CN106773046A - 一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法，包括位于波导基体两侧正相对的光调制器和第一衍射光学元件，波导基体另一端设置有位于第一衍射光学元件同侧/相对侧的第二衍射光学元件；通过一台光调制器同时加载两幅相位图像，并由第一衍射光学元件不同的曝光区域的不同调制处理，形成待显示物体的复振幅波前，并在波导基板内以全内反射的方式传输。本发明的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法，实现三维增强现实显示系统的轻薄化，同时，能够有效提高复振幅信号的质量。

Description

一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法

技术领域

本发明涉及三维增强现实显示技术，更具体地，涉及一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法。

背景技术

现有三维增强现实显示系统一般是基于双目视差，集成成像，复振幅调制等技术。

基于双目视差原理的三维增强现实显示系统，由大脑进行合成生成三维信号。其目前的装置结构主要有两大类，一类是基于自由曲面波导(或棱镜)的三维增强现实显示系统。

如中国专利申请CN104090330A、CN105629478，通过在光波导中引入自由曲面，完成光线的传输，以减少装置体积和质量。也有通过在光波导中引入全息光学元件，以进一步实现系统结构的轻薄化，如美国专利US20140168735A1。

但是，基于双目视差的的三维增强现实显示系统需要通过人的大脑完成两幅二维图像的融合，由于视角图像少，聚焦和调焦的不匹配，观察时间过长会给观察者带来视疲劳和眩晕感。

基于集成成像的增强现实显示系统通过在水平和垂直方向显示多个视角图像近似恢复显示物体光场信息，解决了聚焦和调焦的不匹配的问题，但集成成像算法复杂，对系统要求高。

基于单目复振幅调制技术的真三维增强现实显示系统，通过虚拟物体复振幅的准确再现，消除了聚焦和调焦的不匹配问题，且算法简单，易实现实时处理显示。

但是，为了实现复振幅的准确对准，在系统中不得不加入分束镜等光学元件实现合束，增大了系统体积和质量。此外，对准精度难以控制。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的体积小、结构简单的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统以及应用该系统的调制方法。

根据本发明的一个方面，提供一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其包括：位于波导基板两侧正相对的用于同时加载两幅相位图像的光调制器和用于调制耦合复振幅信号的第一衍射光学元件，所述波导基板另一端设置用于耦合输出复振幅信号的第二衍射光学元件。

由于采用一台光调制器同时加载两幅相位图像，极大的降低了复振幅信号对准过程的难度，极大的提高了产生复振幅信号的质量，同时，系统结构简单，实现了三维增强现实显示系统的轻薄化。

根据本发明的另一个方面，提供一种复振幅调制增强现实显示的方法，其包括以下步骤：

S1、采用一台光调制器同时加载两幅相位图像信号，该两幅相位图像信号调制入射光形成两种不同相位分布的信号；

S2、将两种相位分布的信号经过第一次调制耦合，产生复振幅信号E′e^iθ′；

S3、经第一次调制耦合后的复振幅信号E′e^iθ′在波导基板内经过一定距离的传输，经第二次调制耦合得到复振幅信号Ee^iθ，以输出叠加于真实场景之上的虚拟图像。

该方法有效的提高的复振幅信号的质量，减少了产生复振幅信号所需的光学元件，大幅减小了系统的体积，增强了三维增强现实显示的效果。

本申请提出的一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法，其有益效果主要如下：

(1)由一台光调制器同时加载两幅相位图像，能够有效的提高产生的复振幅信号的质量，实现三维增强现实显示系统的超薄化；

(2)第一衍射光学元件和第二衍射光学元件均采用全息光学元件，进一步促进三维增强现实显示系统的超薄特征；

(3)通过所要得到的三维物体的复振幅信号反推光调制器加载的两幅相位图像的相位，以精确控制产生的复振幅信号；

(4)入射到第一衍射光学元件上不同的曝光区域的相位图像信号的光线，采用不同的调制处理过程，实现复振幅信号的精确对准，形成复振幅信号；

(5)复振幅信号在波导基体中以全内反射的方式传输，有效减少复振幅信号传输过程中的损失。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1所示，一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，包括波导基板3，波导基板3的两侧分别设置有光调制器1和第一衍射光学元件2，光调制器1与第一衍射光学元件2正相对的设置在波导基板3的两侧。

光调制器1用于同时加载两幅相位图像。在目前的三维增强现实显示技术领域，对由两幅相位图像产生的信号进行调制时，需要采用两台光调制器1。采用两台光调制器1产生复振幅信号时，由于两台光调制器1上的相位图像难以达到完全对准，这种差别对于重现的复振幅信号质量影响非常明显。同时，采用两台光调制器1产生复振幅信号，增加了三维增强现实显示系统的体积，难以实现三维增强现实显示系统的轻薄化。

