光转变为第一线偏振光。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光场显示装置中，所述显示元件发出的光线为第一线偏振光；

所述相位延迟片，包括：位于所述偏振分光元件在第一方向上的一侧的第一相位延迟片；

所述反射元件，包括：位于所述偏振分光元件在第一方向上的一侧的第一反射元件；

所述偏振分光元件，用于将第一线偏振光反射至所述第一相位延迟片，并将所述第一相位延迟片出射的第二线偏振光透射至人眼；

所述第一相位延迟片，用于将所述偏振分光元件出射的所述第一线偏振光转变为圆偏振光，并将所述第一反射元件反射的圆偏振光转变为第二线偏振光。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光场显示装置中，所述显示元件发出的光线为第二线偏振光；

所述相位延迟片，包括：位于所述偏振分光元件在第二方向上的一侧的第二相位延迟片；

所述反射元件，包括：位于所述偏振分光元件在第二方向上的一侧的第二反射元件；第二方向为不同与第一方向的方向；

所述偏振分光元件，用于将所述第二线偏振光透射至所述第二相位延迟片，并将所述第二相位延迟片出射的第一线偏振光反射至人眼；

所述第二相位延迟片，用于将所述偏振分光元件出射的所述第二线偏振光转变为圆偏振光，并将所述第二反射元件反射的圆偏振光转变为第一线偏振光。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光场显示装置中，所述第一反射元件为透反元件。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光场显示装置中，所述焦距调节元件，包括：层叠设置的第一液晶层和第二液晶层；

所述第一液晶层和所述第二液晶层中的液晶初始取向相互正交。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光场显示装置中，所述视线追踪元件，包括：红外发射器和红外接收器。

第二方面，本发明实施例还提供了一种上述光场显示装置的显示方法，包括：

视线追踪元件检测人眼注视点的三维位置信息；

系统控制元件根据所述视线追踪元件得到的三维位置信息，控制图像渲染元件按照设定时序对显示图像进行渲染，以使显示图像符合人眼聚焦平面的视觉效果；

所述系统控制元件控制焦距调节元件按照设定时序调节焦距；每个显示周期对应的设定时序的总时长小于人眼的刷新时间；

显示元件出射携带渲染后的显示图像的图像信息的光线。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的光场显示装置及其显示方法，该光场显示装置，包括：视线追踪元件，图像渲染元件，显示元件，位于显示元件出光面一侧的焦距调节元件，位于焦距调节元件的光学路径上的投影镜头，位于投影镜头的光学路径上的光学元件，以及系统控制元件；视线追踪元件，用于检测人眼注视点的三维位置信息；系统控制元件，用于根据视线追踪元件得到的三维位置信息，控制图像渲染元件按照设定时序对显示图像进行渲染，以使显示图像符合人眼聚焦平面的视觉效果，以及控制焦距调节元件按照设定时序调节焦距；每个显示周期对应的设定时序的总时长小于人眼的刷新时间；显示元件，用于出射携带渲染后的显示图像的图像信息的光线；焦距调节元件，用于将显示元件出射的光线射向投影镜头；投影镜头，用于将焦距调节元件出射的光线投射至光学元件；光学元件，用于将投影镜头投射的光线射向人眼。本发明实施例提供的光场显示装置，通过视线追踪元件检测人眼注视点的三维信息，系统控制元件可以根据人眼注视点的三维位置信息，控制图像渲染元件按照设定时序对图像进行渲染，以使显示图像符合人眼聚焦平面的视觉效果，并通过控制焦距调节元件按照设定时序调节焦距，从而实现对整个光学系统的焦距调节，能够实现在一定深度范围内多个成像面的聚焦调节，呈现自然的3d图像，使得显示的图像符合人眼的视觉机理，从而可以避免人眼长期观看产生的眼睛疲劳和眩晕。

附图说明

图1为人眼在观看真实世界中的物体时聚焦距离与辐辏距离的关系示意图；

图2为现有技术中人眼在观看显示屏时聚焦距离与辐辏距离的关系示意图；

图3为本发明实施例中实现方式一的光场显示装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中实现方式二的光场显示装置的结构示意图；

