CN105137598A - 透明显示屏及其制备方法、光学系统和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明显示屏，包括提供虚拟像的图像源，用于传输携带虚拟像光束的平板波导，以及用于对所述的光束微透镜成像并使虚拟像叠加在真实环境中的全息干板。本发明还公开了上述透明显示屏的制备方法和光学系统，激光通过扩束、分束后，其中一束光作为参考光耦合进入光波导板，以全反射的方式向前传输，到达全息干板处；另一束光经过微透镜阵列调制后，形成信号光，到达全息干板，两光束在全息干板处发生干涉，形成的干涉条纹被全息干板记录下来，微透镜阵列的光学特性被全息干板复制。另外，本发明也公开了具有上述透明显示屏的穿戴显示系统。本发明通过光波导板，增大了可观察角度，同时结构更加紧凑、轻便。

Description

透明显示屏及其制备方法、光学系统和应用

技术领域

本发明涉及显示用光学设备领域，尤其是涉及一种透明显示屏及其制备方法、光学系统和应用。

背景技术

增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息相集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，例如视觉信息、声音、触觉等，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。随着增强现实显示技术的不断发展，越来越多的能够实现增强现实的设备进入到我们的视野中。透明显示屏因其发展较早，且装置的轻便紧凑、原理直观而被广泛应用。相比于沉浸式的虚拟现实设备，不会造成真实世界分辨率降低的问题，同时也避免了长时间使用使用户产生的眩晕问题。它可以应用在平视显示器、头盔显示器甚至做成大面积的透明显示屏幕用于广告。

平视显示器(HeadUpDisplay，简称HUD)是目前普遍运用在航空器上的飞行辅助仪器，是60年代出现的一种由电子组件、显示组件、控制器、高压电源等组成的综合电子显示设备。它能将飞行参数、瞄准攻击、自检测等信息以图像、字符的形式，通过光学部件投射到座舱正前方组合玻璃上的光/电显示装置上。飞行员透过组合玻璃观察舱外景物时，可以同时看到叠加在外景上的字符、图像等信息。过去，飞行员在空战中，需要交替观察舱外目标和舱内仪表，易产生瞬间视觉中断，由此，会导致反应迟缓、操作失误，并有可能贻误战机，采用平视显示器可克服这一缺点。如今平视显式系统快速发展，并已经应用在高端轿车上，作为车载显示。车辆在高速行驶时，特别是夜间高速行车时，驾驶员可能会低头观看仪表显示或观看中控台的音响等显示，此时如果前方遇有紧急情况就有可能因来不及采取有效措施而造成事故。为避免这种情况发生，有些高档车辆上装配了抬头显示HUD系统，它可以将有关信息显示在前风挡玻璃的驾驶员平视范围上，且显示位置、显示亮度可调，这样可以避免低头看仪表，从而缩短眼球对前方的视觉盲区时间。对减少因低头走神引起的交通事故有着重要的价值。

头戴显示器(HeadMountedDisplay，HMD)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。

传统的折返式平视显示器和头戴显示器因其光学畸变、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、结构复杂且占用了大量空间等缺点。较轻的重量是十分必要的，平视显示器可以使装置挪动方便，减少负重；头戴显示器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，适应透明显示器轻量化、小型化、一体化的发展趋势和要求，需要开发出来一种新型的显示技术，从而减轻重量，减少其复杂程度，以满足人们的需要。同时也需要一种简易的、有效的制作方法，从而使该装置能够达到批量生产的目的。