在波导基板3的另一端设置有第二衍射光学元件4。第二衍射光学元件4紧靠波导基板3，并且位于第一衍射光学元件2所在位置的同一侧或其相对侧。

由第一衍射光学元件2调制耦合得到的复振幅信号E′e^iθ′在波导基板3中传输至第二衍射光学元件4，第二衍射光学元件4将该复振幅信号输出，以便于人眼观察。

参见图2所示，光调制器1设置有第一像素区域101和第二像素区域102，用于同时加载两幅相位图像。将光调制器1的图像加载区域分为两个区域，以加载不同的相位图像。光调制器1的两个相位图像加载区域相对于波导基板3的位置相同，在调制复振幅信号的同时，避免了采用两台光调制器1加载相位图像时，相位图像加载区域与波导基板3的相对位置的不同而导致的不利影响。

第一衍射光学元件2采用全息光学元件。全息光学元件质量轻，十分轻薄，有利于三维增强现实显示系统的超薄化。

参见图3所示，第一衍射光学元件2设置有单次曝光区域201和二次曝光区域202。单次曝光区域201与第一像素区域101对应设置，二次曝光区域202与第二像素区域102对应设置，并且，二次曝光区域202位于第一曝光区域201与第二衍射光学元件4之间。

加载在光调制器1的第一像素区域101的光线，经光调制器1调制后，经由波导基板3，入射到第一衍射光学元件2的单次曝光区域201。入射到单次曝光区域201的光线经单次曝光区域201调制后，在波导基板3内传输。

入射到光调制器1的第二像素区域102的光线，经光调制器1调制后，经由波导基板3，入射到第一衍射光学元件2的二次曝光区域202。入射到二次曝光区域202的光线经二次曝光区域202调制后，在波导基板3内传输。

第一像素区域101到二次曝光区域202的光路距离，比第二像素区域102到二次曝光区域202的光路距离要远。经单次曝光区域201调制后的光线以一定角度进入波导基板3内传输，并向二次曝光区域202的方向传输。此时，经二次曝光区域202调制后的光线与波导基板3中传输过来的经单次曝光区域201调制的光线重合，完成合束对准，形成复振幅信号E′e^iθ′在波导基板3中传输。

经第一衍射光学元件调制耦合的复振幅信号E′e^iθ′在波导基板3内传输至第二衍射光学元件4，第二衍射光线元件4将传输后的复振幅信号调制耦合后输出。第二衍射光学元件4采用全息光学元件。全息光学元件质量轻，十分轻薄，有利于三维增强现实显示系统的超薄化。

一种复振幅调制增强现实显示的方法，包括以下步骤：

S1、采用一台光调制器1同时加载两幅相位图像信号，该两幅相位图像信号调制入射光形成两种不同相位分布的信号；

S2、将两种相位分布的信号经过第一次调制耦合，产生复振幅信号E′e^iθ′；

S3、经第一次调制耦合后的复振幅信号E′e^iθ′在波导基板3内经过一定距离的传输，经第二次调制耦合得到复振幅信号Ee^iθ，以输出叠加于真实场景之上的虚拟图像。

采用一台光调制器1同时加载两幅相位图像，不仅能够有效的减小三维增强现实显示系统的体积，实现三维增强现实显示系统的轻薄化，还能够降低复振幅调制过程的难度，提高所产生的复振幅信号的质量，避免了因两幅相位图像的对准误差影响再现物体的对比度和清晰度。

由光调制器1同时加载的两幅相位图像信号经过两次调制耦合后输出，以实现三维增强现实显示，调制方法简单、易于控制。

上述步骤S1中，采用一台光调制器1同时加载两幅相位图像信号的具体方法为：第一相位图像加载在光调制器1的第一像素区域101，第二相位图像加载在光调制器1的第二像素区域102。

照射两幅相位图像的光线分别入射到光调制器1的不同的像素区域，第一相位图像由第一像素区域101加载，第二相位图像由第二像素区域102加载，实现一台光调制器1同时加载两幅相位图像，相互之间不会产生干扰。

上述步骤S1中，将该两幅相位图像信号调制形成两种不同相位分布的信号的具体方法为：

S11、将所要产生的复振幅信号Ee^iθ分解成两幅相位图像信号的叠加公式；

S12、对叠加公式计算得到两幅相位图像信号的相位分布θ₁和θ₂；

S13、入射到光调制器1的第一像素区域101的光，经第一相位图像调制后，形成θ₁的相位分布，入射到光调制器1的第二像素区域102的光，经第二相位图像调制后，形成θ₂的相位分布。

