CN109324414A - 包括使图像在不同平面上显示的全息光学设备的观察系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的领域涉及包括使图像在不同平面上显示的全息光学设备的观察系统。该观察系统包括屏幕(D)和光学准直设备，该光学准直设备包括两个通过反射工作的全息光学元件(HOE1、HOE2)，第一全息光学元件离屏幕更近，第二全息光学元件离观察者更近。在根据本发明的系统中，屏幕以第一波长显示第一物体，而以第二波长显示第二物体。每个全息光学元件包括两个全息光学处理(TH1、TH2、TH3、TH4)，每个处理能够反射两个波长中的一个并且透射另一个波长。第一全息光学元件和第二全息光学元件排布为使得在距离屏幕的第一距离处形成第一物体的图像(I1)，并且在距离屏幕与第一距离不同的第二距离处形成第二物体的图像(I2)。

Description

包括使图像在不同平面上显示的全息光学设备的观察系统
技术领域
本发明涉及这样的观察系统的领域：该观察系统使得图像以叠加在外部景观上的方式投影在距观察者一定距离处。这些系统特别是用于飞行器驾驶舱，以向驾驶员提供关于领航或导航的信息。其它的应用也是有可能的，特别是在机动车辆运输的领域。
背景技术
存在被称为“平视显示器”的观察系统，其使得准直的图像能够以叠加在外部景观上的方式投影在“无限远”处。在“无限远”处的物体应理解为表示在一定距离处的物体，该距离足够大，从而使得当观察者进行观察时，将来自物体的点的光线视为是相互平行的。
这些设备使得虚拟物体能够在被称为“叠合(congruent)”的位置处显示，也就是说，它们的图像完美地叠加在实际物体在外部所占据的位置处。从而，合成的跑道的图像以完美地叠加在实际跑道在地面上所占据的确切位置处的方式显示。例如，对于水平线同样也是这样。
然而，飞行员需要非叠合的信息以及不通过“平视显示器”显示的信息。当前，该信息呈现在安装于仪表板上的观察设备上。该呈现具有两个缺陷。飞行员不得不强制性地将他的视线从外部转移以观察所述信息。此外，从外部视野改变为对仪表板(其位于距飞行员的观看不到一米的位置处)的观察，二者之间存在必然的调节时间。
为修正这些缺陷，已经提出制造透明的观察屏幕，其可以集成至飞行器的挡风玻璃。由此解决叠加至外部的问题。然而，图像强制性地位于屏幕上。其因此不是叠合的，并且也不是无限远的。因此，调节的问题并没有解决。
为了缓解这些各种问题，可以利用与立体系统相关联的用于用户头部的姿态检测。姿态检测使得可以控制投影图像的位置，从而使得当用户移动其头部时，投影图像依然在相同的方向可见。其因此被视为是叠合的。
立体系统使得可以向每只眼睛发送对应于距离物体的伪距离(pseudo-distance)的左侧和右侧图像，而与从立体屏幕至观察者的实际距离无关。由此解决了聚散(vergence)问题。然而，左侧和右侧图像依然位于屏幕上。调节问题仍没有解决。事实上，在聚散信息和调节信息之间引入了失真。此外，立体系统需要使用玻璃以用于区别左侧和右侧图像，从而可能导致其它问题，特别是人体工程学问题。作为该类型系统的示例性实施方案，将会提及题为“Monochrome stereoscopic viewing system with projection onsemi-transparent slide”的专利(FR 14 02109)。
另一方法包括周期性地投影位于距观察者不同距离处的图像。为了执行该功能，通过光学漫射器或“快门”的方式在可以是透明或不透明的不同平面上产生最初的物体。由Shuxin Liu等人在2016年5月22日至27日在加州旧金山的SID第一辑上发表的题为“Amulti-plane volumetric optical see-through head mounted 3D display”的文章中提出该类型的解决方案，该方案的观察系统安装在头戴机中。可以理解，要适应于更大的嵌入式观察设备，将提出复杂的实现问题。