发明内容

本发明提供了一种透明显示屏及其制备方法、光学系统和应用，具体技术方案如下：

一种透明显示屏，包括提供虚拟像的图像源，用于传输携带虚拟像光束的平板波导，以及用于对所述的光束微透镜成像并使虚拟像叠加在真实环境中的全息干板。

一种制备透明显示屏的光学系统，包括：

能够产生相干光束的激光光源；

用于调整光线偏振方向的半波片；

用于降低输出功率的衰减片；

用于将不同颜色的激光束合成一束的平面镜和二向色镜；

用于将激光光束扩束的扩束镜；

用于过滤高频噪声的小孔滤波器；

用于产生平行光束的准直透镜；

用于将激光束分束，产生参考光和信号光的分束棱镜；

用于改变光线传播路径的反射镜；

将参考光耦合进平板波导的耦合棱镜(或光栅)；

用于传播参考光的平板波导；

用于产生信号光的微透镜阵列，微透镜阵列的焦点在全息干板附近；

用于记录参考光和信号光的干涉条纹的全息干板。

其中，激光光源的数量应不少于一种，颜色可随机选择，优选采用红、绿、蓝三种颜色的激光，具备最优的显示效果。

红绿蓝三色激光光源先经过半波片调整其偏振方向，然后经过衰减片对输出光束的功率进行控制，用小孔滤波器对进入扩束镜扩束后的光束进行滤波，最后经过准直透镜使输出光束为平行光。使用分束棱镜将平行的激光光束分为两束光，一束作为参考光，其经过一平面镜反射后到达耦合棱镜(或光栅)处，耦合进入平板波导中去，在平板波导中以全反射的方式向前传输，最终到达全息干板处。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。另一光经过平面镜反射经过微透镜阵列调制，出射后作为信号光同样到达全息干板处，与参考光发生干涉，形成干涉条纹，记录在全息干板上。

一种透明显示屏的制备方法，采用至少一种不同波长的激光作为光源，先通过扩束器进行扩束，后经过分束器，其中一束光作为参考光耦合进入平板波导，以全反射的方式向前传输，到达全息干板处；另一束光经过微透镜阵列调制后，形成信号光，到达全息干板。两光束在全息干板处发生干涉，形成的干涉条纹被全息干板记录下来。微透镜阵列的光学特性被全息干板复制下来，使全息板有微透镜阵列的作用。

本发明中，采用全彩投影仪作为图像源，经过中继光学系统后可以将图像以平行光束的方式耦合进入平板波导中，入射方向需要和制作过程中的参考光的入射方向保持一致，在平板波导中进行全反射传输后到达全息干板处，满足布拉格条件的光束经过衍射从波导中出射在全息干板附近成像，成像的特征相当于微透镜阵列成像，被人眼观察。同时真实环境中的不满足布拉格条件的光线会透过全息干板与波导元件，传播到人眼中，从而使投影出的光线叠加在真实环境中，达到现实增强。其中，投影仪的像素大小需要和微透镜阵列的透镜单元的大小近似或略大于透镜单元的大小。

其中，投影仪透射的入射光的方向应当和制备时的参考光方向相同，以满足布拉格条件，投影仪每个像素点的大小应当和制备时微透镜阵列相匹配。

一种穿戴显示系统，包括镜架，所述镜架上设有提供图像源的光学显示系统以及位于人眼正前方的平板波导和全息干板。

光学显示系统发射的光线入射平板波导和全息干板，同时真实环境中的不满足布拉格条件的光线会透过全息干板与平板波导，传播到人眼中，，从而使投影出的光线叠加在真实环境中，达到现实增强。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1.相对于其他透明显示屏的制作方法，本发明的制作方法更加简易、有效，减少制作程序的复杂性，从而使该装置更加有利于进行批量生产。