通过所要得到的复振幅信号Ee^iθ反推入射到第一衍射光学元件2的复振幅分布，并进一步反推得到光调制器1上的相位分布。入射到光调制器1上的光经光调制器1上的相位图像信号调制后，光线按设定的相位分布入射到第一衍射光学元件2，以准确控制复振幅信号的相位和振幅。

步骤S2中，将两种不同相位分布的信号经过第一次调制耦合，产生复振幅信号E′e^iθ′具体方法为：

S21、具有θ₁相位分布的光线入射位于波导基板3另一侧的第一衍射光学元件2的单次曝光区域201，经单次曝光区域201调制后形成第一信号，在波导基板3内传输；

S22、具有θ₂相位分布的光线入射位于波导基板3另一侧的第一衍射光学元件2的二次曝光区域202，经调制后形成第二信号；

S23、经二次曝光区域202调制的第二信号与经单次曝光区域201调制、在波导基板3内传输的第一信号在二次曝光区域202重合，完成合束对准，形成复振幅信号E′e^iθ′。

加载在光调制器1的第一像素区域101的光线，经光调制器1调制后，以θ₁的相位分布，经由波导基板3，入射到第一衍射光学元件2的单次曝光区域201。入射到单次曝光区域201的光线经单次曝光区域201调制后，在波导基板3内传输。

入射到光调制器1的第二像素区域102的光线，经光调制器1调制后，经由波导基板3，入射到第一衍射光学元件2的二次曝光区域202。入射到二次曝光区域202的光线经二次曝光区域202调制后，在波导基板3内传输。

第一像素区域101到二次曝光区域202的光路距离，比第二像素区域102到二次曝光区域202的光路距离要远。经单次曝光区域201调制后的光线以一定角度进入波导基板3内传输，并向二次曝光区域202的方向传输。此时，经二次曝光区域202调制后的光线与波导基板3中传输过来的经单次曝光区域201调制的光线重合，完成合束对准，形成复振幅信号E′e^iθ′在波导基板3中传输。

经第一衍射光学元件2第一次调制耦合的复振幅信号E′e^iθ′在波导基板3内传输至第二衍射光学元件4，该复振幅信号E′e^iθ′在波导基板3内以全内反射的方式传输，并且，其传输角度满足以下条件：

其中，为复振幅信号传播角度，为全内反射的临界角，n为波导基板3的材料的折射率。

复振幅信号E′e^iθ′在波导基板3内以全内反射的方式进行传输，有效的降低了复振幅信号E′e^iθ′在波导基板3内传输时的损耗，以增强传输至第二衍射光学元件4的复振幅信号的强度，有效的增强三维增强现实显示的信号强度和质量。

传输至经过单次曝光处理的第二衍射光学元件4的复振幅信号经第二衍射光学元件4第二次调制耦合后，得到复振幅信号Ee^iθ，由第二衍射光学元件4输出叠加于真实场景之上的虚拟图像。输出的信号立体感好，能够真实再现三维物体的复振幅波前。

复振幅信号Ee^iθ由经光调制器1和第一衍射光学元件2调制耦合得到的复振幅波前E′e^iθ′经过一定距离的衍射传播而得到。步骤S11中，将所要产生的复振幅信号Ee^iθ分解成两幅相位图像信号的叠加公式，根据复振幅调制技术产生物体复振幅的原理，E′e^iθ′可以分解成两幅纯相位图像的叠加，即：

Ee^iθ＝FrT_λ,d{E′e^iθ′} (2)

其中，E为复振幅信号的振幅，为虚数单位，θ为复振幅信号的相位，FrT为菲涅尔变换运算符，λ为光波长，d为加载的相位图像的衍射距离，E′、θ′分别为两幅纯相位图像叠加后的信号的振幅和相位。

由于第一像素区域101到二次曝光区域202的光路距离，比第二像素区域102到二次曝光区域202的光路距离要远，为了得到复振幅信号，实现两幅相位图像的光线的合束对准，两幅相位图像的光线在波导基板3内的传输需要满足一定的条件，即，两幅相位图像的光线合束后形成的复振幅波前E′e^iθ′是经光调制器1调制后的两幅相位图像的光线的叠加，采用函数关系表示为方程式(3)：

