技术摘要：
本发明涉及一种基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置和方法，属于三维显示技术领域。装置包括：平行设置的至少两层定向散射波导，定向散射波导内部为光学透明介质，其入射端设有耦入光栅，出射端设有定向散射元件；显示图像源，包括准直光路，显示图像源与控制器通  全部
背景技术：
智能手机作为一种便携式计算终端，其销量已经陷入停滞，各大消费电子产品厂 商都在寻找便携式计算终端下一阶段的增长点。从Google  Glass的惊艳登场，再到 Microsoft  Hololens在工业生产、军事训练的运用，增强现实近眼显示展现了其有望成为 下一代便携式计算平台的潜力。首先，近眼显示以头盔或者眼镜这些便于穿戴的形式解放 了用户的双手，更提供了远远大于手机和平板电脑的显示区域；其次，近眼显示技术能够为 用户提供具备深度线索的显示内容，相比于手机和平板电脑等二维显示设备，近眼显示极 大提高了用户的视觉和交互体验。 市面上现有的近眼显示设备大都只能通过显示具有双目视差的图像向用户提供 部分深度线索，这种方法会造成所谓的“视觉辐辏-调节冲突”，即人眼双目视线的交点和晶 状体的对焦点不一致。用户在长时间观看这种视差线索和聚焦线索不匹配的显示内容会产 生诸如晕眩、恶心等视觉不适反应。 根据光场重构理论，若从空间任一重构点发出的两条光线同时进入瞳孔，则该瞳 孔所在的晶状体能够调节焦距到该重构点上，从而呈现深度线索。现有文献(参见Maimone  A，Fuchs  H.Computational  augmented  reality  eyeglasses[C]//Mixed  and  Augmented  Reality(ISMAR)，2013  IEEE  International  Symposium  on  IEEE，2013:29-38.和Fu- Chung，Huang，Kevin，et  al .The  light  field  stereoscope:immersive  computer  graphics  via  factored  near-eye  light  field  displays  with  focus  cues[J] .ACM  Transactions  on  Graphics(TOG)，2015.)分别提出一种基于多层液晶屏结构的增强现实 和虚拟现实近眼显示装置和方法，使用堆叠的液晶屏作为空间光调制器合成随用户视点移 动而变化的图像，能够同时呈现深度线索和立体视差，从而解决视觉辐辏-调节冲突。 然而上述结构存在如下缺陷：1、由于液晶屏像素的周期性结构，背光源或真实世 界发出的光线会发生衍射从而使得显示图像的质量大幅下降；2、多层液晶屏的低透过率使 得来自背光源或真实世界的光线强度大大降低，特别不利于其在增强现实近眼显示中的应 用。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置和方法，以 解决现有多层光场近眼显示的图像质量和亮度偏低的问题。 为了实现上述目的，第一方面，本发明的基于多层定向散射波导的近眼光场显示 装置，包括： 平行设置的至少两层定向散射波导，定向散射波导内部为光学透明介质，其入射 4 CN 111580276 A 说　明　书 2/7 页 端设有耦入光栅，出射端设有定向散射元件； 显示图像源，包括准直光路，所述显示图像源与控制器通讯连接，将所述控制器端 需要显示的图像以平面波的形式投射到所述定向散射波导的耦入光栅； 反射式全息透镜，位于距离人眼瞳孔远端的定向散射波导的外表面，其光轴与所 有定向散射元件的中心处于同一直线上，将所有定向散射波导显示的图像成像到人眼的明 视距离以外； 曝光所有定向散射波导的耦入光栅、定向散射元件以及反射式全息透镜所用的光 源和显示图像源具有相同的波长。 上述技术方案中，通过耦入光栅将来自显示图像源的光线耦入到光学透明介质 中，由平行光源产生的参考光和信号光在光学透明介质的一端的光敏材料干涉后曝光形 成；通过定向散射元件将在光学透明介质中传播的光线以一定的散射角散射，由平行光源 产生的参考光和经过散射介质的信号光在光学透明介质的另一端上的光敏材料上发生干 涉后曝光形成。利用波分复用的方法可以在同一片光学透明介质上曝光出多个波长的耦入 光栅和定向散射元件，从而实现彩色显示。通过反射式全息透镜将多层定向散射波导显示 的图像成像到人眼的明视距离以外并且放大多层定向散射波导的间隔从而扩大显示的景 深，而不改变来自真实世界的光线。 