基于投影到有限距离的图像而进行的研究显示，在立体视觉中，如果期望在合理的观看舒适条件下(也就是说没有视敏度的损失也没有严重的眼疲劳)，同时观察在无限远处叠合的空间像和在一定距离处的非叠合的图像，那么只需非叠合图像的最小距离不小于约1.7米。关于这一点，将参考由Philippe Coni等人在SID 2016 DIGEST第684-687页上发表的题为“A full Windshield Head-Up display using Simulated Collimation”的文章。
全息光学元件是通过在光敏材料上记录两束波之间的干涉现象而获得的光学组件，干涉在材料内部带来光折射率的变化，当随后对全息图进行显影时该变化被保留下来。这些元件就是所说的体相位全息图，这要求光敏材料必须具有一定厚度以便记录下相当数量的干涉条纹，并且折射率变化仅导致入射光波的相位变化而不导致振幅变化。这些元件可以通过反射或通过透射进行工作。
这些全息光学元件具有一定数量的值得注意的特性。具体地，可以通过改变记录的波的形式而获得多种多样的光学功能。这些功能在一定程度上与全息光学元件的载体的形式无关。从而，在平面载体上记录的全息光学元件可以具有屈光力(optical power)并且具有能够与棱镜、透镜或反射镜的功能相当的功能。
最后，这些全息光学元件在本性上具有光谱选择性。对于给定的入射角，全息光学组件反射在给定的光谱带内的光，并且对该光谱带以外的光透明，该光谱带与记录的波长有关，并且更一般地，与记录条件有关。对于关于该类型的全息光学元件的衍射操作的全部信息将参考由H.Kogelnik在The Bell System Technical Journal，第48卷，1969年11月，第9期上发表的题为“Coupled Wave Theory for thick Hologram Gratings”的有重要影响的文章。
也可以在同一个的光敏载体上以不同波长记录具有不同光学功能的全息图。对于关于这一点的额外信息将参考题为“Photopolymer medium for color hologramrecording and color hologram image recording method”的美国专利公开(US 2012/0086993)。关于该主题也将引用题为“Color holographic optical element”的美国专利公开(US 2013/0065159)。仅有的限制是输出的光谱带必须分开的足够远以避免任何“串扰”现象。
发明内容
根据本发明的观察系统利用全息光学元件的这些各样的特性。其包括准直设备，所述准直设备包括两个全息光学元件，使得能够在外部在两个在不同距离叠加具有不同颜色的两个图像。更准确地说，本发明的一个主题是一种观察系统，其包括屏幕和光学准直设备，该光学准直设备在距离所述屏幕第一距离处形成来自该屏幕的图像，所述光学准直设备包括两个通过反射工作的全息光学元件，第一全息光学元件离所述屏幕更近，第二全息光学元件离观察者更近，其特征在于：
-屏幕以第一波长显示第一物体，而以第二波长显示第二物体，所述第一波长与所述第二波长不同；
-第一全息光学元件包括第一全息光学处理，其具有第一屈光力，反射第一波长而透射第二波长；
-第一全息光学元件包括第二全息光学处理，其具有第二屈光力，反射第二波长而透射第一波长；
-第二全息光学元件包括第三全息光学处理，其具有第三屈光力，反射第一波长而透射第二波长；
