高分辨率裸眼光场三维显示结构及方法

本发明涉及三维(3d)显示，更具体涉及高分辨率裸眼光场3d显示结构及方法，通过离散分布眼箱对观察者瞳孔的分别覆盖，以最小显示面结构作为基本显示单元，实施超多视图3d显示。

背景技术：

1、相对于二维显示，3d显示因其呈现全空间维度信息的能力，而受到广泛关注。其中的裸眼3d显示，因为无需佩戴眼镜，应用场景尤为广阔。目前常见的裸眼3d显示，主要是通过屏上分光光栅的调控，显示屏的不同像素组，分别向不同视区投射各自对应图像，即多视图显示。视区间距大于瞳孔直径情况下，处于不同视区的观察眼者眼睛，分别接收到各自对应的一个视图，即基于单目单视图的技术路径，利用双目视差获得3d深度感知。但单目单视图显示伴随的聚焦-辐辏冲突，会导致观影视疲劳，极大阻碍了3d显示行业的发展。为了克服该聚焦-辐辏冲突问题，可设计间距小于瞳孔直径的密集视区，或称之为小间距的密集视图视点，即基于超多视图的技术路径实现舒适3d视觉。在所述密集视图视点覆盖观察者双眼的前提下，观察者各眼可以接收到至少两幅的视图。过任一显示物点，来自该至少两幅的视图的至少两条光束，入射观察者同一眼睛；在该至少两束光束的叠加光分布相对于显示器件上的发光点，对观察者眼睛焦点具有牵引优势的情况下，可以牵引观察者眼睛焦点至该显示物点，实现自然聚焦的3d显示，从而基于超多视图的技术路径，实现无聚焦-辐辏冲突的3d显示。

2、但密集视图视点覆盖观察者双眼，需要较大的视图视点数量。例如，对直径dp＝3mm的观察者瞳孔，设计间距1.5mm的密集视图视点，120mm的观察区域需要120/1.5＝80个视图视点。该较大的视图视点数量需求，在所采用显示器件分辨率受限的情况下，会导致显示分辨率的迅速下降。所以，以尽量少的分辨率损耗，实现可无聚焦-辐辏冲突的超多视图显示，极具应用价值。

技术实现思路

1、本发明提出一种高分辨率裸眼光场3d显示结构及方法，设计两条路径降低超多视图显示所需视图视点数量对显示分辨率的减降作用：1.设计总尺寸变小(相对于覆盖观察者双眼的连续眼箱)的离散分布眼箱，通过眼箱对观察者对应眼睛的追踪覆盖，降低所需视图视点数量；2.以可以独立显示光信息的最小面结构作为基本显示单元，增大视图视点数量的投射能力。

2、本发明提供如下方案：高分辨率裸眼光场三维显示结构，其特征在于，包括：

3、显示器件，该显示器件包括多个能够投射光信息的基本显示单元，所有基本显示单元沿至少一个方向分为多个基本显示单元块，各基本显示单元块包括多个基本显示单元；

4、分光光栅器件，该分光光栅器件包括沿至少一个方向排列的多个光栅单元，并对应所述显示器件置放，具有分光调控功能：各光栅单元引导所对应nb个基本显示单元块投射光束的反向延长线，一一对应地分别覆盖nb个过渡眼箱，其中，正整数nb≥2；

5、投影器件，该投影器件接收所述显示器件经所述分光光栅器件所投射光，成像所述nb个过渡眼箱的实像分别至nb个眼箱；

6、控制单元，该控制单元与显示器件连接，用于控制所述显示器件各基本显示单元加载光信息，为沿其对应投影方向，待显示场景的投影光信息；

7、追踪单元，该追踪单元与控制单元连接并于所述控制单元驱动下，实时探测观察者位置；

8、其中，所述基本显示单元指能够独立显示光信息的最小面结构；其中，各光栅单元对应的nb个基本显示单元块以(n×nb)个基本显示单元块为间隔，且不同光栅单元在同一个时间点对应的基本显示单元块互不相同，其中正整数n≥1；其中，各基本显示单元以其投射至对应眼箱光束与该眼箱的交点为对应基本显示单元视点，同一基本显示单元块的不同基本显示单元，通过同一对应光栅单元后，于对应眼箱分别对应互不相同的基本显示单元视点；其中，每个基本显示单元对应的投影方向，为该基本显示单元经对应光栅单元所投射光束，入射对应眼箱时的传播方向；所述高分辨率裸眼光场三维显示结构被设置为使得间隔(nb-1)个基本显示单元块的基本显示单元块，投射光分别经各自对应光栅单元和投影器件会聚至同一个眼箱，所述眼箱中的两个能够分别覆盖观察者的两个瞳孔；且，任一眼箱内的观察者瞳孔，在该眼箱对应各基本显示单元均加载光信息情况下，过任一显示物点可以接收到至少两条光束。具体的，控制单元可以分别与显示器件、追踪单元信号连接。

