CN108107579B - 一种基于空间光调制器的全息光场大视域大出瞳的近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器的全息光场大视域大出瞳的近眼显示系统，包括光源，用于出射发散光至所述空间光调制器上；计算机，用于根据目标二维图像数据或三维图像数据计算空间光调制器上需要加载的全息图，并将所述全息图发送至空间光调制器；空间光调制器，用于根据接收的全息图对照射到其上的发散光进行调制，在空间设定位置输出二维图像光场或三维图像光场；合束镜，用于会聚所述二维图像光场或三维图像光场。该系统简化了光学结构，增大了视场角和出瞳大小，增强了系统的可靠性，可实现实时动态单色或彩色全息二维图像光场或三维图像光场的显示，图像的像差矫正等功能。

Description

一种基于空间光调制器的全息光场大视域大出瞳的近眼显示 系统

技术领域

本发明属于近眼显示领域，具体涉及一种基于空间光调制器的全息光场大视域大出瞳的近眼显示系统。

背景技术

目前近眼显示系统已广泛应用于军事、工业、医疗和运动等方面。由于能够将数字信息投到人们的眼睛中而不妨碍真实世界的感官，可透视的近眼显示系统被认为是一个能够极大的改变人们获取和接受信息习惯的产品，因而在消费市场上有着广阔的前景。目前市场上主流近眼显示设备的三维显示技术大都是基于双目视差图像的立体显示技术，不可避免的存在汇聚(双眼观看物体同一点，两只眼睛的视轴汇聚于一点)和聚焦的冲突问题，即人眼观看的屏幕位置(人眼会聚点位置)和立体图像的实际深度位置不一致，使得人眼在长时间观看后产生晕眩、恶心等生理反应。

空间光调制器是一种能够对空间光束进行调制的器件，用于将待处理的原始信息处理成所要求的形式。空间光调制器由一系列独立的单元组成，其每个单元可以通过输入电信号或光信号对系统的光信号进行调制，并根据控制输入信号改变其自身的光学特性，从而实现对空间光波的调制，这些单元也称为像素。

发明内容

为克服现有传统近眼显示系统光学系统结构复杂、体积庞大、无法解决汇聚与聚焦调节冲突，实现真正的三维显示的缺点，本发明提供了一种基于空间光调制器的全息光场大视域大出瞳的近眼显示系统。

本发明的实施方式提供了一种基于空间光调制器的全息光场大视域大出瞳的近眼显示系统，包括：

光源，用于出射发散光至所述光学调制器上；

计算机，用于根据目标二维图像数据或三维图像数据计算空间光调制器上需要加载的全息图，并将所述全息图发送至空间光调制器；还用于对于动态显示，对二维视频序列或三维动态模型实时计算每个时刻的全息图并实时发送至空间光调制器；

空间光调制器，用于根据接收的全息图对照射到其上的发散光进行调制后，在空间某个设计位置形成目标二维图像光场或者三维图像光场；还用于对于动态显示，空间光调制器实时接收计算机传输来的全息图，实时对照到其上的发散光进行调制，在空间设计位置形成动态的目标二维图像光场或三维图像光场；

合束镜，用于会聚所述目标二维图像光场或三维图像光场。

在本发明实施方式提供的近眼显示系统中，所述计算机根据目标二维图像数据或三维图像数据计算用于空间光调制器显示的全息图，并根据该全息图通过电信号控制所述空间光调制器对入射照明光进行调制，实现二维图像显示或三维图像显示、图像像差的校正等功能后输出目标二维图像或三维图像的全息二维或三维光场，最终目标二维图像光场或三维光场被眼睛接收成像以实现全息二维或三维显示。对于实时动态显示，计算机实时计算二维视频或三维动态目标每个时刻的全息图，实时传输至空间光调制器，对照明至空间光调制器上的光场实时调制，在空间设计位置形成动态二维图像光场或三维光场。

