CN104570353A - 利用全息波导进行彩色目视显示的方法、光学系统及穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用全息波导进行彩色目视显示的方法，采用至少两束颜色不同的光线对相应的LCOS图像源进行照明，携带图像信息的光线耦合进全息波导中进行全反射传输，并以相同的角度出射形成彩色输出，与真实场景图像的光线透过全息波导后，同时在人眼视网膜上成像，形成输出图像信息与真实场景的叠加。本发明还公开了一种利用全息波导进行彩色目视显示的显示系统及穿戴设备。本发明通过全息波导技术，可以实现出瞳的扩展，使人眼有较大的活动范围，对不同光源入射角度的调整，可以实现彩色显示，使图像的信息更加完整。

Description

利用全息波导进行彩色目视显示的方法、光学系统及穿戴设备

技术领域

本发明涉及显示用光学设备领域，尤其涉及一种利用全息波导进行彩色目视显示的方法、光学系统及穿戴设备。

背景技术

随着信息社会飞速发展，头戴显示技术已在诸多领域显示出了巨大的应用价值和发展潜力，而穿透式头盔显示技术一直都是研究的重点。头戴显示器(HMD)是一种图像显示装置，它可用于军事应用、工业生产、模拟训练、显微技术、医疗仪器、游戏娱乐等领域。头盔显示器能够将外界的景象与显示器的资料整合在一起，使人们不需要进行转头查阅等动作就可以了解到重要的信息，这对于方便快捷地及时获取信息有着非常重要的意义。

头戴显示器较早应用于军用飞机中，通过在头盔内加装袖珍计算机以及显示器件等，将传感器采集到的诸如红外图像以及各种有关飞机飞行的数据等，经过计算机的整合处理过后，合成一幅完美的战场态势图，显示于作战人员面前。头盔显示器的特点是活动视场理论上可达到360°，瞄准线随头盔而转动，几乎不受任何限制。图像随着驾驶员的头部一同转动，图像随时都在其眼前，具有瞄准迅速准确、使用简便、视场大等优点。头盔显示器在提高战斗机的作战性能以及导弹快速截击目标的能力方面都起着十分重要的作用。同时，头戴显示器迅速发展并且商业化，诸如谷歌眼镜以及索尼推出的游戏用头戴显示器等都体现了头戴显示器的发展潜力。其对于信息的实时获取以及人机交互、提供的身临其境的体验都是其他设备所不可比拟的。

基于护目镜成像是目前主流的穿透式头盔显示技术，但是其光学畸变、像差较大，系统出瞳以及视场较小，从而导致了设计难度加大，加工装调周期较长，成本较高，光学系统笨重、结构复杂且占用了头盔的大量空间等缺点。较轻的重量是十分必要的，减轻重量可以降低佩戴人员的负荷，良好的结构形式可以保证头部重心的位置，从而减轻佩戴者的疲劳程度，适用于长时间佩戴，同时也可以防止冲击引起颈部扭伤等。为了改变这一现状，适应头盔显示器的轻量化、小型化的发展趋势和要求，需要开发出来一种新型的显示技术，从而减轻头盔显示器的重量，减少其复杂程度，以满足人们的需要。

近年来，英国BAE公司已经将单色全息波导显示技术应用到了头盔显示中去，但只用到单色会丢失许多图像信息，功能尚不完善。公开号为CN102928981A的专利申请公开了一种全息光波导头盔显示器光学系统，包括中继准直光学系统、全息光波导组件、显示像源构成，用户可以看到耦合出全息光波导的图像以投影方式叠加在外部场景上；虽然该技术解决了光路离轴传输问题，减小了系统的重量和体积，但是仅有一个单一颜色图像源无法完成彩色图像的输出，从而丢失了图像信息。

现有技术中，利用全息波导进行彩色目视显示较为罕见，彩色显示能够完整展现诸如战场信息以及游戏中身临其境的感觉，对用户的体验将会提升一个档次，有较好的发展前景。

发明内容

本发明提供了一种利用全息波导进行彩色目视显示的技术，包括利用全息波导进行彩色目视显示的方法、光学系统及穿戴设备，具体技术方案如下：

一种利用全息波导进行彩色目视显示的方法，采用至少两束颜色不同的光线对相应的LCOS(Liquid Crystal on Silicon)图像源进行照明，携带图像信息的光线耦合进全息波导中进行全反射传输，并以相同的角度出射形成彩色输出，与真实场景图像的光线透过全息波导后，同时在人眼视网膜上成像，形成输出图像信息与真实场景的叠加。