9、在一个优选的实施方案中，所述分光光栅器件是以柱透镜作为光栅单元的一维柱透镜光栅，或以一维狭缝为光栅单元的一维狭缝光栅，或以透镜为光栅单元的二维透镜光栅，或以孔径为光栅单元的二维孔径光栅、或以微纳结构为光栅单元的一维光栅、或以微纳结构为光栅单元的二维光栅。

10、在一个优选的实施方案中，所述分光光栅器件为可控型分光光栅器件，该可控型分光光栅器件和控制单元连接，于控制单元控制下，可受控地调整分光光栅器件的参数，该所述分光光栅器件的参数包括光栅单元间距、或/和光栅单元的焦距、或/和各光栅单元之间的相对位置。

11、在一个优选的实施方案中，在任一时间周期的不同个时间点，分光光栅器件于控制单元调控下，时序呈现多个参数状态，分别同步实施分光调控；或，于控制单元控制下，根据需要将分光光栅器件转换为分光调控功能失效的状态，以实施二维显示。

12、在一个优选的实施方案中，所述显示器件的基本显示单元，为出射窄带宽颜色光的单个子像素，或多个子像素的叠加结构，或出射彩色光的光出射结构。

13、在一个优选的实施方案中，所述分光光栅器件的相邻o个光栅单元，分别被赋予互不相同的o种正交特性，并分别仅允许各自对应正交特性光出射，其中o≥2；且，所述显示器件的基本显示单元，对应分别投射所述o种正交特性光；其中，分光光栅器件中具有相同正交特性的光栅单元，能够对显示器件所投射对应正交特性光进行分光调控，控制单元能够控制各基本显示单元同步刷新显示。

14、在一个优选的实施方案中，所述显示器件为被动式发光显示器件，所述显示器件由和控制单元连接的背光单元，于各时间周期的t个时间段，沿不同方向时序投射不同的方向背光，控制单元能够控制各基本显示单元同步刷新显示，其中t≥2。

15、在一个优选的实施方案中，所述的高分辨率裸眼光场三维显示结构，还包括由通光孔径组成的光阑阵列，该光阑阵列的各通光孔径和分光光栅器件的各光栅单元一一对应，约束或于控制单元调控下调整各光栅单元的通光面积。

16、在一个优选的实施方案中，所述各通光孔径包括多于一个的、分别具有互不相同正交特性的子通光孔径，分别仅允许对应正交特性光通过；且，所述显示器件的基本显示单元，可以对应分别投射所述不同正交特性光；其中，当具有相同正交特性子通光孔径打开时，分光光栅器件能够对显示器件所投射对应正交特性光进行分光调控，控制单元能够控制各基本显示单元同步刷新显示。

17、在一个优选的实施方案中，所述投影器件为多个器件的组合器件，包括折射组件、或/和反射组件、或/和衍射组件。

18、本发明还提供如下技术方案：高分辨率裸眼光场三维显示结构，包括：

19、显示器件，该显示器件包括多个能够投射光信息的基本显示单元，所有基本显示单元沿至少一个方向分为多个基本显示单元块，各基本显示单元块包括多个基本显示单元；

20、分光光栅器件，该分光光栅器件包括沿至少一个方向排列的多个光栅单元，对应所述显示器件置放，具有分光调控功能：各光栅单元引导对应的、以(n×nb)个基本显示单元块为间隔的nb个基本显示单元块投射光束，一一对应地分别覆盖nb个眼箱，且不同光栅单元在同一个时间点对应的基本显示单元块互不相同，其中，正整数nb≥2，整数n≥1；