作为优选，所述光源为单色激光光源阵列、时序彩色激光光源阵列、单芯片单色led光源阵列或时序单芯片彩色led光源阵列。

进一步优选，所述单色激光光源阵列包括激光元件阵列、将所述激光元件的出射光变成发散光束的扩束器；所述单色led光源阵列包括led元件阵列、将所述led元件的出射光变成发散光束的扩束器；所述彩色激光光源阵列包括由多组彩色激光光源组成的二维阵列，每组彩色激光光源由分时显示的红、绿、蓝三个单色激光元件组成，还包括将所述激光元件的出射光变成发散光束的扩束器；所述彩色led光源阵列包括由多组彩色led光源组成的二维阵列，每组彩色led光源由分时显示的红、绿、蓝三个单色led元件组成，还包括将所述led元件的出射光变成发散光束的扩束器。一般情况下，所述扩束器包括在光轴上依次布置的显微物镜阵列和透镜。

作为优选，所述空间光调制器的调制形式为振幅调制或相位调制；所述空间光调制器为反射式或透射式空间调制器。进一步优选，所述空间光调制器为相位型反射式硅基液晶LCOS。

作为优选，所述合束镜为全息光学元件，进一步优选，所述合束镜为全息透镜、全息光栅、全息滤波器、全息扫描器等，进一步优选，所述合束镜由三层全息光栅组成。

作为优选，所述近眼显示系统还包括设置于所述光源与所述空间光调制器之间的眼球跟踪系统。所述眼球跟踪系统包括非偏振分光棱镜、照明光源以及光接收器；所述非偏振分光棱镜用于透射所述光源出射的分散光；所述照明光源出射的激光依次经所述非偏振分光棱镜、空间光调制器、合束镜反射到达眼睛内后，反射光依次经所述合束镜、空间光调制器、非偏振分光棱镜反射后被所述光接收器接收。

所述眼球跟踪系统用于检测眼睛和/或眼睛解剖结构的位置，还用于检测来自经由光接收器获取的图像数据中的闪光源的反射位置，以及根据该反射位置来确定眼睛注视的方向。

作为优选，所述近眼显示系统还包括设置于所述眼球跟踪系统与所述空间光调制器之间、所述空间光调制器与所述合束镜之间，用于改变光路的任意个反射镜。反射镜的设置能够缩小近眼显示系统的体积，方便使用。

在应用时，既可以采用一套所述近眼显示系统实现单目近眼显示，也可以采用两套所述近眼显示系统实现双目显示。

与现有技术相比，本发明提供的近眼显示系统有以下优点：

该近眼显示系统仅通过光源、计算机、空间光调制器以及合束镜就实现了二维近眼显示或三维近眼显示，该系统简化了光学结构，增大了视场角和出瞳大小，增强了系统的可靠性，可实现全息光场显示，图像的像差矫正等功能。

附图说明

图1是实施例1提供的近眼显示系统的结构示意图；

图2是实施例1提供的光源的结构示意图；

图3是实施例1提供的合束镜的结构示意图；

图4是实施例1中描述的出瞳阵列的示意图；

图5是实施例2提供的近眼显示系统的结构示意图；

图6是实施例3提供的近眼显示系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

图1为本实施例提供的近眼显示系统或成像检测系统的结构示意图。参见图1，本实施例提供的近眼显示系统包括光源101、空间光调制器102、计算机103、合束镜104以及摄像头105，该摄像头可以是人眼观察位置。

光源101产生的发散光束入射到空间光调制器102上，计算机103根据二维图像数据或三维图像数据计算用于空间光调制器102的全息图，并实时将全息图加载到空间光调制器102，空间光调制器102根据加载的全息图对照射到其上的发散光进行调制，在空间设计位置形成所设计的二维图像光场或三维图像光场；该二维图像光场或三维图像光场经合束镜104会聚后被摄像头105接收或位于人眼观看位置105处的人眼所接收。

本实施例中，在摄像头105处，用摄像头拍摄全息显示的二维图像光场或者三维图像光场，拍摄画面并传到计算机上103上以显示以供成像质量分析。此时该系统为全息显示成像检测系统。

