面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统

摘要

本发明公开一种面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统，其包括多视区投射光学引擎、光阀阵列、控制单元。其中，多视区投射光学引擎包括显示器件和视区引导器件，在视区引导器件作用下显示器件投射多个视区，各视区分别接收显示器件上对应像素群所投射光信息；光阀阵列包括多组光阀组，各光阀组由多于一个的、时序开关的光阀组成，不同光阀组分别佩戴于不同的眼睛前；控制单元控制各光阀组的光阀时序开关，并同步加载各自对应光信息至各像素。基于时分复用，各光阀组时序引导对应像素群投射多于一个的视图至置于对应视区处的眼睛，基于单目多视图的技术路径，克服传统三维显示固有的聚焦‑会聚冲突问题，提高三维显示视觉的舒适性。

说明书

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，更具体涉及一种面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统。

背景技术

相对于传统二维显示，具有深度信息呈现能力的三维显示，因为显示场景维度一致于人们生活的真实空间，而备受关注。但现有三维显示大都是基于传统体视技术进行三维场景的呈现，通过向观察者双目分别投射各自对应的一幅视图，基于双目视差原理实现深度信息的呈现。在此过程中，观察者各目需要聚焦于显示面，以看清楚各自对应视图，而双目的视向交叉于出屏的显示场景以触发观察者的深度感，由此导致单目聚焦深度和双目会聚深度之间的不一致，也即聚焦-会聚冲突问题。而在自然情况下，观察者观察真实的三维场景时，单目聚焦深度和双目会聚深度一致于观察者关注的空间深度。由此，传统体视技术的聚焦-会聚冲突有悖于人体自然进化的生理习惯，会导致观察者视觉不适，是阻碍三维显示技术推广应用的瓶颈性问题。

利用分别置于观察者各眼睛前的多于一个的时序开关光阀，CN109313350A(基于观察者入瞳分割复用的三维显示系统及方法)描述了一种基于单目多视图原理克服聚焦-会聚冲突问题的三维显示系统，通过置于各眼睛前的多于一个的时序开关光阀，引导对应多于一个的视图经瞳孔不同区域入射观该眼睛，通过来自该多于一个的视图的矢向光线的空间叠加，形成该眼睛可以自然聚焦的三维场景显示。但该专利所述系统，未考虑多用户情况，虽然允许多个用户分别佩戴多个光阀组建的眼镜进行视觉体验，但不同用户接收到的光信息源是相同的。实际上，对真实的三维场景来说，不同位置的用户，其观察的光信息是不同的，对应的光信息源也是不同的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统，以实现面对多用户的三维光场显示。本发明通过光阀阵列和多视区投射光学引擎的结合，实现多个用户的容纳，并通过各光阀的子孔径化，利用相邻子孔径对投射不同特性光的像素的甄别，提高显示效果。本发明的一种面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统包括多视区投射光学引擎、光阀阵列、控制单元。其中，多视区投射光学引擎包括显示器件和视区引导器件，在视区引导器件作用下投射多个视区，各视区分别接收显示器件上对应像素组成的像素群所投射光信息。光阀阵列包括多组光阀组，各光阀组由多于一个的、时序开关的光阀组成，不同光阀组分别佩戴于不同的眼睛前。控制单元控制各像素群分别投射对应光信息至对应视区。基于时分复用，各光阀组时序引导对应像素群投射多于一个的视图至置于对应视区处的眼睛，基于单目多视图的技术路径，克服传统三维显示固有的聚焦-会聚冲突问题，提高三维显示视觉的舒适性。

为了搭建可以容纳多个用户的、具有舒适三维视觉的显示系统，通过结合多视区投射和多于一个视图的单目投射，本发明提供如下方案：

面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统，包括：

多视区投射光学引擎，包括显示器件和视区引导器件，该显示器件包括能够加载光信息的多个像素，该视区引导器件置于与显示器件相对应的位置，用于引导显示器件各像素出射光的传播矢向，使显示器件上M个像素群分别投射光至各自对应的M个视区，各视区间距被设置为观察者双目不能接收到经同一个视区出射的光，其中，M≧2；