-第二全息光学元件包括第四全息光学处理，其具有第四屈光力，反射第二波长而透射第一波长；
-第一全息光学元件和第二全息光学元件排布为使得在距离屏幕第一距离处形成在第一波长的第一物体的图像，并且在距离屏幕第二距离处形成在第二波长的第二物体的图像，所述第二距离实质上与第一距离不同。
有利地，第一物体利用以第一波长为中心的第一窄光谱带进行发射，第二物体利用以第二波长为中心的第二窄光谱带进行发射，第一窄光谱带和第二窄光谱带是分开的，每个光谱带具在有10纳米和20纳米之间的光谱宽度。
有利地，第一波长和第二波长具有相近的色度(colorimetries)。
有利地，第一波长和第二波长具有不同的色度。
有利地，第一波长是绿光，而所述第二波长是红光。
有利地，屏幕以与第一波长和第二波长不同的第三波长显示第一物体，第一全息光学处理和第三全息光学处理反射所述第三波长。
有利地，第三屈光力和第四屈光力是零。
有利地，第一全息光学元件与第二全息光学元件平行。
有利地，对第二全息光学元件的形式进行调整以便将之集成至与飞行器的挡风玻璃。
有利地，在竖直轴上，观察者观看第一物体的图像或第二物体的图像的角度约为20度。
有利地，第一距离为无限远，而第二距离为数米。
本发明还涉及用于产生如上所述的第一全息光学元件和第二全息光学元件的方法，其特征在于，全息光学处理中的至少一个是通过记录来自于同一个光源的两束光波之间的干涉现象而产生的，所述两束光波中的至少一束是平面波。
有利地，全息光学处理中的至少一个是通过记录来自于同一个光源的两束光波之间的干涉现象而产生的，所述两束光波中的至少一束是球面波。
有利地，全息光学处理中的至少一个是通过记录来自于同一个光源的两束光波之间的干涉现象而产生的，所述两束光波中的至少一束是非球面波，记录台包括位于所述非球面波的路径中的至少一个偏心光学元件。
有利地，全息光学处理中的至少一个是通过记录来自于同一个光源的两束光波之间的干涉现象而产生的，所述两束光波中的至少一束是非球面波，记录台包括位于所述非球面波的路径中的至少一个数字生成的全息光学元件。
附图说明
通过阅读以下描述，将会对本发明有更好的理解，并且本发明的其它优点将变得明显，以下描述通过非限定性示例的方式并参考附图而给出，在附图中：
图1显示了根据本发明的观察系统的概览；
图2显示了在图像在无限远处的情况下根据本发明的观察系统的光学配置；
图3显示了根据本发明的用于第一全息光学元件的第一记录台；
图4显示了根据本发明的用于第二全息光学元件的第二记录台。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的观察系统的概览。其主要包括观察屏幕D和两个全息光学元件HOE1和HOE2。第一全息光学元件HOE1与屏幕D更近，而第二全息光学元件HOE2与观察者的眼睛Y更近。在该图1中，以第一波长发射的光线通过细线显示，而以第二波长发射的光线通过虚线显示。
观察屏幕D发射两个物体。第一物体以第一波长发射或以在所述第一波长附近的窄光谱带发射，而第二物体以第二波长发射或以在所述第二波长附近的窄光谱带发射。两个光谱带是分开的。每个光谱带的光谱宽度在10纳米和20纳米之间。
为了使色彩的感觉更加接近，两个波长可以足够近。例如，两个波长可以以“绿色”发射，也就是说，在510nm和540nm之间的光谱带中。
为了使色彩的感觉不同，两个波长可以分开得足够远。例如，第一波长可以如上所述以“绿色”发射，而第二波长可以以“红色”发射，也就是说，在600nm和650nm之间的光谱带中。其它波长的选择也是可以的。波长的选择与显示的物体和如何使用它们有关。