其中，将不同颜色的光线以相应的入射角度耦合进入全息波导中，使携带图像信息的光线以相同的角度垂直出射波导原件，实现彩色影像输出，并以平行光的方式进入人眼成像。

本发明中，光线的数量应不少于两条，颜色可随机选择，本方法中优选采用红、绿、蓝三种光束，具备最优的显示效果。

一种利用全息波导进行彩色目视的显示系统，包括：

用于提供图像的LCOS图像源；

为LCOS图像源提供光源的LD(Semiconductor Laser Diode)光源；

准直透镜光具组；

为产生平行光的凸透镜；

将光线耦合进全息波导的全息光栅或棱镜；

用于扩展出瞳并实现穿透显示的全息波导原件，其中包括全息光栅与波导介质。

本发明的显示系统，LD光源发出不同颜色的光线对相应的LCOS图像源进行照明，光线颜色的数量应不少于两种，优选使用红、绿、蓝三色光线。

红绿蓝三原色LCOS图像源由LD光源经扩束镜扩束后照明，光束通过经微型投影装置准直输出。将红、绿、蓝光源发射光线经全息光栅衍射后耦合(或棱镜耦合)以不同入射角度进入平板波导中，使其均满足全反射条件。光线在波导中进行多次全反射向前传输，后受到透射全息光栅的调制由波导中出射，不同颜色的光线形成平行光束同时成像至无穷远处，相互叠加，实现彩色输出。其中，平行光线进入到波导中需要满足全反射条件，入射角需要大于临界角。光线经过波导中的全息光栅原件后，一部分光经过全息光栅衍射形成一级衍射光，光线垂直于波导表面传播，不满足全反射条件，从波导中出射，进入人眼。另一部分零级衍射光透过全息光栅按照入射光线的方向传播，仍旧满足全反射条件，继续在光波导中向前传播，当再次入射到全息光栅原件后，同样产生一级衍射光和零级衍射光，一级衍射光从波导中垂直出射，零级衍射光按照入射方向继续沿波导向前传播，从而依次进行下去。利用这样的方法实现了出瞳的扩展，使人眼有了较大的活动范围。最终，光线以平行光束的形式进入人眼，在视网膜上成像，相当于人眼看到无限远处的图像。同时，外部图像的光线透过全息波导原件，在视网膜上成像，这样就能够看到显示器中显示的图像叠加在真实的场景中，实现现实增强AR(Augmented reality)技术。

为了实现虚拟影像的彩色输出，将红绿蓝三种颜色的光源以不同的入射角度耦合进入波导中，从而使红绿蓝三种颜色的光以相同的角度垂直出射波导原件，实现彩色影像输出，以平行光的方式进入人眼，成像至无穷远处。

为了使红绿蓝三种颜色的光源以不同的入射角度耦合进入波导中，有三种优选的图像源设置方案：

(1)图像分别用三个图像源进行输出，分别为红图像源、绿图像源和蓝图像源。为了使不同颜色的光线有相同的出射角度，即垂直于波导原件出射，则需要在满足全反射条件的同时，调整三种光源的入射角度，根据公式d(n₁sini±n₂sinθ)＝λ可知，通过调整红LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组，绿LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组，蓝LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组的位置和棱镜的位置，调整不同颜色光线的入射角度，最终可以实现三种颜色的光线具有相同的出射角度，垂直于波导原件平行出射，相互叠加，从而实现彩色输出，进入人眼。同时，外部图像的光线透过全息波导原件进入人眼，在视网膜上成像，这样就将虚拟图像叠加在真实图像上，实现了现实增强即AR。其中d为光栅常数，i为入射角度，θ为衍射角度，λ为衍射波长，n₁为入射光栅边的折射率，n₂为出射光栅边的折射率。

