CN107561710A - 一种基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，由准直光源、空间光调制器、分光棱镜、成像系统、分光镜、自由曲面半透半反镜和孔径光阑组成。本发明头戴显示系统具有结构简单、成像质量高、亮度高和无坏点优点，可实现图像信息的三维立体再现，可应用于增强的现实的头戴显示设备中。
Description
技术领域
本发明涉及头戴显示领域，特别是一种基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统。
背景技术
传统的三维投影技术采用微型显示器投射出二维图像，并分别呈现在用户的左右眼处供用户观察。由于两眼之间存在一定的距离，左右眼与观察图像之间便会形成一定的夹角，并且所观察到的图像存在一定的差距，称为人眼视差。传统的三维投影技术便是利用人眼视差形成图像，并反映到大脑中产生远近的立体感觉。现有的头戴显示装置，如Hololens和Google Glass均采用该技术实现三维成像。基于此技术的头戴显示系统存在的缺点主要有：
1)采用微型显示器作为像源，显示芯片一般为LCOS或OLED，亮度低，功耗大。
2)传统三维投影技术基于点对点成像原理，成像质量受显示芯片图像质量的直接影响。
3)微型显示器产生的共轭像位于固定焦距处，需采用大景深光学系统实现三维成像。
4)人眼关于观察像的汇聚点与共轭像的焦点之间存在差距，长期的观察会引起人眼疲劳，影响用户体验。
对比而言，三维全息投影技术是利用干涉和衍射原理，记录并再现物体真实的三维信息。基于此技术的头戴显示系统通过对三维图像进行计算编码，将其位相分布输入到空间光调制器，并利用输入光的干涉衍射作用，对三维图像进行实时再现。另外，该技术基于点对面的成像原理，可避免传统投影技术的遮拦成像，有效地提高了光能利用率。三维全息投影技术实现的图像显示效果与观察者的观察距离无关，不会引起观察者的视觉疲劳。该技术使动态三维显示成为可能，但迄今为止，三维全息投影技术并未能实现工业化应用，在头戴显示系统中的应用也鲜有报道。在先技术[1](参见乔文，黄文彬，浦东林等。一种头戴式增强现实三维显示装置，CN106501938A，2017)提出一种可实现无视觉疲劳的头戴式显示增强3D显示方案和显示装置，该显示装置由图像生成装置和透明光场镜片组成，其中透明光场镜片采用纳米光栅结构的视角放大装置实现对图像的汇聚成像和光场视角放大，与图像生成装置相匹配在人眼前方投射出汇聚波形成三维虚拟景象。该技术的不足之处在于：
1)图像生成装置中采用的光源为LCOS或者OLED屏幕，亮度低，功耗大。
2)透明光场镜片采用的纳米光栅结构加工难度大，加工工艺复杂，成本高。
3)由纳米光栅的衍射、干涉作用引起的杂散光和色散很难通过光学系统得以矫正，降低了头戴显示装置的成像质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统。该头戴显示系统具有结构简单、成像质量高、亮度高、无坏点等优点，可实现图像信息的三维立体再现，应用于增强现实的头戴显示设备中。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特点在于该系统由准直光源、空间光调制器、分光棱镜、成像系统、分光镜、自由曲面半透半反镜和孔径光阑组成，其位置关系为：以空间光调制器的表面为物面，沿所述的空间光调制器输出的光束传播方向，依次为所述的分光棱镜、成像系统和分光镜；在分光棱镜反射方向上放置所述的准直光源；在分光镜反射方向上放置所述的自由曲面半透半反镜，在自由曲面半透半反镜反射方向上并距离分光镜左边一定距离处放置所述的孔径光阑；所述的孔径光阑和所述的自由曲面半透半反镜关于光轴呈轴对称放置，其中所述的孔径光阑位置与人眼瞳孔位置重合，所述的分光镜的法线与光轴所成的角度范围为35°～45°。
所述的准直光源为激光器和准直透镜组的组合体，其中激光器可以为半导体激光器或气体激光器，准直透镜组由一系列透镜组成，实现出射光束为平行光束。
所述的空间光调制器基于反射式液晶微显示屏，为反射型空间光调制器，分辨率为720P或1080P，尺寸范围为0.22in～0.7in。
所述的分光棱镜为晶体棱镜或立方棱镜。
所述的成像系统由一系列透镜组组成，可以为球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜，透镜材料为玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
所述的成像系统的透镜前后表面均镀有抗反膜AR。
所述的分光镜为镀分光薄膜的平面分光镜或立方棱镜。
所述的自由曲面半透半反镜面形为自由曲面，其面形矢高由以下公式给出：
其中，c1＝1/r1,r1为基准面曲率半径，r为光线径向坐标，k为二次曲面系数，ai为高阶系数，Zi(ρ，φ)为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，φ为归一化的角度坐标。
所述的自由曲面半透半反镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其前表面镀有反射膜。
与先技术相比，本发明能获得的有益效果如下：