本实施例中，人眼位于人眼观察位置105处进行观看全息显示的二维图像光场或三维图像光场。此时的系统为全息近眼显示系统。

本实施例中，光源101采用时序发红、绿、蓝三种颜色的激光光源阵列或时序单芯片红、绿、蓝led光源阵列。该激光光源阵列或led光源阵列用于产生扩束的照明光束阵列，其结构如图2所示。参见图2，光源101包括激光元件阵列led元件阵列201、显微物镜阵列202以及透镜203。

其中，激光元件阵列或led元件阵列201包括M×N个激光元件或单芯片led元件，其中M、N都大于等于1，当M和N都等于1时为单光源照明的情况，否则为点阵光源照明的情况。本实施例中，激光元件为激光二极管或led元件为单色发光二极管；显微物镜阵列202为M×N个显微物镜，且每个显微物镜对应一个激光元件或led元件，每个显微物镜后焦平上放置一个小孔，将滤除杂光，在该小孔处形成一个高质量的光点，该光点通过透镜203成像，其像点所处的位置为激光或led光源出射光的位置。出射光等效于从激光或led光源出射光的位置发出的高质量的球面波。

本实施例中，空间光调制器102采用相位型反射式硅基液晶，主要由LCD芯片和驱动模块组成。基于二维图像数据或三维图像数据，在计算机103上实时或非实时计算用于空间光调制器102的全息图。

以全息光场显示为例，对相位型空间光调制器的全息图计算予以说明：

O(x₁,₁)表示物面复振幅和R(x,y)表示全息面上参考光复振幅，在菲涅尔衍射区，全息面复振幅分布可表示为：

全息面像素总数为S×T，Δx₁，Δy₁分别为物面一个像素的x方向和y方向的尺寸，Δx,Δy分别为全息面上一个像素x方向和y方向的尺寸，sΔx＝x，tΔy＝y,sΔx₁＝x₁，tΔy₁＝y₁，其中s＝1,2,3...,S；t＝1,2,3...,T。在菲涅尔衍射近似下代入式得：

将公式

在菲涅尔近似下有

代入公式(2)，得到：

Γ(x,y)＝C₁·fft2[O(x₁,y₁)C₂]+R(x,y) (5)

(5)式为全息面上的光场复振幅分布，可以以一定形式将其编码为纯相位全息图。

则在已知全息面复振幅分布以及参考光复振幅的条件下，逆运算重建的物平面为：

还可以对加载在相位型空间光调制器102上的相位分布做进一步处理：利用Zernike多项式对初级波前像差进行模拟，利用相位型空间光调制器102补偿像差。在本实施例中计算方法如下：

本实施例中采用一系列正交Zernike多项式的线性组合来表征光学系统的波前像差和面形，其中波前像差可用n项Zernike多项式表示为：

以空间光调制器作为波前发生器，首先产生一个规则几何图形，计算其全息图并加载到空间光调制器上。在设计的波前显示位置处放置干涉仪，利用干涉仪测量显示的波前，与设计的目标波前进行比较，分析像差情况。通过对计算全息时的相位利用泽尼克多项式进行像差补偿，重新计算新的全息图并显示，利用干涉仪测定新波前，新波前与设计的波前一致，则表明像差被消除，此时泽尼克多项式的系数为像差校正系数，用于后续全息图的计算中，以补偿像差。

本实施例中合束镜104采用全息光学元件，用于将离轴的发散光束反射到摄像机105所在光轴并合束入摄像机105。具体地，本实施例中合束镜104为三层全息光栅，如图3所示，合束镜104中的三层全息光栅分别对632nm、532nm、473nm波长或所设计的三原色波长的光线合束，在第一层光栅301中，蓝色b的衍射光反射，而绿色g和红色r的光透过；在第二层光栅302中，绿色g的衍射光反射，而红色r的光透过；在第三层光栅303中，红色r的衍射光反射。作为结果，因而眼睛能够在出瞳位置处接收到彩色的二维光场图像或三维图像光场。

本实施例中，时序发光的M×N个光源与全息计算时，二维图像数据或三维图像数据M×N个视角的数据，计算的M×N个全息图一一对应。

在显示时，一个点光源点亮，其它点光源关闭，此时空间调制器102载入与该点光源对应的二维图像或三维图像计算得到的全息图。空间光调制器102对照明到其上的发散光进行调制，之后经合束镜104，形成一个出瞳，人眼在该出瞳位置观看该视角下显示的二维图像或三维图像。

