CN105629474A - 一种近眼显示系统及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近眼显示系统，包括光源系统、导光系统和图像显示系统；所述图像显示系统用于显示全息图；所述光源系统用于向导光系统输入照明光束；所述导光系统用于将所述照明光束进行传输扩展后，照射到图像显示系统所显示的全息图上，以透射方式激活全息图，相应的，本发明还公开了一种头戴显示设备，本发明充分融合波导导光技术和计算全息技术，使得该近眼显示系统轻巧，并且可实现大视场显示以及通过计算全息实现景深调节。

Description

一种近眼显示系统及头戴显示设备

技术领域

本发明涉及近眼显示领域，尤其涉及一种近眼显示系统及头戴显示设备。

背景技术

随着科技的进步，增强现实智能眼镜逐渐出现在大众视野，例如谷歌的GoogleGlass和微软的Hololens。GoogleGlass通过一个投影光学系统将LCOS微显示器上的图像投影，经过一个棱镜和反射镜，通过内置在棱镜中的分光镜将投影的图像反射到用户眼睛。Hololens是将LCOS或者DLP微显示器上的图像通过全息光栅耦合进入波导，并通过波导传输，最后在人眼正前方通过相应的全息光栅耦合输出，投影进入人眼。这两者的近眼显示技术均存在视场较小的问题，前者的视场在14°左右，后者的视场在30°左右，无法满足目前消费类产品的需求。增强现实智能眼镜要想满足消费类产品的需求，大视场成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现大视场、景深可调的近眼显示系统及头戴显示设备。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种近眼显示系统，包括光源系统、导光系统和图像显示系统；所述图像显示系统用于显示全息图；所述光源系统用于向导光系统输入照明光束；所述导光系统用于将所述照明光束进行传输扩展后，照射到图像显示系统所显示的全息图上，以透射方式激活全息图。

优选的，所述光源系统中的光源为RGB三色激光光源或RGB三色LED光源，三色光以高频方式轮流照射图像显示系统上对应颜色的全息图。

优选的，所述导光系统包括水平导光系统。

优选的，所述导光系统还包括垂直导光系统，光源系统输出的照明光束先经过垂直导光系统，再耦入水平导光系统。

优选的，所述导光系统中的垂直波导系统采用阵列光波导或平板光波导，水平波导系统采用阵列平板光波导、全息光波导和平板波导中的一种。

优选的，在所述水平导光系统的入光区域覆有抗反膜。

优选的，所述图像显示系统的显示元件为数字全息显示元件。

优选的，所述图像显示系统的显示元件为透明数字全息显示元件。

优选的，所述光源系统包括：RGB三色激光光源、耦合结构、光纤和光纤准直镜，RGB三色激光先通过耦合结构耦合进入光纤，再经光纤出射端所耦合的光纤准直镜耦合进入导光系统。

优选的，所述光源系统包括：RGB三色激光光源和合光系统，合光系统用于将RGB三色激光光束进行合光。

优选的，所述合光系统为合色X立方体棱镜或二向色镜。

优选的，所述光源系统为多个光源组合成的阵列光源。

相应的，本发明还提出一种头戴显示设备，包括微处理器和近眼显示系统，所述近眼显示系统为上述的近眼显示系统，所述微处理器与近眼显示系统中的光源系统和图像显示系统相连。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明近眼显示系统是基于计算全息显示技术设计，利用衍射的成像原理，可以将近眼显示的视场做得很大(衍射角可以做得很大)，可突破传统的近眼显示光学系统对视场的限制；

2.本发明采用导光系统进行照明光束传输扩展，为本发明近眼显示系统实现大视场提供保障；

3.本发明头戴显示设备采用基于计算全息的近眼显示技术，可以通过算法实现投射图像的景深调节，实现物体显示的三维效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明实施例近眼显示系统结构示意图一；