(1)亮度高、损耗小。本发明中涉及的头戴显示系统采用激光器的准直光束作为光源，具有高亮度、单色性好、准直性高等特点，且光源的电功率<1W，光功率<0.2W。较其他采用普通显示方案的头戴显示系统，能获得的光亮度为其10倍以上，具有亮度高、损耗小的优点。
(2)成像质量高。本发明头戴显示系统采用自由曲面半透半反镜与分光镜关于光轴对称放置，有利于校正视场边缘的畸变，且自由曲面半透半反镜不会引入球差，可利用成像系统的透镜组匹配进行色差校正，提高了头戴显示系统的成像质量。
(3)结构简单、加工成本低。本发明的头戴显示系统中的光学元件均可采用传统的透镜加工工艺实现，且可通过算法校正光学像差，简化了成像系统部分的透镜组结构，以减小头戴显示装置的体积，使结构简单加工成本低。
(4)无坏点。本发明头戴显示系统基于点对面的成像原理，空间光调制器的任一像素点包含了图像的所有位相信息，因此，该头戴显示系统的成像质量不会受到显示芯片图像质量的直接影响。该头戴显示系统通过软件算法实时动态调节空间光调制器的成像距离，使同一帧图像的不同部分具有不同的像距参数，实现对图像的三维投影。
附图说明
图1本发明基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统的光学结构原理图。
图2本发明的一个实施例的光学结构示意图。
图3本发明实施例的场曲和畸变曲线。
图4本发明实施例的球差曲线。
图5本发明实施例的弥散斑。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
需说明的是，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
请参阅图1，图1为本发明基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统的光学结构原理图。由图1可见，本发明基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统由准直光源1、空间光调制器2、分光棱镜3、成像系统4、分光镜5、自由曲面半透半反镜6和孔径光阑7组成，其位置关系为：以空间光调制器2的表面为物面，沿所述的空间光调制器2输出的光束传播方向，依次为所述的分光棱镜3、成像系统4和分光镜5；在分光棱镜3反射方向上放置所述的准直光源1；在分光镜5反射方向上放置所述的自由曲面半透半反镜6，在自由曲面半透半反镜6反射方向上并距离分光镜5左边一定距离处放置所述的孔径光阑7；所述的孔径光阑7和所述的自由曲面半透半反镜6关于光轴呈轴对称放置，其中所述的孔径光阑7位置与人眼瞳孔位置重合，所述的分光镜5的法线与光轴所成的角度范围为35°～45°；
所述的准直光源1为激光器和准直透镜组的组合体，其中激光器可以为半导体激光器或气体激光器，准直透镜组由一系列透镜组成，实现出射光束为平行光束；
所述的空间光调制器基于反射式液晶微显示屏，为反射型空间光调制器，分辨率为720像素或1080像素，尺寸范围为0.22英寸～0.7英寸；
所述的分光棱镜3为晶体棱镜或立方棱镜；
所述的成像系统4由一系列透镜组组成，可以为球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜，透镜材料为玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；
所述的成像系统4的透镜前后表面均镀有抗反膜AR；
所述的分光镜5为镀分光薄膜的平面分光镜或立方棱镜；
所述的自由曲面半透半反镜6面形为自由曲面，其面形矢高由以下公式给出：
其中，c1＝1/r1,r1为基准面曲率半径，r为光线径向坐标，k为二次曲面系数，ai为高阶系数，Zi(ρ，φ)为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，φ为归一化的角度坐标；
所述的自由曲面半透半反镜6的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其前表面镀有反射膜。
本发明基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统的工作过程：需再现的图像信息经过计算生成位相分布，实时刷新在空间光调制器上。准直光束经过分光棱镜后反射至空间光调制器2表面，在信号源的控制下，空间光调制器2对入射光波的位相进行空间调制。由于空间光调制器2为反射型微型显示技术，被反射的光束经过成像系统4后在其后焦平面呈实像，该实像依次经过分光镜5和自由曲面半透半反镜6形成放大的虚像，供人眼观察。该头戴显示系统可利用软件算法动态调节焦距，使同一帧图像具有多个成像距离，通过之后的成像系统在空间实现图像的真实三维再现。通过引入分光镜5和自由曲面半透半反镜6，对实像进行进一步放大，提高了视场，增强用户体验。另外由于分光镜5和自由曲面半透半反镜6并不影响用户对外部真实世界的观察，因此该头戴显示系统可用于增强现实装置中。
本发明实施例的结构如图1所示，其具体结构和参数如下：
