CN102033319A - 一种应用全息元件的视度型显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括3块全息元件的光学系统，可应用于头盔显示器或眼镜式显示器。该光学显示用系统将像源元件投影出的图像，经过3块全息元件后，实现扩束并转换为发散或汇聚球面波发出，以方便具有一定视度的使用者佩戴使用。由于采用了全息元件而不是透镜实现显示，本发明的光学系统特别适宜在超薄型的显示器件中使用，制作成本低，亦可根据使用者需求定制。

Description

一种应用全息元件的视度型显示装置

技术领域

本发明涉及一种全息光学装置，具体涉及一种应用3块全息光学元件(HOEs)的目视显示装置，包括头盔显示器或眼镜式显示器。

背景技术

在现有技术中，为了不使用复杂的透镜系统也可以观看像质良好的放大虚像，提出了类似图1所示的虚像观看光学系统，适宜使用在超薄、易佩戴的头盔、眼镜式等显示器上。如图1所示的虚像观看光学系统，显示在图像显示装置11上的图像光首先入射到内设有透射全息透镜13的光波导12上。入射图像光被透射全息透镜13变成平行光，且入射图像光在光波导12内以满足全反射的角度偏转而传播。光波导12内还设置一透射全息光栅14，所述透射全息光栅14与透射全息透镜13排成行并其间隔一预定距离。在图像光通过光波导12且全反射后，图像光入射到透射全息光栅14上并且由透射全息光栅14再次衍射而成平行光投射到光波导12外部，入射到观看对象的光瞳15。

但是，图1所示的光学系统使用透射全息光栅14校正透射全息透镜13出现的色差(achromatic aberration)，由于入射到透射全息光栅14的光束只在图1的绘图平面内的方向上偏转，则无法消除在至少垂直于绘图平面的方向上出现的像差。并且，大多数衍射光学元件都有很高的色散，对于由非单色光像源元件输出的源入射光，色散也给显示效果带来了明显的不良影响。虽然使用非球面光波代替简单球面光波记录的方式可以减小器件的几何像差和色散，但是不能完全解决色散问题；而传统的光学透镜系统可以克服严重的色散问题，却难以克服体积大、重量高这一明显缺点，难以用于超薄型的显示装置。

随着近视眼患者的不断增加，老龄化社会的程度加深，以及虚拟现实技术的不断普及，对带有一定视度的超轻薄显示系统的技术需求不断迫切。目前，一般头盔显示器和眼镜式显示器不能达到适应视度的技术要求，而近视和远视人群，还要同时佩戴校正眼镜，使用不方便且影响显示效果，尚没有研究出能够有效的解决视度问题且各项色差在较优范围内的超轻薄显示系统。

发明内容

为了突破上述常规头盔显示器和眼镜式显示器技术中的缺陷，本发明提供一种包括3个全息光学元件的显示系统，通过对各全息元件的设计和布局而更高效率的衍射光，获得具有一定放大率、低色散并适于具有视度人群使用的显示用光学系统。由于控制了3个全息光学元件的排布和尺寸，本发明中的光学系统结构紧凑，制作成本低，可以根据使用人的视度定制，更便于应用到其他光学系统当中。

本发明一种供具有视度的观察者使用的光学系统，包括：投射出光学图像的像源元件以及与像源元件相对设置的透明基底，所述基底上具有：

1、全息透镜H1，接收由像源元件投射的图像，并将其转换为角谱平面波(平行光)以全反射形式在基底内向全息光栅H2的方向传播；

2、全息光栅H2，将经全息透镜H1而在基底内传播的光衍射，在第一方向上实现光束均匀化并扩束，以全反射形式在基底内朝向全息透镜H3的方向传播；

3、全息透镜H3，将经全息光栅H2衍射而在基底内传播的光在第二方向上实现均匀化并扩束，并将光以离轴球面波的形式输出到基底外，从而实现具有一定视度的显示。

本发明使用设计和记录全息光栅和全息透镜的方式实现超轻薄显示装置，显示装置的光学系统像差和色散都明显的减小，并且结构紧凑，可以适应使用者的视度要求，同时也可以非常方便的应用到其他光学系统中。

