一种2D/3D/光场全兼容虚拟成像显示系统

技术领域

本发明涉及显示成像的技术领域，更具体地，涉及一种2D/3D/光场全兼容虚拟成像显示系统。

背景技术

显示产业是我国电子信息产业的基石之一，在过去的几十年里，显示技术已经从最初的信号指示灯到七段数码显示管，由阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)显示器发展到如今的大尺寸发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)。与此同时，超薄、曲面、柔性等也逐渐成为显示技术的发展方向。然而这些显示器都属于实体显示，即需要一种显示载体，如LCD面板，OLED面板等。这种实体显示器的缺点是如果想要获得巨幅画面体验就需要巨幅的显示载体，如想观看100英寸的画面就需要100英寸的显示器，成本高昂。虽然投影仪可以通过投影的方式可以低廉的价格提供巨幅显示画面，但仍然需要投影幕布等载体降低了其便捷性。为此，一种无载体的虚拟显示器应运而生，其可以用极小的成本和设备就能够提供巨幅的显示画面。

虚拟显示器是一种通过其中的光学系统来观看图像的显示器，增强现实显示(AR)，虚拟现实显示(VR)，以及头盔显示都是属于虚拟显示器的一种。用虚拟显示器观看图像与我们通常观看LCD等显示器的方式不同。常规显示器人们以通常的观看方式即可看到图像；而人们在观看虚拟显示器时,必须在近距离采用向内观看的观察方式，这就限制了虚拟显示器的发展。现有技术公开了一种用同一屏(透镜)对不同位置的眼睛显示出独立不同图像的装置，包括多台投影仪、会聚透镜(凸透镜或者菲涅尔透镜)，以及反射镜。所述投影仪包括放置于所述透镜焦距外的多台投影仪。所述透镜的参数和投影仪参数可依据不同的观看位置和瞳距进行调整，使得各投影仪阵发出的光线在各自会聚后在观看者各只眼睛附近，以达成对投影仪阵列中的各台投影仪所投图像的独立观看，能实现投影显示画面高清、高亮度、超低功率、并可切换二维/三维显示方式，现有技术中公开的该申请虽然能实现二维/三维显示方式的切换，但一方面采用投影仪的方式需要投影幕布等载体降低了其便捷性，每个投影仪之间的视差图案重叠程度很难把握，另外人眼需要在固定的特定位置才能观看，若要产生多视点的话就需要需要很多台投影仪，局限性大，透镜的厚度非常大，焦距一般很长，厚度大约以米为单位，此外，单透镜中间成像比较好，边缘成像质量会非常差，也就是视区会很小。

发明内容

为解决传统虚拟显示器要求必须近距离观看，且不能够适应不同场景的观看需求问题的问题，本发明提出一种2D/3D/光场全兼容虚拟成像显示系统，将显示画面远距离投射到人眼，观察者无需靠近虚拟显示器即可观看，同时能够使观察者观看全视差光场模式、裸眼视差3D模式和普通平面显示三种模式的自由切换，以适应不同场景的观看需求。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种2D/3D/光场全兼容虚拟成像显示系统，所述系统包括：人眼追踪模块、有效观看空间区域盒、由反射式自由曲面视场镜与反射式自由曲面畸变补偿镜组成的光学模组、影像控制模块及图像产生模组；反射式自由曲面视场镜为人眼直接观看载体，反射式自由曲面畸变补偿镜补偿反射式自由曲面视场镜显示的像差，所述人眼追踪模块位于反射式自由曲面视场镜的上方，追踪位于有效观看空间区域盒的人眼瞳孔位置，将人眼瞳孔位置信号传输至影像控制模块，影像控制模块根据用户选择的观看模式将影像数据转换为光场3D影像、视差3D影像或平面影像，并同步将人眼位置信号发送至图像产生模组形成影像光束，影像光束依次经反射式自由曲面畸变补偿镜和反射式自由曲面视场镜出射后，投送到人眼。

本技术方案通过反射式自由曲面视场镜与反射式自由曲面畸变补偿镜将显示画面远距离投射到人眼，使观察者无需靠近虚拟显示器即可观看，影像控制模块根据用户选择的观看模式将影像数据转换为光场3D影像、视差3D影像或平面影像，并同步将人眼位置信号发送至图像产生模组形成光场、3D和平面显示源，能够使观察者观看在全视差光场模式、裸眼视差3D模式和普通平面显示三种模式的自由切换，以适应不同场景的观看需求。

