CN110275303A - 基于全息波导的近眼显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全息波导的近眼显示器，包括：光波导以及设置在所述光波导两侧的阵列光源、入耦合光学元件、反射型空间光调制器、出耦合光学元件；所述阵列光源与入耦合光学元件位于光波导的异侧；所述出耦合光学元件的对侧为人眼视点位置；所述阵列光源发出的光线经入耦合光学元件反射后，照射到反射型空间光调制器上被反射型空间光调制器调制，再反射到出耦合光学元件上，由出耦合光学元件将调制后的光线导出光波导进入人眼；所述反射型空间光调制器与阵列光源的驱动信号同步。本发明的显示器结构可以极大地缩小光学系统的尺寸，增大全息成像的视场角，提升用户的观看体验效果。
Description
技术领域
本发明属于近眼显示系统技术领域，具体是一种基于光波导的全息光场增强现实显示技术的基于全息波导的近眼显示器。
背景技术
近年来，国内外多家著名的高新科技公司都蓄力于发展虚拟现实与增强现实技术。然而，目前的近眼显示方案大多是通过一些光学元件，如自由曲面，光学透镜，半透半反镜，光波导等，将放置在非明视距离内的显示系统的像源内容投射到瞳孔内。但目前的方案中仍然存在很多挑战，例如设备体积小型化，轻量化，系统低功耗，图像高分辨率，渲染实时性，以及最重要的视觉舒适度等问题。其中为了保障用户可以长时间的使用设备，一个良好的观看体验是必不可少的，然而遗憾的是目前还没有任何一种方案可以有效的同时解决以上所有问题。
全息显示的基本原理是光波的干涉记录与衍射再现，这种显示器能够提供人眼需要的所有深度线索和运动视差信息，从而避免单眼聚焦和双眼汇聚的冲突造成的视觉疲劳，因此被认为是理想的真三维显示技术。但是，由于显示原理的限制，具有分辨率损失严重，视场角小，光路复杂等问题，导致了该方案的成像质量不佳，因此难以向商用市场进行应用与推广。
公开号为CN105487170A的中国专利公开了一种全息光波导，属于增强现实和虚拟现实技术领域。其包括平板光波导以及分别设置于平板光波导两端的光学耦入端和光学耦出端；光学耦入端将接收到的光线进行反射，使被反射的光线满足全反射条件，在平板光波导的两个反射面之间多次全反射后传输到光学耦出端，光学耦出端将接收到的光线衍射出射；所述光学耦出端为全息光栅；所述全息光栅为偏振全息液晶光栅，包括依次排布的透明基底、光取向层、液晶层，所述光取向层上记录有呈周期性结构的偏振全息图案。本发明还公开了一种全息光波导显示装置。本发明利用偏振全息液晶光栅作为全息光波导的光学耦出端，理论上可以使衍射效率达到100％，同时能抑制零级波，消除共轭像。然而该显示装置的分辨率损失较为严重，且视场角较小，不能提供较好的观看体验效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于全息波导的近眼显示器，可以极大地缩小光学系统的尺寸，增大全息成像的视场角，提升用户的观看体验效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于全息波导的近眼显示器，包括：光波导以及设置在所述光波导两侧的阵列光源、入耦合光学元件、反射型空间光调制器、出耦合光学元件；所述阵列光源与入耦合光学元件位于光波导的异侧；所述出耦合光学元件的对侧为人眼视点位置；所述阵列光源发出的光线经入耦合光学元件反射后，照射到反射型空间光调制器上被反射型空间光调制器调制，再反射到出耦合光学元件上，由出耦合光学元件将调制后的光线导出光波导进入人眼；所述反射型空间光调制器与阵列光源的驱动信号同步。
具体地，所述阵列光源为可编程的发光单元阵列；所述阵列光源包括微LED阵列、激光光源阵列、液晶显示系统或OLED显示系统；
所述阵列光源上任意位置的发光单元均可单独点亮或者关闭；
所述阵列光源为单色光源或白光光源。
具体地，所述反射型空间光调制器为反射式的相位型空间光调制器或者反射式的振幅型空间光调制器。
进一步地，所述阵列光源中某个位置的发光单元被点亮时，所述阵列光源会同步发送一个驱动信号给反射式的相位型空间光调制器，所述调制器上会同步显示相应的相位图。
若所述反射型空间光调制器为反射式的振幅型空间光调制器，采用时分复用的方式点亮所述阵列光源中的发光单元时，所述调制器上会同步显示振幅调制图像；所述人眼位置会形成多视点的光场汇聚，从而实现三维光场显示。
具体地，所述入耦合光学元件为贴合于光波导表面的全息光学元件、衍射光学元件或者锲形反射镜面；可以利用全息光学元件的波长选择性，利用空间复用的方式实现彩色全息效果。
具体地，所述出耦合光学元件为贴合于光波导表面的全息光学元件，用于将所述反射型空间光调制器调制后的光线导出光波导或者在导出光波导的同时对光线进行会聚。
进一步地，所述出耦合光学元件为简单功能全息光学元件或复合功能全息光学元件；若所述出耦合光学元件为简单功能全息光学元件，其作用为将反射型空间光调制器调制后的光线导出光波导，进入人眼；若所述出耦合光学元件为复杂功能全息光学元件，则其作用除了将光线导出光波导外，还兼具正透镜的会聚功能。
具体地，所述出耦合光学元件采用具有一定角度带宽的全息光学元件，配合阵列光源，可以有效增大出瞳面积，从而增大视场角。