(2)图像用单一图像源进行输出，此LCOS图像源所显示的图像分别为原输出彩色图像的红绿蓝部分，并且图像源放置于凸透镜的焦平面上，经过LD光源照明后进入凸透镜进行准直输出，可以发现准直后的光线会以不同入射角度经过棱镜耦合进入全息波导原件中，为了使不同颜色的光线有相同的出射角度，即垂直于波导原件出射，则需要在满足全反射条件的同时，根据公式d(n₁sini±n₂sinθ)＝λ，通过调整红绿蓝图像在LCOS图像源中的相对位置，从而调整了不同光线的入射角度，可以实现三种颜色的光线具有相同的出射角度，垂直于波导原件平行出射，相互叠加，从而实现彩色输出，进入人眼。同时，外部图像的光线透过全息波导原件进入人眼，在视网膜上成像，这样就将虚拟图像叠加在真实图像上，实现了现实增强即AR。

(3)图像用两个图像源进行输出，单一红图像源与绿蓝二色图像源，其中，图像源的结合方式可以改变，即单一绿图像源与红蓝二色图像源；单一蓝图像源与红绿二色图像源。以单一红图像源与绿蓝二色图像源为例，其他以此类推。绿蓝二色图像在LCOS图像源所显示的图像分别为原输出彩色图像的绿蓝两部分，并且图像源放置于凸透镜的焦平面上，经过LD光源照明后进入凸透镜进行准直输出，可以发现准直后的光线会以不同入射角度经过棱镜耦合进入全息波导原件中，为了使不同颜色的光线有相同的出射角度，即垂直于波导原件出射，则需要在满足全反射条件的同时，调整三种光源的入射角度，根据公式d(n₁sini±n₂sinθ)＝λ可知，通过调整红LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组的位置，以及调整绿蓝二色图像在LCOS图像源中的相对位置和棱镜的位置，从而调整不同颜色光线的入射角度，最终可以实现三种颜色的光线具有相同的出射角度，垂直于波导原件平行出射，相互叠加，从而实现彩色输出，进入人眼。同时，外部图像的光线透过全息波导原件进入人眼，在视网膜上成像，这样就将虚拟图像叠加在真实图像上，实现了现实增强即AR。

本发明还提供了一种具有上述光学系统的穿戴设备，包括眼镜架，眼镜架上安装有光学系统，该光学系统的全息波导位于人眼的正前方。

本发明中的穿戴设备包括眼镜、头盔、头带等，眼镜架也可以是相应头盔或头带的头部支撑部件，光学系统的全息波导位于人眼的正前方，用出射带有图像信息的光线和透过外部图像的光线，两者同时在人眼视网膜上成像，完成虚拟图像和真实图像的叠加。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

(1)相对于传统目视显示系统，本系统结构更加简单、紧凑，装置更加轻便，减少制作程序的复杂性，减轻使用者穿戴设备的疲劳程度，更加有利于长时间佩戴。

(2)通过全息波导技术，可以实现出瞳的扩展，使人眼有较大的活动范围，对于不同用户不用做复杂的调整。

(3)通过对不同光源入射角度的调整，可以实现彩色显示，使图像的信息更加完整。

附图说明

图1为实施例1中全息波导进行彩色目视显示系统的结构示意图；

图2为实施例2中全息波导进行彩色目视显示系统的结构示意图；

图3为实施例3中全息波导进行彩色目视显示系统的结构示意图；

图4为实施例1中棱镜用全息光栅替代的全息波导进行彩色目视显示系统的结构示意图；

图5为实施例3中棱镜用全息光栅替代的全息波导进行彩色目视显示系统的结构示意图；

图6为扩展出瞳方法的示意图；

图7为实施例彩色全息波导目视显示系统嵌入到眼镜架中的侧视图。

具体实施方式

由于我们使用了全息光栅原件，从全息光栅的形成来分析，设照相底版平面为xy面，物光波和参考光波都是平面波，其波矢平行于xz平面，分别与z轴成θ_O和θ_R角，那么物光波和参考光波在该平面上的复振幅分别为

${\tilde{E}}_O(x,y)=O(x,y)\exp \left(\mathrm{ikx}\sin {\mathrm{\θ}}_O\right)$

和 ${\tilde{E}}_R(x,y)=R(x,y)\exp \left(\mathrm{ikx}\sin {\mathrm{\θ}}_R\right)$

其中O(x,y)和kxsinθ_O为物光波的振幅分布和相位分布，R(x,y)和kxsinθ_R为参考光波的振幅分布和相位分布。在照相底版两光波干涉产生的光强分布为

I(x,y)＝O²+R²+2ORcos[kx(sinn_O-sinθ_R)]