图5为本发明实施例中实现方式二的工作流程；

图6为本发明实施例中实现方式三的光场显示装置的结构示意图；

图7为本发明实施例中实现方式四的光场显示装置的结构示意图；

图8和图9分别为对液晶层进行相位调制的示意图；

图10为驱动液晶层实现多个相位形貌调制的示意图；

图11为本发明实施例提供的上述光场显示装置的显示方法流程图。

具体实施方式

针对现有技术中存在的用户长时间佩戴近眼显示设备时会造成眼睛的疲劳和眩晕的问题，本发明实施例提供了一种光场显示装置及其显示方法。

下面结合附图，对本发明实施例提供的光场显示装置及其显示方法的具体实施方式进行详细地说明。附图中各膜层的厚度和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

第一方面，本发明实施例提供了一种光场显示装置，如图3所示，包括：视线追踪元件11，图像渲染元件12，显示元件13，位于显示元件13出光面一侧的焦距调节元件14，位于焦距调节元件14的光学路径上的投影镜头15，位于投影镜头15的光学路径上的光学元件16，以及系统控制元件17；

视线追踪元件11，用于检测人眼注视点的三维位置信息；

系统控制元件17，用于根据视线追踪元件11得到的三维位置信息，控制图像渲染元件12按照设定时序对显示图像进行渲染，以使显示图像符合人眼聚焦平面的视觉效果，以及控制焦距调节元件14按照设定时序调节焦距；每个显示周期对应的设定时序的总时长小于人眼的刷新时间；

显示元件13，用于出射携带渲染后的显示图像的图像信息的光线；

焦距调节元件14，用于将显示元件出射的光线射向投影镜头15；

投影镜头15，用于将焦距调节元件14出射的光线投射至光学元件16；

光学元件16，用于将投影镜头15投射的光线射向人眼10。

本发明实施例提供的光场显示装置，通过视线追踪元件检测人眼注视点的三维信息，系统控制元件可以根据人眼注视点的三维位置信息，控制图像渲染元件按照设定时序对图像进行渲染，以使显示图像符合人眼聚焦平面的视觉效果，并通过控制焦距调节元件按照设定时序调节焦距，从而实现对整个光学系统的焦距调节，能够实现在一定深度范围内多个成像面的聚焦调节，呈现自然的3d图像，使得显示的图像符合人眼的视觉机理，从而可以避免人眼长期观看产生的眼睛疲劳和眩晕。

本发明实施例提供的上述光场显示装置可以应用于近眼显示设备中，例如可以应用于增强现实(augmentedreality，ar)显示设备中，也可以应用于虚拟现实(virtualreality，vr)显示设备中，或者也可以应用于其他显示设备中，此处不做限定。

上述焦距调节元件14可以在系统控制元件17的控制下，实现多个相位形貌的调制，从而可以根据人眼注视点的三维位置信息，控制焦距调节元件14按照设定时序调节焦距，以改变整个光学系统的焦距，使得空间上可以形成多个成像面，即图3中成像面q1、q2……qn。

具体地，本发明实施例提供的上述光场显示装置中，上述视线追踪元件11，包括：红外发射器111和红外接收器112。红外发射器111发射的红外光经人眼10反射后被红外接收器112采集，通过瞳孔中心和角膜反射之间的矢量可得到视线注视点，通过数据分析处理可得出人眼的视线信息，以得出人眼注视点的三维位置信息。具体地，红外接收器112可以为红外摄像头，也可以为其他红外线接收器件，此处不做限定。

采用时分复用的方式，上述系统控制元件17可以根据视线追踪元件11得到的三维位置信息，控制图像渲染元件12按照设定时序对显示图像进行渲染，使显示图像符合人眼聚焦平面的视觉效果。上述图像渲染元件12按照设定时序将渲染后的显示图像传输至显示元件13，显示元件13可以具有高刷新率，显示元件13可以发出携带渲染后的显示图像的图像信息的光线。