优选地，所述反射式自由曲面视场镜为前镀膜凹面镜，所述反射式自由曲面畸变补偿镜为前镀膜镜，反射式自由曲面视场镜用于提供人眼观看视野，自由曲面畸变补偿镜用于补偿所述反射式自由曲面视场镜畸变和画面左右反向，同时折叠光路。

在此，通过所述反射式自由曲面畸变补偿镜和所述反射式自由曲面视场镜共同作用，将所述图像产生模组出射图像进行等比放大，形成巨幅的显示图像，人眼在有效观看空间区域盒观察，即可观察到2D/3D/光场全兼容虚拟显示图像。

优选地，所述反射式自由曲面视场镜的尺寸满足：宽度大于2*d*tan15°，高度大于2*d*tan15°，其中，d为有效观看空间区域盒的中心到反射式自由曲面视场镜的距离；反射式自由曲面畸变补偿镜根据设计放大倍率，为凸面镜或凹面镜。

优选地，所述图像产生模组包括平面光场显示源、分束镜、指向背光视差式裸眼3D显示源，平面光场显示源提供全视差无幅奏冲突的立体显示，所述指向背光视差式裸眼3D显示源提供平面2D或全分辨率的左右视差立体图像，平面光场显示源与指向背光视差式裸眼3D显示源正交放置，与所述分光镜的分束面呈45°夹角。

在此，通过分束镜将平面光场显示源和2D/3D可切换的指向背光视差式裸眼3D显示源进行耦合，使其图像生成表面与人眼光程一致，且两图像显示源相互正交。

优选地，平面光场显示源表面与指向背光视差式裸眼3D显示源表面距离分束镜的分束面中心光程保持一致。

优选地，由反射式自由曲面视场镜与反射式自由曲面畸变补偿镜组成的光学模组的像方焦点附近为有效观看空间区域盒的位置，允许人眼在有效观看空间区域盒内移动，光学模组的物方焦点为平面光场显示源光场显示源表面与指向背光视差式裸眼3D显示源表面处。

优选地，平面光场显示源包括依次布置的第一多边形背光模块、第一线性菲涅尔透镜阵列、第一线性扩散膜、第一液晶显示面板、第一相位延迟膜、成像透镜阵列和定向扩散膜，第一多边形背光模块上设有LED灯珠，当系统为光场显示模式时，所述平面光场显示源用于显示，所述指向背光视差式裸眼3D显示源关闭，影像控制模块将光场显示图像发送到液晶显示面板，并根据人眼追踪模块捕获的人眼位置信息控制第一多边形背光模块上对应的LED灯珠点亮，通过线性菲涅尔透镜阵列形成准直光源，经线性扩散膜扩散，将液晶显示面板上的光场图像通过相位延迟膜、成像透镜阵列投送到空中形成光场显示，利用定向扩散膜提高空间采样率，光场显示光束经过分束镜、反射式自由曲面畸变补偿镜和反射式自由曲面视场镜将无畸变放大的光场图像投送到位于有效观看空间区域盒中的人眼。

优选地，指向背光视差式裸眼3D显示源包括依次设置的第二多边形背光模块、第二线性菲涅尔透镜阵列、第二线性扩散膜、第二液晶显示面板及第二相位延迟膜，第二多边形背光模块上设有LED灯珠，当系统为视差式裸眼3D显示模式时，所述指向背光视差式裸眼3D显示源进行显示，所述平面光场显示源(51)关闭，所述影像控制模块将时序切换的视差图像发送到第二液晶显示面板并根据人眼追踪模块捕获人眼位置信息，控制第二多边形背光模块点亮左右眼对应的LED灯珠，通过第二线性菲涅尔透镜阵列形成两条左右时序切换的指向光束，将第二液晶显示面板时序刷新的视差图像通过分束镜、反射式自由曲面畸变补偿镜和反射式自由曲面视场镜，将无畸变放大的光场图像精确的投送到人的左右眼。

优选地，当系统为平面2D显示模式时，所述指向背光视差式裸眼3D显示源用于显示，所述平面光场显示源关闭，影像控制模块将普通平面图像发送到第二液晶显示面板上并打开第二多边形背光模块上的所有背光灯珠，通过第二线性菲涅尔透镜阵列、第二线性扩散膜将第二液晶显示面板上显示的普通2D图像通过分束镜、反射式自由曲面畸变补偿镜和反射式自由曲面视场镜将无畸变放大的光场图像投送到人眼。