图2为本发明实施例中光源系统结构示意图一；

图3为本发明实施例中导光系统结构示意图一；

图4为本发明实施例中导光系统结构示意图二；

图5为本发明实施例中导光系统结构示意图三；

图6为本发明实施例中导光系统结构示意图四；

图7为本发明实施例中导光系统结构示意图五；

图8为本发明实施例中导光系统结构示意图六；

图9为本发明实施例中导光系统结构示意图七；

图10为本发明实施例中光源系统结构示意图二；

图11为本发明实施例中光源系统结构示意图三；

图12为本发明实施例近眼显示系统结构示意图二；

图13为图12中合光系统结构示意图一；

图14为图12中合光系统结构示意图二；

图15为本发明实施例近眼显示系统结构示意图三；

图中标记：1-光源系统，2-导光系统，3-图像显示系统，4-人眼，5-涂层，，11-耦合结构，12-光纤，13-光纤准直镜，14-激光光源，15-激光光源，16-激光光源，17-合光系统，18-准直扩束系统，21-垂直导光系统，22-水平导光系统，221-水平耦出光栅，171-R入射面，172-G入射面、173-B入射面，174-出射面，175-反射面，176-反射面，177-二向色镜，178-二向色镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

全息技术，是虚拟成像技术中的一种，其利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像。

计算全息是建立在数学计算与现代光学的基础上，利用计算机编码制作全息图，它可以全面记录光波的振幅和相位，噪声低，重复性高，可记录任何物体的全息图，甚至可以实现自然界尚不存在的三维物体的立体显示。

本发明近眼显示系统的光学结构方案是基于计算全息技术而设计，下面结合附图对本发明实施例进行介绍。

本发明中的全息显示元件一般采用光调制器，而数字全息显示元件一般采用高分辨空间光调制器，例如LCD、OLED等显示元件。

参见图1，为本发明实施例近眼显示系统结构示意图，本实施例近眼显示系统包括光源系统1、导光系统2和图像显示系统3；所述图像显示系统3用于显示全息图；所述光源系统1用于向导光系统2输入照明光束；所述导光系统2用于将所述照明光束进行传输扩展后，照射到图像显示系统3所显示的全息图上，以透射方式激活全息图，图1中标号4表示人眼。

所述图像显示系统3的显示元件为数字全息显示元件，例如：LCD显示屏、OLCD显示屏，或其他可实现数字全息图像显示的元件。为了实现增强现实效果，显示元件优选为透明数字全息显示元件(透明数字全息显示原件也可以称为透明计算全息显示芯片)。图像显示系统中的全息图像显示原件在处理器的控制下，根据显示信息实时改变全息结构，使得通过相干光照明可以复现虚拟物，使人眼可见。具体采用的原理是：照明光束被全息结构衍射生成所需要的虚拟显示光源，该光进入人眼，人即可看见虚拟物。本发明图像显示系统上显示的全息图像是处理器生成的计算全息图像，由于计算全息计算可以全面记录光波的振幅和相位，通过调节生成计算全息图的算法，可以实现将物投影在距离人眼250mm至无限远位置处，因此可以实现近眼显示，并且可以实现景深的调节，本发明所指景深指虚拟图像离人眼距离，即成像深度。

另外，计算全息显示投影出的视场角由数字全息显示元件(空间光调制器)的像素尺寸决定θX_max＝λ/ΔX,θY_max＝λ/ΔY，λ是光源激光波长，ΔX,ΔY分别是空间光调制器的长宽尺寸，θX_max和θY_max是水平方向和垂直方向的最大视场角，以波长为650nm红色激光器为例，当像素尺寸为1μm*1μm时，其视场角可以达到40度左右，因此本发明近眼显示系统可实现大视场。

所述光源系统1中的光源为RGB三色激光光源或RGB三色LED光源，要实现彩色图像的显示，三色光需以高频方式轮流照射图像显示系统上对应颜色的全息图，即三色光源需与计算全息图进行时序匹配。当光源系统1中的光源为RGB三色激光光源时，RGB三色激光光源可以以光纤结构耦入导光系统2中，也可以通过合光系统进行合光后耦入导光系统2中，具体结构后面结合图10～11进行说明。

