[发明专利]一种光场显示装置及显示方法

说明书

本发明公开了一种光场显示装置及显示方法，光场显示装置包括：图像源，产生表征虚拟信息的光线；混合模块，虚拟信息的光线和外部环境光线经混合模块和透射型空间光调制器透射入人眼；透射型空间光调制器，根据控制模块的控制信号，对虚拟信息的光线和外部环境光线进行调制；控制模块，同步控制透射型空间光调制器和图像源，令透射型空间光调制器的不同独立单元被有序地打开或关闭，而图像源则有序地显示对应的图像。光场显示方法通过透射型空间光调制器快速有序地打开或关闭不同独立单元，构建所需呈现的虚拟信息的模拟光场，当人眼通过该模拟光场观察所需呈现的虚拟信息时，不存在辐辏调节冲突，从而避免了由此导致的人眼疲劳及其它生理不适。

技术领域

本发明涉及虚拟现实与增强现实技术领域，尤其涉及一种基于光场原理的三维显示装置及显示方法。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality)技术是一种将虚拟信息更逼真地呈现在用户面前，并达到“以假乱真”的效果的显示技术，它通常屏蔽外界真实环境，使用户沉浸于虚拟世界中。增强现实(Augmented Reality)技术是一种将虚拟信息叠加到真实世界的显示技术，它使用户可以同时观察外界真实环境。这些技术可广泛应用于军事、医疗、教育、制造、娱乐等领域。随着相关技术的商用化推进，VR/AR设备越来越被大众所熟知，产品也逐渐往消费市场蔓延。其中，AR设备被认为具有更广阔的应用潜力，同时，当AR设备集成了可选择性遮挡现实世界光线的相关组件后，在某种程度上就兼具了VR设备的效果。因此，立足AR设备的特点，研究两者共通的三维显示技术，变得很有意义。

目前，市场上的AR眼镜设备种类繁多，其原理多是单深度的双目视差系统，即：通过一个半透半反的结构同时接收虚拟信息和真实世界场景；人眼在观看真实世界场景时，真实空间自带的三维信息给人眼提供了不同的深度线索，从而产生立体感；然而，在观察虚拟信息时，虚拟信息的画面其实是在同一个固定深度的平面上(单深度)，通过给双眼提供具有视差的两幅不同的画面(双目视差)达到立体效果，人眼调焦在该固定的深度位置接受虚拟信息，而无论虚拟信息是否包含了处于不同于该固定深度的虚拟点。在观察那些处于不同于该固定深度的虚拟信息时，由于左右眼聚焦的位置并不重合，造成了视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)。这种冲突会引起视疲劳、头痛等不良生理反应，限制了装备的长时间佩戴，体验欠佳。

而且，同一时刻该固定深度的平面必须提供清晰的视差图，因此其半透半反的结构既要承担对外部真实环境的通透，更要直接承担对图像源成清晰稳定的虚拟像面的功能，这种双重约束大大降低了光学设计的自由度，提高了设计工作的难度；尤其对于大视场角(Field of View)相关设备的设计，或要求半透半反结构的厚度进一步降低的设计，往往很难兼顾图像源成像质量的各种指标。

公开号为CN103487938A的中国专利公开了一种头戴显示装置，包括主体框架、透视式光学显示系统、主控系统和双目立体视觉系统，透视式光学显示系统包括图像显示模块、光学放大系统和微调机构；双目立体视觉系统拍摄人眼前方的目标物，利用视差原理测距的方法，获得目标物到人眼的距离；主控系统根据得到的目标物到人眼的距离，控制透视式光学显示系统自动调整虚像到人眼的距离，保证用户在使用这些图像显示器时用眼的舒适度，缓解视野疲劳。但是该装置结构复杂，调焦时涉及步进电机和传动机构，很难在高速、高精度、低能耗等方面取得平衡。

公开号为US201704574的美国专利公开了一种紧凑型头戴显示系统，包括一片结构复杂的波导镜片和成像棱镜，但其视场角较小。公开号为WO2016081664A1的专利公开了一种大视场角头戴显示系统，包含图像源和自由曲面反射镜面罩，但是体积庞大；公开号为CN101359089的中国专利公开了一种自由曲面棱镜头戴显示系统，包括微显示器及自由曲面棱镜，但其装置镜片较厚且需要补偿镜，不利于生产使用。

发明内容

本发明提供一种光场显示装置及显示方法，可以避免视觉辐辏调节冲突，缓解视疲劳，便于长时间使用，且其光学设计自由度较高。