准直光源1为半导体激光器和准直镜组的组合，采用RGB单色激光器组合实现彩色光源，其中心波长为587nm。空间光调制器2为纯相位空间光调制器，采用反射式LCOS微显示屏幕，其分辨率为1920×1080像素，尺寸为0.35英寸。分光棱镜3为镀分光膜的立方棱镜。成像系统4由4片透镜组成，透镜材料均为成都光明玻璃材料，其表面为球面且前后表面均镀有抗反膜。分光镜5为镀分光薄膜的平面分光镜。自由曲面半透半反镜6的面形为自由曲面，其前表面镀有反射膜，材料为PMMA。以空间光调制器2的表面为物面，成像系统4、分光镜5和自由曲面半透半反镜6的具体的结构参数如下表所示：
该实施例的光学设计光路图如图2所示，其中分光镜5的法线与光轴所成的角度范围为40°，实施例采用透镜表面均为球面，自由曲面半透半反镜采用的是泽尼克标准矢高面，其二次曲面系数k＝-0.067，基准面曲率半径r＝-46mm，第一项泽尼克多项式的系数A1＝4。目前光学系统中自由曲面面形、非球面面形的应用已经足够成熟，可对现在的设计结果进一步简化。
图3为本发明实施例的场曲和畸变曲线。从图中可以看出，实施例的焦面偏移在弧矢与子午面上都小于100um，全视场范围内的畸变小于0.18。
图4为本发明实施例的球差曲线。从图中可以看出，中心视场的球差和边缘视场引起的离轴球差已被校正，在0.707入瞳直径处的色差已被校正。
图5为本发明实施例的弥散斑。从图中可以看出，光学系统的弥散斑RMS值小于50um。
实验表明，本发明基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统具有结构简单、成像质量高、亮度高、无坏点等优点，可实现图像信息的三维立体再现，应用于增强现实的头戴显示设备中。因此，本发明实施例可以满足头戴显示器光学系统的要求。
本发明中所述的只是本发明的一种具体实施例，仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
Claims (9)
1.一种基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特征在于由准直光源(1)、空间光调制器(2)、分光棱镜(3)、成像系统(4)、分光镜(5)、自由曲面半透半反镜(6)和孔径光阑(7)组成，位置关系为：
以空间光调制器(2)的表面为物面，沿所述的空间光调制器(2)输出的光束传播方向，依次为所述的分光棱镜(3)、成像系统(4)和分光镜(5)；在所述的分光棱镜(3)反射光方向上放置所述的准直光源(1)；在分光镜(5)反射光方向上放置所述的自由曲面半透半反镜(6)，在自由曲面半透半反镜(6)反射方向上并距离所述的分光镜(5)的左边一定距离处放置所述的孔径光阑(7)；所述的孔径光阑(7)和所述的自由曲面半透半反镜(6)关于光轴呈轴对称放置，所述的孔径光阑(7)的位置与人眼瞳孔的位置重合，所述的分光镜(5)的法线与光轴所成的角度范围为35°～45°。
2.根据权利要求1所述的基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特征在于所述的准直光源(1)为激光器和准直透镜组的组合体，所述的激光器为半导体激光器或气体激光器，准直透镜组由一系列透镜组成，实现出射光束为平行光束。
3.根据权利要求1所述的基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特征在于所述的空间光调制器(2)基于反射式液晶微显示屏，为反射型空间光调制器，分辨率为720像素或1080像素，尺寸范围为0.22英寸～0.7英寸。
4.根据权利要求1所述的基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特征在于所述的分光棱镜(3)为晶体棱镜或立方棱镜。
5.根据权利要求1所述的基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特征在于所述的成像系统(4)由一系列透镜组构成，为球面透镜、非球面透镜或菲涅尔透镜，透镜材料为玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯。
6.根据权利要求5所述的基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特征在于所述的成像系统(4)的透镜前后表面均镀有抗反膜。
7.根据权利要求1所述的基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特征在于所述的分光镜(5)为镀分光薄膜的平面分光镜或立方棱镜。
8.根据权利要求1所述的基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特征在于所述的自由曲面半透半反镜(6)的面形为自由曲面，其面形矢高由以下公式给出：
其中，c1＝1/r1，r1为基准面曲率半径，r为光线径向坐标，k为二次曲面系数，ai为高阶系数，Zi(ρ，φ)为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，φ为归一化的角度坐标。
9.根据权利要求1至8任一项所述的基于三维激光全息投影技术的头戴显示系统，其特征在于所述的自由曲面半透半反镜(6)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，其前表面镀有反射膜。
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