底版曝光和冲洗后，其透射函数t(x,y)＝I(x,y)。可见，此全息图为正弦光栅。再现时，用参考光波相同的光波照明，全息图衍射波为

$\begin{array}{c}{\tilde{E}}_D(x,y)=(O^2+R^2)\mathrm{Eexp}\left(\mathrm{ikx}\sin {\mathrm{\θ}}_R\right)+R^2\mathrm{Oexp}\left({\mathrm{\θ}}_O\right)\\ +R^2\exp \left[\mathrm{ikx}\left({2\sin \mathrm{\θ}}_R\right)\right]\·\mathrm{Oexp}\left({-\mathrm{ikx}\sin \mathrm{\θ}}_O\right)\end{array}$

它包含三个沿不同方向传播的平面波。第一项代表直射照明光；第二项是物光波；第三项是共轭光波，传播方向与z轴夹角为：arcsin(2sinθ_R-sinθ_O)≈2θ_R-θ_O。这三个光波正是正弦光栅的零级和正、负一级衍射波。耦合进入波导原件和出射波导原件均利用的是一级衍射光，由正弦光栅的特性可知一级衍射光满足d(n₁sini±n₂sinθ)＝λ。从而可知对于不同波长的光线，相同的全息光栅所产生的衍射角不同。为了使本发明实现彩色输出，需要调节红绿蓝三种不同光线相对于全息光栅的入射角度，从而达到相同的出射角度，使三种光线重合，从而达到彩色输出的目的。为此，我们有三种布置装置的方案。

实施例1

如图1和图4所示，沿着光传播方向，全息波导进行彩色目视显示系统依次包括红LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组1，绿LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组2，蓝LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组3，将红色光线耦合进全息波导的棱镜4(或全息光栅16)，将绿色光线耦合进全息波导的棱镜5(或全息光栅17)，将蓝色光线耦合进全息波导的棱镜6(或全息光栅18)，用于扩展出瞳并实现穿透显示的全息波导原件7，将光线导出全息波导原件7的全息光栅8，最后人眼9用于接受本发明全息波导进行彩色目视显示系统的图像光信号。具体地，将红绿蓝三种不同颜色的LCOS图像源经过LD光源照明后相对于全息波导原件7放置于不同的位置，各自发出的光线分别经过棱镜4、棱镜5、棱镜6(或全息光栅16、全息光栅17、全息光栅18)耦合进入全息波导原件7中。光线在全息波导原件7中进行多次全反射向前传输，后受到透射全息光栅8的调制由波导中出射，不同颜色的光线形成平行光束同时成像至无穷远处，相互叠加，实现彩色输出。其中，平行光线进入到波导7中需要满足全反射条件，入射角需要大于临界角。光线经过全息波导原件7中的全息光栅8后，一部分光经过全息光栅8衍射形成一级衍射光，光线垂直于波导表面传播，不满足全反射条件，从波导中出射，进入人眼9。另一部分零级衍射光透过全息光栅8按照入射光线的方向传播，仍旧满足全反射条件，继续在光波导7中向前传播，当再次入射到全息光栅原件8后，同样产生一级衍射光和零级衍射光，一级衍射光从波导中垂直出射，零级衍射光按照入射方向继续沿波导7向前传播，从而依次进行下去。利用这样的方法实现了出瞳的扩展，使人眼有了较大的活动范围，如图6所示的扩展出瞳方法示意图。为了使不同颜色的光线有相同的出射角度，即垂直于波导原件7出射，则需要在满足全反射条件的同时，调整三种光源的入射角度，根据公式d(n₁sini±n₂sinθ)＝λ可知，通过调整红LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组1，绿LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组2，蓝LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组3的位置和棱镜4、棱镜5、棱镜6(或全息光栅16、全息光栅17、全息光栅18)的位置，调整不同颜色光线的入射角度，最终可以实现三种颜色的光线具有相同的出射角度，垂直于波导原件平行出射，相互叠加，从而实现彩色输出，进入人眼9。同时，外部图像的光线透过全息波导原件7进入人眼9，在视网膜上成像，这样就将虚拟图像叠加在真实图像上，实现了现实增强。

