CN109031669A - 基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼ar显示系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，包括光源模块、复合功能全息光学元件、透镜、滤波器(或偏振片和四分之一波片)、反射式空间光调制器以及计算机；计算机同步控制光源模块和空间光调制器，并向空间光调制器载入离轴计算全息图。未经空间光调制器中计算全息图调制而产生的零级光和衍射图像共轭光被滤波器(或偏振片和四分之一波片)滤除，而经计算全息图调制而产生的衍射图像光照明复合功能全息光学元件，经复合功能全息光学元件反向衍射汇聚进入人眼，而环境光不受干扰的进入人眼，从而实现无零级光和共轭光干扰的全息近眼AR显示。本发明还公开了紧凑型全息近眼AR显示系统在全息近眼AR显示眼镜中的应用。

Description

基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统及 其应用

技术领域

本发明涉及全息三维显示领域，尤其涉及一种基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统及其应用。

背景技术

目前实现近眼AR显示的方式有多种，如使用微显示器和复杂的目镜系统来实现AR显示，利用该方案实现的三维显示为双目视差三维显示，存在辐辏冲突，佩戴此种AR显示设备会引起眼睛疲劳和眩晕。采用光波导和耦合光栅技术实现近眼AR显示，相比于复杂的目镜系统而言，体积和重量大大减少，是目前一个重要发展方向，然而绝大多数基于光波导的近眼AR三维显示大多仍旧为双目视差三维显示。

全息三维显示是基于干涉记录、衍射再现的一种真三维显示技术，是国际上公认的最理想的三维显示方案。

计算全息是计算机技术与全息相结合的产物，相比于传统光学全息，具有明显的优势，计算机计算的全息图为数据，方便压缩、存储、传输和多次使用，并且可实现虚拟、发光场景等全息图制作。

计算全息是实现动态全息三维显示的重要途径，是目前三维显示领域的研究热点。但是，计算全息显示受限于空间光调制器的分辨率和像素尺寸，想要实现多人同时观看的彩色全息三维显示仍然面临着极大的挑战。

近几年来，近眼AR显示的地位逐渐凸显，未来有望成为替代智能手机的新型智能设备，将全息术与近眼AR技术相结合，实现近眼AR全息三维显示将是全息显示应用的一个重要领域。近眼全息三维显示可再现完整三维光场，无辐辏冲突问题，受到越来越多的青睐。

零级光是直射到空间光调制器上没有被载入空间光调制器的全息图调制而直接反射出来的光，主要由照明到空间光调制器(尤其是纯相位空间光调制)的照明光的偏振态与空间光调制器所需要的偏振态不一致，以及像素结构填充率引起的，目前是不可消除的一种现象。在全息三维显示时，除需要的物体再现像外，零级光也同时在屏幕上以杂乱的散射光形式出现，对再现像的分辨率造成很大影响。如何消除零级光的影响一直是全息显示领域研究的热点。振幅型离轴全息图，再现时，存在零级光，共轭光和正一级衍射光。通过迭代优化算法计算的纯相位全息图，使用纯相位型空间光调制器再现时仅存在零级光和衍射图像光。纯相位型空间光调制器，其再现的衍射效率高，同轴全息显示的视场大，但纯空间光调制器的成本高，如目前市场上holoeye的2k分辨率的纯相位空间光调制器，价格不低于10万人民币，振幅型离轴全息图显示时可使用普通LCOS、DMD、LCD等显示器件作为空间光调制器，成本低廉，具有更加重要的实用价值。

对于振幅型离轴全息，为了去除零级光和共轭光的干扰，一般使用离轴全息方案，利用4f光学系统进行滤波，之后使用半透半反镜将滤波后的光场导入人眼进行观看。虽然离轴全息显示方案解决了零级光干扰问题，但由于4f光学系统的存在，使得整个全息显示光路变的复杂。

全息图再现时的照明光路也是全息近眼AR显示系统复杂度的一个关键因素，如何实现更加简单紧凑的照明方式，是一个重要的问题。实现全息近眼AR三维显示的头戴设备，要求系统更加简单，以减轻系统的重量，提高穿戴的舒适性。