其中，各像素群分别由显示器件上的部分像素组成并且不同像素群的组成像素互不相同，

或者各像素群分别由显示器件上的至少部分像素组成，且包含有共用像素的不同像素群的组成像素进行信息加载的时间点互不相同，各个时间点上各像素所属像素群对应视区为该时间点上该像素对应视区；

光阀阵列，该光阀阵列包括N个光阀组，各光阀组由K个光阀组成，不同光阀组分别佩戴于不同眼睛，其中，N≧2、K≧2；

控制单元，该控制单元分别与显示器件和光阀阵列连接，控制单元用于控制各光阀组的K个光阀在K个相邻时间点组成的各时间周期内时序打开，且在各时间点，各光阀组仅一个光阀被打开，并用于控制所述显示器件各像素同步加载待显示场景关于对应视区内被打开光阀的投影信息于该像素上的光信息；

该面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统被设置为基于时分复用，各光阀组时序引导其所处视区对应的像素群投射多于一个的视图至该光阀组对应的眼睛。

进一步地，所述显示器件各像素由W个出射W种颜色光的子像素组成，光阀阵列各光阀对应地由W个波分子孔径组成，该W个波分子孔径一一对应地分别仅允许所述W种颜色光通过，各子像素与允许其出射光通过的波分子孔径对应；

且，控制单元能够控制所述显示器件各子像素在各时间点，同步加载待显示场景关于该子像素所属像素对应视区内被打开对应波分子孔径的投影信息于该子像素上的光信息。

进一步地，该视区引导器件为分光光栅，该分光光栅置放于显示器件和光阀阵列之间，基于光栅分光原理引导M个像素群向M个视区分别投射对应光信息。

进一步地，该视区引导器件为时序背光器件，该时序背光器件包括时序光源阵列和光会聚器件，光会聚器件置于时序光源阵列和显示器件之间，其中时序光源阵列的M个光源被光会聚器件分别成像至一一对应的M个像点，且各光源投射光经显示器件衍射而于对应像点处形成各自对应视区。

进一步地，该视区引导器件为置放于显示器件和光阀阵列之间的矢向调制单元，矢向调制单元由显示器件各像素一一对应的微结构单元组成，各微结构单元引导对应像素向该像素所属像素群的对应视区投射光束

进一步地，所述面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统还包括追踪定位单元，该追踪定位单元与控制单元连接，用于实时追踪定位各光阀组及其各光阀所处位置，并确定该位置所属视区，控制单元能够根据各光阀所处视区控制所述显示器件进行信息加载。

进一步地，所述面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统还包括挡板，该挡板用于挡除所述显示器件经非光阀区域透射光进入观察者眼睛。

进一步地，各光阀由L个正交子孔径组成，该L个正交子孔径分别对应L种正交特性，各正交子孔径仅允许具有对应正交特性的光通过，截止具有其它(L-1)种正交特性的光，其中，L≧2；

该面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统被设置为，各像素群中，间隔(L-1)个像素的像素成组，该L个像素组出射光，一一对应地具有所述L种正交特性，允许各像素投射光通过的正交子孔径为该像素对应正交子孔径；

且，控制单元能够控制所述显示器件各像素在各时间点，同步加载待显示场景关于该像素对应视区内被打开对应正交子孔径的投影信息于该像素上的光信息。

进一步地，各光阀包括同次序排列的V个正交子孔径，其各相邻的L正交个子孔径分别对应L种正交特性，各正交子孔径仅允许具有对应正交特性的光通过，截止具有其它(L-1)种正交特性的光，其中，V≧L≧2；

该面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统被设置为，显示器件的各像素群，按空间排列次序，被分割为依次对应各光阀V个正交子孔径的V个像素块，各像素块投射光被设置为具有对应正交子孔径所对应正交特性，各像素以所属像素块对应正交子孔径为该像素的对应正交子孔径；