不同点光源点亮时，空间光调制器102中载入之对应的全息图，经过调制的光通过合束镜104将在不同位置形成出瞳，人眼在不同出瞳处观看到不同视角二维图像或三维图像。

图4为出瞳面输出示意图，其中小圆表示本实施例的由单一激光光源或单一led光源照射下的出瞳，大圆表示瞳孔。当瞳孔处于整个输出面的任意位置时，都能够同时接收到至少一个单一激光光源照射下的出瞳，因而当瞳孔在整个输出面内任意位置时不会丢失视场。随着光束的增加，输出面面积会不断增加，从而能够增加近眼显示系统的出瞳直径，使得近眼显示系统输出的光线能够在更大的范围上进入眼睛的瞳孔中。所以与单一激光光源或led光源的出瞳相比，本实施例提供的出瞳明显增大，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了虚拟现实设备或增强现实设备的适用人群，并且无需用户对虚拟现实设备或增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的虚拟现实体验或增强现实体验的缺陷。

实施例2

图5为本实施例提供的近眼显示系统的结构示意图。参见图5，该近眼显示系统包括光源501、反射镜502、空间光调制器503、反射镜504、计算机505、合束镜506以及眼睛观看位置507；还包括设置于光源501与反射镜502之间的眼球跟踪系统，该眼球跟踪系统包括非偏振分光棱镜508、照明光源509以及光接收器510。

本实施例中，光源501与实施例1中的光源101相同，空间光调制器503与实施例1中的空间光调制器102相同，合束镜506与实施例1中的合束镜104相同。

与实施例1不同的是，本实施例提供的近眼显示系统增加反射镜502和反射镜504以折叠光路，使近眼显示系统能在紧凑的眼镜结构上实现实施例1种所述的功能。本实施例提供的近眼显示系统还增加了眼球跟踪系统，用于检测瞳孔当前所在位置，并根据瞳孔当前位置，在空间光调制器102中在于与之对应的全息图，并同时点亮与之对应的光源。使得瞳孔不同位置时都可以看到与该位置对应视角下的二维图像或三维图像。

对于眼球跟踪系统，照明光源509发出的光线依次经非偏振分光棱镜508、反光镜502、空间光调制器503、反光镜504、合束镜506反射到达眼睛507内后，反射光经依次经合束镜506、反光镜504、空间光调制器503、反光镜502、以及非偏振分光棱镜508反射被光接收器510接收。本实施例中，照明光源509和光接收器510可选用红外照明光源和红外相机。

光接收器510接收到眼睛的像后将眼睛的像传输到计算机505上，通过图像处理实时定位和跟踪眼球(瞳孔)的位置以及方向。根据眼球(瞳孔)的位置，点亮与该位置对应的点阵激光光源或led点阵光源中的某个光源，并实时计算与该位置对应的二维图像或三维图像的全息图，实时载入空间光调制器。

本实施例加入眼球跟踪系统的优势为：可以极大地减少全息显示的计算量。与实施例1需要每个像素点逐点积分计算不同的是：依据人眼只有10°左右的细节分辨视觉特性，本实施例中计算机只需要计算眼球跟踪系统反馈的人眼观察角度范围内的二维图像数据或三维图像数据的全息图，其它区域二维图像或三维图像数据的全息图计算时，其它区域二维图像或三维图像数据进行稀疏的采样，以减少计算量。另外在实时跟踪显示时，值计算了一个视角下的二维物体或三维物体的全息图，而不是整个出瞳所对应的所有视角下的二维物体或三维物体的全息图，大大的减少了计算量。

本实施例加入眼球跟踪系统另一个优势为：可以准确定位光学系统出瞳的空间位置，因而仅需要极少的点阵激光光源或点阵led光源即可实现近眼显示并不至于使人眼在转动时丢失视场。