通过最初示例的方式，观察屏幕可以由双光谱投影仪形成，所述双光谱投影仪以不同波长将两个发射的物体投影到漫反射屏幕上。这两个物体可以通过由发光二极管或激光二极管进行照明的矩阵显示屏的方式获得。这些显示屏可以通过透射进行工作。例如液晶显示屏或“LCD”就是这种情况。它们可以通过反射进行工作。例如被称为“DLP”(其为代表“数字光处理(digital light processing)”的首字母缩写)的显示屏就是这种情况。
通过第二示例的方式，显示屏可以是“OLED”(“有机光发射二极管(organiclight-emitting diode)”的首字母缩写)类型或微LED类型的自发光的。
如果显示屏以足够宽的光谱发射，也可以利用可变干涉滤光器将该光谱带的一部分分配给第一物体，而将另一部分分配给第二物体。题为“Stereoscopic viewing systemwith active wavelength multiplexing”的法国专利FR 3 028 051，对该类型的解决方案进行了描述。
也可以将两个物体投影到两个不同屏幕上，然后利用半反射片(semi-reflectiveslide)将它们重新组合。后一解决方案可以将物体设置在相同或不同的平面上。
对于每个物体，两个全息光学元件的组件在不同距离形成空间像。具体地，每个全息光学元件都具有特定的特征，使得全息光学元件包括两个全息光学处理，每个处理分别针对两个上述波长中的一个进行调整，并且具有不同的屈光力。
从而，第一全息光学元件HOE1包括第一全息光学处理TH1，其具有第一屈光力，反射第一波长而透射第二波长。第一全息光学元件HOE1包括第二全息光学处理TH2，其具有第二屈光力，反射第二波长而透射第一波长。
第二全息光学元件HOE2包括第三全息光学处理TH3，其具有第三屈光力，反射第一波长而透射第二波长。第二全息光学元件HOE2包括第四全息光学处理TH4，其具有第四屈光力，反射第二波长而透射第一波长。该第二全息光学元件也具有第二光学功能。其必须以不失真的方式并且以尽可能低的衰减传输外部景象。
在这种情况下，可以创建针对每个物体进行调整的屈光力。以第一波长发射的第一物体通过第一全息光学处理TH1和第三全息光学处理TH3而聚焦在第一距离处。它对应于图1中的图像I1。以第二波长发射的第二物体通过第二全息光学处理TH2和第四全息光学处理TH4而聚焦在第二距离处。它对应于图1中的图像I2。
通常，第一距离为光学无限远，而第二距离为有限距离。如上所述，为了达到一定的视觉舒适度，该第二距离距观察者要大于或等于1.7米是很重要的。为了清晰地描述，图1中的第一距离和第二距离在有限距离处。
无需全部的全息光学处理都具有屈光力。通过示例的方式，第三屈光力和第四屈光力可以是零。在这种情况下，第二全息光学元件仅以非笛卡尔的方式反射通过第一全息光学元件给出的图像，也就是说，反射或衍射的角度不等于入射的角度。
通过非限定性的示例性实施方案的方式，图2显示了根据本发明的观察系统。它包括观察屏幕D和两个全息光学元件HOE1和HOE2。该系统旨在安装在飞行器驾驶舱中，第二全息光学元件旨在集成至飞行器的挡风玻璃或“风挡”。该系统旨在以两个波长工作，但是，在图2中仅显示了单个波长的光线路径。通过示例的方式，该波长位于绿色光谱中，发射光谱带宽约16nm。细线显示了该波长在场的中央的光线路径，而虚线显示了该同一波长在场的两个边界的光线路径。
在图2的配置中，来自屏幕的图像被投影到无限远处。
还是在图2中，粗线的矩形显示了观察屏幕D和全息光学元件HOE1和HOE2。两个黑色三角形定义了观察系统的“眼眶”YB的界限。眼眶应理解为表示观察者的眼睛为了正确地观察图像所应该处于的区域。
屏幕的高度约270mm。利用上面概述的装置获取图像，而图2没有显示该装置。
两个全息光学元件记录在平面或大体上是平面的载体上。它们实质上相互平行。第一全息光学元件HOE1的宽度是300nm，长度是500nm。第二全息光学元件HOE2的宽度是200nm，长度是300nm。