本发明全息图复现的具体实现原理为：

某一时刻，绿色光源和蓝色光源关闭，红色光源发出的红色光，耦合进入导光系统2中，红色光从导光系统2耦出后，以透射的方式照射到计算全息显示芯片上，此时透明芯片显示输出的是红色光束记录物的计算全息图，从而显示出图像信息的红光部分。在下一时刻，红色光源和蓝色光源关闭，绿色光源出射的绿色光束激活相应的绿光记录的计算全息图，从而投影出图像信息的绿光部分。同理，可以投影出图像信息的蓝光部分，当计算全息图和光源的切换速率可以足够快，由于人眼的视觉暂留效应，人眼就可以看见三色叠加的彩色图像信息。另外当全息显示元件为透明元件时，人眼还可以透过透明显示元件看到真实的外界环境，实现增强现实的效果。

所述导光系统2可以是由单独的水平导光系统组成，也可以是由垂直导光系统和水平导光系统两部分组成。

当所述导光系统2为单独的水平导光系统时，若光源系统1输入导光系统的光源不是宽光源，则会严重影响近眼显示系统的视场，因此当所述导光系统2为单独的水平导光系统时，所述光源系统1优选设计为垂直扩展光源，例如多个光源组合成的阵列光源。参见图2，是光源系统1为垂直扩展光源时的一种示例结构，图2中垂直扩展光源采用垂直方向阵列光纤与微透镜阵列的组合。

当所述导光系统2由垂直导光系统和水平导光系统两部分组成时，如图3，图2中21表示垂直导光系统，22表示水平导光系统。光源系统输出的照明光束先经过垂直导光系统21，再耦入水平导光系统22；垂直导光系统21用于扩展光源垂直方向的出光面积，水平导光系统22用于扩展光源水平方向的出光面积，经两个方向的扩展后，照射到数字全息显示元件上的光束为面光源，更符合近眼显示的基本理论。此种结构中，水平导光系统22在其与垂直导光系统21相邻的“重叠”区域优选设置为覆有抗反膜(即水平导光系统的入光区域覆有抗反膜)，用于减少该区域由于反射造成的杂光对成像清晰度的影响，同时也提高了光能传输。

导光系统2中的垂直波导系统采用阵列光波导或平板光波导，水平波导系统采用阵列平板光波导、全息光波导和平板波导中的一种，其中全息光波导指在波导内具有全息元件作为耦出器件，下面结合图4至图9对导光系统进行说明。

参见图4，为导光系统结构示意图二，在图4实施例中，垂直导光系统21采用反射阵列波导形式扩展垂直方向的照明光束口径，从该波导出射光垂直入射至水平波导。

参见图5，为导光系统结构示意图三，在图5实施例中，垂直导光系统21为一平行平板，平行平板用于输入光源的垂直扩展传输，输入光源与平行平板的夹角大于平行平板在空气介质中的临界角，故输入光源可以在平行平板内以全反射进行传输，在平行平板近水平导光系统22的一侧覆有一层涂层(或膜层)，该涂层(膜层)的作用是破坏输入光源在平行平板近水平导光系统一侧的全反射条件，当光束入射至该面时，光束一部分反射后继续在平行平板内传输，一部分折射至涂层，从涂层再折射进入水平导光系统；涂层可以是等效折射率大于空气的多层膜层，为了使得从膜层出射的光束在垂直方向的光能量比较均匀，该膜层可以设计为垂直方向非均匀等效折射率。

从图5中可以看出，从垂直导光系统21出射的光束进入水平导光系统22时，光束是倾斜的，倾斜角度为α，从水平导光系统出射的光束也会有角度倾斜，当全息显示元件平行于水平导光系统22设置时，会增加数字全息器件的计算全息的复杂程度。