发明内容

本发明提供了一种基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，可消除零级光和衍射图像共轭光的干扰，并且结构简单、紧凑。

本发明提供了如下技术方案：

一种基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，包括光源模块、复合功能全息光学元件、透镜、偏振片、四分之一波片、反射式空间光调制器以及计算机；计算机同步控制所述光源模块和反射式空间光调制器，并向所述反射式空间光调制器载入计算全息图；

其光路描述如下：

光源模块产生发散球面波A，用于倾斜照明复合功能全息光学元件，经所述复合功能全息光学元件衍射后产生汇聚球面波B；所述偏振片和四分之一波片位于汇聚球面波B的汇聚点所在平面上，所述汇聚点位于所述透镜的前焦平面上，汇聚球面波B在其汇聚点汇聚后依次通过偏振片和四分之一波片，继续传播进入所述透镜产生平面波；所述平面波照明反射式空间光调制器，产生受所述离轴计算全息图调制的衍射图像光(正一级光)、未被调制的零级光和衍射图像共轭光(负一级光)；所述空间光调制器法线方向与入射其上的平面波传播方向平行，所述零级光和衍射图像共轭光经过所述透镜汇聚后，通过四分之一波片后被偏振片滤除；所述衍射图像光经过透镜汇聚后，未经过四份之一波片和偏振片直接照明复合功能全息光学元件，经复合功能全息光学元件反向衍射汇聚进入人眼，人眼可看到位于远处的放大的全息再现三维虚像；

环境光不受影响地透过所述复合功能全息光学元件进入人眼成像。

零级光是直射到空间光调制器上没有被载入空间光调制器的计算全息图调制而直接反射出来的光，该零级光会严重影响全息再现像成像效果。

所述的汇聚球面波通过偏振片起偏成偏振光，通过四分之一波片后照明反射式空间光调制器，未经反射式空间光调制器中计算全息图调制而产生的零级光原路返回，再次经过四分之一波片后，其偏振态旋转90°，不能再次通过偏振片进入后续光路；所使用的计算全息图为离轴全息图，透镜的汇聚平面为频谱面，零级汇聚点的光与正一级物光相互分离，而所设置的四分之一波片和偏振片未全部覆盖整个频域，仅覆盖了零级光和共轭光所在区域，经计算全息图调制产生的衍射图像光(即正一级衍射光)，其传播方向与所述汇聚球面波B的反向传播方向接近，汇聚区域位于零级汇聚点附近，不被四分之一波片和偏振片阻挡，可继续传播照明复合功能全息光学元件，经复合功能全息光学元件衍射后汇聚于人眼成像；复合功能全息光学元件为体全息光学元件，具有波长选择性和角度选择性，仅对以特定角度入射的特定波长的光具有衍射作用，其它的光可以无干扰地透过复合功能全息光学元件，因此，环境光可以不受干扰地透过复合功能全息光学元件进入人眼成像，从而实现无零级光和共轭光干扰的全息近眼AR显示。

为了实现偏振片和四分之一波片仅阻挡滤除零级光和共轭光，四份之一波片和偏振片仅覆盖所述汇聚球面波B的汇聚点所在平面的半个平面，而另半个平面不存在四份之一波片和偏振片，因此正一级衍射光不会经过四份之一波片和偏振片而被阻挡，可进入后续光学系统。

上述技术方案中，偏振片和四分之一波片相当于光隔离装置，起到滤除零级光和共轭光的作用。

本发明还提供了另外一种技术方案，如下：

一种基于复合全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，包括光源模块、复合功能全息光学元件、透镜、滤波器、反射式空间光调制器以及计算机；计算机同步控制所述光源模块和反射式空间光调制器，并向所述反射式空间光调制器载入计算全息图；