第一全息光学元件的第一全息光学处理对应于离轴抛物线。其等效焦距为约710mm。第二全息光学元件的第三全息光学处理不具有屈光力。其对应于非笛卡尔反射镜。
“眼眶”的高度为约100mm，并且其宽度为约200mm。投影图像的竖直场为约20度，并且其水平场为约30度。其近似与目前的HUD(平视显示装置)对应。
在该配置下，对于观察系统，相差和色差保持在可接受的程度。相差主要通过存在于通过每只眼睛接收的左侧和右侧图像之间的视差缺陷来表征。失真可以在显示的物体处进行矫正。
产生全息图包括在光敏材料上记录两束波之间的干涉现象。材料通常采用光敏聚合物。该材料具有优异的分辨率，与干涉条纹的间隔兼容，可以实现高衍射效率并且几乎不表现出漫反射。材料的有用厚度在16μm到25μm之间，以便在窄光谱带中的期望的波长处实现高衍射效率。
全息光学组件的载体可以是玻璃或有机玻璃，例如聚碳酸酯。应当注意，在观察系统中，全息光学组件的载体可以通过机械加工、粘合或叠层和分层而在记录和安装之间进行修改。
如前所述，每个全息光学组件包括两个全息光学处理。可以使用数种技术来制造这两个处理。可以制造两个随后相互粘合的全息图。也可以在同一个衬底上以两个波长形成两个记录。利用激光源(其发射波长通常与再现波长相同或接近)来形成记录。
可以调整记录台的几何结构以便补偿记录和再现之间的波长差别。具体地，已知干涉条纹的间隔与波长有关，也与记录波的入射角度有关。
以同样的方式，用于在记录和再现之间对全息图进行“显影”的方法可能导致光敏材料的厚度的总体变化，该现象被称为“收缩”。这种条纹间距的缩减可以在记录时通过合适的工作台的几何结构而得到补偿。
通过非限定性的示例的方式，图3和图4显示了两个记录台。在这些图中，光线通过箭头表示，而波面通过细线表示。图3的第一工作台显示了非笛卡尔反射镜类型的HOE2的全息光学处理的记录。该反射镜通过记录位于全息图的两侧的两个平面波Σ2和Σ2’获得。在该图中没有显示用于产生两个平面波的光源和准直光学装置。
图4的第二工作台显示了离轴抛物面反射镜类型的HOE1的全息光学处理的记录。该反射镜通过记录位于全息图的两侧的来自光源S的球面波Σ1和平面波Σ1’获得。在该图中没有显示用于产生平面波的准直光学装置。应当注意到，图4所显示的球面波可以是发散的或者是会聚的。会聚波更难产生，其要求记录台必须具有大的光学装置。
可以记录比平面或球面更复杂的波面。可以通过例如在两个记录波中的一个的路径上设置棱镜或反射镜来产生简单的非球面波。也可以通过利用例如被称为“CGH”(“计算机生成全息图(computer-generated holograms)”的首字母缩写)的数字地形成的全息图来产生高度非球面化的非球面波面。
在上文中，根据本发明的观察系统利用两个不同的波长和两个不同的准直距离工作。可以增架波长的数量，例如，为了显示双色或彩色图像。在这种情况下，第一物体和/或第二物体包括三种组分，蓝色、绿色和红色，并且每个全息光学元件包括三个针对每种组分进行调整的处理。
也可以通过增加显示的物体来增加准直距离。
然而，每次使用一个光谱带以在一定距离处形成一幅图像，景观不再通过第二全息光学元件在该相同的光谱带中传输，以此程度降低了观察系统的传输。

Claims (15)

1.一种观察系统，其包括屏幕(D)和光学准直设备，该光学准直设备在距离所述屏幕的第一距离处形成来自该屏幕的图像(I1)，所述光学准直设备包括两个通过反射工作的全息光学元件(HOE1、HOE2)，第一全息光学元件(HOE1)离所述屏幕更近，第二全息光学元件(HOE2)离观察者更近，其特征在于：
-所述屏幕以第一波长显示第一物体，而以第二波长显示第二物体，所述第一波长与所述第二波长不同；
