CN107479197B - 全息近眼显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的全息近眼显示系统，包括：眼镜式壳体，供佩戴于人体头部，其包括镜片；设于所述外壳的光学成像系统，包括：激光发射器、相位空间光调制器、及设于镜片内侧的体全息表面；所述体全息表面是由设置于所述镜片内侧的体全息光栅所形成的；其中，相位空间光调制器、及体全息表面依次设置，形成供所述激光发射器发射的参考光传送的光路；其中，所述相位空间光调制器调制所接收的光波并出射，所述体全息表面将接收到的经调制的光波衍射向人眼，以形成待显示内容的像；本发明实现利用体全息面的近眼显示系统，结构紧凑，体积小，视场大。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统和器件设计技术领域，特别是涉及全息近眼显示系统。
背景技术
目前近眼显示设备，例如3D眼镜等，基本都是利用双眼观察视差图，产生立体感觉；这种属于伪3D技术；虽然，目前已有一些近眼显示设备出现，例如VR眼镜，但大部分均体积较大，用户体验不佳。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供全息近眼显示系统，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种全息近眼显示系统，包括：眼镜式壳体，供佩戴于人体头部，其包括镜片；设于所述外壳的光学成像系统，包括：激光发射器、相位空间光调制器、及设于镜片内侧的体全息表面；所述体全息表面是由设置于所述镜片内侧的体全息光栅所形成的；其中，相位空间光调制器、及体全息表面依次设置，形成供所述激光发射器发射的参考光传送的光路；其中，所述相位空间光调制器调制所接收的光波并出射，所述体全息表面将接收到的经调制的光波衍射向人眼，以形成待显示内容的像。
于本发明的一实施例中，所述全息近眼显示系统，包括：图像处理器，用于实现以下功能：根据待显示内容构建虚拟模型；根据所述虚拟模型，计算所述相位空间光调制器位置的复振幅；根据所述计算得到的复振幅生成第一相位图；根据系统像差来综合校正所述第一相位图并计算叠加参考光干涉而得到第二相位图；控制模块，电性连接所述图像处理器及相位空间调制器，用于获取所述第二相位图并传输至所述相位空间光调制器，以供所述相位空间光调制器据以对参考光波进行相位调制。
于本发明的一实施例中，所述第一相位图生成所采用的相位图编码方式包括：双位相编码方式或误差扩散编码方式。
于本发明的一实施例中，相位空间光调制器为纯相位型。所述编码方式使用双位相编码方式，其包括：假设相位空间光调制器上某点复振幅为：c＝aeip，编码后的复振幅为：c2；其中，a表示为该点的振幅；p表示该点的相位；
pa＝p-cos-1a；
pb＝p+cos-1a；
ca＝0.5eipa；
cb＝0.5eipb；
c2＝ca×Mask1+cb×Mask2。
其中，Mask1，Mask2为覆盖相位空间光调制器的互补的两个掩膜的表示变量，所述两个掩膜的图案为互补的周期性分布的棋盘格式。
于本发明的一实施例中，所述根据系统像差来综合校正所述第一相位图而得到第二相位图，包括：对所述光路中元件产生的像差通过泽尼克多项式中至少第3项至第7项进行校正及补偿，所述光路中元件产生的像差包括镜片上衍射元件及人眼的像差等。
于本发明的一实施例中，所述的全息近眼显示系统，包括：位于所述眼镜式壳体以外的外置部件；所述相位空间调制器连接有相位空间调制驱动器，所述控制模块连接所述相位空间调制驱动器；所述控制模块电性连接有供电模块；其中，所述控制模块、图像处理器、相位空间调制驱动器、及供电模块中的一或多者设置于所述外置部件中。
于本发明的一实施例中，所述相位空间光调制器的调制中所述参考光为球面波或平面波。
于本发明的一实施例中，所述体全息表面上的衍射符合以下规律：衍射光为沿指定方向指定衍射级次出射。
于本发明的一实施例中，所述相位空间光调制器对所述参考光的入射角度为垂直入射、或沿相对法线倾斜0°～60°方向设置。