21、控制单元，该控制单元与显示器件连接，用于控制所述显示器件各基本显示单元加载光信息，为沿其对应投影方向，待显示场景的投影光信息；

22、追踪单元，该追踪单元与控制单元连接并于所述控制单元驱动下，实时探测观察者位置；

23、其中，所述基本显示单元指可以独立显示光信息的最小面结构；其中，各基本显示单元以其投射至对应眼箱光束与该眼箱的交点为对应基本显示单元视点，同一基本显示单元块的不同基本显示单元，通过同一对应光栅单元后，于对应眼箱内分别对应互不相同的基本显示单元视点；其中，每个基本显示单元对应的投影方向，为该基本显示单元经对应光栅单元所投射光束，入射对应眼箱时的传播方向；所述高分辨率裸眼光场三维显示结构被设置为使得沿至少一个方向，间隔(nb-1)个基本显示单元块的基本显示单元块，投射光分别经各自对应光栅单元会聚至同一个眼箱，所述眼箱中的两个能够分别覆盖观察者两个瞳孔；且，任一眼箱内的观察者瞳孔，在该眼箱对应各基本显示单元均加载光信息情况下，过任一显示物点可以接收到至少两条光束。具体的，控制单元可以分别与显示器件、追踪单元信号连接。

24、在一个优选的实施方案中，所述分光光栅器件是以柱透镜作为光栅单元的一维柱透镜光栅，或以一维狭缝为光栅单元的一维狭缝光栅，或以透镜为光栅单元的二维透镜光栅，或以孔径为光栅单元的二维孔径光栅、或以微纳结构为光栅单元的一维光栅、或以微纳结构为光栅单元的二维光栅。

25、在一个优选的实施方案中，所述分光光栅器件为可控型分光光栅器件，该可控型分光光栅器件和控制单元连接，于控制单元控制下，可受控地调整分光光栅器件的参数，该所述分光光栅器件的参数包括光栅单元间距、或/和光栅单元的焦距、或/和各光栅单元之间的相对位置。

26、在一个优选的实施方案中，在任一时间周期的不同个时间点，分光光栅器件于控制单元调控下，时序呈现多个参数状态，分别同步实施分光调控；或，于控制单元控制下，根据需要将分光光栅器件转换为分光调控功能失效的状态，以实施二维显示。

27、在一个优选的实施方案中，所述显示器件的基本显示单元，为出射窄带宽颜色光的单个子像素，或多个子像素的叠加结构，或出射彩色光的光出射结构。

28、在一个优选的实施方案中，所述分光光栅器件的相邻o个光栅单元，分别被赋予互不相同的o种正交特性，并分别仅允许各自对应正交特性光出射，其中o≥2；且，所述显示器件的基本显示单元，对应分别投射所述o种正交特性光；其中，分光光栅器件中具有相同正交特性的光栅单元，能够对显示器件所投射对应正交特性光进行分光调控，控制单元能够控制各基本显示单元同步刷新显示。

29、在一个优选的实施方案中，所述显示器件为被动式发光显示器件，所述显示器件由和控制单元连接的背光单元，于各时间周期的t个时间段，沿不同方向时序投射不同的方向背光，控制单元能够控制各基本显示单元同步刷新显示，其中t≥2。

30、在一个优选的实施方案中，所述的高分辨率裸眼光场三维显示结构，还包括由通光孔径组成的光阑阵列，该光阑阵列的各通光孔径和分光光栅器件的各光栅单元一一对应，约束或于控制单元调控下调整各光栅单元的通光面积。

31、在一个优选的实施方案中，所述各通光孔径包括多于一个的、分别具有互不相同正交特性的子通光孔径，分别仅允许对应正交特性光通过；且，所述显示器件的基本显示单元，可以对应分别投射所述不同正交特性光；其中，当具有相同正交特性子通光孔径打开时，分光光栅器件能够对显示器件所投射对应正交特性光进行分光调控，控制单元能够控制各基本显示单元同步刷新显示。

32、本发明提供如下方案：

33、基于上述任一项所述高分辨率裸眼光场三维显示结构的显示方法，包括如下步骤：

34、(i)追踪单元于所述控制单元驱动下，实时探测观察者位置；

35、(ii)根据观察者位置，预设可以覆盖观察者双目的眼箱位置；

36、(iii)根据眼箱位置，确定各光栅单元对应的基本显示单元块；

37、(iii)控制单元驱动显示器件经分光光栅器件向眼箱投射对应光信息；

38、重复步骤(i)至(iv)。

39、本发明具有以下有益效果：

40、本发明以可以独立显示光信息的最小面结构作为基本显示单元，各基本显示单元独立加载待显示场景的对应投影光信息，相对于以传统像素(传统像素由显示面上多个子像素面拼连而成)作为投影信息加载最小单元的设计，可以投射更多的视图视点；并设计离散分布眼箱，通过仅向该离散分布的眼箱投射密集视图视点，提高视图视点的有效利用率而节省超多视图显示所需密集视图视点数目。

41、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。