超大视场角的全光场调控系统
阅读说明：本技术 超大视场角的全光场调控系统 (Full light field regulation and control system with ultra-large field angle ) 是由 赵健 李玲玲 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明具体涉及一种超大视场角的全光场调控系统,包括反射层、光源层、滤光片层和光栅层,光源层位于反射层和滤光片层之间,且光源层朝向反射层,滤光片层位于光源层和光栅层之间。本发明系统的光栅层对光线的入射和透射方向进行严格调控,可以有效去除传统方法中的视点间串扰、视区反转和深度线索错误等问题,大大提高了空间光场的重建精度；反射层采用反射式微镜面结构,通过优化设计反射层的反射曲面,可以让辐射光束在非常短的距离内实现准直化,以大幅提升光栅层的光学能效利用率,为以后设备的小型化和轻薄化提供技术支持。(The invention particularly relates to a full-optical-field regulation and control system with an ultra-large field angle, which comprises a reflecting layer, a light source layer, a filter layer and a grating layer, wherein the light source layer is positioned between the reflecting layer and the filter layer, faces the reflecting layer, and the filter layer is positioned between the light source layer and the grating layer. The grating layer of the system strictly regulates and controls the incident and transmission directions of light rays, so that the problems of inter-viewpoint crosstalk, visual area inversion, depth clue errors and the like in the traditional method can be effectively solved, and the reconstruction precision of a space light field is greatly improved; the reflecting layer adopts a reflecting micro-mirror structure, and the reflecting curved surface of the reflecting layer is optimally designed, so that the radiation beam can be collimated within a very short distance, the optical energy efficiency utilization rate of the grating layer is greatly improved, and technical support is provided for miniaturization and lightening and thinning of future equipment.)
技术领域
本发明属于新型显示技术领域，具体涉及一种超大视场角的全光场调控系统。
背景技术
光场技术的研究主要分为两个部分，包括光场采集与光场显示。光场采集的技术更为成熟，在成本、利用率、体积、功耗等方面也更能被接受，而光场显示则存在光场显示设备小型化与低能耗化的问题。现在市场上所具有的一些穿戴式显示设备虽经过长时间的迭代升级在分辨率、色彩还原度等方面有所提升，但是在显示维度上的进展并不理想，且长时间佩戴还会出现头晕不适、疲劳等不良反应。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种超大视场角的全光场调控系统，采用的技术方案如下：
超大视场角的全光场调控系统，包括反射层、光源层、滤光片层和光栅层，光源层位于反射层和滤光片层之间，且光源层朝向反射层，滤光片层位于光源层和光栅层之间；
所述反射层为反射式微镜面结构，用于将来自光源层的光束准直化；所述光源层包括多个光源，用于产生周期性光束，且光源间的透明间隔为准直光束的水平宽度；所述滤光片层包括显示器的红滤光片层、绿滤光片层和蓝滤光片层，为周期结构，不同颜色的滤光片层称为子像素，三种子像素组成一个像素；所述光栅层为光学调控元件阵列，具有子像素级的光线调控能力，阵列中光学调控元件的最小间隔为子像素大小，光学调控元件方向的调控方式包括静态调控和动态调控；
所述光源层发出的光束，经反射层反射后转变为准直光束，准直光束通过光源层中的透明间隔区域并经过滤光片层到达光栅层，穿过每个子像素的准直光束经光栅层的光线调控后被依次投射到指定的空间位置，形成一系列的汇聚点。
进一步地，所述光源层的光源可选类型包括微LED光源、激光光源和辐射光源。