2.本系统结构更加简单、紧凑、一体化，装置更加轻便，便于移动和装配。

3.本系统由于增加了平板波导，该装置不会因为投影仪的摆放位置而遮挡视线。

4.本系统由于增加了平板波导，观察角度会因为产生一次折射而变得比没有波导时候更大，使观察者能够更方便地观察到虚拟图像。

附图说明

图1为微透镜阵列成像原理示意图；

图2为一种制备透明显示屏的光路图；

图3为另一种制备透明显示屏的光路图；

图4为制备过程中，微透镜阵列的透镜单元经过平行光照射所成光路示意图；

图5为成像过程中微透镜阵列的透镜单元大小和投影机的像素大小匹配示意图；

图6为透明显示屏成像方式示意图；

图7为另一实施例中透明显示屏成像方式示意图；

图8为具有透明显示屏的穿戴显示系统图。

具体实施方式

一种透明显示屏，包括提供虚拟像的图像源，用于传输携带虚拟像光束的平板波导，以及用于对所述的光束微透镜成像并使虚拟像叠加在真实环境中的全息干板。

制备上述的透明显示屏，其目的在于利用全息干板，对微透镜阵列的成像方式进行复制，使全息干板可以达到微透镜阵列的成像效果，同时又保留下来了全息干板透明的特性，透过全息干板能够看到真实环境，使投影仪所成的虚拟像与真实环境相叠加，达到现实增强的效果。

微透镜阵列22的成像方式具体如图1所示，首先投影仪23投影成像，为了简单起见，我们假设投影出来的光线均平行于微透镜阵列22的光轴，投影像的每个像素均携带着不同的颜色信息和强度信息，它们在图中表示为p1,p2,p3。当微透镜阵列的透镜单元的尺寸和投影光线的像素尺寸大小相近时，投影到微透镜阵列上的平行光束经过其成像后会形成具有一定发散角度的发散光束，每个像素的平行光束经过微透镜阵列后相当于在微透镜阵列的透镜单元后焦点处形成了一个有一定发光角度的点光源，这个点光源同样携带着和投影像的对应像素的颜色信息和强度信息，这样在微透镜阵列后方就能看到由投影仪投影出的像。通过全息干板对微透镜阵列成像方式的复制，可以实现虚拟像的显示并且把虚拟像叠加在真实场景中。

为了制备透明显示屏，具有如图2和图3所示的光路布置方案。红色激光光源1，绿色激光光源2，蓝三色激光光源3先分别经过半波片4、半波片5和半波片6调整其偏振方向，然后分别经过衰减片7、衰减片8和衰减片9对输出光束的功率进行控制，经过平面镜10和二向色镜11和二向色镜12进行反射，使三束光合成一束，用小孔滤波器14对进入扩束镜13扩束后的光束进行滤波，最后经过准直透镜15使合成光束为平行光。使用分束棱镜16将平行的激光光束分为两束光，一束作为参考光，其经过平面镜17(和平面镜30)反射后到达耦合棱镜18(或光栅31)处，耦合进入平板波导19中去，在平板波导19中以全反射的方式向前传输，最终到达全息干板20处。其中，平行光线进入到波导中需要满足全反射条件，入射角θ需要大于临界角。另一光经过平面镜21反射后垂直入射微透镜阵列22，出射后作为信号光同样到达全息干板20处，与参考光发生干涉，两束光从全息干板20不同的两面入射，形成干涉条纹，记录在全息干板20上。通过记录干涉条纹，我们就将微透镜阵列复制了下来，使全息干板和微透镜阵列有相同的成像关系。

其中，微透镜阵列的透镜单元大小A1需要和投影机的像素大小A2相匹配，因此需要选择合适的微透镜阵列。如图4与图5所示，当用制备装置中的参考光作为投影仪的输出光束，以相同的入射角θ照射在全息干板上时，出射光和制备时的信号光一样，形成一系列具有一定发散角度的发散光束，经过全息干板成像后相当于在微透镜阵列的透镜单元后焦距f处形成了一个有一定发光角度的点光源。当投影仪投射出的图像以θ角入射在全息干板上时，实际投影的像素面积为A2/cosθ，记为A3。则微透镜阵列的透镜单元大小A1需要接近A3，这就需要找到合适的微透镜阵列和合适的投影仪相匹配。