且，控制单元能够控制所述显示器件各像素在各时间点，同步加载待显示场景关于该像素对应视区内被打开对应正交子孔径的投影信息于该像素上的光信息。

进一步地，所述正交特性，为相互垂直的线偏特性、旋向不同的旋光特性或互为互补色的波长特性，或者是相互垂直的线偏特性、旋向不同的旋光特性和互为互补色的波长特性中的任意两种或两种以上的组合。

进一步地，所述显示器件各像素由W个出射W种颜色光的子像素组成，光阀阵列各光阀的各正交子孔径，分别由W个波分子孔径组成，该W个波分子孔径一一对应地分别仅允许所述W种颜色光中的一种通过，各子像素与允许其出射光通过的波分子孔径对应；

且，控制单元能够控制所述显示器件各子像素在各时间点，同步加载待显示场景关于该子像素对应波分子孔径的投影信息于该子像素上的光信息，其中，在各时间点，各子像素对应波分子孔径为其所属像素对应视区内，该子像素于其所属像素对应被打开正交子孔径中的对应波分子孔径。

本发明利用多视区投射光学引擎容纳多个用户，并基于单目多视图实现聚焦-会聚冲突的克服，搭建基于面向多用户的自然聚焦的三维显示系统。

本发明具有以下技术效果：本发明实现面对多用户的光场显示系统，在容纳多个用户的同时，可以向各个用户投射可自然聚焦的三维显示场景，有效提升视觉舒适性。

本发明实施例的细节在附图或以下描述中进行体现。本发明的其它特性、目的和优点通过下述描述、附图而变得更为明显。

附图说明

附图用于帮助更好地理解本发明，也是本说明书的一部分。这些对实施例进行图解的附图和描述一起用以阐述本发明的原理。

图1是以分光光栅为视区引导器件的三维显示系统光学结构示意图。

图2是单眼自然聚焦实现原理示意图。

图3是三维显示系统的部分光学结构的示意图，其中以时序背光器件作为视区引导器件。

图4是三维显示系统的部分光学结构的示意图，其中以矢向调制单元作为视区引导器件。

图5是以波分子孔径为子结构的光阀/像素群对的工作原理示意图

图6是一种以正交子孔径为子结构的光阀/像素群对的工作原理示意图。

图7是另一种以正交子孔径为子结构的光阀/像素群对的工作原理示意图。

图8是第三种以正交子孔径为子结构的光阀/像素群对的工作原理示意图。

具体实施方式

本发明所述面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统，通过多视区投射光学引擎和引导多于一个视图至各眼睛的光阀阵列的结合，可实现面对多个用户的可自然聚焦三维场景显示。

图1所示为面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统的光学结构，包括多视区投射光学引擎10、光阀阵列20和控制单元30，该多视区投射光学引擎10包括显示器件11和视区引导器件12。其中，多视区投射光学引擎10以基于光栅分光原理进行多视区投射的光学引擎为例进行说明，其视区引导器件12取以柱透镜为光栅单元的分光光栅121为例，经分光光栅121，显示器件11上M＝5个像素群分别投射光至各自对应的M＝5个视区，视区1、视区2、视区3、视区4和视区5。图1中，x向和y向分别为显示器件11的两个边向。x′向为分光光栅121的光栅单元排列方向，y′向为分光光栅121的光栅单元的长向，也即光栅单元排列方向的垂向。各视区分别接收来自对应像素群所投射光信息。视区排列方向、视区尺寸和相邻视区间距的设置，要保证各观察者的两只眼睛不能接收到经同一视区出射的光信息，即于观察者双目连线方向上，各个视区线度不大于观察者双目间距和单目瞳孔直径的差值，相邻视区间距不小于视区线度和单目瞳孔直径之和的一半。各像素所属像素群对应视区为该像素对应视区。光阀阵列20由N个光阀组的N×K个光阀组成，K为各光阀组包含的光阀数目。各光阀组分别作为镜片，佩戴于对应眼睛。图1以N＝4和K＝3为例。具体地，光阀A