实施例2

如图2所示，沿着光传播方向，全息波导进行彩色目视显示系统依次包括红绿蓝三色LD光源、LCOS图像源10，用于产生平行光的凸透镜11，将光线耦合进全息波导的棱镜12，用于扩展出瞳并实现穿透显示的全息波导原件7，将光线导出全息波导原件7的全息光栅8，最后人眼9用于接受本发明全息波导进行彩色目视显示系统的图像光信号。具体地，使用一个LCOS图像源经过LD光源10照明后进行输出，各自发出的光线分别经过棱镜12耦合进入全息波导原件7中。光线在波导中进行多次全反射向前传输，后受到透射全息光栅8的调制由波导中出射，不同颜色的光线形成平行光束同时成像至无穷远处，相互叠加，实现彩色输出。其中，平行光线进入到全息波导原件7中需要满足全反射条件，入射角需要大于临界角。光线经过全息波导原件7中的全息光栅原件8后，一部分光经过全息光栅衍射形成一级衍射光，光线垂直于全息波导原件7表面传播，不满足全反射条件，从波导中出射，进入人眼9。另一部分零级衍射光透过全息光栅按照入射光线的方向传播，仍旧满足全反射条件，继续在光全息波导原件7中向前传播，当再次入射到全息光栅原件8后，同样产生一级衍射光和零级衍射光，一级衍射光从波导中垂直出射，零级衍射光按照入射方向继续沿全息波导原件7向前传播，从而依次进行下去。利用这样的方法实现了出瞳的扩展，使人眼有了较大的活动范围。其中，LCOS图像源10所显示的图像分别为原输出彩色图像的红绿蓝部分，并且图像源放置于凸透镜11的焦平面上，经过LD光源10照明后进入凸透镜11进行准直输出，可以发现准直后的光线会以不同入射角度经过棱镜12耦合进入全息波导原件7中，为了使不同颜色的光线有相同的出射角度，即垂直于全息波导原件7出射，则需要在满足全反射条件的同时，根据公式d(n₁sini±n₂sinθ)＝λ，通过调整红绿蓝图像在LCOS图像源10中的相对位置，从而调整了不同光线的入射角度，可以实现三种颜色的光线具有相同的出射角度，垂直于波导原件7平行出射，相互叠加，从而实现彩色输出，进入人眼9。同时，外部图像的光线透过全息波导原件7进入人眼9，在视网膜上成像，这样就将虚拟图像叠加在真实图像上，实现了现实增强。

实施例3

如图3和图5所示，沿着光传播方向，全息波导进行彩色目视显示系统依次包括红LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组1，绿蓝二色LD光源、LCOS图像源13，用于产生平行光的凸透镜14，将红色光线耦合进全息波导的棱镜4(或全息光栅16)，将绿蓝二色光线耦合进全息波导的棱镜15，用于扩展出瞳并实现穿透显示的全息波导原件7，将光线导出全息波导原件7的全息光栅8，最后人眼9用于接受本发明全息波导进行彩色目视显示系统的图像光信号。具体地，将红LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组13和绿蓝二色LD光源、LCOS图像源1相对于全息波导原件7放置于不同的位置，各自发出的光线分别经过棱镜15、棱镜4(或全息光栅16)耦合进入全息波导原件7中。光线在全息波导原件7中进行多次全反射向前传输，后受到透射全息光栅8的调制由波导中出射，不同颜色的光线形成平行光束同时成像至无穷远处，相互叠加，实现彩色输出。其中，平行光线进入到全息波导原件7中需要满足全反射条件，入射角需要大于临界角。光线经过全息波导原件7中的全息光栅原件8后，一部分光经过全息光栅衍射形成一级衍射光，光线垂直于全息波导原件7表面传播，不满足全反射条件，从波导中出射，进入人眼9。另一部分零级衍射光透过全息光栅按照入射光线的方向传播，仍旧满足全反射条件，继续在全息波导原件7中向前传播，当再次入射到全息光栅原件8后，同样产生一级衍射光和零级衍射光，一级衍射光从波导中垂直出射，零级衍射光按照入射方向继续沿全息波导原件7向前传播，从而依次进行下去。利用这样的方法实现了出瞳的扩展，使人眼有了较大的活动范围。其中，绿蓝二色图像在LCOS图像源13所显示的图像分别为原输出彩色图像的绿蓝两部分，并且图像源放置于凸透镜14的焦平面上，经过LD光源13照明后进入凸透镜17进行准直输出，可以发现准直后的光线会以不同入射角度经过棱镜15耦合进入全息波导原件7中，为了使不同颜色的光线有相同的出射角度，即垂直于全息波导原件7出射，则需要在满足全反射条件的同时，调整三种光源的入射角度，根据公式d(n₁sini±n₂sinθ)＝λ可知，通过调整红LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组1的位置，以及调整绿蓝二色图像在LCOS图像源13中的相对位置和棱镜15、棱镜4(或全息光栅16)的位置，从而调整不同颜色光线的入射角度，最终可以实现三种颜色的光线具有相同的出射角度，垂直于波导原件7平行出射，相互叠加，从而实现彩色输出，进入人眼9。同时，外部图像的光线透过全息波导原件7进入人眼9，在视网膜上成像，这样就将虚拟图像叠加在真实图像上，实现了现实增强。