附图说明

图1是常规的虚像观看光学系统的侧视图。

图2是本发明光学系统的结构三维视图。

图3是本发明光学系统的光线传输示意图。

图4是光通过全息透镜H1时，逆向光路示意图。

图5是无透镜傅立叶变换全息图记录示意图。

图6是全息透镜H3的局部光路图。

具体实施例

图2为本发明的光学结构的三维视图，图3是本发明光学系统的光线传输示意图。本发明的光学系统包括了全息透镜H1、全息光栅H2、全息透镜H3这三个全息元件，以下内容中，为与其他标记统一，以不同的附图标记区分三个元件，即分别为全息透镜103、全息光栅106、全息透镜107。如图2和3所示，全息透镜103的照明光来自正对它的像源元件101。照明光直接照射到全息透镜103上，全息透镜103起到一个准直透镜的作用，把入射的球面波准直为角谱平面波(平行光)，并且把准直后的光线在x方向引入倾斜相位。这样全息透镜103将有限远处的像源元件101发出的不同光线，耦合进入基底102，衍射后的光线在基底102内沿x方向进行全反射传播。

经过多次全反射之后，衍射光线入射到全息光栅106上，全息光栅106消除x方向的相位倾斜，并引入y方向相位倾斜。在y方向，全息光栅106与全息透镜103具有相同的长度W1，在x方向，全息光栅106的长度为W2，并且W2＞W1。全息光栅106对入射来的光进行衍射，在x轴方向使衍射光均匀化并扩束后，偏转到y方向上向全息透镜107方向传播；光沿y方向经过多次全反射入射到全息透镜107，全息透镜107在x和y方向的长度都是W2，使出射的光束直径得到扩束，从而经过上述三个全息元件实现的扩束倍率为

$\frac{W2}{W1}---\left(1\right)$

光束经过全息透镜107后消除y方向相位倾斜，最终输出一离轴球面波到基底外，以实现有视度的显示。全息透镜107和全息透镜103的作用原理相反，全息透镜107把入射的角谱平面波出射为合适人眼105视度的发散或汇聚球面波。

以下，参考图4和图5详细描述全息透镜103的工作原理。

以φ_pq这种表示，即一个参数的脚标有两个参量p和q，其中p的值可为1-3，分别代表涉及全息透镜103、全息光栅106或全息透镜107的参量，q的值可为c、o、r或i，分别代表再现光、物光、参考光、像光。物光、参考光为制作全息透镜的光源；再现光是用于重现物体(物光)的光源，像光即最终产生的像。在下面的描述中将延续这种参数表示方法。

通常的目视光学系统都是对称系统，本发明的光学系统也一样，以全息透镜103、全息光栅106、全息透镜107的几何中心为其原点，光轴即是z轴。对光学元件而言，子午平面是光轴和主光线构成的平面，则对于全息透镜103来说，子午平面是xz平面，对于全息透镜107来说，子午平面是yz平面。以后的全息透镜如果不做特殊说明，都是在子午平面内分析。

由于此系统中全息光栅106起到的作用是扩束和补偿相位倾斜，因此其并没有参与准直和视度调节。当分析系统的视度与准直功能时，可认为全息光栅106对所有光束的作用是一致的，因此只分析全息透镜103与全息透镜107对光线的作用。如图4所示，根据本发明，距离为R_1o(x)的像源元件101的各个像素发出的球面波，经过全息透镜103后，转换为平面波后入射到全息透镜107处。以全息透镜107的局部104为示例，按逆光路分析，设从全息透镜的局部104发出的各种角谱平面波通过全息透镜103后成像在像源元件101上。垂直方向为x方向，任意入射在x方向上偏离原点距离为x₁的角谱平面波(平行光)所成的像(离轴球面波球心)的离轴角度应该满足公式：sinβ_1i(x₁)≈0其中β_1i(x₁)是在子午平面内，x₁点及出射汇聚球心的连线与光轴(z轴)的夹角。