于本发明的一实施例中，所述相位空间光调制器的类型包括：硅基液晶、数字微反射镜阵列或液晶显示器。
于本发明的一实施例中，所述激光发射器、相位空间光调制器、及体全息表面中的至少两个之间设有一或多个反射镜，以令所述光路呈弯曲或折叠的形状。
如上所述，本发明的全息近眼显示系统，包括：眼镜式壳体，供佩戴于人体头部，其包括镜片；设于所述外壳的光学成像系统，包括：激光发射器、相位空间光调制器、及设于镜片内侧的体全息表面；所述体全息表面是由设置于所述镜片内侧的体全息光栅所形成的；其中，相位空间光调制器、及体全息表面依次设置，形成供所述激光发射器发射的参考光传送的光路；其中，所述相位空间光调制器调制所接收的光波并出射，所述体全息表面将接收到的经调制的光波衍射向人眼，以形成待显示内容的像；本发明实现利用体全息面的近眼显示系统，结构紧凑，体积小，视场大。
附图说明
图1显示为本发明于一实施例中的全息近眼显示系统的结构示意图。
图2显示为本发明于一实施例中的全息近眼显示系统中光学系统的结构示意图。
图3显示为本发明于一实施例中的全息近眼显示系统中电路模块示意图。
图4a～4d显示为本发明于一实施例中相位图编码所使用互补掩膜的结构示意图。
图5a～5c显示为本发明于多个实施例中体全息表面应用的波矢量示意图。
图6a～6b显示为本发明于多个实施例中体全息表面对待显示内容(物)到成像的光路示意图。
图7a显示为本发明于一实施例中第一相位图的示意图。
图7b显示为图7a对应的第二相位图的示意图。
图7c显示为图7a对应的全息成像示意图。
元件标号说明
101 眼镜式壳体
102 外置部件
201 激光发射器
202 相位空间光调制器
203 体全息表面
204 第一反射镜
205 第二反射镜
301 控制模块
302 图像处理器
303 供电模块
304 音频单元
305 相位空间调制驱动器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明是关于三维全息近眼显示技术领域的，适用于虚拟现实(VR)或增强现实(AR)领域。
如图1所示，展示本发明一实施例中的全息近眼显示系统的应用示意图，其可包括一眼镜式壳体101，穿戴于人体头部，并且该眼镜式壳体101具有透明或不透明的镜片，该镜片包含在眼镜式壳体101内的光学成像系统中，通过近眼显示设备的光学成像系统进行待显示内容的成像，并提供给人眼观看。
请参阅图2，展示本发明一实施例中的全息近眼显示系统的光学成像系统的成像原理图。
所述光学成像系统包括：激光发射器201、相位空间光调制器202、及设于镜片内侧的体全息表面203。
其中，相位空间光调制器202、及体全息表面203依次设置，形成供所述激光发射器201发射的光波传送的光路；其中，所述相位空间光调制器202调制所接收的光波并出射，所述体全息表面203将接收到的经调制的光波衍射向人眼，以形成待显示内容的像。
可选的，所述激光发射器201、相位空间光调制器202、及体全息表面203中的至少两个之间设有一或多个反射镜，即图示中的第一反射镜204和第二反射镜205，以令所述光路呈弯曲或折叠的形状，从而使整个系统的结构紧凑，减小系统体积。
于本发明的一实施例中，所述相位空间光调制器202的类型包括：硅基液晶(LCOS)、数字微反射透镜阵列(DMD)或液晶显示器(LCD)。
如图3所示，展示所述全息近眼显示系统的控制电路部分，其包括：控制模块301、图像处理器302及供电模块303；可选的，还可包括音频单元304。
所述控制模块301，电性连接图像处理器302及相位空间调制器。具体的，所述相位空间调制器连接有相位空间调制驱动器305，所述控制模块301连接所述相位空间调制驱动器305，以通过相位空间调制驱动器305来控制相位空间调制器；所述控制模块301可用于三维全息显示系统的整体控制。于本发明的一实施例中，所述控制模块301可以通过处理器(MCU、CPU、SOC、CPLD、或FPGA等)、存储器(RAM或ROM)等实现，存储器中存储有指令，所述处理器执行指令来实现对应功能。
所述供电模块303，电性连接所述控制模块301，以进行供电。于本发明的一实施例中，所述供电模块303可以是电池，优选为低功耗的锂电池。