上述系统控制元件17还可以根据视线追踪元件11得到的三维位置信息，控制焦距调节元件14按照设定时序调节焦距，从而改变整个光学系统的焦距，从而实现根据人眼焦距平面进行成像面的调整，显示元件13出射的携带图像信息的光线经过焦距调节元件14、投影镜头15及光学元件16后，在各成像面q1～qn成像，并且，每个显示周期对应的设定时序的总时长小于人眼的刷新时间，一般人眼的刷新时间约为1/30秒，因而可以使q1～qn成像面形成的图像进行深度融合形成注视点平面上的图像，并且深度融合的感知平面的位置可以随着人眼注视点的位置变化而变化，从而形成了自然了光场3d显示，可以缓解人眼的视觉疲劳。

在具体实施时，每一个显示周期可以包括多个时序，例如每一个显示周期可以包括n个时序时，为了形成较好的3d显示效果，每一个显示周期中的n个时序的总时长需小于人眼的刷新时间。

进一步地，本发明实施例提供的上述光场显示装置，参照图3，光学元件16，包括：偏振分光元件161，相位延迟片(如图中的162a和162b)和反射元件(如图中的163a和163b)；

偏振分光元件161，用于将投影镜头15投射的光线射向相位延迟片，并将相位延迟片出射的光线射向人眼10；

相位延迟片，用于将偏振分光元件161出射的光线射向反射元件，并将反射元件反射的光线射向偏振分光元件。

偏振分光元件161可以反射第一线偏振光，并透射第二线偏振光，从而可以将射向偏振分光元件161的自然光分为两束光线，具体地，第一线偏振光为s光，第二线偏振光为p光，或者第一线偏振光为p光，第二线偏振光为s光，此处不做限定，在本发明实施例中均以第一线偏振光为s光，第二线偏振光为p光为例进行说明。并且，由于偏振分光元件161没有光能损耗，因而可以使本发明实施例中的光场显示装置具有较高的光效。

投影镜头15投射的光线射向偏振分光元件161，经偏振分光元件161反射或透射后射向相位延迟片，光线经相位延迟片后射向反射元件，光线被反射元件反射后再次射向相位延迟片，然后经过相位延迟片和偏振分光元件161后，射向人眼10，经过偏振分光元件161对光路的折叠，可以减小光场显示装置的总体尺寸，有利于光场显示的装置的小型化和轻薄化。

以下结合附图对本发明实施例提供的光场显示装置的具体实现方式进行详细说明：

实现方式一：

如图3所示，显示元件13发出的光线为自然光；

相位延迟片，包括：位于偏振分光元件161在第一方向x上的一侧的第一相位延迟片162a，以及位于偏振分光元件161在第二方向y上的一侧的第二相位延迟片162b；

反射元件，包括：位于偏振分光元件161在第一方向x上的一侧的第一反射元件163a，以及位于偏振分光元件161在第二方向y上的一侧的第二反射元件163b；第二方向y为不同与第一方向x的方向；本发明中的附图中以第一方向x垂直于第二方向y为例进行示意，在具体实施时，第一方向x与第二方向y也可以互不垂直，此处不做限定。

第一反射元件163a和第二反射元件163b具有相同的光焦度，且第一反射元件163a和第二反射元件163b相对于偏振分光元件161对称设置；

偏振分光元件161，用于将投影镜头15出射的光线分为第一线偏振光s和第二线偏振光p，并将第一线偏振光s反射至第一相位延迟片162a，将第二线偏振光p透射至第二相位延迟片162b，以及将第一相位延迟片162a出射的第二线偏振光p透射至人眼10，将第二相位延迟片162b出射的第一线偏振光s反射至人眼；

第一相位延迟片162a，用于将偏振分光元件161出射的第一线偏振光s转变为圆偏振光，并将第一反射元件163a反射的圆偏振光转变为第二线偏振光p；

第二相位延迟片162b，用于将偏振分光元件161出射的第二线偏振光p转变为圆偏振光，并将第二反射元件163b反射的圆偏振光转变为第一线偏振光s。

上述系统控制元件17根据视线追踪元件11提供的人眼注视点的三维位置信息，控制图像渲染元件12按照设定时序进行相应显示图像的渲染，使显示图像符合人眼聚焦面的视觉效果，并且系统控制元件17还根据人眼注视点的三维位置信息，控制焦距调节元件14按照设定时序调节焦距。