优选地，设第一液晶显示面板或第二液晶显示面板的宽度均为w，高度均为h，光学模组的焦距为f，第一液晶显示面板或第二液晶显示面板距离光学模组距离为x，则放大后的虚像宽度W＝w*f/x，高度为H＝h*f/x，其中，x一般在0-30之间。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出一种2D/3D/光场全兼容虚拟成像显示系统，包括人眼追踪模块、人眼追踪模块、有效观看空间区域盒、光学模组、影像控制模块及图像产生模组，通过反射式自由曲面视场镜与反射式自由曲面畸变补偿镜将显示画面远距离投射到人眼，使观察者无需靠近虚拟显示器即可观看，影像控制模块根据用户选择的观看模式将影像数据转换为光场3D影像、视差3D影像或平面影像，并同步将人眼位置信号发送至图像产生模组形成光场、3D和平面显示源，能够使观察者观看在全视差光场模式、裸眼视差3D模式和普通平面显示三种模式的自由切换，以适应不同场景的观看需求。

附图说明

图1表示本发明实施例1中提出的2D/3D/光场全兼容虚拟成像显示系统的结构示意图；

图2表示本发明实施例2中提出的平面光场显示源的结构组成图；

图3表示本发明实施例2中提出的指向背光视差式裸眼3D显示源结构组成图。

其中，其中，1-人眼追踪模块；2-有效观看空间区域盒；31-反射式自由曲面视场镜；32-反射式自由曲面畸变补偿镜；4-影像控制模块；5-图像产生模组；51-平面光场显示源；511-第一多边形背光模块；512-第一线性菲涅尔透镜阵列；513-第一线性扩散膜；514-第一液晶显示面板；515-第一相位延迟膜；516-成像透镜阵列；517-定向扩散膜；52-分束镜；53-指向背光视差式裸眼3D显示源；531-第二多边形背光模块；532-第二线性菲涅尔透镜阵列；533-第二线性扩散膜；534-第二液晶显示面板；535-第二相位延迟膜。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种2D/3D/光场全兼容虚拟成像显示系统，系统包括：人眼追踪模块1、有效观看空间区域盒2、由反射式自由曲面视场镜31与反射式自由曲面畸变补偿镜32组成的光学模组3、影像控制模块4及图像产生模组5；反射式自由曲面视场镜31为人眼直接观看载体，反射式自由曲面畸变补偿镜32补偿反射式自由曲面视场镜31显示的像差，所述人眼追踪模块1位于反射式自由曲面视场镜31的上方，追踪位于有效观看空间区域盒2的人眼瞳孔位置，将人眼瞳孔位置信号传输至影像控制模块4，影像控制模块4根据用户选择的观看模式将影像数据转换为光场3D影像、视差3D影像或平面影像，并同步将人眼位置信号发送至图像产生模组5形成影像光束，影像光束依次经反射式自由曲面畸变补偿镜32和反射式自由曲面视场镜31出射后，投送到人眼。

在本实施例中，有效观看空间区域盒2并非真实存在，而是指所述2D、3D、光场全兼容虚拟成像显示系统有效观看立方体空间区域。反射式自由曲面视场镜31的尺寸满足：宽度大于2*d*tan15°，高度大于2*d*tan15°，其中，d为有效观看空间区域盒2的中心到反射式自由曲面视场镜31的距离；反射式自由曲面畸变补偿镜32根据设计放大倍率，为凸面镜或凹面镜。反射式自由曲面视场镜31为前镀膜凹面镜，所述反射式自由曲面畸变补偿镜32为前镀膜镜，反射式自由曲面视场镜31用于提供人眼观看视野，自由曲面畸变补偿镜32用于补偿所述反射式自由曲面视场镜31畸变和画面左右反向，反射式自由曲面畸变补偿镜32补偿反射式自由曲面视场镜31的像差，如畸变，场曲等，同时矫正出射图像的镜像问题，折叠光路。

参见图1，所图像产生模组5包括平面光场显示源51、分束镜52、指向背光视差式裸眼3D显示源53，平面光场显示源51提供全视差无幅奏冲突的立体显示，所述指向背光视差式裸眼3D显示源53提供平面2D或全分辨率的左右视差立体图像，平面光场显示源51与指向背光视差式裸眼3D显示源53正交放置，与所述分光镜52的分束面呈45°夹角，在本实施例中，平面光场显示源51表面与指向背光视差式裸眼3D显示源53表面距离分束镜52的分束面中心光程保持一致。