其光路描述如下：

光源模块产生发散球面波A，用于倾斜照明复合功能全息光学元件，经所述复合功能全息光学元件衍射后产生汇聚球面波B，所述汇聚球面波B在其汇聚点汇聚后继续传播进入所述透镜产生平面波，所述汇聚点位于所述透镜的前焦平面上；所述平面波照明反射式空间光调制器，产生受所述计算全息图调制的衍射图像光(正一级光)、未被调制的零级光和衍射图像共轭光(负一级光)；所述空间光调制器的法线方向与所述透镜的光轴之间具有夹角α，所述零级光和衍射图像共轭光经过所述透镜后被设置在所述汇聚点附近的滤波片遮挡滤除，所述衍射图像光未被滤波器遮挡直接照明复合功能全息光学元件，经复合功能全息光学元件反向衍射汇聚进入人眼，人眼可看到位于远处放大的全息再现三维虚像；

环境光不受影响地透过所述复合功能全息光学元件进入人眼成像。

所述空间光调制器的法线方向与所述透镜的光轴之间的夹角α的大小与透镜的焦距有关。

优选的，所述的夹角α的大小为：

其中，f为所述空间光调制器与所述透镜之间的距离；w₂₄为所述汇集球面波B在其汇聚点的光斑尺寸大小，λ为照明光波长，f_hoe为所述复合功能全息光学元件的中心与所述汇聚球面波B的汇聚点之间的距离，w_hoe为所述复合功能全息光学元件的宽度。

零级光的汇聚点与所述汇集球面波B的汇聚点分离，被位于零级光汇聚点上的滤波器滤除；而衍射图像光的传播方向与所述汇聚球面波B的反向传播方向接近，未被滤波器滤除，继续传播照明复合功能全息光学元件。

为了实现滤波器仅阻挡滤除零级光和共轭光，滤波器仅覆盖汇聚点所在平面的半个平面，而另半个平面不存在滤波器，因此正一级衍射光不受遮挡的进入后续光学系统。

优选的，所述的滤波器为矩形黑色的遮光纸。

两种技术方案的作用原理相似，均可实现无零级光和共轭光干扰的全息近眼AR显示。

上述两种技术方案中，优选的，所述发散球面波A的中心线与复合功能全息光学元件的中心法线之间的夹角，与所述汇聚球面波B的中心线与复合功能全息光学元件的中心法线的夹角相等。

当增大所述发散球面波A的中心线与所述汇聚球面波B的中心线之间的夹角时，复合功能全息光学元件记录条纹的频率会增加，对于全息记录材料而言，其所记录的全息条纹频率太低或太高时，衍射效率均有所下降。在实际应用中，可对入射角和衍射角进行一定的选择，保证复合功能全息光学元件的衍射效率的同时，保证显示系统的整体紧凑性。

进一步优选的，所述发散球面波A的中心线与所述汇聚球面波B的中心线之间的夹角为90°。

光源模块包括单色光纤激光器或R、G、B三色激光器。

所述的R、G、B三色激光器包括红、绿、蓝激光器，位于三个激光器发出细小光束光路上的三个声光开关，以及激光合束单元，所述激光合束单元将三色激光耦合进同一根光纤中。

采用R、G、B三色激光器时，计算机同步控制反射式空间光调制器和红、绿、蓝激光器，向所述反射式空间光调制器分时载入三维物体红、绿、蓝颜色通道数据的离轴计算全息图，此时复合功能全息光学元件由三片光学元件堆叠而成，每一片复合功能全息光学元件仅对一种波长起作用，从而实现分时彩色全息三维显示。

所述的反射式空间光调制器为DMD或LCOS。LCOS可以是振幅调制或相位调制。

所述的复合功能全息光学元件为反射式体全息光学元件(HOE)，经过特殊的制作方法制作，具有如下功能：

以发散球面波A作为入射光时，衍射产生汇聚球面波B；以汇聚球面波B的共轭光作为入射光时，衍射产生汇聚球面波C。

复合功能全息光学元件仅对以特定角度入射的特定波长的光具有衍射作用，而对其它的光没有衍射作用。因此，特定波长的图像光以一定角度照射复合功能全息光学元件时，复合功能全息光学元件对衍射图像光进行衍射形成全息再现像，衍射图像光被反向衍射汇聚进入人眼，而环境光在复合功能全息光学元件上没有衍射作用，可直接透过复合功能全息光学元件进入人眼。