进一步地，所述反射层的可选组成类型包括微透镜阵列、微曲面镜阵列和反射型全息光栅。
进一步地，所述光栅层的调控元件可选类型包括一维光栅、二维光栅、三维体全息光栅和微透镜。
进一步地，将所述光栅层的光学调控元件阵列替换为基于液晶材料的偏振型体全息光栅，通过调节电压来实现光学调制角度和调制密度的动态调整。
与现有技术相比，本发明系统不需要用户穿戴，在保证分辨率与色彩还原度的基础上，即可很清晰得感受到所视呈像的维度，不会出现头晕疲惫等生理上的不适；本发明系统的光栅层采用基于液晶材料的偏振体全息光栅，对光线的入射和透射方向进行严格调控，可以有效去除传统方法中的视点间串扰、视区反转和深度线索错误等问题，大大提高了空间光场的重建精度；本发明系统的反射层采用反射式微镜面结构，通过优化设计反射层的反射曲面，可以让辐射光束在非常短的距离内实现准直化，以大幅提升光栅层的光学能效利用率，为以后设备的小型化和轻薄化提供技术支持。
附图说明
图1为本发明系统反射层凹面微透镜阵列的示意图；
图2为本发明系统所用光栅的衍射原理图；
图3为本发明系统左视区的光束传播路径示意图；
图4为本发明系统右视区的光束传播路径示意图；
图5为本发明系统光栅层光束调控的示意图；
图6为反射型全息光栅的曝光方法示意图；
其中，1-反射层，11-凹面微透镜A，12-凹面微透镜B，13-凹面微透镜C，14-凹面微透镜D，2-光源层，21-光源A，22-光源B，3-滤光片层，31-子图区A，32-子图区B，33-子图区C，34-子图区D，35-子图区E，36-子图区F，4-光栅层，5-入射光，6-透射光，7-左视区第一汇聚点，8-左视区第二汇聚点，9-右视区第一汇聚点，100-右视区第二汇聚点，101-视点。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，反射层1可以采用反射型全息光栅，其曝光方法如图6所示。这种曝光方法的好处是可以对任意扩束角的入射光进行高精度调控，且反射光为严格平行光。此外，反射层1也可以采用一类表面为自由曲面的凹面微透镜阵列或者凹面微镜面阵列，这种不规则、自由的曲面，让不同角度光束在穿过主轴时，可以保持近似的放大率，最大程度地减少像差。自由曲面的设计可以显著增强照明的均匀性，可以达到高像质、小尺寸的效果。自由曲面光学系统设计自由度较大，可以采取折射、反射相结合的方法，实现避免中心遮拦的离轴式设计，有利于获得高分辨率、高光能利用率，并通过光路折叠实现系统结构的紧凑化。
如图1所示，光束从光源A21发出，到达反射层1的凹面微透镜A11和凹面微透镜B12，由于光源21处于凹面微透镜A11和凹面微透镜B12的交界处，因此光线到达两个微透镜表面的入射角也会不一致，经过微透镜A11反射的光线呈准直光束态，到达滤光片层3的子图区A31。经过微透镜B12反射的光线，到达子图区D34。同理，光源22的光线分别经过凹面微透镜C13和凹面微透镜14的反射，到达子图区C33和子图区F36。凹面微透镜发生反射形成准直光束，被反射的准直光束经过光源层2中透明间隔区域和滤光片层3到达光栅层4。反射层1以每两个凹面微透镜作为一个周期结构，光源层2光源间的透明间隔为反射准直光束的水平节宽，滤光片层3是液晶显示器的红、绿、蓝滤光片层，为一个周期结构；。
光栅层4可以为基于液晶材料的偏振型体全息光栅，可以通过调节电压来实现光学调制角度和调制密度的动态调整。光栅层4也可以为光学调控元件阵列，采用全息光栅作为最小单位，最小间隔为子像素大小，每个光学调控元件的调控方向可以为静态调控，也可以动态调控。光学调控元件阵列可以捕获从不同位置摄入的准直光束，通过曝光获得可见的图像。曝光时间长、曝光面积大，能够通过足够多的准直光束，所以可以得到清晰的图像。
如图2所示的光栅衍射原理图，光栅可以简单概述为是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学元件，d为反光(或透光)部分的宽度a与不反光(或不透光)部分宽度的总和，称之为光栅常量，θ为衍射角，入射光5穿过光栅4，透射光6从光栅穿出形成一系列又细又长的明条纹，与此同时，明条纹与暗条纹相间出现形成衍射谱线，主级明纹的位置与光栅狭缝数N无关，且均匀地分布在中央明纹的两侧，中中央明纹的相对光强是最强的，光强符合公式
其中，I0为入射光的强度；I为衍射谱线中明纹的相对光强，由于中央明条纹亮度很高，不利于成像，而中央明纹两侧的正负一级条纹亮度适合且容易调控。根据以上知识，可以精确地控制光束经过光栅时的各个衍射层级的衍射角度。
如图3所示，每个子图区中得像素分别为a、b、c、d、e和f，每个像素前面的光栅层4的光栅参数都被严格设计，以保证光束穿过光栅层4时其传播方向被严格限定。若想在空间重建一汇聚点，可以设置所有子图区中来自a像素的光束被光栅层4调制到该处。由于每组光源会被反射到两个不同的子图区，另一子图区中的汇聚情况与图3类似，如图4所示，汇聚点的光束分别来自对应的子图区。
如图5所示，假设子图区与系统边界的距离为m，人眼观看距离为视点101到光栅层4的垂直距离w，视点到系统边界的距离为L，准直光束传过光栅层4汇聚到视点101，则准直光束与光看距离所构成的夹角β为
由此可得到每个光栅元件的偏转角度。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
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