具体实施方式

本发明所述面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统，通过多视区投射光学引擎和引导多于一个视图至各眼睛的光阀阵列的结合，可实现面对多个用户的可自然聚焦三维场景显示。

图1所示为面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统的光学结构，包括多视区投射光学引擎10、光阀阵列20和控制单元30，该多视区投射光学引擎10包括显示器件11和视区引导器件12。其中，多视区投射光学引擎10以基于光栅分光原理进行多视区投射的光学引擎为例进行说明，其视区引导器件12取以柱透镜为光栅单元的分光光栅121为例，经分光光栅121，显示器件11上M＝5个像素群分别投射光至各自对应的M＝5个视区，视区1、视区2、视区3、视区4和视区5。图1中，x向和y向分别为显示器件11的两个边向。x′向为分光光栅121的光栅单元排列方向，y′向为分光光栅121的光栅单元的长向，也即光栅单元排列方向的垂向。各视区分别接收来自对应像素群所投射光信息。视区排列方向、视区尺寸和相邻视区间距的设置，要保证各观察者的两只眼睛不能接收到经同一视区出射的光信息，即于观察者双目连线方向上，各个视区线度不大于观察者双目间距和单目瞳孔直径的差值，相邻视区间距不小于视区线度和单目瞳孔直径之和的一半。各像素所属像素群对应视区为该像素对应视区。光阀阵列20由N个光阀组的N×K个光阀组成，K为各光阀组包含的光阀数目。各光阀组分别作为镜片，佩戴于对应眼睛。图1以N＝4和K＝3为例。具体地，光阀A_1R1、A_1R2、A_1R3组成的光阀组201佩戴于视区1内的观察者1右眼睛501R,光阀A_1L1、A_1L2、A_1L3组成的光阀组202佩戴于视区2内的观察者1左眼睛501L。同样，视区5和4内的光阀组204和203分别佩戴于观察者2左右眼睛。为了图示的清晰，光阀组204和203的各光阀序号未示出。各光阀组的K＝3个光阀，在K＝3个相邻时间点组成的时间周期Δt内，由控制单元30控制时序打开，且在一个时间点，各光阀组中分别仅一个光阀被打开，其它光阀被关闭。

本专利中，各视区和其对应像素群，都具有相同的结构，且不同视区对应的像素群也于空间或时间上互不相同。各视区内置有光阀组时，均以各自对应像素群为信息加载单元，遵循相同的操作以进行显示。也即说，各像素群和置于其对应视区的光阀组都是类似结构，遵循相同的操作。在以下部分中，仅以一个放置了光阀组的视区及其对应像素群为例，来阐明所述面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统是如何实现其显示功能的。

以图1所示置于视区2的光阀组202及该视区所对应像素群为例，图2于平行于y向的平面内，说明一个像素群中，沿y向的一列像素，在t+Δt/3时间点，如何通过置于对应视区内的光阀组向对应眼睛501L进行光信息投射的。其中的挡板60，用以挡除显示器件10投射光过非光阀区域入射各观察者眼睛的光。在该t+Δt/3时间点，仅光阀A_1L2被打开，待显示物点P关于光阀A_1L2于显示器件11上的投影点为像素p_2y5，像素p_2y5加载待显示物点P关于光阀A_1L2于其上的投影信息，则像素p_2y5沿矢向p_2y5P投射一条光束。更具体地说，t+Δt/3时间点，于打开的光阀A_1L2附近取一点VP₁，点VP₁和待显示物点P的连线，过光阀A_1L2置放视区视区2所对应像素群的像素p_2y5，则像素p_2y5加载信息为点P沿VP₁P方向于像素p_2y5上的投影信息。这里，点VP₁的选取要满足像素p_2y5和点VP₁的连线过光阀A_1L2的要求。实际上的待显示场景由很多物点组成，这时，实际的信息加载过程为：光阀A_1L2打开时，往往取其附近点VP作为视点，然后连线点VP和该光阀A_1L2所置视区视区2对应像素群中任意像素，待显示场景沿该连线方向于该任意像素上的投影信息，即为该任意像素的所需加载信息。其中，所取光阀A_1L2附近点VP的空间位置要满足如下条件：该点和光阀A_1L2所处视区对应像素群各像素的连线，均过光阀A_1L2。此处具体地以置于视区2的被打开光阀A_1L2为例进行说明，其也适用于置于任意视区的任何被打开光阀所对应各像素的信息加载。这就是“各像素加载信息为待显示场景关于该像素对应视区内被打开光阀的投影信息于该像素上的光信息”所描述的操作。其中，“待显示场景关于该像素对应视区内被打开光阀的投影信息”是指待显示场景以所述光阀附近所取视点的视图信息。其中，一个像素群的不同像素，所对应视点往往取为对应视区内被打开光阀附件的、满足上述要求的一个共同点，也可以取为对应视区内被打开光阀附件的、满足上述要求的不同的点。