参见图6，为导光系统结构示意图四，图6是根据图5结构进行改进的导光系统结构示意图，为使得进入水平导光系统22的光束在垂直方向与水平导光系统的光扩展传输平行平板界面垂直，水平导光系统22的光束耦入面与水平导光系统的光束扩展传输平行平板界面存在一楔形角度a，使得从涂层出射的光束垂直入射至水平导光系统，目的是当光束在水平导光系统水平传输时不会由于垂直方向角度引起的光束倾斜，减小了水平导光系统的垂直方向的尺寸，同时也减小数字全息器件的计算全息的复杂程度)。

参见图7，为导光系统结构示意图五，在图7实施例中，水平导光系统22采用反射阵列波导形式，从该波导出射光垂直照射至数字全息显示元件3上。

参见图8，为导光系统结构示意图六，在图8实施例中，水平导光系统22采用平行平板波导，在平行平板波导近数字全息显示元件3的一侧覆有一层涂层5(或膜层)，涂层5的作用是破坏全反射条件，当光束射至该面时，光束一部分反射后继续在平行平板内传输，一部分折射至涂层，从涂层再折射照射到数字全息显示元件3上。

参见图9，为导光系统结构示意图七，在图9实施例中，水平导光系统22采用全息波导，光束通过水平耦出光栅221耦出。

下面结合图10～12，对光源系统结构实施例进行说明。

参见图10，为光源系统结构示意图二，图10中，光源系统1包括RGB三色激光光源(图10中未示出)、耦合结构11、光纤12和光纤准直镜13，RGB三色激光先通过耦合结构11耦合进入光纤12，再经光纤12出射端所耦合的光纤准直镜13耦合进入导光系统。

参见图11，为光源系统结构示意图三，图11中，光源系统1包括RGB三色激光光源14、15、16，合光系统17，图11中的RCB三色激光光源本身带准直元件，从光源出射出来的光就是经过准直后的，合光系统17将RGB三色激光光束进行合光后，耦入导光系统。若RGB三个激光光源自身不带准直元件，则可以在合光系统与导光系统之间增加一个激光准直系统或激光扩束准直系统，如图12。

图12为本发明近眼显示系统的一种结构示意图，图12中R、G、B三色激光光源发出的光束经过合光系统17合光后，经准直扩束系统18将三色激光调整成准直宽光束，然后耦入导光系统2中，导光系统2出射的平行光束照射到透明显示芯片3上，激活显示的计算全息图，从而将虚拟图像投影进入人眼。

图12中，合光系统可以采用X立方体棱镜或二向色镜，X立方体棱镜结构可参考图13，二向色镜结构可参考图14，合光系统的作用是将红绿蓝三色激光器发出的R、G、B光束的路径组合在相同方向的相同路径上。

图13中X立方体棱镜包括R入射面171，G入射面172，B入射面173以及出射面174，两个选择反射表面175和176，红绿蓝三色激光器将各自出射的R、G和B光束分别辐射到入射表面171，172和173，选择反射层形成在选择反射表面175上以反射光束R并且透射光束G和B。另一选择反射层形成在选择反射表面176上以反射光束B并且透射光束R和G。通过三入射表面171，172和173入射的R、G和B光束分别通过出射面174射出，在这个结构中，R、G和B的光束路径重合。

图14为二向色镜示意图，二向色镜又称双色镜，常用于激光技术中，其特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。图14中，177镜对G光完全透过，对R光完全反射；178镜对G光完全透过，对B光完全反射。

前述实施例中的近眼显示系统充分融合波导导光技术和计算全息显示技术，使得该近眼显示系统轻巧，并且可实现大视场显示以及通过计算全息实现景深调节，因此可以广泛应用于智能眼镜或者头戴显示设备领域。