最终人眼看到的是这些投影图像合成的四维光场的放大虚像。显示的效果是，当 人眼球转动或移动时，可以观察到具有视差的场景，并且可以自由地通过调节眼球的晶状 体看清远处和近处的场景。反射式全息透镜由来自平行光源通过散射介质产生的参考光和 汇聚球面波的信号光在多层定向散射波导距离用户眼睛最远一端上的光敏材料上发生干 涉后曝光形成。利用波分复用的方法可以在定向散射波导的同一端上曝光出多个波长的反 射式全息透镜。 可选地，在一个实施例中，显示图像源的显示元件可以是激光光源与空间光调制 器或者宽光谱LED显示芯片与特定波长的滤光片。 显示图像源的波长与曝光所有定向散射波导的耦入光栅和定向散射元件以及反 射式全息透镜所用的光源一致； 控制器端连接显示图像源的驱动电路，依据优化方法计算出每层定向散射波导需 要显示的图像，并将需要显示的图像上载到显示图像源，准直光路将显示图像源显示的图 像投射到定向散射波导的耦入光栅上。实现基于多层定向散射波导的近眼三维显示。 可选地，在一个实施例中，显示图像源的数量与定向散射波导的数量对应，每个显 示图像源的准直光路投射到对应定向散射波导的耦入光栅上。 可选地，在一个实施例中，每两个或三个定向散射波导共用一个显示图像源，显示 图像源安装于其中一个定向散射波导的入射端的入射光路上，利用光切换装置以时分复用 的方式向每层定向散射波导投影相应的图像。 当两个或三个定向散射波导共用一个显示图像源时，显示图像源可安装于任意一 个定向散射波导的入射端的入射光路上。 可选地，在一个实施例中，光切换装置可以是偏振分束镜或转镜等分光元件。 可选地，在一个实施例中，耦入光栅和定向散射元件均由透明连续均匀的光敏材 料组成。避免了液晶屏像素周期性结构造成的衍射导致的图像质量下降问题。本装置显示 5 CN 111580276 A 说　明　书 3/7 页 的像素密度取决于显示图像源的像素间距和显示图像源到定向散射波导的距离。 此外，在上述近眼光场显示装置的基础上，本发明还提供了一种近眼光场显示眼 镜和虚拟现实设备，其中，近眼光场显示眼镜包括镜框和设置在所述镜框上的近眼光场显 示装置，所述近眼光场显示装置为上述近眼光场显示装置。镜框用来固定多层定向散射波 导和显示图像源，质量轻巧，易于佩戴，将重心尽量靠近佩戴者以提高使用舒适感。 虚拟现实设备包括可固定在人头部的外壳和设置在外壳内的近眼光场显示装置， 近眼光场显示装置为上述近眼光场显示装置，外壳采用不透光材料制成。 第二方面，本发明的基于多层定向散射波导的近眼光场显示方法，基于上述近眼 光场显示装置实现，且包括以下步骤： 1)根据人眼的瞳孔大小、瞳孔转动和移动范围，设置能够消除辐辏-调节冲突的视 点分布； 2)依据需要显示的三维场景，获取在不同视点观察到的透视投影图像，得到目标 四维光场； 3)依据所述近眼光场显示装置的结构，获取重构四维光场的范围和方向； 4)利用即时代数重构技术，计算出每一层定向散射波导需要显示的图像，实现近 眼三维显示。 其中，步骤1)中，视点分布包括视点的排布形状、数量和间隔；且设置至少两个视 点，保证从某一三维重构点至少有两根光线同时进入瞳孔，人眼就可以聚焦在该点处。步骤 3)中，近眼光场显示装置的结构包括定向散射波导的层数、间隔，和定向散射角的大小，以 及反射式全息透镜的投影面尺寸。 与现有技术相比，本发明的有益之处在于： 本发明的每层定向散射波导的显示方式为自发光型，大大提高了显示亮度，使得 其更加适合在明亮的户外环境使用；本发明的近眼光场显示装置只对来自显示图像源的窄 光谱光线发生作用，不会影响来自真实世界的宽光谱光线，非常适合应用于增强现实型近 眼显示设备中。总而言之，就是在解决视觉辐辏-调节冲突的基础上，提高了多层光场近眼 显示的图像的质量和亮度。 附图说明 图1为本发明实施例1中基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置的结构示意 图； 图2为本发明实施例1中消除辐辏-调节冲突的原理示意图； 图3为本发明实施例2中基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置的结构示意 图； 图4为本发明实施例3中基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置的结构示意 图； 图5为本发明实施例4中基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置的结构示意 图。 6 CN 111580276 A 说　明　书 4/7 页