同理，在t时间点，仅光阀A_1L1打开，，像素p_2y7沿矢向p_2y7P投射一条光束；在t+2Δt/3时间点，仅光阀A_1L3打开，像素p_2y3沿矢向p_2y3P投射一条光束。设置光阀组202的光阀间距，保证过该待显示物点P的至少两个光束入射眼睛501L，也即待显示物点P的至少两个视图信息被眼睛501L接收，则该至少两束光束在P点叠加形成眼睛501L可以自然聚焦的空间光点。当该过程对待显示场景的各点都成立时，即可基于视觉滞留效应，实现克服了聚焦-会聚冲突的三维场景显示。对于置于其它视区的其它眼睛，同理实现可自然聚焦的三维场景显示。

上述过程中，在一个时间点，一个像素所加载信息的操作需要知道此时其对应视区内各光阀的空间位置。引入追踪定位单元40，如图1，实时追踪定位各光阀组的各光阀所处位置及其所处视区，由控制单元30控制，进行各像素的信息加载。其中，需要注意的时，在一个光阀组同时接收到相邻视区对应的多于一个像素群所投射光时，该多于一个像素群的各像素，均同步加载待显示场景关于该光阀组中被打开光阀于该像素上的投影信息。上述示例中，各光阀组被设置于对应视区所在面上。实际上，各光阀组偏离对应视区所在面时，上述过程同样可行。如果不引入引入追踪定位单元40，在不知道各光阀实际空间位置的情况下，可以于各视区分别假定一个虚拟光阀组，并置其于事实光阀组经常出现的位置。该虚拟光阀组的各虚拟光阀，被设定为和各事实光阀组的各光阀同步开关。在各时间周期内的各时间点，各像素加载信息为待显示场景关于该像素对应视区内被打开虚拟光阀的投影信息于该像素上的光信息。在各光阀的空间位置超出多视区投射光学引擎10投射的视区覆盖区域时，例如图1中存在一个或多个光阀组超出了经视区1～视区5出射的出射光覆盖范围时，可以根据像素和光栅单元的对应关系，由控制单元30调整各光栅单元对应像素发生变化，以保证多视区投射光学引擎10投射的视区对各光阀组的覆盖。该情况下，调整前后，同一个像素可以属于不同的像素群，也即不同像素群存在共用像素。此时，由于调制前后的时序性，包含有共用像素的不同像素群的组成像素进行信息加载的时间点互不相同。