实施例3

图6为本实施例提供的近眼显示系统的结构示意图。参见图6，该近眼显示系统包括光源601、空间光调制器602、滤波器603、计算机604、合束镜605以及眼睛606；还包括设置于光源601与空间光调制器602之间的眼球跟踪系统，该眼球跟踪系统包括非偏振分光棱镜607、照明光源608以及光接收器609。还包括空间光调制器602和滤波器603之间的任意多个透镜组成的投影系统。

本实施例中，光源601与实施例1中的光源101相同，空间光调制器602与实施例1中的空间光调制器102相同，合束镜605与实施例1中的合束镜104相同。

与实施例1和实施例2不同的是，本实施例加入滤波器603，可消去除了对成像有贡献的1级衍射光之外的衍射级次，使系统得到噪声更小，更清晰的图像。光阑603采用可调光阑，与计算机604连接；工作时接收到计算机604传输的信号，根据光源601的时序和位置调整开孔的大小和位置，使得频谱面上想获得的频谱分量通过，而挡住了其他频率成分。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于空间光调制器的全息光场大视域大出瞳的近眼显示系统，其特征在于，所述系统包括：

光源，用于出射发散光至所述空间光调制器上，所述光源为单色激光光源阵列、时序彩色激光光源阵列、单芯片单色led光源阵列或时序单芯片彩色led光源阵列；

计算机，用于根据目标二维图像数据或三维数据计算空间光调制器上需要加载的全息图，并将所述全息图发送至空间光调制器；还用于动态显示，对二维视频序列或三维动态模型实时计算每个时刻的全息图并实时发送至空间光调制器；

空间光调制器，用于根据接收的全息图对照射到其上的发散光进行调制后，在空间某个设计位置形成目标二维图像光场或者三维图像光场；还用于动态显示，空间光调制器实时接收计算机传输来的全息图，实时对照到其上的发散光进行调制，在空间设计的位置处形成动态的目标二维图像光场或三维图像光场；

合束镜，用于会聚所述目标二维图像光场或三维图像光场；

眼球跟踪系统，设置于所述光源与所述空间光调制器之间，所述眼球跟踪系统包括非偏振分光棱镜、照明光源以及光接收器；所述非偏振分光棱镜用于透射所述光源出射的分散光；所述照明光源出射的激光依次经所述非偏振分光棱镜、空间光调制器、合束镜反射到达眼睛内后，反射光依次经所述合束镜、空间光调制器、非偏振分光棱镜反射后被所述光接收器接收；所述眼球跟踪系统，用于检测眼球的位置，用于检测来自经由光接收器获取的图像数据中的闪光源的反射位置，以及根据该反射位置来确定眼睛注视的方向；

在显示时，一个点光源点亮，其它点光源关闭，空间调制器载入与该点光源对应的二维图像或三维图像计算得到的全息图，空间光调制器对照明到其上的发散光进行调制，之后经合束镜，形成一个出瞳，人眼在该出瞳位置观看该视角下显示的二维图像或三维图像；不同点光源点亮时，空间光调制器中载入与之对应的全息图，经过调制的光通过合束镜将在不同位置形成出瞳，人眼在不同出瞳处观看到不同视角二维图像或三维图像。

2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，

所述单色激光光源阵列包括激光元件阵列、将所述激光元件的出射光变成发散光束的扩束器；

所述单色led光源阵列包括led元件阵列、将所述led元件的出射光变成发散光束的扩束器；

所述彩色激光光源阵列包括由多组彩色激光光源组成的二维阵列，每组彩色激光光源由分时显示的红、绿、蓝三个单色激光元件组成，还包括将所述激光元件的出射光变成发散光束的扩束器；

所述彩色led光源阵列包括由多组彩色led光源组成的二维阵列，每组彩色led光源由分时显示的红、绿、蓝三个单色led元件组成，还包括将所述led元件的出射光变成发散光束的扩束器。

3.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述空间光调制器的调制形式为振幅调制或相位调制。

4.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述空间光调制器为反射式或透射式空间光调制器。

5.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述空间光调制器为相位型反射式硅基液晶。

6.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述合束镜为全息光学元件。

7.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述合束镜由三层全息光栅组成。

8.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括设置于所述眼球跟踪系统与所述空间光调制器之间、所述空间光调制器与所述合束镜之间，用于改变光路的任意个反射镜。

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