上述显示元件13发出的光线为自然光，也就是说，上述显示元件发出的光线中既存在第一线偏振光s，也存在第二线偏振光p，显示元件13发出的携带图像信息的自然光，经过焦距调节元件14和投影镜头15射向偏振分光元件161，偏振分光元件161将光线分为第一线偏振光s和第二线偏振光p，并将第一线偏振光s反射至第一相位延迟片162a，将第二线偏振光p透射至第二相位延迟片162b，即光线被偏振分光元件161分光后分别进入两个光路，具体地，反射的第一线偏振光s经第一相位延迟片162a后变为圆偏振光，本发明实施例中，第一相位延迟片162a和第二相位延迟片162b可以为四分之一波片，因而可以将线偏振光转变为圆偏振光，第一相位延迟片162a出射的圆偏振光经第一反射元件163a的反射面ta反射后，再次经过第一相位延迟片162a后变为第二线偏振光p，第二线偏振光p经偏振分光元件161透射后进入人眼10。透射的第二线偏振光p经过第二相位延迟片162b后变为圆偏振光，第二相位延迟片162b出射的圆偏振光被第二反射元件163b的反射面tb反射后，再次经过第二相位延迟片162b后变为第一线偏振光s，第一线偏振光s经偏振分光元件161透射后进入人眼10。

在本发明实施例中的实现方式一中，由于第一反射元件163a和第二反射元件163b具有相同的光焦度，且第一反射元件163和第二反射元件163b相对于偏振分光元件161对称设置，因而，通过偏振分光元件161的反射光路和透射光路以偏振分光元件161为对称轴对称，即两个光路的光程相等，使得两个偏振态的光线通过两个光路分别进入人眼形成的显示图像重合在同一个像面。此外，如图3所示，第一反射元件163a和第二反射元件163b的反射面均为曲面，从而对光线有汇聚作用，使第一反射元件163a或第二反射元件163b的反射光线能够汇聚至人眼10的位置处。

由于系统控制元件17根据人眼注视点的三维位置信息，控制焦距调节元件按照设定时序调节焦距，从而可以实现焦距调节元件14对整个光场显示装置的焦距调节，并且可以根据视线追踪元件11获取的人眼聚焦平面进行实时的成像面调整，将成像面调整到人眼聚焦平面，并通过系统控制元件17控制图像渲染元件12进行所需显示图像的渲染，获得符合人眼单眼焦距调节的图像显示，可以实现人眼的单眼聚焦功能，随着人眼的注视点的改变，所显示的虚拟物体会随着人眼注视点的不同而发生聚焦和虚化的效果，使得显示符合人眼的视觉特点，实现光场显示，从而缓解人眼的视觉疲劳。

并且，每个显示周期对应的设定时序的总时长小于人眼的刷新时间，可以保证人眼不会感受到光场显示装置的焦距变化，在每一个显示周期内都可以形成q1～qn的n个成像面，n为焦距调节元件14的可变焦数量，每一个显示周期中的n个时序的总时长小于人眼的刷新时间。

上述显示元件13所发出光线通过焦距调节元件14、投影镜头15以及偏振分光元件161后，分别被反射和透射进入两个光路，由于从两个光路返回的光线最后都被人眼10所接收，减少了光能的损失，光场显示装置的整体光效较高，可以实现高光效的近眼显示系统，降低对显示元件13亮度的需求，从而降低能耗，有利于提高近眼显示系统的便携性。

并且，偏振分光元件161对光线没有光能损耗，能够进一步提高光场显示装置的光效，例如，不考虑光线传播中除分光元件和反射元件的各个光线元件的表面反射和其他吸收损耗，若使用普通分光元件，假设分光元件和反射元件的反射面的反射率都为50％，则整个显示装置的光效为12.5％(光线通过两次分光元件，一次反射面)，若采用偏振分光元件，由于通过偏振分光元件没有光能损耗，只在反射元件的反射面有光能损耗，通过第一反射元件的光路的光效为25％，加上通过第二反射元件的光路光效为50％，所以显示装置的理论光效为75％，因此，本发明实施例采用偏振分光元件，理论光效提高了6倍。