实施例4

图7为本发明实施例彩色全息波导目视显示系统嵌入到眼镜架中的穿戴显示系统的侧视图。穿戴显示系统19包括眼镜架20，眼镜片21，全息波导原件22，眼镜腿23，固定到眼镜腿23上的驱动电子设备及光学显示系统24。图中23为第一个眼镜腿，25为第二个眼镜腿，眼镜腿25可以具有与眼镜腿23相同的驱动电子设备及光学显示系统24，也可以没有。眼镜架20支撑眼镜片21，眼镜片21是任意材料的镜片，具有任意折射率，可有矫正近视或远视功能。眼镜架20还支撑驱动电子设备和光学显示系统24，LCOS图像源发射的光线先入射全息波导原件22中，通过全息波导原件22传播后耦合输出，进入人眼。全息波导原件22的耦合输出端为一全息光栅，可以使真实环境中的光线透过，从而使虚拟图像叠加在真实图像上，实现了现实增强。本发明的彩色波导全息显示系统结构紧凑、体积小、重量轻，可以按转载不同结构的近眼显示系统或头戴显示系统中。

本发明中，实施例1中准直透镜光具组1的图像源为原输出图像信号的红色分量，准直透镜光具组2的图像源为原输出图像信号的绿色分量，准直透镜光具组3中的图像源为原输出图像信号的蓝色分量。实施例2中LCOS图像源10为单块LCOS图像源，其显示的图像为原输出图像信号的红色分量、绿色分量和蓝色分量一列分别显示。或者为三块LCOS图像源一列并排，分别显示原图像信号的红色分量、绿色分量和蓝色分量。实施例3中准直透镜光具组1的图像源为原输出图像信号的红色分量，凸透镜14对应的图像源为一块LCOS图像源，其显示的图像为原输出图像信号的绿色分量和蓝色分量一列分别显示。或者凸透镜14对应的图像源为两块LCOS图像源一列并排，分别显示原图像信号的绿色分量和蓝色分量。

调节光线的入射角度时，对于实施例1和实施例3中棱镜4、棱镜5、棱镜6耦合入射来说，通过改变耦合棱镜的倾斜面角度或改变棱镜和光源的相对位置，改变光线入射棱镜的角度，都可以改变进入光波导的入射角度。对于实施例2和实施例3中的图像源，当不同颜色图像源位于凸透镜焦平面的不同位置时，经过凸透镜出射的三种颜色的平行光便会相对于波导表面形成不同的入射角度。

从实施例1～3可知，光线可以为单色光束，也可以为多色光束，通过不同的布置方法对入射角度进行调整，最终都实现了将图像的红绿蓝三色光以相同的角度即垂直出射波导表面，进行光线的叠加，实现彩色图像的输出。

本发明中，图像的色彩代表着一种信息，彩色显示相对于单色显示来说更能完整的体现图像的真实信息，避免了信息的丢失。而且实现彩色显示能使使用者有更加快的反应速度，比如红色的符号能够引起使用者足够的关注程度，能够迅速提示使用者例如危险的提示，从而可以较快的做出反应，避免危险的发生。实现彩色显示的色域范围、视场、观察角度之间都会相互制约，必须综合考虑，同时光栅对于不同波长的光其衍射效率也会发生变化。因此需要克服这些技术问题，实现较好的色彩叠加，降低图像的色彩失真，提高图像的对比度。为了实现较好的色彩叠加，首先需要精确调整光波出射全息波导的角度，这就需要对红绿蓝三种不同颜色的光线的入射角进行精确的计算并加以调整，从而实现三种颜色图像源对应点的光线都能够以近似相同的角度以平行光的方式进入人眼，在视网膜上相同的点成像，实现色彩的叠加。同时，为了具有良好的观察角度，需要对波导材料进行筛选，选择具有合适折射率的波导材料，使红绿蓝三种颜色的光线都有较大的视场角，并且视场角要有良好的重合。为了实现较好的图像还原，使输出图像的颜色保真度较好，需要对全息光栅进行筛选，全息光栅对红绿蓝三种不同颜色的光有相似的衍射效率，从而不会出现其中一种单一颜色的光较强而产生色彩的失真，或者对不同颜色的输出图像进行亮度补偿，减少色彩的失真。为了达到在出瞳的扩展同时实现显示的一致性，还应该选择光栅的衍射效率，选取衍射效率较低的光栅或者在输出图像端进行对应像素亮度的补偿，从而实现输出色彩的一致性，实现良好的色彩叠加。