图1以基于光栅分光原理进行多视区投射的光学引擎作为多视区投射光学引擎10的实例进行说明。多视区投射光学引擎10也可以取利用会聚于不同视区的时序背光器件122作为视区引导器件12，基于时分复用原理进行多视区投射。例如图3所示的时序背光器件122，由时序光源阵列1221和光会聚器件1222组成。图3所示时序光源阵列1221以M＝5个光源S₁、S₂、S₃、S₄和S₅为例，光会聚器件1222以菲尼尔透镜为例。时序光源阵列1221各光源发射光经光会聚器件1222，分别会聚于M＝5个的视点，VP₁、VP₂、VP₃、VP₄和VP₅。时序光源阵列1221各光源被控制单元30控制，于M＝5个相邻时间点组成的各时间周期内时序发光，并作为背光入射显示器件11。由于显示器件各像素对入射光的衍射，各光源投射光经显示器件11，时序携带对应的光信息，因衍射效应而分布于各自对应视区内，由此基于时序复用实现M＝5个视区的呈现：视区1、视区2、视区3、视区4、视区5。形成长条状视区，可以设计显示器件11的像素沿长条状视区的长向具有大的衍射角，或者通过显示器件11附着沿长条状视区的长向具有大的散射角的散射莫，或者直接取各光源为线光源。于M＝5个相邻时间点形成的各时间周期内，各时间点仅能于分别对应的一个视区内看到显示器件11显示的光信息。具体地，在时间点t，仅光源S₁被打开，其投射光经光会聚器件1222会聚于点VP₁。同时，光束路径上显示器件11进行信息加载所引入的衍射效应，使来自显示器件11的光分布扩展至点VP₁所在的视区1。也即在时间点t，仅视区1内可以看到显示器件11加载的光信息，此时，显示器件11的所有像素对应视区为视区1。同理，时间点t+Δt，仅光源S₂打开，对应形成视区2，此时显示器件11的所有像素对应视区为视区2；时间点t+2Δt，仅光源S₃打开，对应形成视区3，此时显示器件11的所有像素对应视区为视区3；时间点t+3Δt，仅光源S₄打开，对应形成视区4，此时显示器件11的所有像素对应视区为视区4；时间点t+4Δt，仅光源S₅打开，对应形成视区5，此时显示器件11的所有像素对应视区为视区5。采用时序背光器件1220时，各视区对应像素都是相同的像素，但它们对应时间点互不相同。也即是说，显示器件的所有像素，在相邻的M个时间点，分别被做为M个不同的像素群，对应不同的视区。该情况下，于各视区内置入K个需要时序打开的光阀所组成光阀组时，需要M×K个时间点构建一个以Δt/K为时间间隔的时间周期。在一个时间周期内，各光阀仅在一个时间点被打开。所述时间点，实际上指的时该时间点附近一个时间间隔范围内的时间段。

多视区投射光学引擎10的视区引导器件12也可以是由和显示器件11各像素一一对应的微结构单元组成的矢向调制单元123。该矢向调制单元123各微结构单元，例如光栅结构，引导对应像素向该像素所属像素群的对应视区投射光束。图4以生成M＝4个视区为例，经对应微结构单元的调制，像素p₁、p₅、…出射光被引导至视区1，组成对应视区1的像素群；像素p₂、p₆、…出射光被引导至视区2，组成对应视区2的像素群；如此类推，4个像素群分别向4个视区投射光信息。

显示器件11各像素，往往由出射W种颜色光的子像素构成。此时，上述光阀阵列20各光阀可以对应地设计为以W个波分子孔径作为子结构，该W个波分子孔径一一对应地分别仅允许所述W种颜色光通过，各子像素与允许其出射光通过的波分子孔径对应。在该情况下，相当于一个孔径及其对应像素群，通过基于光颜色的不同，被分为W个波分子孔径和W个分别出射W种颜色光的子像素群。在各时间点，控制单元30控制所述显示器件各子像素，同步加载待显示场景关于该子像素所属像素对应视区内被打开对应波分子孔径的投影信息于该子像素上的投影信息。类似于前述“各像素加载信息为待显示场景关于该像素对应视区内被打开光阀的投影信息于该像素上的光信息”，这里所做变化仅是以子像素代替像素，以对应波分子孔径代替对应光阀。图5以图2中于时间点t+Δt/3打开的光阀A_1L2为例。其由分别仅允许R(红)、G(绿)、B(蓝)颜色光通过的三个波分子孔径A_1L2R、A_1L2G、A_1L2B组成。为了图示的清晰，同属同一光阀组的其它两个光阀的子结构未示出。对应显示器件11各像素分别由出射R、G、B颜色光的子像素组成，例如p_2y1R、p_2y1G、p_2y1B组成光阀A_1L2所处视区对应像素群的一个像素p_2y1R。则，光阀A_1L2所属视区对应像素群中出射R颜色光子像素组成的R色子像素群，其投射光只能通过子孔径A_1L2R，光阀A_1L2所属视区对应像素群中出射G颜色光子像素组成的G色子像素群。其投射光只能通过子孔径A_1L2G，光阀A_1L2所属视区对应像素群中出射B颜色光子像素组成的B色子像素群，其投射光只能通过子孔径A_1L2B。根据上述方法各子像素加载各自对应光信息，仅通过该一个光阀及其所属视区对应像素群，即可实现待显示场景的R、G、B三个颜色视图的投射，且来自该不同颜色视图的光信息对应视点不同。其它光阀同理操作，则在观察者眼睛50通过光阀接收到R、G、B颜色视图各至少一个的时候，即可通过单目多视图实现彩色三维场景的呈现。该情况下，如果观察者眼睛50置于可以接收到通过一个光阀投射的三个(R、G、B)颜色视图的位置时，至少一个光阀即可现实单目多视图显示，各光阀组多个光阀的时序打开，可以投射更多的R、G、B颜色视图给观察者眼睛50，提升显示效果，或者为观察者眼睛50提供更大的视区，或者为观察者眼睛50提供更大的视角。