-第一全息光学元件(HOE1)包括第一全息光学处理(TH1)，其具有第一屈光力，反射第一波长而透射第二波长；
-第一全息光学元件(HOE1)包括第二全息光学处理(TH2)，其具有第二屈光力，反射第二波长而透射第一波长；
-第二全息光学元件(HOE2)包括第三全息光学处理(TH3)，其具有第三屈光力，反射第一波长而透射第二波长；
-第二全息光学元件(HOE2)包括第四全息光学处理(TH4)，其具有第四屈光力，反射第二波长而透射第一波长；
-第一全息光学元件和第二全息光学元件排布为使得在距离屏幕第一距离处形成第一波长的第一物体的图像(I1)，并且在距离屏幕第二距离处形成第二波长的第二物体的图像(I2)，所述第二距离与所述第一距离实质上不同。
2.根据权利要求1所述的观察系统，其特征在于，所述第一物体以第一窄光谱带进行发射，所述第一窄光谱带以所述第一波长为中心，所述第二物体以第二窄光谱带进行发射，所述第二窄光谱带以所述第二波长为中心，所述第一窄光谱带和所述第二窄光谱带相分开，每个光谱带具有在10纳米和20纳米之间的光谱宽度。
3.根据前述的权利要求中的任一项所述的观察系统，其特征在于，所述第一波长和所述第二波长具有相近的色度。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的观察系统，其特征在于，所述第一波长和所述第二波长具有不同的色度。
5.根据权利要求3所述的观察系统，其特征在于，所述第一波长位于绿色光谱中，而所述第二波长位于红色光谱中。
6.根据前述的权利要求中的任一项所述的观察系统，其特征在于，所述屏幕以与第一波长和第二波长不同的第三波长显示第一物体，所述第一全息光学处理和所述第三全息光学处理反射所述第三波长。
7.根据前述的权利要求中的任一项所述的观察系统，其特征在于，所述第三屈光力和所述第四屈光力为零。
8.根据前述的权利要求中的任一项所述的观察系统，其特征在于，所述第一全息光学元件与所述第二全息光学元件平行。
9.根据前述的权利要求中的任一项所述的观察系统，其特征在于，对所述第二全息光学元件的形式进行调整以使之集成至飞行器的挡风玻璃。
10.根据前述的权利要求中的任一项所述的观察系统，其特征在于，在竖直轴上，观察者观看第一物体的图像或第二物体的图像所在的角度为约20度。
11.根据前述的权利要求中的任一项所述的观察系统，其特征在于，所述第一距离为无限远，而所述第二距离数米。
12.一种用于制造根据前述的权利要求中的任一项所述的观察系统的方法，其特征在于，全息光学处理中的至少一个是通过记录来自于同一个光源的两束光波之间的干涉现象而产生的，所述两束光波(Σ'1、Σ2、Σ'2)中的至少一束是平面波。
13.一种用于制造根据权利要求1到11中的任一项所述的观察系统的方法，其特征在于，全息光学处理中的至少一个是通过记录来自于同一个光源的两束光波之间的干涉现象而产生的，所述两束光波中的至少一束是球面波(Σ1)。
14.一种用于制造根据权利要求1到11中的任一项所述的观察系统的方法，其特征在于，全息光学处理中的至少一个是通过记录来自于同一个光源的两束光波之间的干涉现象而产生的，所述两束光波中的至少一束是非球面波，记录台包括设置在所述非球面波的路径中的至少一个偏心光学元件。
15.一种用于制造根据权利要求1到11中的任一项所述的观察系统的方法，其特征在于，全息光学处理中的至少一个是通过记录来自于同一个光源的两束光波之间的干涉现象而产生的，所述两束光波中的至少一束是非球面波，记录台包括设置在所述非球面波的路径中的至少一个数字生成的全息光学元件。
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