因此，复合功能全息光学元件的摆放位置及复合功能全息光学元件的制作需要根据衍射图像光波长和方向而定。

所述的复合功能全息光学元件是经过两次全息曝光制作而成的，其制作方法包括以下步骤：

(1)以发散球面波a作为参考光，以汇聚球面波b作为物光，对全息干板进行干涉曝光，得到全息光学元件；

(2)以发散球面波c作为参考光，以汇聚球面波d作为物光，对所述全息光学元件进行干涉曝光，得到复合功能全息光学元件；

所述发散球面波c是所述汇聚球面波b的共轭光；所述发散球面波a、汇聚球面波b、发散球面波c以及汇聚球面波d的波长相等；

所述发散球面波a与所述发散球面波A的方向相同，所述汇聚球面波b的方向与汇聚球面波B的方向相同；所述发散球面波c与所述衍射图像光方向相近，所述汇聚球面波d与汇聚于人眼成像的全息再现光方向相同。

优选的，在制作所述的复合功能全息光学元件时，物光和参考光的波长与所述衍射图像光的波长相等。

因复合功能全息光学元件只对特定波长，特定的输入方向的入射光具有衍射作用，因此，若采用R、G、B三色激光器作为光源模块时，所述的复合功能全息光学元件由R、G、B三色复合功能全息光学元件堆叠而成；在制作R、G、B三色复合功能全息光学元件时，物光和参考光分别为红、绿、蓝三色光。

由于复合功能全息光学元件仅对特定波长的光具有衍射作用，RGB三色复合功能全息光学元件分别对红、绿、蓝三色光起衍射作用，相互之间无干扰，通过分时显示，可实现彩色全息近眼AR显示。

所述的计算全息图为离轴计算全息图，其制作方法可通过现有技术实现。

本发明的显示系统，可以做成两套，分别给人的左眼和右眼显示，实现头戴式的全息近眼AR三维显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

通过复合功能全息光学元件，本发明的空间光调制器的照明系统与全息再现系统进行了复用，大大减少了照明系统的复杂程度，同时整个显示系统的结构简单，全息再现像无共轭光和零级光的干扰，是一种具有实用价值的全息近眼AR显示方案。

附图说明

图1为实施例1基于光隔离装置的紧凑型全息近眼AR显示系统的结构示意图，其中(a)和(b)为其光路的局部示意图；

图2为实施例2基于滤波装置的紧凑型全息近眼AR显示系统的结构示意图，其中(a)和(b)为其光路的局部示意图；

图3为实施例2基于滤波装置的紧凑型全息近眼AR彩色显示系统的结构示意图，其中(a)和(b)为其光路的局部示意图。

图4为复合功能全息光学元件的制作光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

本实施例为使用光隔离装置的全息近眼AR显示系统，其结构如图1中(a)所示，该显示系统由光纤激光器11、复合功能全息光学元件13、偏振片15、四分之一波片16、透镜17、空间光调制器18和计算机19组成。