实现方式二

如图4所示，本发明实施例提供的上述光场显示装置中，还可以包括：位于显示元件13与焦距调节元件14之间的偏振转换元件18；

显示元件13出射的光线为自然光；

系统控制元件17，还用于控制偏振转换元件18在1～n的n个时序中将显示元件13出射的光线转换为第一线偏振光s，在n+1～2n的n个时序中将显示元件13出射的光线转换为第二线偏振光p；其中，n为焦距调节元件的可变焦的数量；

相位延迟片，包括：位于偏振分光元件161在第一方向x上的一侧的第一相位延迟片162a，以及位于偏振分光元件161在第二方向y上的一侧的第二相位延迟片162b；

反射元件，包括：位于偏振分光元件161在第一方向x上的一侧的第一反射元件163a，以及位于偏振分光元件161在第二方向y上的一侧的第二反射元件163b；第二方向y为不同与第一方向x的方向；

第一反射元件163a和第二反射元件163b具有不相同的光焦度；

偏振分光元件161，用于将投影镜头15出射的光线分为第一线偏振光s和第二线偏振光p，并将第一线偏振光s反射至第一相位延迟片162a，将第二线偏振光p透射至第二相位延迟片162b，以及将第一相位延迟片162a出射的第二线偏振光p透射至人眼，将第二相位延迟片162b出射的第一线偏振光s反射至人眼；

第一相位延迟片162a，用于将偏振分光元件161出射的第一线偏振光s转变为圆偏振光，并将第一反射元件163a反射的圆偏振光转变为第二线偏振光p；

第二相位延迟片162b，用于将偏振分光元件161出射的第二线偏振光p转变为圆偏振光，并将第二反射元件163b反射的圆偏振光转变为第一线偏振光s。

在本发明实施例中的实现方式二中，是为了解决在一个显示周期内焦距调节元件的可变化的焦距数量有限的问题，例如上述实现方式一中每一个显示周期内焦距调节元件可变化的焦距数量为n，则只能形成n个成像面。

在实现方式二中，采用时分复用的方式，根据视线追踪元件11提供的人眼的注视点的三维位置信息，系统控制元件17控制图像渲染元件12按设定时序进行相应显示图像的渲染，并且，采用高刷新率的显示元件13，以使显示元件13能够按照设定时序快速的切换显示图像，系统控制元件17还可以控制偏振转换元件18按设定时序将显示元件13所发出光线的偏振态转换为第一线偏振光s或第二线偏振光p。

具体地，可以在1～n的n个时序中控制偏振转换元件18将显示元件13发出光线转换为第一线偏振光s，并且在1～n的n各时序中，控制焦距调节元件14的焦距变化n次，n为焦距调节元件14的可变焦距的数量，第一线偏振光s经过焦距调节元件14和投影镜头15射向偏振分光元件161，第一线偏振光s经偏振分光元件161反射后射向第一相位延迟片162a后变为圆偏振光，圆偏振光被第一反射元件163a的反射面ta反射后再次射向第一相位延迟片162a，经过第一相位延迟片162a后，圆偏振光转换为第二线偏振光p，得到的第二线偏振光p经偏振分光元件161透射后射入人眼10，形成第1至第n个成像面。

可以在n+1～2n个时序中控制偏振转换元件18将显示元件13发出光线转换为第二线偏振光p，并且在n+1至2n的n个时序中，控制焦距调节元件14的焦距变化n次，n为焦距调节元件14的可变焦距的数量，第二线偏振光p经偏振分光元件161透射后射向第二相位延迟片162b后变为圆偏振光，圆偏振光被第二反射元件163b的反射面tb反射后再次射向第二相位延迟片162b，经过第二相位延迟片162a后，圆偏振光转换为第一线偏振光s，得到的第一线偏振光s经偏振分光元件161透射后射入人眼10，形成第n+1至第2n个成像面。