进一步的，上述各光阀可以以L个具有正交特性的正交子孔径作为子结构。该L个正交子孔径分别对应L种正交特性，各正交子孔径分别仅允许具有对应正交特性的光通过，截止具有其它(L-1)种正交特性的光。例如。相互垂直的线偏特性是L＝2种正交特性，红色垂直线偏特性、蓝色垂直线偏特性、红色水平线偏特性、蓝色水平线偏特性是L＝4种正交特性。图6以L＝2个相互垂直的线偏特性为例进行示例说明，该相互垂直的两个线偏特性于图中分别用“˙”和“-”表示。这里同样以图1所示置于视区2的光阀组202及该视区所对应像素群为例进行具体说明，为了图是的清晰，显示器件11上其它像素群未示出。其中，光阀A_1L1包括L＝2个分别仅允许“˙”和“-”光通过的正交子孔径A_1L11和A_1L12，光阀A_1L2包括L＝2个分别仅允许“˙”和“-”光通过的正交子孔径A_1L21和A_1L22，光阀A_1L3包括L＝2个分别仅允许“˙”和“-”光通过的正交子孔径A_1L31和A_1L32。实际系统中，可以通过置分别仅允许“˙”和“-”光通过的偏振片于正交子孔径处来实现正交子孔径的正交特性。在上述各图中，相邻光阀或相邻子孔径均图示为毗邻无缝排列设置，仅是为了图示的清晰。实际上，相邻光阀或相邻子孔径之间可以部分重叠，也可以存在间隙，其中存在间隙时，间隙处可置挡板。该情况下，显示器件11的各像素群中，分别以间隔(L-1)个像素的像素成组，即各像素群的像素分别被分为L个像素组。该L个像素组出射光，分别被设置为具有所述L种不同的正交特性。例如图6中的像素p_2y1、p_2y3、p_2y5、…组合为像素组1，其各像素出射“˙”光；像素p_2y2、p_2y4、p_2y6、…组合为像素组2，其各像素出射“-”光。在图6所示仅光阀A_1L2的子孔径A_1L21和A_1L22被打开的t+Δt/3时间点，像素组1和正交子孔径A_1L21组成一个像素组-正交子孔径对，该像素组-正交子孔径对的像素组1各像素投射光信息仅能经该像素组-正交子孔径对的正交子孔径A_1L21出射，不能经过不属于该像素组-正交子孔径对的正交子孔径A_1L22出射，如图中用“×”标记的虚线所示像素p_2y17出射的光束；像素组2和正交子孔径A_1L22组成另一个像素组-正交子孔径对，该像素组-正交子孔径对的像素组2各像素投射光信息仅能经该像素组-正交子孔径对的正交子孔径A_1L22出射，不能经过不属于该像素组-正交子孔径对的正交子孔径A_1L21出射，如图中用“×”标记的虚线所示像素p_2y18出射的光束。该情况下，允许各像素投射光通过的正交子孔径作为该像素对应正交子孔径。控制单元30控制所述显示器件11各像素在各时间点同步加载光信息：待显示场景关于该像素对应视区内被打开对应正交子孔径的投影信息，于该像素上的光信息。则，仅在一个时间点，即可通过一个光阀投射L＝2个视图。一个时间周期的其它(K-1)时间点，同理进行信息加载和投射，则经一组光阀组，可以实现(L×K)个视图的投射。在各正交子孔径间距小到使该光阀组对应眼睛可以接收到过任一显示物点的至少两条光束时，即可基于单目多视图实现自然聚焦三维场景的显示。相较于不采用正交子孔径的情况，在相同时间复用度的情况下，可以投射L倍的视图。更大的(L×K)值可以允许更大的眼睛-光阀组间距，或者为对应眼睛提供更大的有效观察区域，或者更大显示视角，提升显示效果。其它光阀组同理工作。