其光路描述如下：

如图1中(a)所示，光纤激光器11发出发散球面波12照明到复合功能全息光学元件13上，从复合功能全息光学元件13衍射出汇聚球面波14，在汇聚球面波14的汇聚点位置先放置偏振片15，紧挨其后放置四分之一波片，汇聚球面波14经过汇聚点后，变成发散球面波，后面放置透镜17，汇聚球面波14的汇聚点位于透镜17的前焦平面上，因此经过透镜17后的光波转化为平面波，该平面波照明空间光调制器18，空间光调制器18所在的平面与透镜17的光轴垂直，空间光调制器18与计算机19相连，通过计算机19向空间光调制器18载入离轴计算全息图；如图2中(b)所示，来自透镜17的平面波照明到空间光调制器18上，被空间光调制器18上的离轴全息图调制，产生调制后的衍射图像光和未被调制的零级光以及衍射图像共轭光。未被调制的零级光原路返回，经过透镜17后，汇聚于原汇聚点，该零级光经过四分之一波片16后，其偏振态旋转90°，之后被偏振片遮挡，无法进入后续光学系统；衍射的图像共轭光经过透镜17后，汇聚于原汇聚点一侧，该共轭图像光经过四分之一波片16后，其偏振态旋转90°，之后被偏振片遮挡，无法进入后续光学系统；而离轴全息显示的衍射图像光，在汇聚点另一侧，未经过四分之一波片和偏振片，因此可不受阻碍的进入后续光学系统，其图像衍射光的传播方向与发散球面波14的共轭方向相近，传播到复合功能全息光学元件13上，在一定程度仍满足复合全息光学元件的布拉格角选择条件，被复合功能全息光学元件13汇聚进入人眼，E为人眼所在的位置，即可看到位于远方的放大的全息再现三维虚像。

为了更加准确的描述，在图1中的(a)中，将四分之一波片15和偏振片16进行了重新绘制，并给定坐标系。图1中的(a)为实际显示系统的俯视示意图，其位于xoz平面内。将坐标系建立在汇聚球面波汇聚点所在平面，如图1中的(a)所示，原点位于透镜17的焦平面上，所放置的四分之一波片15和偏振片16位于x轴的正方向，并恰好覆盖中心点，其图中的椭圆区域表示的光场信息w_o为通过全息图衍射的正一级衍射图像光，可不受干扰的进入后续系统。

图1中的(a)中，光纤头发出的发散球面波12，其中心线与复合功能全息光学元件13的中心法线的夹角为θ_i，表示照明光的照明方向。法线向顺时针旋转定义为负角，向逆时针旋转定义为正角。当以θ_i方向照明的发散球面波12照射到全息面后，衍射出发散球面波14，其中心线方向与复合功能全息光学元件13的中心法线的夹角为θ_o。

θ_i＝-45°，θ_o＝45°，即入射发散球面波中心线与衍射汇聚球波中心线的夹角为90°。当增大两个光线的夹角时，复合功能全息光学元件13上的频率会增加，对于全息记录材料，所记录的全息条纹频率太低或太高时，衍射效率均有所下降。在实际应用中，可对入射角和衍射角进行一定的选择，保证衍射效率的同时，保证系统的整体紧促性。

现实环境光可不受影响地透过复合功能全息光学元件13进入人眼，从而实现AR显示。

偏振片15和紧挨其后四分之一波片16，首先允许入射到空间光调制器18的发散球面波14经过，后将原路返回的汇聚零级光和衍射图像共轭光遮挡，为一个光隔离装置(光前后两次经过四分之一波片后偏振态旋转90°，因此原路返回的汇聚零级光以及衍射图像共轭光无法从偏振片经过)，而在零级光另一侧的正一级物光，未第二次经过光隔离装置，因此可以进入后续光学系统，从而将零级光和衍射图像共轭光滤除，实现无零级光和共轭光干扰的全息AR近眼三维显示。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上进行改进。如图2所示，该显示系统包含光纤激光器21、复合功能全息光学元件23、滤波器25、透镜26、空间光调制器27以及计算机28。

其光路与实施例1相似，描述如下：

如图2中(a)所示，光纤激光器21发出的发散球面波22倾斜照明复合功能全息光学元件23，从复合功能全息光学元件23衍射出汇聚球面波24，在汇聚点附近放置滤波器，该滤波器不遮挡汇聚球面波24，允许其进入后续系统。透镜26与汇聚球面波24的汇聚点距离为透镜26的焦距，经过汇聚点后的发散球面波被透镜26调制后形成平面波照明空间光调制器27，空间光调制27与计算机28相连，通过计算机28向空间光调制器载入离轴全息图；如图3中(b)所示，空间光调制器27的法线与透镜26的光轴存在一个小的倾角α，照明到空间光调制器27上的光被离轴全息图调制，产生经过调制的图像衍射光(正一级光)和未被调制的零级光和衍射图像共轭光，零级光经透镜26后形成汇聚光，恰好被所设置的滤波器25遮挡，不能进入后续系统，图像共轭光经透镜26后形成汇聚于零级光汇聚点一侧，被滤波器遮挡，而图像衍射光透镜26后形成汇聚于零级光汇聚点另一侧，不被滤波器遮挡，进入后续系统，图像衍射光的传播方向与汇聚球面波24的共轭光方向接近，传播到复合全息光学元件23上，被复合全息光学元件反向衍射汇聚，进入人眼。人眼的位置为E，即可看到位于远处的全息再现的放大的三维虚像，而环境光可不受干扰的进入人眼，实现近眼AR全息三维显示的功能。