本专利中，各视区和其对应像素群，都具有相同的结构，且不同视区对应的像素群也于空间或时间上互不相同。各视区内置有光阀组时，均以各自对应像素群为信息加载单元，遵循相同的操作以进行显示。也即说，各像素群和置于其对应视区的光阀组都是类似结构，遵循相同的操作。在以下部分中，仅以一个放置了光阀组的视区及其对应像素群为例，来阐明所述面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统是如何实现其显示功能的。

以图1所示置于视区2的光阀组202及该视区所对应像素群为例，图2于平行于y向的平面内，说明一个像素群中，沿y向的一列像素，在t+Δt/3时间点，如何通过置于对应视区内的光阀组向对应眼睛501L进行光信息投射的。其中的挡板60，用以挡除显示器件10投射光过非光阀区域入射各观察者眼睛的光。在该t+Δt/3时间点，仅光阀A

同理，在t时间点，仅光阀A

上述过程中，在一个时间点，一个像素所加载信息的操作需要知道此时其对应视区内各光阀的空间位置。引入追踪定位单元40，如图1，实时追踪定位各光阀组的各光阀所处位置及其所处视区，由控制单元30控制，进行各像素的信息加载。其中，需要注意的时，在一个光阀组同时接收到相邻视区对应的多于一个像素群所投射光时，该多于一个像素群的各像素，均同步加载待显示场景关于该光阀组中被打开光阀于该像素上的投影信息。上述示例中，各光阀组被设置于对应视区所在面上。实际上，各光阀组偏离对应视区所在面时，上述过程同样可行。如果不引入引入追踪定位单元40，在不知道各光阀实际空间位置的情况下，可以于各视区分别假定一个虚拟光阀组，并置其于事实光阀组经常出现的位置。该虚拟光阀组的各虚拟光阀，被设定为和各事实光阀组的各光阀同步开关。在各时间周期内的各时间点，各像素加载信息为待显示场景关于该像素对应视区内被打开虚拟光阀的投影信息于该像素上的光信息。在各光阀的空间位置超出多视区投射光学引擎10投射的视区覆盖区域时，例如图1中存在一个或多个光阀组超出了经视区1～视区5出射的出射光覆盖范围时，可以根据像素和光栅单元的对应关系，由控制单元30调整各光栅单元对应像素发生变化，以保证多视区投射光学引擎10投射的视区对各光阀组的覆盖。该情况下，调整前后，同一个像素可以属于不同的像素群，也即不同像素群存在共用像素。此时，由于调制前后的时序性，包含有共用像素的不同像素群的组成像素进行信息加载的时间点互不相同。

图1以基于光栅分光原理进行多视区投射的光学引擎作为多视区投射光学引擎10的实例进行说明。多视区投射光学引擎10也可以取利用会聚于不同视区的时序背光器件122作为视区引导器件12，基于时分复用原理进行多视区投射。例如图3所示的时序背光器件122，由时序光源阵列1221和光会聚器件1222组成。图3所示时序光源阵列1221以M＝5个光源S

多视区投射光学引擎10的视区引导器件12也可以是由和显示器件11各像素一一对应的微结构单元组成的矢向调制单元123。该矢向调制单元123各微结构单元，例如光栅结构，引导对应像素向该像素所属像素群的对应视区投射光束。图4以生成M＝4个视区为例，经对应微结构单元的调制，像素p

显示器件11各像素，往往由出射W种颜色光的子像素构成。此时，上述光阀阵列20各光阀可以对应地设计为以W个波分子孔径作为子结构，该W个波分子孔径一一对应地分别仅允许所述W种颜色光通过，各子像素与允许其出射光通过的波分子孔径对应。在该情况下，相当于一个孔径及其对应像素群，通过基于光颜色的不同，被分为W个波分子孔径和W个分别出射W种颜色光的子像素群。在各时间点，控制单元30控制所述显示器件各子像素，同步加载待显示场景关于该子像素所属像素对应视区内被打开对应波分子孔径的投影信息于该子像素上的投影信息。类似于前述“各像素加载信息为待显示场景关于该像素对应视区内被打开光阀的投影信息于该像素上的光信息”，这里所做变化仅是以子像素代替像素，以对应波分子孔径代替对应光阀。图5以图2中于时间点t+Δt/3打开的光阀A