由反射式自由曲面视场镜31与反射式自由曲面畸变补偿镜32组成的光学模组3的像方焦点附近为有效观看空间区域盒2的位置，允许人眼在有效观看空间区域盒2内移动，光学模组3的物方焦点为平面光场显示源51光场显示源表面与指向背光视差式裸眼3D显示源53表面处。

实施例2

平面光场显示源51和指向背光视差式裸眼3D显示源53的结构图分别如图2和图3所示，在具体实施时，影像控制模块4分别连接第一多边形背光模块511、第二多边形背光模块531、人眼追踪模块1和第一液晶显示面板514、第二液晶显示面板534，提取人眼追踪模块2采集的人眼位置信号，并同步将人眼位置信号发送至第一多边形背光模块511或第二多边形背光模块531，且控制第一液晶显示面板514、第二液晶显示面板534的显示输出。

在本实施例中，参见图2，平面光场显示源51包括依次布置的第一多边形背光模块511、第一线性菲涅尔透镜阵列512、第一线性扩散膜513、第一液晶显示面板514、第一相位延迟膜515、成像透镜阵列516和定向扩散膜517，第一多边形背光模块511上设有LED灯珠，当系统为光场显示模式时，所述平面光场显示源51用于显示，所述指向背光视差式裸眼3D显示源53关闭，影像控制模块4将光场显示图像发送到液晶显示面板514，并根据人眼追踪模块1捕获的人眼位置信息控制第一多边形背光模块511上对应的LED灯珠点亮，通过线性菲涅尔透镜阵列512形成准直光源，经线性扩散膜513扩散，将液晶显示面板514上的光场图像通过相位延迟膜515、成像透镜阵列516投送到空中形成光场显示，利用定向扩散膜517提高空间采样率，光场显示光束经过分束镜52、反射式自由曲面畸变补偿镜32和反射式自由曲面视场镜31将无畸变放大的光场图像投送到位于有效观看空间区域盒2中的人眼，人眼能够观察到无幅奏冲突，大画幅的立体光场画面。

参见图3，指向背光视差式裸眼3D显示源53包括依次设置的第二多边形背光模块531、第二线性菲涅尔透镜阵列532、第二线性扩散膜533、第二液晶显示面板534及第二相位延迟膜535，第二多边形背光模块531上设有第二多边形背光模块531上设有LED灯珠，当系统为视差式裸眼3D显示模式时，所述指向背光视差式裸眼3D显示源53进行显示，所述平面光场显示源51关闭，所述影像控制模块4将时序切换的视差图像发送到第二液晶显示面板534并根据人眼追踪模块2捕获人眼位置信息，控制第二多边形背光模块531点亮左右眼对应的LED灯珠，通过第二线性菲涅尔透镜阵列532形成两条左右时序切换的指向光束，将第二液晶显示面板534时序刷新的视差图像通过分束镜52、反射式自由曲面畸变补偿镜32和反射式自由曲面视场镜31，将无畸变放大的光场图像精确的投送到人的左右眼，人眼能够观察到具有冲击感的视差立体画面。

当系统为平面2D显示模式时，指向背光视差式裸眼3D显示源53用于显示，所述平面光场显示源51关闭，影像控制模块4将普通平面图像发送到第二液晶显示面板534上并打开第二多边形背光模块531上的所有背光灯珠，通过第二线性菲涅尔透镜阵列532、第二线性扩散膜533将第二液晶显示面板534上显示的普通2D图像通过分束镜52、反射式自由曲面畸变补偿镜32和反射式自由曲面视场镜31将无畸变放大的光场图像投送到人眼，人眼能够观察到舒适了巨幅2D画面。

以上，第一相位延迟膜515和第二相位延迟膜535的作用是调整光束出射相位，平面光场显示源51和指向背光视差式裸眼3D显示源53的出射光束偏振与分束镜52的入射相位保持一致，消除色差。

实施例3

设第一液晶显示面板514或第二液晶显示面板534的宽度均为w，高度均为h，光学模组的焦距为f，第一液晶显示面板514或第二液晶显示面板534距离光学模组距离为x，则放大后的虚像宽度W＝w*f/x，高度为H＝h*f/x，其中，x一般在0-30之间。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。