所述音频单元304，电性连接所述控制模块301，用于进行音频采集、传输或播放等；举例来说，所述音频单元304可用于传输与所显示内容相配合的音频，并进行播放。
所述图像处理器302，用于加速计算过程，于本发明的一实施例中，用在以下过程：
A)根据所述虚拟模型计算得到所述相位空间光调制器位置的复振幅生成第一相位图；
B)根据系统像差来综合校正所述第一相位图并计算叠加参考光干涉而得到第二相位图。
所述控制模块301将第二相位图发送给所述相位空间光调制器。
具体的，所述待显示内容为虚拟模型，可以是第三方建模软件(如3DMAX，SolidWorks等)建立，可以是3D模型，也可以是2D图形。
全息的原理按其物理意义又可称为波前的记录和重现，用一个参考光和物体衍射的光波(称为物光波)干涉，可以完全记录物光波的振幅和位相信息，并且由这样一张干涉图与参考光进行衍射，可以重现原来物体的像。
由于本发明采用数字化的方式模拟了该记录过程，而得到第二相位图，所述相位空间光调制器将来自激光发射器的参考光和所述第二位相图进行干涉(即调制)后输出，所述参考光可以为球面波或平面波；将干涉后输出的光波通过体全息面衍射成全息图像。
所述第一相位图生成所采用的相位图编码方式包括：双位相编码方式或误差扩散编码方式。
举例来说，设所述相位空间光调制器为纯相位型，所述编码方式使用双位相编码方式，其包括：假设相位空间光调制器上某点复振幅为：c＝aeip，编码后的复振幅为：c2；；其中，a表示为该点的振幅；p表示该点的相位；
计算以下参数：
pa＝p-cos-1a；
pb＝p+cos-1a；
ca＝0.5eipa；
cb＝0.5eipb；
再根据纯相位编码公式：c2＝ca×Mask1+cb×Mask2，可求得c2；
其中，Mask1，Mask2为覆盖相位空间光调制器的互补的两个掩膜的表示变量，取值为0或1，所述两个掩膜的图案为周期性分布的棋盘格式，其中，第一掩膜的示意图如图4a所示，图4b是图4a中第一掩膜的A部分的局部放大示意图；另外的第二掩膜的示意图如图4c所示，图4d是图4c中第二掩膜的B部分的局部放大示意图如图4d所示，从图4b和4d比较可知两个掩膜的互补方式。
具体的，参考光照射空间光调制器(SLM)对所述参考光的入射角度可以设置为垂直入射，也可以沿相对法线倾斜0°～60°方向设置，根据系统结构而定。
于本发明的一实施例中，所述光学成像系统的光路经过的各部分均有可能产生像差，例如镜片上衍射元件、人眼的像差等；本申请中将该些像差统称为系统像差，所述综合校正不仅包括对全息再现像本身的校正，还包括对后续光路中产生的像差的补偿，例如镜片上衍射元件、人眼的像差的补偿；优选的，对所述第一相位图进行关于泽尼克多项式中至少第3项至第7项的校正及补偿，该几项的多项式可参考下表1可知。
表1：
所述图像处理器302可以通过图像处理芯片(GPU)电路实现。
请再参阅图1所示实施例，所述全息近眼显示系统还可包括：位于所述眼镜式壳体101以外的外置部件102；其中，所述控制模块301、图像处理器302、相位空间调制驱动器305、及供电模块303中的一或多者设置于所述外置部件102中，从而减小眼镜式壳体101的体积。
于本发明的一实施例中，所述镜片内侧加工有体全息光栅来形成该体全息表面，所述体全息表面上的衍射符合以下规律：设镜片拥有波矢量Kg，入射光为Kp，衍射光为Kd，Kd沿指定方向指定衍射级次出射，最终到达人眼，出射光线视场60°。由于不使用透镜，可以大幅度缩减设备体积。
具体的，所述体全息面光栅的矢量、以及工作情况波矢量如图5a至5c所示。图5a展示体全息光栅的工作矢量图，如果入射光为Kp与体全息光栅矢量分量Ks有一定角度误差会产生一定的布拉格误差，即如图5b所示。
如图5c所示，由于不同波长的体全息光栅矢量分量Ks不同；对于彩色显示，通过时分复用不同的入射光矢量，可以达到彩色显示效果。
所述体全息表面可以当成透射元件也可以当成反射元件，如图6a及6b所示，图6a展示像是由体全息表面(VHS)对入射光Kp反射后输出衍射光Kd来形成的；图6b展示像由体全息表面对入射光Kp折射后输出衍射光Kd来形成的。