在上述实现方式二中，由于第一反射元件163a和第二反射元件163b具有不同的光焦度，因而反射面ta和反射面tb的曲率半径不一致，使得第n+1至第2n时序进入人眼10形成的成像面不与第1至第n时序形成的成像面重合，形成了第n+1、第n+2至第2n个成像面。所以，在本发明实施例中的实现方式二中，在一个显示周期中的2n个时序中，可以形成2n个成像面，其中n是焦距调节元件14的可变焦的数量。

并且，由2n个时序组成的一个显示周期小于人眼的刷新时间，一般人眼的刷新时间约为1/30秒，人眼无法感知光场显示装置的焦距变化，根据视线追踪元件11的结果而得到人眼的注视点的位置，通过对不同成像面上的显示图像进行图像渲染，第1图像至第2n图像进行深度的融合形成注视点平面上的图像，深度融合的感知平面位置可以随着人眼注视点的位置而发生变化，形成了自然的光场3d显示，可缓解人眼的视觉疲劳。

图5为本发明实施例中实现方式二的工作流程，如图5所示，实现方式二的工作流程，包括：

在一个显示周期开始时，首先在时序1至n时，系统控制元件根据视线追踪元件提供的人眼的注视点的三维位置信息，控制图像渲染元件按时序i(i＝1，2，…,n)所需显示的图像进行相应显示图像的渲染；

系统控制元件控制偏振转换元件将显示元件出射的光线转换为第一线偏振光s；第一线偏振光s经偏振分光元件反射后，第一线偏振光s射向第一相位延迟片，后被第一反射元件的反射面反射再次经过第一相位延迟片，此时光线的偏振态变为第二线偏振光p，第二线偏振光p经偏振分光元件透射后进入人眼，形成在第1，2，…，n成像面上的第1，2，…，n图像；

在时序n+1至2n时，系统控制元件根据视线追踪元件提供的人眼的注视点的三维位置信息，控制图像渲染元件按时序i(i＝n+1，n+2，…,2n)所需显示的图像进行相应显示图像的渲染；

系统控制元件控制偏振转换元件将显示元件出射的光线转换为第二线偏振光p；第二线偏振光p经偏振光线被偏振分光元件透射后，第二线偏振光p射向第二相位延迟片，后被第二反射元件的反射面再次经过第二相位延迟片，此时光线的偏振态为第一线偏振光s，第一线偏振光s经过偏振分光元件反射后进入人眼，形成在第n+1，n+2，…，2n成像面上的第n+1，n+2，…，2n图像；

第1至2n个像面图像进行深度融合，在人眼中形成自然的光场3d显示。

实现方式三

如图6所示，上述显示元件13发出的光线为第一线偏振光s；

相位延迟片，包括：位于偏振分光元件161在第一方向x上的一侧的第一相位延迟片162a；

反射元件，包括：位于偏振分光元件161在第一方向x上的一侧的第一反射元件163a；

偏振分光元件161，用于将第一线偏振光s反射至第一相位延迟片162a，并将第一相位延迟片162a出射的第二线偏振光p透射至人眼10；

第一相位延迟片162a，用于将偏振分光元件161出射的第一线偏振光s转变为圆偏振光，并将第一反射元件163a反射的圆偏振光转变为第二线偏振光p。

具体地，可以在显示元件13的出光面贴附一层线偏振片19，且线偏振片19的透过轴方向可以使第一线偏振光s透过，从而使显示元件13出射的光线为第一线偏振光s，或者，若显示元件13发出的光线本身就是第一线偏振光s时，也可以省去线偏振片19。

相比于上述实现方式一，实现方式三可以省去实现方式一中通过偏振分光元件161后两路光路中透射的一路。

具体地，实现方式三实现光场显示的原理为：系统控制元件17根据视线追踪元件11提供的人眼的注视点的三维位置信息，控制图像渲染元件12进行相应显示图像的渲染，使显示图像符合人眼聚焦面的视觉效果，显示元件13所发出的携带图像信息的第一线偏振光s通过焦距调节元件14和投影镜头15后，入射到偏振分光元件161，经过偏振分光元件161反射至第一相位延迟片162a，经第一相位延迟片162a后变为圆偏振光，并在第一反射元件163a的反射面ta反射后再次通过第一相位延迟片162a，经第一相位延迟片162a的光线转换为第二线偏振光p，第二线偏振光p经偏振分光元件161透射后进入人眼10。