图5是无透镜傅立叶变换全息图记录示意图，利用一个轴上点源109和平面波的参考光108实现记录。假设记录时点源位于轴上，β是入射或出射光线与光轴在子午平面的夹角，依据轴外点正弦值近似

$\sin {\mathrm{\β}}_0\left(x_1\right)\≈\frac{x_1}{R_0}-\frac{1}{2}\frac{{x_1}^3}{R_0^3}---\left(2\right)$

其中，β_o(x₁)如图5所示，表示来自点源的球面波(即物光)照射到x₁位置时与光轴的夹角，x₁为在x方向上偏离原点的位置。如果将图5的记录方式应用在全息透镜上，则在图4所示的结构中，对于全息透镜103而言，参照前述表达参数的方式，可得R_1o(x₁)为轴上球面波(物光)入射到x₁点时的半径，当x₁取值为零时，R_1o(0)即是像源元件101和全息透镜103之间的距离R_d。

$R_{1o}\left(x_1\right)=\frac{R_{1o}\left(0\right)}{\cos {\mathrm{\β}}_{1o}\left(x_1\right)}\≈\frac{R_{1o}\left(0\right)}{1-\frac{1}{2}{\sin }^2{\mathrm{\β}}_{1o}\left(x_1\right)}\≈\frac{R_{1o}\left(0\right)}{1-\frac{1}{2}{\left(\frac{x_1}{R_{1o}}\right)}^2+\frac{1}{2}{\left(\frac{x_1}{R_{1o}}\right)}^4}---\left(3\right)$

sinβ_1r(x)＝sinβ_1r                    (4)

其中，β_1r为参考光的平面波和光轴的夹角。

在逆光路条件下，各种角谱平面波被视作再现光，β_1c定义为在子午平面内每束角谱平面光与光轴的夹角；R_1t是对光路进行等效展开后，全息透镜107(104)与全息透镜103之间的距离(即展开后两个全息透镜所处平面的间距)。

根据全息透镜基本公式sinβ_1i＝sinβ_1c±(sinβ_1o-sinβ_1r)    (7)

得到 $\sin {\mathrm{\β}}_{1i}\left(x_1\right)\≈\frac{x_1{\cos }^2{\mathrm{\β}}_{1r}}{R_{1t}}-\frac{x_1}{R_{1o}\left(0\right)}---\left(8\right)$

根据sinβ_1i(x₁)≈0，并带入R_d＝R_1o(0)得到

R_1t＝R_dcos²β_1r                                            (9)

全息光栅106为线光栅，仅仅起到在x方向扩束并转向的作用，即全息光栅106使角谱平面波在x方向上相位倾斜为零并转轴使其在y方向具有一定相位倾斜。

以垂直入射到全息透镜103的光线为例，当其进入全息透镜103后发生衍射，出射光线具有的相位为

${\mathrm{\φ}}_1=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(n_{\mathrm{sub}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}\right)x_1---\left(10\right)$

其中n_sub为基底的折射率系数，θ_diff为该垂直入射的光线经过全息透镜103后的一级衍射角，该衍射角大于光线在基底内进行全反射的临界角。x₁为该垂直光线入射到全息透镜103上时入射位置相对于全息透镜103原点的偏移量，φ₁为全息透镜103针对该垂直入射光线引入的相位倾斜。

全息透镜103的出射光线经过全息光栅106后需要消除x方向的相位倾斜，并且使此光线经过全息透镜107后垂直表面输出，即

φ₁+φ₂+φ₃＝0                        (11)

其中φ₂为全息光栅106针对此光线引入的相位倾斜，φ₃为全息透镜107针对此光线引入的相位倾斜。

由于 ${\mathrm{\φ}}_3=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(n_{\mathrm{sub}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}\right)y_3---\left(12\right)$

y₃为该光线入射到全息透镜107上时相对于原点的y方向距离，因此

${\mathrm{\φ}}_2={-\mathrm{\φ}}_1+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(n_{\mathrm{sub}}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}\right)y_3---\left(13\right)$