本发明中，红绿蓝三色光源的波长取λ_r＝620nm，λ_g＝530nm，λ_b＝480nm；光波导介质可以取K9，F1，ZF3玻璃，其对于红绿蓝三色光源的折射率分别如表所示：

	λr＝620nm	λg＝530nm	λb＝480nm
				K9	1.51554	1.51958	1.52283
F1	1.62323	1.63195	1.63932
				ZF3	1.71372	1.72576	1.73612

以ZF3玻璃为例，选用光栅空间频率ρ＝2400L/mm，即光栅常数为d＝1/ρ＝1/2400mm，n₁分别为1.71372、1.72576、1.73612，取n₂＝1，可以根据公式d(n₁sini±n₂sinθ)＝λ算出为了达到以垂直于波导表面的方向出射，三色光源的入射角度分别为i_r＝60.26°，i_g＝47.48°，i_b＝41.57°。同时入射角需要满足全反射条件，即i≥arcsin(n₂/n₁)，取n₂＝1.71372得i≥35.70°，红绿蓝三色光源均满足条件，能够实现图像的传输。

全息光栅的衍射效率与制作工艺有关，需要尽量满足其对于红绿蓝三种颜色的光线衍射效率相同。

Claims (10)

1.一种利用全息波导进行彩色目视显示的方法，其特征在于，采用至少两束颜色不同的光线对相应的LCOS图像源进行照明，将携带图像信息的光线耦合进全息波导中进行全反射传输，并以相同的角度出射形成彩色输出，与真实场景图像的光线透过全息波导后，同时在人眼视网膜上成像，形成输出图像信息与真实场景的叠加。

2.如权利要求1所述的利用全息波导进行彩色目视显示的方法，其特征在于，携带图像信息的光线垂直出射所述的全息波导。

3.如权利要求1所述的利用全息波导进行彩色目视显示的方法，其特征在于，所述的光线为红、绿、蓝三种光束。

4.一种利用全息波导进行彩色目视显示的光学系统，包括全息波导，其特征在于，还包括：

用于提供图像信息的LCOS图像源，

用于对相应的LCOS图像源进行照明且至少发出两种颜色光线的光源，

以及用于将携带图像信息的光线耦合进所述全息波导的光学元件；

所述的光线在全息波导中全反射传输并以相同角度出射，与透过全息波导的真实场景图像光线叠加成像。

5.如权利要求4所述的利用全息波导进行彩色目视显示的光学系统，其特征在于，所述的光学元件为棱镜或全息光栅。

6.如权利要求4所述的利用全息波导进行彩色目视显示的光学系统，其特征在于，所述的全息波导包括用于对光线全反射传输的波导介质，和用于将光线调制出所述波导介质的全息光栅原件。

7.如权利要求4所述的利用全息波导进行彩色目视显示的光学系统，其特征在于，所述的光源为红LD光源、绿LD光源和蓝LD光源中的两种或三种。

8.如权利要求4所述的利用全息波导进行彩色目视显示的光学系统，其特征在于，所述的光源为红绿蓝三色LD光源，透过LCOS图像源的光路上设有用于产生平行光的凸透镜。

9.如权利要求4所述的利用全息波导进行彩色目视显示的光学系统，其特征在于，所述的光源包括单色LD光源和多色LD光源。

10.一种具有如权利要求4～9任一项光学系统的穿戴设备，包括眼镜架，其特征在于，眼镜架上安装有所述的光学系统，该光学系统的全息波导位于人眼的正前方。