由于焦距调节元件14对整个光场显示装置的焦距调节，根据视线追踪元件11获取的人眼聚焦平面进行实时的成像面调整，将成像面调整到人眼聚焦平面，并通过系统控制元件17控制图像渲染元件12进行所需显示图像的渲染，获得符合人眼单眼焦距调节的图像显示，从而可以实现人眼的单眼聚焦功能，随着人眼的注视点的改变，所显示的虚拟物体会随着人眼注视点的不同而发生聚焦和虚化的效果，使得显示符合人眼的视觉特点，实现光场显示，从而缓解人眼的视觉疲劳。

实现方式四

如图7所示，上述显示元件13发出的光线为第二线偏振光p；

相位延迟片，包括：位于偏振分光元件161在第二方向y上的一侧的第二相位延迟片162b；

反射元件，包括：位于偏振分光元件161在第二方向y上的一侧的第二反射元件163b；第二方向y为不同与第一方向x的方向；

偏振分光元件161，用于将第二线偏振光p透射至第二相位延迟片162b，并将第二相位延迟162b片出射的第一线偏振光s反射至人眼；

第二相位延迟片162b，用于将偏振分光元件161出射的第二线偏振光p转变为圆偏振光，并将第二反射元件163b反射的圆偏振光转变为第一线偏振光s。

具体地，可以在显示元件13的出光面贴附一层线偏振片19，且线偏振片19的透过轴方向可以使第二线偏振光p透过，从而使显示元件13出射的光线为第二线偏振光p，或者，若显示元件13发出的光线本身就是第二线偏振光p时，也可以省去线偏振片19。

相比于上述实现方式一，实现方式四可以省去实现方式一中通过偏振分光元件161后两路光路中反射的一路。

具体地，实现方式四实现光场显示的原理为：系统控制元件17根据视线追踪元件11提供的人眼的注视点的三维位置信息，控制图像渲染元件12进行相应显示图像的渲染，使显示图像符合人眼聚焦面的视觉效果，显示元件13所发出的携带图像信息的第二线偏振光p通过焦距调节元件14和投影镜头15后，入射到偏振分光元件161，经过偏振分光元件161透射至第二相位延迟片162b，经第二相位延迟片162b后变为圆偏振光，并在第二反射元件163b的反射面tb反射后再次通过第二相位延迟片162b，经第二相位延迟片162b的光线转换为第一线偏振光s，第一线偏振光s经偏振分光元件161反射后进入人眼10。

由于焦距调节元件14对整个光场显示装置的焦距调节，根据视线追踪元件11获取的人眼聚焦平面进行实时的成像面调整，将成像面调整到人眼聚焦平面，并通过系统控制元件17控制图像渲染元件12进行所需显示图像的渲染，获得符合人眼单眼焦距调节的图像显示，从而可以实现人眼的单眼聚焦功能，随着人眼的注视点的改变，所显示的虚拟物体会随着人眼注视点的不同而发生聚焦和虚化的效果，使得显示符合人眼的视觉特点，实现光场显示，从而缓解人眼的视觉疲劳。

此外，为了避免光场显示装置中的各元件受到外力损伤，在偏振分光元件161在第一方向x上的一侧还可以设置保护元件164。

在实际应用中，本发明实施例提供的上述实现方式一至三中的光场显示装置中，如图3、图4和图6所示，第一反射元件163a可以为透反元件，也就是说，第一反射元件163可以反射第一相位延迟片162a的光线，也可以使环境光g透过，以使环境光g可以透过第一反射元件163后进入人眼10，使人眼10能够观察到光场显示装置的图像和真实环境的叠加，实现基于光场显示的增强现实显示。

