CN105938252A - 增强现实显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强现实显示系统，包括光瞳，所述系统包括图像显示元件、平板透明波导、设置在所述平板透明波导顶面或底面的光耦入元件及设置在所述平板透明波导顶面或底面的光耦出元件，其中：所述光耦入元件用于将所述图像显示元件发出的图像信号耦合进所述平板透明波导内，并在所述平板波导内发生全反射；所述光耦出元件用于将所述平板透明波导内的图像信号耦合输出并汇聚在所述光瞳内。由于本发明仅采用了图像显示元件、平板透明波导、光耦入元件及光耦出元件即可实现增强现实显示，因此具有结构简单、制作难度小、体积小、便于佩戴的优点。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种增强现实显示系统。
背景技术
增强现实(Augmented reality,简称AR)显示系统是将人工生成的数字辅助信号与人眼实时观察到的真实三维场景进行结合的系统，极大地丰富了人类与真实环境之间的交互能力，在医学、军工和工业制造等领域中存在巨大的应用潜力。但是，目前的增强现实显示系统体积大、结构复杂，不便于佩戴。
发明内容
针对以上缺陷，本发明提供一种增强现实显示系统。
本发明提供的增强现实显示系统包括光瞳，所述系统包括图像显示元件、平板透明波导、设置在所述平板透明波导顶面或底面的光耦入元件及设置在所述平板透明波导顶面或底面的光耦出元件，其中：
所述光耦入元件用于将所述图像显示元件发出的图像信号耦合进所述平板透明波导内，并在所述平板波导内发生全反射；
所述光耦出元件用于将所述平板透明波导内的图像信号耦合输出并汇聚在所述光瞳内。
可选的，所述光耦入元件设置在所述平板透明波导的一端，所述光耦出元件设置在所述平板透明波导的另一端。
可选的，所述光耦入元件为自由曲面光学元件。
可选的，所述光耦入元件为全息透镜。
可选的，所述光耦入元件为全息光栅，所述全息光栅为空间调制器输出的物光与参考光在全息材料上干涉所形成的光栅；所述系统还包括透镜组，所述透镜组包括若干个透镜，所述透镜组用于对所述图像显示元件发出的图像信号进行像差校正。
可选的，所述全息光栅为透射式全息光栅或反射式全息光栅。
可选的，所述全息材料为透光率大于50％的卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折晶体。
可选的，所述全息材料的厚度在1um～100um。
可选的，所述平板透明波导的厚度在1mm～10mm。
可选的，所述平板透明波导的材质为光学玻璃或光学塑料。
本发明提供的一种增强现实显示系统中，采用光耦入元件将图像显示元件发出的图像信号耦合输入到平板透明波导内，图像信号在平板透明波导内发生全反射，并通过光耦出元件耦出，汇聚在光瞳内，这样人眼便可以在光瞳处看到二维图像，而由于波导为透明的，因此人眼还可以观看到周围的外界场景，从而将虚拟图像叠加在真实场景中的目的。由于本发明仅采用了图像显示元件、平板透明波导、光耦入元件及光耦出元件即可实现增强现实显示，因此具有结构简单、制作难度小、体积小、便于佩戴的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1示出了本发明一实施例中增强现实显示系统的结构示意图；
图2示出了本发明另一实施例中增强现实显示系统的结构示意图；
图3示出了本发明又一实施例中增强现实显示系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本发明提供一种增强现实显示系统，该系统包括光瞳，还包括图像显示元件、平板透明波导、设置在平板透明波导顶面或底面的光耦入元件及设置在平板透明波导顶面或底面的光耦出元件，其中：
光耦入元件用于将图像显示元件发出的图像信号耦合进平板透明波导内，并在平板波导内发生全反射；
光耦出元件用于将平板透明波导内的图像信号耦合输出并汇聚在光瞳内。
本发明提供增强现实显示系统中，采用光耦入元件将图像显示元件发出的图像信号耦合输入到平板透明波导内，图像信号在平板透明波导内发生全反射，并通过光耦出元件耦出，汇聚在光瞳内，这样人眼便可以在光瞳处看到二维图像，而由于波导为透明的，因此人眼还可以观看到周围的外界场景，从而将虚拟图像叠加在真实场景中的目的。由于本发明仅采用了图像显示元件、平板透明波导、光耦入元件及光耦出元件即可实现增强现实显示，不需要自由曲面棱镜，具有结构简单、制作难度小、体积小、便于佩戴的优点。
在具体实施时，图像显示元件可以为液晶显示元件，也可以为有机电致发光显示元件。
在具体实施时，可以将光耦入元件设置在平板透明波导的一端，将光耦出元件设置在平板透明波导的另一端。
在具体实施时，光耦入元件为自由曲面光学元件，也可以是全息透镜、全息光栅，其中全息光栅是空间调制器输出的物光与参考光在全息材料上干涉所形成的光栅，当光耦入元件为全息光栅时，本发明提供的系统中还包括透镜组，所述透镜组包括若干个透镜，透镜组用于对所述图像显示元件发出的图像信号进行像差校正。其中，全息透镜既作为耦入光学元件具有校正像差的功能。当然，还可以是其他的光学元件作为光耦入元件。