其中，FrT为菲涅尔变换运算符，λ为光波长，d₁为第一相位图像的衍射距离，d₂为第二相位图像的衍射距离，θ₁为第一相位图像的相位，θ₂为第二相位图像的相位，为虚数单位。

步骤S12中，对叠加公式计算得到两幅相位图像信号的相位分布θ₁和θ₂的具体方法为，求解方程式(3)，分别令方程式(3)两边的振幅和相位相等，得到关于θ₁、θ₂的方程组：

其中，Amp、Pha分别为取振幅、取相位操作，f₁为复振幅信号E′e^iθ′的振幅关于θ₁和θ₂的函数表达式，f₂为复振幅信号E′e^iθ′的相位关于θ₁和θ₂的函数表达式。

根据方程式(4)即可计算得到第一相位图像的相位θ₁和第二相位图像的相位θ₂：

其中，g₁、g₂分别为θ₁、θ₂的解表达式。

由所要得到的复振幅信号Ee^iθ的振幅和相位，反推加载的两幅相位图像的光线进入波导基板3中的相位分布，以准确控制复振幅信号的振幅和相位分布。处理的计算量小，处理速度快。

用于第一次调制耦合的第一衍射光学元件2的单次曝光区域201和二次曝光区域202分别经过不同的曝光处理。单次曝光区域201经过一次曝光处理，以实现调制功能；二次曝光区域202经过两次曝光处理，以实现调制合束功能。

步骤S21中，单次曝光区域201采用单次曝光处理时，其单次曝光参考光和物光的波矢角度为β₁：

式中，为复振幅信号在波导基板中的传播角度。

步骤S22中，二次曝光区域202采用两次曝光处理时，其两次曝光中，参考光和物光的波矢角度不同，第一次曝光角度与单次曝光区域201的曝光角度相同，为β₁：

式中，为复振幅信号在波导基板中的传播角度。

二次曝光区域202的第二曝光角度为β₂：

式中，为复振幅信号在波导基板中的传播角度。步骤S3中，用于第二次调制耦合的第二衍射光学元件4经过单次曝光处理，以实现反射功能，其单次曝光参考光和物光的波矢角度与第一衍射光学元件2单次曝光区域201和二次曝光区域202的第一次曝光处理时的曝光角度相同，为β₁：

式中，为复振幅信号在波导基板3内的传播角度。

本发明的一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，包括位于波导基板3两侧正相对的光调制器1和第一衍射光学元件2，以及设置于波导基板3另一端、与第一衍射光学元件2处于同侧/相对侧的第二衍射光学元件4。

由于采用一台光调制器1同时加载两幅相位图像，极大的降低了复振幅信号调制过程的难度，提高了产生复振幅信号的质量，同时，实现了三维增强现实显示系统的轻薄化。

本发明的一种复振幅调制增强现实显示的方法，通过在一台光调制器1上同时加载具有不同相位的两幅相位图像，入射到该两幅相位图像的光线经光调制器1调制后由第一衍射光学元件2不同的曝光区域分别经第一次调制耦合后，形成复振幅波前E′e^iθ′，在波导基板3内以全内反射的方式传输至第二衍射光学元件4，经由第二衍射光学元件4第二次调制耦合后形成复振幅信号Ee^iθ输出，并输出叠加于真实场景之上的虚拟图像。

该方法有效的降低了复振幅调制中两幅相位图像的对准难度，提高了再现复振幅信号的质量，极大地减小了复振幅调制技术三维增强现实系统的尺寸，增强了三维增强现实显示的效果。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其特征在于，其包括：位于波导基板(3)两侧正相对的用于同时加载两幅相位图像的光调制器(1)和用于调制耦合复振幅信号的第一衍射光学元件(2)，所述波导基板(3)的另一端用于耦合输出复振幅信号的第二衍射光学元件(4)。

2.如权利要求1的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其特征在于：所述第二衍射光学元件(4)位于波导基板(3)上与第一衍射光学元件(2)的同侧/相对侧。

3.如权利要求1的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其特征在于：所述光调制器(1)设置有第一像素区域(101)和第二像素区域(102)，用于同时加载两幅相位图像，以生成复振幅信号。

4.如权利要求1的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其特征在于：所述第一衍射光学元件(2)设置有与所述第一像素区域(101)对应的单次曝光区域(201)、与所述第二像素区域(102)对应的二次曝光区域(202)，所述二次曝光区域(202)位于所述单次曝光区域(201)和第二衍射光学元件(4)之间。

5.一种复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、采用一台光调制器(1)同时加载两幅相位图像信号，该两幅相位图像信号调制入射光形成两种不同相位分布的信号；