此外，如图7所示，对于实现方式四中的光场显示装置，由于在偏振分光元件161在第一方向x上的一侧没有设置反射元件，并且，由于保护元件164只有保护的作用，没有光焦度，环境光g不会受到保护元件164的影响，因而环境光g也可以穿过保护元件164射向人眼10，实现增强现实显示。

此外，由于实现方式四中仅采用反射面进行显示光线的反射，并没有采用透反元件，因而，可以使大部分光线在反射面处反射，实现方式四的光场显示装置的光效较高。

在具体实施时，本发明实施例提供的上述光场显示装置中，上述焦距调节元件可以为液晶变焦元件，通过向液晶层的通光孔径上径向不同位置施加不同的电压，从而产生不同的相位调制，以改变焦距调节元件的焦距。

图8和图9为对液晶层进行相位调制的示意图，如图8和图9所示，通过对液晶层整个通光孔径上径向不同位置的液晶分子施加不同的电压，从而产生不同的相位调制。

由于单层液晶层形成的液晶透镜具有双折射性能，只能对单一线偏振态的光线进行相位调制，而对正交的偏振态不起作用，要使液晶透镜对自然光都有作用，可以采用双层液晶层，具体地，本发明实施例提供的上述实现方式一和二中的光场显示装置中，如图3和图4所示，焦距调节元件14，包括：层叠设置的第一液晶层和第二液晶层；第一液晶层和第二液晶层中的液晶初始取向相互正交，在电压的控制下，第一液晶层和第二液晶层分别对应正交的偏振态，从而实现焦距调节元件对非线偏振光的相位调制，实现对光场显示装置的焦距调整。

图10为驱动液晶层实现多个相位形貌调制的示意图，如图10所示，液晶层的变焦功能可通过改变施加电压的电极组合实现多个相位形貌的调制，使得液晶透镜具有不同焦距(f、2f、4f)的透镜的功能，改变整个光场显示装置的焦距，使得在空间上可以形成多个成像面。

对于本发明实施例提供的上述实现方式三和四中的光场显示装置中，如图6和图7所示，由于射向焦距调节元件14的光线为线偏振光，因而实现方式三和实现方式四中的焦距调节元件可以采用单层液晶层来调节焦距，此外，实现方式三和实现方式四也可以采用双层液晶层，此处不做限定。

第二方面，基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种上述光场显示装置的显示方法，由于该显示方法解决问题的原理与上述光场显示装置相似，因此该显示方法的实施可以参见上述光场显示装置的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的上述光场显示装置的显示方法，如图11所示，包括：

s201、视线追踪元件检测人眼注视点的三维位置信息；

s202、系统控制元件根据视线追踪元件得到的三维位置信息，控制图像渲染元件按照设定时序对显示图像进行渲染，以使显示图像符合人眼聚焦平面的视觉效果；

s203、系统控制元件控制焦距调节元件按照设定时序调节焦距；每个显示周期对应的设定时序的总时长小于人眼的刷新时间；

s204、显示元件出射携带渲染后的显示图像的图像信息的光线。

本发明实施例提供的显示方法，通过时分复用的方式控制焦距调节元件和图像渲染元件变焦元件，实现了多个成像面的叠加显示，多个成像面的显示图像通过深度融合实现了自然的光场3d显示，这种光场显示的近眼显示系统能逼真的显示3d物体，提供了不同深度的图像信息，使得用户的眼睛焦距能得到调整，避免了人眼长时间聚焦一个平面产生的不适。

本发明实施例提供的光场显示装置及其显示方法，通过视线追踪元件检测人眼注视点的三维信息，系统控制元件可以根据人眼注视点的三维位置信息，控制图像渲染元件按照设定时序对图像进行渲染，以使显示图像符合人眼聚焦平面的视觉效果，并通过控制焦距调节元件按照设定时序调节焦距，从而实现对整个光学系统的焦距调节，能够实现在一定深度范围内多个成像面的聚焦调节，呈现自然的3d图像，使得显示的图像符合人眼的视觉机理，从而可以避免人眼长期观看产生的眼睛疲劳和眩晕。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。