与制作全息光栅的方法极相似，全息透镜也是利用两束相干光在叠加区域产生干涉，形成干涉条纹，记录这些干涉条纹就得到全息透镜。所不同的是制作全息光栅采用的是两束平面波的叠加，而制作全息透镜一般是采用记录平面波与球面波的干涉叠加条纹而成。制作全息透镜还可以采用两束球面波的干涉叠加，一束是发散的；另一束是会聚的。该全息透镜由空间光调制器产生的所需要特定记录波前作为物光与参考光进行干涉形成。全息透镜具有光焦度，起到校正像差的作用，代替透镜组，使系统实现轻小化。
在具体实施时，光耦出元件可以采用全息光栅，当然还可以采用其他光学元件。
其中，全息光栅按照严格耦合波理论起到耦合图像的作用。
下面以自由曲面光学元件作为光耦入元件，以全息光栅为光耦出元件为例进行说明：
如图1所示，图像显示元件发出的光线A、B、C，经过自由曲面光学元件F进入平板透明波导G中，并在顶面r1和底面r2发生全反射，到达光耦出元件CGH2，并汇聚到光瞳P处，被人眼观察到。同时，人眼在光瞳处还可以观察到外界的真实场景。
下面以全息透镜为光耦入元件，以全息光栅作为光耦出元件为例进行说明：
如图2所示，图像显示元件发出的光线A、B、C，经过全息透镜CGH1进入平板透明波导G中，并在顶面r1和底面r2发生全反射，到达全息光栅CGH2，并汇聚到光瞳P处，被人眼观察到。同时，人眼在光瞳处还可以观察到外界的真实场景。
下面以全息光栅作为光耦入元件和光耦出元件为例进行说明：
如图3所示，图像显示元件发出的光线A、B、C，经过全息光栅CGH1’和透镜组G1-G8进入平板透明波导G中，并在顶面r1和底面r2发生全反射，到达全息光栅CGH2，并汇聚到光瞳P处，被人眼观察到。同时，人眼在光瞳处还可以观察到外界的真实场景。
在具体实施时，全息光栅为透射式全息光栅或反射式全息光栅。其中，所谓的透射式全息光栅是指形成光栅的物光和参考光均在全息材料的一侧照向全息材料。所谓的反射式全息光栅是指形成光栅的物光在全息材料的一侧照向全息材料，而参考光设置在全息材料的另一侧照向全息材料。
在具体实施时，全息材料可以采用透光率大于50％的卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折晶体。
在具体实施时，全息材料的厚度可在1um～100um之内。
在具体实施时，平板透明波导的厚度可在1mm～10mm之内。
在具体实施时，平板透明波导的材质为光学玻璃或光学塑料。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或者部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种增强现实显示系统，包括光瞳，其特征在于，所述系统还包括图像显示元件、平板透明波导、设置在所述平板透明波导顶面或底面的光耦入元件及设置在所述平板透明波导顶面或底面的光耦出元件，其中：
所述光耦入元件用于将所述图像显示元件发出的图像信号耦合进所述平板透明波导内，并在所述平板波导内发生全反射；
所述光耦出元件用于将所述平板透明波导内的图像信号耦合输出并汇聚在所述光瞳内。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光耦入元件设置在所述平板透明波导的一端，所述光耦出元件设置在所述平板透明波导的另一端。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光耦入元件为自由曲面光学元件。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光耦入元件为全息透镜。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光耦入元件为全息光栅，所述全息光栅为空间调制器输出的物光与参考光在全息材料上干涉所形成的光栅；所述系统还包括透镜组，所述透镜组包括若干个透镜，所述透镜组用于对所述图像显示元件发出的图像信号进行像差校正。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述全息光栅为透射式全息光栅或反射式全息光栅。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述全息材料为透光率大于50％的卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折晶体。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述全息材料的厚度在1um～100um。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平板透明波导的厚度在1mm～10mm。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平板透明波导的材质为光学玻璃或光学塑料。
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