为了准确的设计空间光调制器27相对于透镜26光轴的偏转情况，按照图2中的(c)进行说明。

以空间光调制器27法线方向与透镜26光轴平行的情形，说明零级光斑的尺寸情况。图2中的(c)中，空间光调制器27的宽度为w_slm，与透镜26的距离为f，被空间光调制器27反射的零级光传播到透镜26，被透镜26汇聚，汇聚点的宽度为w_zero，其中λ为照明光波长。同样从复合功能全息光学元件23衍射出的用于照明空间光调制器27的汇聚球面波24，其汇聚点的尺寸为其中f_hoe为复合功能全息光学元件23的中心到汇聚球面波24汇聚点的距离，w_hoe为复合功能全息光学元件23的宽度。

当空间光调制器27倾斜角度为α，反射光角度旋转2α，恰好保证反射回的零级光和入射的汇聚球面波24汇聚点分离，要求发射回的零级光汇聚点在汇聚平面的偏移量为w₂₄，可求出反射光偏转角度：

因此空间光调制器27相对于透镜26光轴的偏转角度可以表示为当所设置的角度大于等于该角度时，可保证入射汇聚光和反射回的零级汇聚光分离，可设置滤波器，去除零级光和共轭光的干扰。

实施例3

本实例是基于滤波装置的近眼AR全息彩色显示系统。

如图3所示，该显示系统包含蓝色激光器31、绿色激光器32、红色激光器33，位于三个激光器发出的细小光束中的声光开关34、35、36，反射镜37，半透半反镜38、39，耦合透镜310，复合功能全息光学元件312，滤波器313，透镜314，空间滤波器315和计算机316。

如图4中(a)所示，激光器31、32、33发出的光经反射镜37反射、半透半反镜38、39反射合束后，经耦合透镜310进入一根光纤。从光纤头发出发散球面波311照明复合功能全息光学元件312，此时的复合功能全息光学元件312由红、绿、蓝三色激光记录的三个复合功能全息光学元件堆叠而成。激光经复合功能全息光学元件312衍射形成汇聚球面波，在汇聚球面波的汇聚点附近放置滤波器313，滤波器313不会遮挡汇聚光进入后续系统。汇聚点位于透镜314的前焦平面上，经透镜314后形成平面波，照明空间光调制器315。空间光调制器315与计算机316相连，声光开关34、35、36与计算机316相连，计算机316同步控制载入空间光调制器315中的彩色物体不同颜色通道数据计算的离轴全息图与声光开关，分时进行彩色显示。

如图4中(b)所述，空间光调制器315的法线方向与透镜314的光轴存在一个小的倾角α，其确定方式与实施例2方式相同，照明到空间光调制器315上的平面波光，被反射的零级光经透镜314后形成汇聚光，恰好被所设置的滤波器313遮挡，共轭图像光经透镜314后汇聚于零级光汇聚点的一侧，恰好被所设置的滤波器313遮挡，而经空间光调制器315中全息图衍射而形成的衍射图像光位于零级光汇聚点另一侧，不被遮挡，进入后续系统，衍射图像光的传播方向与激光经复合功能全息光学元件312衍射形成汇聚球面波的共轭方向接近，衍射图像光传播到复合功能全息光学元件312上，被复合功能全息光学元件312反向衍射汇聚，进入人眼。