${\mathrm{\φ}}_2={-\mathrm{\φ}}_1+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(n_{\mathrm{sub}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}\right)y_3$

$=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(n_{\mathrm{sub}}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}\right)x_1+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(n_{\mathrm{sub}}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}\right)y_3---\left(14\right)$

由于由夹角为θ的平面波参考光记录时，产生的干涉条纹空间频率为

此干涉条纹对于垂直入射光线所引入的一级衍射角度满足

$2\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)=n_{\mathrm{sub}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{diff}}---\left(15\right)$

因此全息光栅106可以由两束夹角为的平面波干涉而记录，两平面波在xy平面的交线位于x、y轴夹角的角平分线上，即两平面波在xy平面内的交线与x轴和y轴都成45度。

图6是全息透镜107的局部光路图。全息透镜107将全息光栅106转向后的衍射光在y方向上再次扩束，并且把通过全息光栅106的角谱平面波(平行光)在通过全息透镜107后，转变为发散球面波出射，即当眼睛105位于出瞳距离时看到的虚像好像是从有限距离发出，定义此距离为全息透镜107的后焦距f’。根据视度调节公式，可以计算出后焦距f’

f′＝-1/SD                    (16)

其中，SD为视度。

假设离轴球面波的球心位于距离全息透镜107平面为f′的高斯像面(不考虑单色像差)上。

即R_3o(0)＝f′＝-1/SD                    (17)

那么入射在全息透镜107上偏离y方向原点y3距离的角谱平面波(平行光)，所成的虚像点(离轴球面波球心)的离轴角度应该满足如下关系：

${\sin \mathrm{\β}}_{3i}\left(y_3\right)\≈\tan {\mathrm{\β}}_{3i}\left(y_3\right)=\frac{y_3}{R_{\mathrm{eye}}}---\left(18\right)$

因此给定FOV后可以求得

$y_3=\tan \left(\frac{\mathrm{FOV}}{2}\right)\×R_{\mathrm{eye}}---\left(19\right)$

即FOV约束了每个小区域的边长，其中，FOV为视场角，Reye为出瞳距离，即人眼到全息透镜107的距离。

同样根据图4针对全息透镜107分析(因此增加角标3)，

${\sin \mathrm{\β}}_{3o}\left(y_3\right)\≈\frac{y_3}{R_{3o}\left(0\right)}-\frac{1}{2}\frac{{y_3}^3}{R_{3o}^3\left(0\right)}---\left(20\right)$

其中R_3o＝f′

$R_{3o}\left(y_3\right)=\frac{R_{3o}\left(0\right)}{{\cos \mathrm{\β}}_{3o}\left(y_3\right)}\≈\frac{R_{3o}\left(0\right)}{1-\frac{1}{2}{\sin }^2{\mathrm{\β}}_{3o}\left(y_3\right)}\≈\frac{R_{3o}\left(0\right)}{1-\frac{1}{2}{\left(\frac{y_3}{R_{3o}\left(0\right)}\right)}^2+\frac{1}{2}{\left(\frac{y_3}{R_{3o}\left(0\right)}\right)}^4}---\left(21\right)$

sinβ_3r(y₃)＝sinβ_3r                (22)

以反射式全息记录方法为例

${\mathrm{\β}}_{3c}\left(y_3\right)={\mathrm{\β}}_{3c}+{\mathrm{\Δ\β}}_{3c}\≈{\mathrm{\β}}_{3r}-\frac{y_3{\cos \mathrm{\β}}_{3r}}{R_{3t}}---\left(23\right)$

${\sin \mathrm{\β}}_{3c}\left(y_3\right)=\sin ({\mathrm{\β}}_{3r}+{\mathrm{\Δ\β}}_{3c})\≈{\sin \mathrm{\β}}_{3r}+{\mathrm{\Δ\β}}_{3c}{\cos \mathrm{\β}}_{3r}\≈{\sin \mathrm{\β}}_{3r}-\frac{y_3{\cos }^2{\mathrm{\β}}_{3r}}{R_{3t}}---\left(24\right)$