进一步的，上述各光阀可以以L个具有正交特性的正交子孔径作为子结构。该L个正交子孔径分别对应L种正交特性，各正交子孔径分别仅允许具有对应正交特性的光通过，截止具有其它(L-1)种正交特性的光。例如。相互垂直的线偏特性是L＝2种正交特性，红色垂直线偏特性、蓝色垂直线偏特性、红色水平线偏特性、蓝色水平线偏特性是L＝4种正交特性。图6以L＝2个相互垂直的线偏特性为例进行示例说明，该相互垂直的两个线偏特性于图中分别用“˙”和“-”表示。这里同样以图1所示置于视区2的光阀组202及该视区所对应像素群为例进行具体说明，为了图是的清晰，显示器件11上其它像素群未示出。其中，光阀A

图6中，各光阀的正交子孔径分别各自相邻放置。同一光阀组中不同光阀对应的子孔径，也可以被设置为以相间排列的方式放置。图7同样以置于视区2中的光阀组202和对应像素群为例，各光阀由V＝4个正交子孔径组成，其所有L＝2个相邻子孔径分别对应不同的正交特性。具体地，光阀A

将各像素群分为不同V个像素块的情况下，各光阀的正交子孔径也可以各自相邻排列放置，如图8所示。该情况下，各光阀对应的V个正交子孔径，必须具有互不相同的正交特性，即V＝L。图8以V＝L＝2为例进行说明。

上述各图中，光阀和V＝L子孔径以沿y向的排列方向示出。实际上，它们的排列方向，可以沿任意方向。

在显示器件11各像素由出射W种颜色光的子像素构成时，上述各正交子孔径可以进一步地由W个波分子孔径组成，该W个波分子孔径一一对应地分别仅允许所述W种颜色光通过。各像素块上出射相同颜色光的子像素组成子像素块，例如像素块上出射R色光子像素组成R色子像素块。针对一个像素块-正交子孔径对，以其像素块代替图5中的像素群，以其正交子孔径代替图5中的光阀，基于图5所述过程进行信息加载。则，一个像素块-正交子孔径中分别出射不同颜色光的子像素块，经其正交子孔径的各不同波分子孔径出射光信息。各像素块-正交子孔径同理操作，通过波分子孔径的引入提高投射视图的数量。其中，各子像素与允许其出射光通过的波分子孔径对应。控制单元30控制所述显示器件11各子像素在各时间点，同步加载待显示场景关于该子像素对应波分子孔径的投影信息于该子像素上的光信息，其中，在各时间点，各子像素对应波分子孔径为其所属像素对应视区内，该子像素于其所属像素对应被打开正交子孔径中的对应波分子孔径。

上述各实施例中，各光阀均以毗邻排列的方式示出。实际上，相邻光阀之间可以存在空隙，也可以发生重叠。光阀所处面上的非光阀区域，可以设计为不透光，以避免显示器件11投射的光信息通过。来自外部的环境光信息，可以通过打开的光阀或其各类子孔径入射，实现所显示场景和环境光信息的空间叠加。所述光阀或其各类子孔径不利用偏光态特性时，可以设计显示器件11投射至各光阀的光信息具有某种偏光态，例如左旋偏光态。这时，可以设计光阀所处面上的非光阀区域不是完全不透光，而是不允许显示器件11投射的所述偏光态光通过，但允许其它偏光态通过，以增大外部环境光的入射光通量。各光阀组也可以设计为各种形态，例如隐形眼镜镜片的形态，尤其在一个光阀组仅包含一个由W个波分子孔径组成的光阀时，时序开关所需电驱动装置的去除，可以使该W个波分子孔径更易于以隐形眼镜的形态贴近观察者瞳孔放置。

本发明的核心思想是引入时序开光的光阀至多视区投射引擎，以搭建向许多个用户呈现可自然聚焦三维场景的三维显示系统。并进一步通过光阀子孔径的设计，以提升其显示效果。以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。例如，现有的各种多视区投射光学结构，均可做为本专利的多视区投射光学引擎。相应地，所有相关实施例都落入本发明的保护范围内。