一种基于微透镜阵列与全息波导的透明显示装置的成像方式，布置方式如图6和图7所示，采用全彩投影仪23作为图像源，经过中继光学系统24后可以将图像以平行光束的方式通过耦合棱镜18(或光栅31)耦合进入波导19中，入射方向需要和制作过程中的参考光的入射方向保持一致，即入射角为θ，在平板波导19中进行全反射传输后到达全息干板20处，满足布拉格条件的光束经过衍射从波导中出射在距离全息干板20后f处成像，成像的特征相当于微透镜阵列成像，被人眼25观察。同时真实环境中的不满足布拉格条件的光线会透过全息干板与波导元件，传播到人眼25中，从而使投影出的光线叠加在真实环境中，达到现实增强。其中，投影仪的像素大小A2需要和微透镜阵列的透镜单元的大小A1相匹配，即微透镜阵列的透镜单元大小A1需要接近A2/cosθ。每个像素成像后的发散角即为最大观察倾角Ω，设微透镜阵列的透镜单元直径为d，则有

$\mathrm{\Ω}=2{\tan }^{-1}\left(\frac{d}{2f}\right)$

又因为光经过平板波导折射后出射，观察倾角会扩大，根据几何关系和折射定律可知，设平板波导的折射率为n，空气折射率为1，则有

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Ω}}^{\′}=2{\sin }^{-1}\left(n\sin \right({\tan }^{-1}\left(\frac{d}{2f}\right)\left)\right)\\ =2{\sin }^{-1}\left(\frac{nd}{\sqrt{d^2+4f^2}}\right)\end{array}$

在该角度范围内，观察者均能看到投影仪输出的虚拟图像，相对于没有用光波导板的时候观察倾角得到了扩大。

图8为本发明实施例基于微透镜阵列与全息波导的透明显示屏嵌入到眼镜架中的穿戴显示系统的侧视图。穿戴显示系统40包括眼镜架41，眼镜片42，全息波导组件43，眼镜腿44，固定到眼镜腿44上的驱动电子设备及光学显示系统45。图中44为第一个眼镜腿，46为第二个眼镜腿，眼镜腿46可以具有与眼镜腿44相同的驱动电子设备及光学显示系统45，也可以没有。眼镜架41支撑眼镜片42，眼镜片42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41还支撑驱动电子设备和光学显示系统45，图像源发射的光线先入射全息波导组件43中，通过全息波导组件43传播后耦合输出，进入人眼。全息波导组件43的耦合输出端为实施例基于微透镜阵列与全息波导的透明显示屏所制备的全息光栅，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。

Claims (10)

1.一种透明显示屏，其特征在于，包括：

图像源，用于提供虚拟像；

平板波导，用于传输携带虚拟像的光束；

全息干板，用于对所述的光束微透镜成像并使虚拟像叠加在真实环境中。

2.一种制备如权利要求1所述透明显示屏的光学系统，其特征在于，包括沿光路依次布置的光源和分束棱镜，

经分束棱镜出射有参考光和信号光，

所述参考光的光路上设有将光束耦合进所述平板波导的耦合元件，

所述信号光的光路上设有微透镜阵列，

由平板波导和微透镜阵列出射的参考光和信号光在所述的全息干板内形成干涉条纹。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光源为一种或至少两种具有不同波长的激光。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述光源和分束棱镜之间沿光路依次布置有：

用于调整光束偏振方向的半波片，

用于降低光束输出功率的衰减片，

用于将不同颜色的激光束合成一束的平面镜和二向色镜，

用于将激光光束扩束的扩束镜，

用于过滤高频噪声的小孔滤波器，

用于产生平行光束的准直透镜。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述的耦合元件为耦合棱镜或光栅。

6.一种制备如权利要求1所述透明显示屏的方法，其特征在于，将光源输出的光束分束为参考光和信号光，所述参考光耦合进入所述的平板波导中进行全反射传输送入全息干板，信号光经微透镜阵列调制后入射全息干板，两光束干涉并通过全息干板记录干涉条纹。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列的焦点在全息干板附近。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述参考光入射平板波导与所述图像源的入射角度相同。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光源为单色光源或多色光源。

10.一种具有如权利要求1所述透明显示屏的穿戴显示系统，包括镜架，其特征在于，所述镜架上设有提供图像源的光学显示系统以及位于人眼正前方的平板波导和全息干板。