前面实施例，是通过透射方式进行光干涉成像，在实际实施时，可以将本发明近眼显示系统设计为反射计算全息再现的近眼显示系统，反射式结构中，不需要导光系统，如图15所示，该近眼显示系统包括光源系统和图像显示系统，图像显示系统的显示元件为透明数字全息显示元件；光源系统可以为RGB三色激光光源，也可以为RGB三色LED光源，其产生的三色光以高频方式轮流照射到透明数字全息显示元件上，以反射方式激活全息图。如图15中的R、G、B激光光源，光源系统还包括合光系统17和激光扩束准直系统18，RGB三色激光光源发出三色激光，先通过合光系统417进行合光，再经过激光扩束准直系统18，激光扩束准直系统18将三色激光束调制成准直宽光束，照射到透明数字全息显示元件3上，以反射方式激活全息图。本发明反射式近眼显示系统的全息图复现原理与本发明透射式近眼显示系统的原理一致，均是通过光干涉成像，该原理为：数字全息元件根据显示信息实时改变全息结构，该结构使得照明光束被其衍射生成所需要的虚拟显示光源，虚拟显示光源射入人眼，人眼即可以看见虚拟显示信息。

同样，图15中的合光系统可以采用图13合色X立方体棱镜或图14二向色镜。

本发明近眼显示系统充运用了计算全息显示技术，使得该近眼显示系统轻巧，并且可实现大视场显示以及通过计算全息实现景深调节，因此可以广泛应用于智能眼镜或者头戴显示设备领域。与目前技术较为领先的hololens相比，hololens在其光学系统中仅用了全息元件，而不是采用全息显示的方法，因此其视场自然较小，采用本发明的近眼光学显示系统，视场具有明显优势。

为此，本发明还提出一种包含本发明近眼显示系统的头戴显示设备，包括微处理器和近眼显示系统，所述微处理器与近眼显示系统中的光源系统和图像显示系统相连，提供光调制、全息计算以及操作系统载入等功能。另外硬件方面，头戴显示设备还可以集成可充电电池、耳机、通讯芯片、wifi模块，蓝牙等模块中的一种或多种，实现和其他智能设备互联，如智能手机，电脑等。软件方面，头戴显示设备可配置图像识别系统和交互系统，图像识别系统通过对外界图像的识别，可以很好的将虚拟图像和真实环境进行融合，交互系统允许人通过手势或者眼球控制输入相应的操作信息。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (13)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括光源系统、导光系统和图像显示系统；所述图像显示系统用于显示全息图；所述光源系统用于向导光系统输入照明光束；所述导光系统用于将所述照明光束进行传输扩展后，照射到图像显示系统所显示的全息图上，以透射方式激活全息图。

2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光源系统中的光源为RGB三色激光光源或RGB三色LED光源，三色光以高频方式轮流照射图像显示系统上对应颜色的全息图。

3.如权利要求2所述的近眼显示系统，其特征在于，所述导光系统包括水平导光系统。

4.如权利要求3所述的近眼显示系统，其特征在于，所述导光系统还包括垂直导光系统，光源系统输出的照明光束先经过垂直导光系统，再耦入水平导光系统。

5.如权利要求4所述的近眼显示系统，其特征在于，所述导光系统中的垂直波导系统采用阵列光波导或平板光波导；水平波导系统采用阵列平板光波导、全息光波导和平板光波导中的一种。

6.如权利要求4所述的近眼显示系统，其特征在于，在所述水平导光系统的入光区域覆有抗反膜。

7.如权利要求1至5任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像显示系统的显示元件为数字全息显示元件。

8.如权利要求1至5任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像显示系统的显示元件为透明数字全息显示元件。

9.如权利要求8所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光源系统包括：RGB三色激光光源、耦合结构、光纤和光纤准直镜，RGB三色激光先通过耦合结构耦合进入光纤，再经光纤出射端所耦合的光纤准直镜耦合进入导光系统。

10.如权利要求8所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光源系统包括：RGB三色激光光源和合光系统，合光系统用于将RGB三色激光光束进行合光。

11.如权利要求10所述的近眼显示系统，其特征在于，所述合光系统为X立方体棱镜或二向色镜。

12.如权利要求2所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光源系统为多个光源组合成的阵列光源。

13.一种头戴显示设备，包括微处理器和近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统为权利要求1至12任一项所述的近眼显示系统，所述微处理器与近眼显示系统中的光源系统和图像显示系统相连。