在某个时刻，仅再现某一种颜色分量的三维图像，复合功能全息光学元件312中对应的颜色分量的光学元件起作用，进行成像。通过分时复用实现近眼AR彩色全息三维显示。

实施例4

本实施例记载了复合功能全息光学元件的制作系统和制作方法。

图4为复合功能全息光学元件的制作系统结构示意图。该制作系统由光源40、半透半反镜41、反射镜42、43、47、48、49，透镜44、45、46、410和全息干板411组成。

光源40由激光器401、显微物镜402、针孔403和准直透镜404组成。激光器401发出的细光束被显微物镜402汇聚于针孔403，通过针孔滤波后形成高质量的发散球面波，后被准直透镜404准直扩束为高质量的平面波。

复合功能全息光学元件的记录分为两步，分别进行介绍。

第一步：光源40发出的记录平面波照明透镜44后，形成的汇聚球面波，在汇聚点后形成发散球面波a；光源40发出的记录平面波被反射镜48反射，照明透镜46，形成汇聚球面波b；发散球面波a与汇聚球面波b在全息干板511上进行干涉，记录形成全息光学元件。

第一步记录时，制作系统的光路中去掉反射镜47、透镜410。经光源40发出的记录平面波被半透半反镜41部分反射，反射光被反射镜48反射进入透镜46，经透镜46形成汇聚球面波b；经光源40发出的记录平面波被半透半反镜41部分透射，透射光经反射镜42反射后进入透镜54，经过透镜54后先聚焦再发散，形成发散球面波a；发散球面波a与汇聚球面波b在全息干板511的重叠区域发生干涉，进行第一次记录，形成全息光学元件。

第二步：光源40发出的记录平面波照明透镜410后，形成的汇聚球面波c；光源40发出的记录平面波照明透镜45，在汇聚点后形成发散球面波d；发散球面波d与汇聚球面波c在全息干板411上进行干涉，记录形成复合功能全息光学元件。其中，透镜45与透镜46的光轴在同一条直线上。

第二步记录时，制作系统的光路中去掉反射镜48、42以及透镜46、44。经光源40发出的记录平面波被半透半反镜41部分反射，反射光被反射镜47、49反射进入透镜410后形成汇聚光c，透镜410为短焦距透镜，其汇聚光的汇聚点为人眼观看时的位置；记录平面波经过半透半反镜41的透射光，经反射镜43反射后进入透镜45，先汇聚再发散，形成发散球面波d，透镜45与透镜46的光轴在同一条直线上；发散球面波d与汇聚球面波c在全息干板411的重叠区域发生干涉，进行第二次记录，形成复合功能全息光学元件。

复合功能全息光学元件为体全息光学元件，通过两次复用记录制得的复合功能全息光学元件可实现两个功能：一是以发散球面波A照明复合功能全息光学元件时，可再现出汇聚球面波B；以汇聚球面波B的共轭光照明复合功能全息光学元件时，可再现出汇聚球面波C。

对于彩色显示方案，按照上述复合功能全息光学元件的制作方法，分别使用红、绿和蓝色激光器作为光源，制得三个复合功能全息光学元件，之后将三种复合功能全息光学元件堆叠在一起，用于分时彩色近眼AR全息三维显示。

以上所述的实施例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具体实施例，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 (10)

1.一种基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，其特征在于，包括光源模块、复合功能全息光学元件、透镜、偏振片、四分之一波片、反射式空间光调制器以及计算机；计算机同步控制所述光源模块和反射式空间光调制器，并向所述反射式空间光调制器载入计算全息图；