S2、将两种相位分布的信号经过第一次调制耦合，产生复振幅信号E′e^iθ′；

S3、经第一次调制耦合后的复振幅信号E′e^iθ′在波导基板(3)内经过一定距离的传输，经第二次调制耦合得到复振幅信号Ee^iθ，以输出叠加于真实场景之上的虚拟图像。

6.如权利要求5的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，上述步骤S1中，所述同时加载两幅相位图像信号的具体方法为：第一相位图像加载在光调制器(1)的第一像素区域(101)，第二相位图像加载在光调制器(1)的第二像素区域(102)。

7.如权利要求6的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，所述步骤S1中，该两幅相位图像信号调制入射光形成两种相位分布的信号的具体方法为：

S11、将所要产生的复振幅信号Ee^iθ分解成两幅相位图像信号的叠加公式；

S12、对叠加公式计算得到两幅相位图像信号的相位分布θ₁和θ₂；

S13、入射到光调制器(1)的第一像素区域(101)的光，经第一相位图像调制后，形成θ₁的相位分布，入射到光调制器(1)的第二像素区域(102)的光，经第二相位图像调制后，形成θ₂的相位分布。

8.权利要求7的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，所述步骤S2中，将两种相位分布的信号经过第一次调制耦合，产生复振幅信号E′e^iθ′的具体方法为：

S21、具有θ₁相位分布的光线入射位于波导基板(3)另一侧的第一衍射光学元件(2)的单次曝光区域(201)，经单次曝光区域(201)调制后形成第一信号，在波导基板(3)内传输；

S22、具有θ₂相位分布的光线入射位于波导基板(3)另一侧的第一衍射光学元件(2)的二次曝光区域(202)，经调制后形成第二信号；

S23、经二次曝光区域(202)调制的第二信号与经单次曝光区域(201)调制、在波导基板(3)内传输的第一信号在二次曝光区域(202)重合，完成合束对准，形成复振幅信号E′e^iθ′。

9.权利要求5的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，所述步骤S3中，经第一次调制耦合后的复振幅信号E′e^iθ′在波导基板(3)内经过一定距离的传输的具体内容为，经第一次调制耦合后的复振幅信号在波导基板(3)内以全内反射的方式传输，其传输角度满足以下条件：

式中的为复振幅信号传播角度，为全内反射的临界角，n为波导平板材料的折射率。

10.如权利要求7的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，所述步骤S11中，将复振幅信号Ee^iθ分解成两幅相位图像信号的叠加公式的具体内容为：

Ee^iθ＝FrT_λ,d{E′e^iθ′}

$E^{\′}{e}^{\mathrm{i\θ}\′}=\mathrm{Fr}{T}_{\mathrm{\λ},d_1}\left\{e^{i{\mathrm{\θ}}_1}\right\}+\mathrm{Fr}{T}_{\mathrm{\λ},d_2}\left\{e^{i{\mathrm{\θ}}_2}\right\}$

其中，E′、θ′分别为两幅纯相位图像叠加后的信号的振幅和相位，FrT为菲涅尔变换运算符，λ为光波长，d₁为第一相位图像的衍射距离，d₂为第二相位图像的衍射距离，θ₁为第一相位图像的相位，θ₂为第二相位图像的相位，为虚数单位。

11.如权利要求7的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，所述步骤S12中，对叠加公式计算得到两幅相位图像信号的相位分布θ₁和θ₂的具体内容为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}^{\′}=Amp\left({\mathrm{FrT}}_{\mathrm{\λ},d_1}\right\{e^{{\mathrm{i\θ}}_1}\}+{\mathrm{FrT}}_{\mathrm{\λ},d_2}\{e^{{\mathrm{i\θ}}_2}\left\}\right)=f_1({\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_2)\\ {\mathrm{\θ}}^{\′}=Pha\left({\mathrm{FrT}}_{\mathrm{\λ},d_1}\right\{e^{{\mathrm{i\θ}}_1}\}+{\mathrm{FrT}}_{\mathrm{\λ},d_2}\{e^{{\mathrm{i\θ}}_2}\left\}\right)=f_2({\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_2)\end{array}\right.$

其中，Amp、Pha分别为取振幅、取相位操作，f₁为复振幅信号E′e^iθ′的振幅关于θ₁和θ₂的函数表达式，f₂为复振幅信号E′e^iθ′的相位关于θ₁和θ₂的函数表达式。

12.如权利要求8的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于：

所述单次曝光区域(201)经过一次曝光处理以实现调制功能；

所述二次曝光区域(202)经过两次曝光处理以实现调制合束功能。