其中β_3r为针对全息透镜107中一个区域的参考光入射角(与光轴的夹角)，β_3o为针对全息透镜107中一个区域的物光入射角，根据全息公式

sinβ_i＝sinβ_c±(sinβ_o-sinβ_r)            (25)

当采用再现光与参考光同向输入时，可以得出

${\sin \mathrm{\β}}_{3i}\left(y_3\right)\≈-(-\frac{y_3{\cos }^2{\mathrm{\β}}_{3r}}{R_{3t}}+\frac{y_3}{R_{3o}\left(0\right)})=\frac{y_3{\cos }^2{\mathrm{\β}}_{3r}}{R_{3t}}-\frac{y_3}{R_{3o}\left(0\right)}---\left(26\right)$

此时，根据全息透镜107的设计目标，另公式(18)与公式(26)相等，并带入公式(16)(17)得到

$R_{3t}=\frac{{\cos }^2{\mathrm{\β}}_{3r}}{\frac{1}{R_{\mathrm{eye}}}-\mathrm{SD}}---\left(27\right)$

该系统全息透镜103和全息透镜107同时正常工作，必须满足

R_1t＝R_3t                        (28)

将公式(9)、(17)带入(27)得到

$R_d=\frac{{\cos }^2{\mathrm{\β}}_{3r}}{(\frac{1}{R_{\mathrm{eye}}}-\mathrm{SD})\×{\cos }^2{\mathrm{\β}}_{1r}}---\left(29\right)$

根据公式(19)、(27)(29)，只要规定FOV、Reye、SD、β_1r、β_3r，即可算出R_d和R_3t，便可以制备出满足要求的全息透镜103和全息透镜107，对像源元件101提供的图像，实现有视度的显示。

表1给出了在给定了相应的FOV、Reye、SD、β_1r、β_3r参数下的具体实例数据。

表1

如果需要进行正视度调节时，可以采用透射式方法记录全息透镜107，其所成的像与107的距离与具有相同值的负视度设计时一样，只是成像于另一面，即原发散球面波变为汇聚球面波，因而能够实现正视度的矫正。

虽然已经详细描述了本发明的实施例，应当理解的是，在不背离所附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，本发明并不局限于该实施例而是可以以各种方式修改，以置换、替代或改变的方式构造或以各种其它形式实施。

Claims (6)

1.一种供具有视度的观察者使用的光学系统，包括：投射出光学图像的像源元件以及与像源元件相对设置的透明基底，所述基底上具有：

(1)全息透镜H1，接收由像源元件投射的图像，并将其转换为角谱平面波以全反射形式在基底内向全息光栅H2的方向传播；

(2)全息光栅H2，将经全息透镜H1而在基底内传播的光衍射，在第一方向上实现光束均匀化并扩束，以全反射形式在基底内朝向全息透镜H3的方向传播；

(3)全息透镜H3，将经全息光栅H2衍射而在基底内传播的光在第二方向上实现均匀化并扩束，并将光以离轴球面波的形式输出到基底外，从而实现具有一定视度的显示；所述视度SD满足

其中R_d为像源元件和全息透镜H1之间的距离，β_1r为全息透镜H1的参考光和光轴的夹角，β_3r为全息透镜H3的参考光和光轴的夹角，Reye为出瞳距离。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中全息光栅H2由两束夹角为

的平面波干涉而记录，两平面波在全息光栅H2平面上的交线位于前述第一方向和第二方向的角平分线上，θ_diff为垂直入射到全息透镜H1的光线经全息透镜H1衍射的一级衍射角，所述衍射角大于光线在基底内进行全反射的临界角。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统，全息透镜H3以反射式全息记录制作，输出到基底外的离轴球面波是发散球面波，视度SD为负。

4.根据权利要求1或2所述的光学系统，全息透镜H3以透射式全息记录制作，输出到基底外的离轴球面波是汇聚球面波，视度SD为正。

5.一种头盔显示器，包括如权利要求1-4之一所述的光学系统。

6.一种眼镜式显示器，包括如权利要求1-4之一所述的光学系统。

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