其光路描述如下：光源模块产生发散球面波A，用于倾斜照明复合功能全息光学元件，经所述复合功能全息光学元件衍射后产生汇聚球面波B；所述偏振片和四分之一波片位于汇聚球面波B的汇聚点所在的平面上，所述汇聚点位于所述透镜的前焦平面上，汇聚球面波B在其汇聚点汇聚后依次通过偏振片和四分之一波片，继续传播进入所述透镜产生平面波；所述平面波照明反射式空间光调制器，产生受所述离轴计算全息图调制的衍射图像光、未被调制的零级光和衍射图像共轭光；所述空间光调制器法线方向与入射其上的平面波传播方向平行，所述零级光和衍射图像共轭光经过所述透镜后，通过四分之一波片后被偏振片滤除；所述衍射图像光经过透镜汇聚后，未经过四份之一波片和偏振片，直接照明复合功能全息光学元件，经复合功能全息光学元件反向衍射汇聚进入人眼，人眼可看到位于远处的全息再现三维虚像；环境光不受影响地透过所述复合功能全息光学元件进入人眼成像。

2.一种基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，其特征在于，包括光源模块、复合功能全息光学元件、透镜、滤波器、反射式空间光调制器以及计算机；计算机同步控制所述光源模块和反射式空间光调制器，并向所述反射式空间光调制器载入计算全息图；

其光路描述如下：光源模块产生发散球面波A，用于倾斜照明复合功能全息光学元件，经所述复合功能全息光学元件衍射后产生汇聚球面波B，所述汇聚球面波B在其汇聚点汇聚后继续传播进入所述透镜产生平面波，所述汇聚点位于所述透镜的前焦平面上；所述平面波照明反射式空间光调制器，产生受所述计算全息图调制的衍射图像光、未被调制的零级光和衍射图像共轭光；所述空间光调制器的法线方向与所述透镜的光轴之间具有夹角α，所述零级光和衍射图像共轭光经过所述透镜后被设置在所述汇聚点附近的滤波片遮挡滤除，所述衍射图像光未被滤波器遮挡直接照明复合功能全息光学元件，经复合功能全息光学元件反向衍射汇聚进入人眼，人眼可看到位于远处放大的的全息再现三维虚像；环境光不受影响地透过所述复合功能全息光学元件进入人眼成像。

3.根据权利要求1或2所述的基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，其特征在于，所述发散球面波A的中心线与复合功能全息光学元件的中心法线之间的夹角，与所述汇聚球面波B的中心线与复合功能全息光学元件的中心法线的夹角相等。

4.根据权利要3所述的基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，其特征在于，所述发散球面波A的中心线与所述汇聚球面波B的中心线之间的夹角为90°。

5.根据权利要1或2所述的基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，其特征在于，所述的光源模块包括单色光纤激光器或R、G、B三色激光器。

6.根据权利要1或2所述的基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，其特征在于，所述的反射式空间光调制器为DMD或LCOS。

7.根据权利要1或2所述的基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，其特征在于，所述的复合功能全息光学元件的制作方法包括以下步骤：

(1)以发散球面波a作为参考光，以汇聚球面波b作为物光，对全息干板进行干涉曝光，得到全息光学元件；

(2)以发散球面波c作为参考光，以汇聚球面波d作为物光，对所述全息光学元件进行干涉曝光，得到复合功能全息光学元件；

所述发散球面波c是所述汇聚球面波b的共轭光；所述发散球面波a、汇聚球面波b、发散球面波c以及汇聚球面波d的波长相等；

所述发散球面波a与所述发散球面波A的方向相同，所述汇聚球面波b的方向与汇聚球面波B的方向相同；所述发散球面波c与所述衍射图像光方向相近，所述汇聚球面波d与汇聚于人眼成像的全息再现光方向相同。

8.根据权利要7所述的基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，其特征在于，在制作所述的复合功能全息光学元件时，物光和参考光的波长与所述衍射图像光的波长相等。

9.根据权利要7所述的基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，其特征在于，采用R、G、B三色激光器作为光源模块，所述的复合功能全息光学元件由R、G、B三色复合功能全息光学元件叠加而成；在制作R、G、B三色复合功能全息光学元件时，物光和参考光分别为红、绿、蓝三色光。

10.一种基于复合全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示眼镜，其特征在于，对称设置有两套如权利要求1～9任一项所述的基于复合功能全息光学元件的紧凑型全息近眼AR显示系统，分别为人的左眼和右眼显示全息三维再现像。