图6中，各光阀的正交子孔径分别各自相邻放置。同一光阀组中不同光阀对应的子孔径，也可以被设置为以相间排列的方式放置。图7同样以置于视区2中的光阀组202和对应像素群为例，各光阀由V＝4个正交子孔径组成，其所有L＝2个相邻子孔径分别对应不同的正交特性。具体地，光阀A_1L1包括V＝4个依次分别仅允许“˙”、“-”、“˙”和“-”光通过的正交子孔径A_1L11、A_1L12、A_1L13和A_1L14；光阀A_1L2包括V＝4个依次分别仅允许“˙”、“-”、“˙”和“-”光通过的正交子孔径A_1L21、A_1L22、A_1L23和A_1L24；光阀A_1L3包括V＝4个依次分别仅允许“˙”、“-”、“˙”和“-”光通过的正交子孔径A_1L31、A_1L32、A_1L33和A_1L34。L＝2个正交特性分别为垂向偏振光和水平偏振光，分别用“˙”和“-”表示。各正交子孔径按A_1L11、A_1L21、A_1L31、A_1L12、A_1L22、A_1L32、A_1L13、A_1L23、A_1L33、A_1L14、A_1L24、A_1L34的规律相间排列。各光阀的正交子孔径，沿排列方向，依次具有的正交特性同规律设置。图7所示的t+Δt/3时间点，光阀组202中仅光阀A_1L2的子孔径A_1L21、A_1L22、A_1L23和A_1L24被打开。光阀组202所处视区2对应像素群，被分成V＝4个像素块，像素块1、像素块2、像素块3和像素块4。它们的像素分别被设置为出射“˙”、“-”、“˙”和“-”光。沿正交子孔径排列方向，各像素块出射光的正交特性，和各光阀的正交子孔径具有的正交特性，依次一一对应，如图7。该时间点，设置像素块1各像素加载信息为待显示场景关于正交子孔径A_1L21于该像素上的投影信息，像素块2各像素加载信息为待显示场景关于正交子孔径A_1L22于该像素上的投影信息，像素块3各像素加载信息为待显示场景关于正交子孔径A_1L23于该像素上的投影信息，像素块4各像素加载信息为待显示场景关于正交子孔径A_1L24于该像素上的投影信息。该情况下，各像素以所属像素块对应正交子孔径为该像素的对应正交子孔径。控制单元30控制所述显示器件11各像素在各时间点的加载信息，为待显示场景关于该像素对应视区内同步被打开对应正交子孔径的投影信息于该像素上的光信息。则，像素块1和正交子孔径A_1L21组成像素块-正交子孔径对，该像素块-正交子孔径对的像素块1投射光信息经其正交子孔径A_1L21出射；像素块2和正交子孔径A_1L22组成像素块-正交子孔径对，该像素块-正交子孔径对的像素块2投射光信息经其正交子孔径A_1L22出射；像素块3和正交子孔径A_1L23组成像素块-正交子孔径对，该像素块-正交子孔径对的像素块3投射光信息经其正交子孔径A_1L23出射；像素块4和正交子孔径A_1L24组成像素块-正交子孔径对，该像素块-子孔径对的像素块4投射光信息经其正交子孔径A_1L24出射。则于该t+Δt/3时间点，经过正交子孔径A_1L21、A_1L22、A_1L23和A_1L24，显示器件11上光阀A_1L2所处视区视区2对应像素群的4个像素块投射一个视图。一个时间周期的其它(K-1)时间点，同理进行信息加载和投射，则经一组光阀组，可以实现K个视图的投射。在一个光阀组的各子孔径间距小到使该光阀组对应眼睛可以接收到过任一显示物点的至少两条光束时，即可基于单目多视图实现自然聚焦三维场景的显示。图5所示结构中，V﹥L时，会出现同一光阀对应的非相邻正交子孔径具有相同正交特性的情况，比如正交子孔径A_1L21和正交子孔径A_1L23均允许“˙”光通过，正交子孔径A_1L22和正交子孔径A_1L24均允许“-”光通过。此时，一个像素块-正交子孔径对的像素块所投射光信息，也会经非该成像素块-正交子孔径对的正交子孔径出射，做为噪声影响显示效果。例如图7中，像素块1所投射经正交子孔径A_1L23出射光即为噪声，如所标示的光束②。根据图5所示正交子孔径的排列方式，一个光阀的正交子孔径中，具有相同正交特性的正交子孔径，间隔(K×L)个正交子孔径。所述面对多用户的基于入瞳分割复用的三维显示系统采用图7所示光学结构时，需要设计足够大的(K×L)值，以保证上述噪声可以避开该光阀组对应眼睛。图7所示结构，可以允许更大的眼睛-光阀组间距，或允许更大的视角。