如图7a至图7c所示，展示一实施例中从第一相位图、第二相位图到全息成像的过程。其中，图7a显示为本发明于一实施例中第一相位图的示意图；图7b显示为图7a对应的第二相位图的示意图；图7c显示为图7a对应的全息成像示意图。
综上所述，本发明的全息近眼显示系统，包括：眼镜式壳体，供佩戴于人体头部，其包括镜片；设于所述外壳的光学成像系统，包括：激光发射器、相位空间光调制器、及设于镜片内侧的体全息表面；所述体全息表面是由设置于所述镜片内侧的体全息光栅所形成的；其中，相位空间光调制器、及体全息表面依次设置，形成供所述激光发射器发射的参考光传送的光路；其中，所述相位空间光调制器调制所接收的光波并出射，所述体全息表面将接收到的经调制的光波衍射向人眼，以形成待显示内容的像；本发明实现利用体全息面的近眼显示系统，结构紧凑，体积小，视场大。
本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种全息近眼显示系统，其特征在于，包括：
眼镜式壳体，供佩戴于人体头部，其包括镜片；
设于所述壳体的光学成像系统，包括：激光发射器、相位空间光调制器、及设于镜片内侧的体全息表面；所述体全息表面是由设置于所述镜片内侧的体全息光栅所形成的；其中，相位空间光调制器、及体全息表面依次设置，形成供所述激光发射器发射的参考光传送的光路；其中，所述相位空间光调制器调制所接收的光波并出射，所述体全息表面将接收到的经调制的光波衍射向人眼，以形成待显示内容的像；
图像处理器，用于实现以下功能：根据待显示内容构建虚拟模型；根据所述虚拟模型，计算所述相位空间光调制器位置的复振幅；根据所述计算得到的复振幅生成第一相位图；根据系统像差来综合校正所述第一相位图并计算叠加参考光干涉而得到第二相位图；
控制模块，电性连接所述图像处理器及相位空间调制器，用于获取所述第二相位图并传输至所述相位空间光调制器，以供所述相位空间光调制器据以对参考光波进行相位调制
所述第一相位图生成所采用的相位图编码方式包括：双位相编码方式；相位空间光调制器为纯相位型；所述双位相编码方式包括：
假设相位空间光调制器上某点复振幅为：c＝aeip，编码后的复振幅为：c2；其中，a表示为该点的振幅；p表示该点的相位；
pa＝p-cos-1a；
pb＝p+cos-1a；
C2＝Ca×Mask1+Cb×Mask2；
其中，Mask1，Mask2为覆盖相位空间光调制器的互补的两个掩膜的表示变量，所述两个掩膜的图案为互补的周期性分布的棋盘格式。
2.根据权利要求1所述的全息近眼显示系统，其特征在于，所述根据系统像差来综合校正所述第一相位图而得到第二相位图，包括：对所述光路中元件产生的像差通过泽尼克多项式中至少第3项至第7项进行校正及补偿，所述光路中元件产生的像差包括镜片上衍射元件及人眼的像差。
3.根据权利要求1所述的全息近眼显示系统，其特征在于，包括：位于所述眼镜式壳体以外的外置部件；所述相位空间调制器连接有相位空间调制驱动器，所述控制模块连接所述相位空间调制驱动器；所述控制模块电性连接有供电模块；其中，所述控制模块、图像处理器、相位空间调制驱动器、及供电模块中的一或多者设置于所述外置部件中。
4.根据权利要求1所述的全息近眼显示系统，其特征在于，所述参考光为球面波或平面波。
5.根据权利要求1所述的全息近眼显示系统，其特征在于，所述体全息表面上的衍射符合以下规律：衍射光为沿指定方向指定衍射级次出射。
6.根据权利要求1所述的全息近眼显示系统，其特征在于，所述相位空间光调制器对所述参考光的入射角度为垂直入射、或沿相对法线倾斜0°～60°方向设置。
7.根据权利要求1所述的全息近眼显示系统，其特征在于，所述相位空间光调制器的类型包括：硅基液晶、数字微反射镜阵列或液晶显示器。
8.根据权利要求1所述的全息近眼显示系统，其特征在于，所述激光发射器、相位空间光调制器、及体全息表面中的至少两个之间设有一或多个反射镜，以令所述光路呈弯曲或折叠的形状。
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