将各像素群分为不同V个像素块的情况下，各光阀的正交子孔径也可以各自相邻排列放置，如图8所示。该情况下，各光阀对应的V个正交子孔径，必须具有互不相同的正交特性，即V＝L。图8以V＝L＝2为例进行说明。

上述各图中，光阀和V＝L子孔径以沿y向的排列方向示出。实际上，它们的排列方向，可以沿任意方向。

在显示器件11各像素由出射W种颜色光的子像素构成时，上述各正交子孔径可以进一步地由W个波分子孔径组成，该W个波分子孔径一一对应地分别仅允许所述W种颜色光通过。各像素块上出射相同颜色光的子像素组成子像素块，例如像素块上出射R色光子像素组成R色子像素块。针对一个像素块-正交子孔径对，以其像素块代替图5中的像素群，以其正交子孔径代替图5中的光阀，基于图5所述过程进行信息加载。则，一个像素块-正交子孔径中分别出射不同颜色光的子像素块，经其正交子孔径的各不同波分子孔径出射光信息。各像素块-正交子孔径同理操作，通过波分子孔径的引入提高投射视图的数量。其中，各子像素与允许其出射光通过的波分子孔径对应。控制单元30控制所述显示器件11各子像素在各时间点，同步加载待显示场景关于该子像素对应波分子孔径的投影信息于该子像素上的光信息，其中，在各时间点，各子像素对应波分子孔径为其所属像素对应视区内，该子像素于其所属像素对应被打开正交子孔径中的对应波分子孔径。

上述各实施例中，各光阀均以毗邻排列的方式示出。实际上，相邻光阀之间可以存在空隙，也可以发生重叠。光阀所处面上的非光阀区域，可以设计为不透光，以避免显示器件11投射的光信息通过。来自外部的环境光信息，可以通过打开的光阀或其各类子孔径入射，实现所显示场景和环境光信息的空间叠加。所述光阀或其各类子孔径不利用偏光态特性时，可以设计显示器件11投射至各光阀的光信息具有某种偏光态，例如左旋偏光态。这时，可以设计光阀所处面上的非光阀区域不是完全不透光，而是不允许显示器件11投射的所述偏光态光通过，但允许其它偏光态通过，以增大外部环境光的入射光通量。各光阀组也可以设计为各种形态，例如隐形眼镜镜片的形态，尤其在一个光阀组仅包含一个由W个波分子孔径组成的光阀时，时序开关所需电驱动装置的去除，可以使该W个波分子孔径更易于以隐形眼镜的形态贴近观察者瞳孔放置。

本发明的核心思想是引入时序开光的光阀至多视区投射引擎，以搭建向许多个用户呈现可自然聚焦三维场景的三维显示系统。并进一步通过光阀子孔径的设计，以提升其显示效果。以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。例如，现有的各种多视区投射光学结构，均可做为本专利的多视区投射光学引擎。相应地，所有相关实施例都落入本发明的保护范围内。