具体地，所述光波导为平板结构或弯曲结构。
具体地，所述阵列光源与反射型空间光调制器位于光波导的同侧或异侧；所述入耦合光学元件与反射型空间光调制器位于光波导的同侧或异侧；所述出耦合光学元件与反射型空间光调制器位于光波导的同侧或异侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明通过将阵列光源与反射型空间光调制器贴合到光波导器件上，可以极大地缩小光学系统的尺寸，为可穿戴设备的小型化提供技术支持；(2)本发明采用阵列光源可以有效增大全息成像的视场角，从而提升用户的观看体验效果；(3)本发明反射型空间光调制器与阵列光源之间采用同步驱动信号控制，阵列光源中不同位置的发光单元被点亮时，所述阵列光源会同步发送一个驱动信号给反射型空间光调制器；当所述反射型空间光调制器为振幅型空间光调制器时，采用时分复用的方式点亮阵列光源中的发光单元，就会在瞳孔位置形成多视点的光场汇聚，从而实现三维光场显示。
附图说明
图1为本发明实施例1基于全息波导的近眼显示器的结构示意图；
图2为本发明实施例1基于全息波导的近眼显示器的光路示意图；
图3为本发明实施例1中曲面结构的光波导结构示意图；
图4为本发明实施例1中入耦合光学元件为锲型反射弧面的结构示意图；
图5为本发明中光源阵列与反射型空间光调制器信号同步传输示意图；
图6为本发明实施例2中第一发光单元对应的光路示意图；
图7为本发明实施例2中第二发光单元对应的光路示意图；
图中：1、光波导；2、阵列光源；3、入耦合光学元件；4、反射型空间光调制器；5、出耦合光学元件；6、人眼；7、第一发光单元；8、目镜；9、第一视点的光场会聚点；10、第二发光单元；11、第二视点的光场会聚点。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1、2所示，本实施例提供了基于全息波导的近眼显示器，包括：光波导1以及设置在所述光波导1两侧的阵列光源2、入耦合光学元件3、反射型空间光调制器4、出耦合光学元件5；所述阵列光源2与入耦合光学元件3位于光波导1的异侧；所述出耦合光学元件5的对侧为人眼6视点位置；所述阵列光源2发出的光线经入耦合光学元件3反射后，照射到反射型空间光调制器4上被反射型空间光调制器4调制，再反射到出耦合光学元件5上，由出耦合光学元件5将调制后的光线导出光波导1进入人眼6；所述反射型空间光调制器4与阵列光源2的驱动信号同步。
具体地，所述阵列光源2为可编程的发光单元阵列；所述阵列光源2可以是微LED阵列、激光光源阵列、液晶显示系统或OLED显示系统；
所述阵列光源2上任意位置的发光单元均可单独点亮或者关闭；
所述阵列光源2为单色光源或白光光源。
具体地，所述反射型空间光调制器4为反射式的振幅型空间光调制器，用于加载投影子图；
所述反射式的振幅型空间光调制器与阵列排布的可编程的发光单元之间由一个同步信号驱动，当阵列光源2中不同位置的发光单元被点亮时，所述振幅型空间光调制器会显示相应的投影子图，不同的投影子图对应不同视点的目标物的信息。
具体地，所述光波导1为平板结构，所述光波导1内的光路示意图如图2所示；
可选地，所述光波导1还可以采用如图3所示的曲面结构，用来适应特定的观看场景。
具体地，所述入耦合光学元件3为贴合于光波导1表面的全息光学元件或者是纳米级的衍射光栅；
具体地，如图4所示，所述入耦合光学元件3还可以采用锲型反射弧面结构的全息光学元件，采用锲型反射弧面结构的全息光学元件可以提高入耦合光学元件3的耦合效率。
具体地，所述出耦合光学元件5为贴合于光波导1表面的全息光学元件，用于将所述反射型空间光调制器4调制后的光线导出光波导1，进入人眼6。
所述出耦合光学元件5采用具有反射镜和凸透镜组合的复合型全息光学元件，如图2所示，人眼6可以直接在出耦合光学元件5对侧观看。
所述全息光学元件都是具有一定角度带宽的，可以增大出瞳面积，从而增大全息成像的视场角。
具体地，所述阵列光源2与反射型空间光调制器4位于光波导1的同侧或异侧；所述入耦合光学元件3与反射型空间光调制器4位于光波导1的同侧或异侧；所述出耦合光学元件5与反射型空间光调制器4位于光波导1的同侧或异侧。
本实施例的显示原理为：当光源阵列的控制电路给出光源信号点亮光源阵列中对应位置的发光单元时，该光源信号也会同步使得显示控制电路发出显示信号，使得反射式振幅型空间光调制器显示对应视点的投影子图；当阵列中的发光单元被点亮时，其他发光单元为关闭状态，发光单元发出的光线经过入耦合光学元件3之后，光线以θ角在波导中发生着若干次全反射之后，照射到反射式振幅型空间光调制器上被调制并反射，此时光线中携带有视点的投影子图相关信息，再经过若干次全反射后照射到出耦合光学元件5(具有反射镜和凸透镜组合的复合型全息光学元件)上被会聚导出光波导1，在人眼6的位置形成光场；利用时分复用的方式依次点亮其他的发光单元，就会在人眼6位置形成多视点的三维广场会聚，如果刷新率足够高，那么在人眼6位置的光场会聚就会被人眼认为是同时传播过来的光场，在视网膜上就会重建出完整的光场信息。
实施例2
如图5至7所示，本实施例提供了基于全息波导的近眼显示器，与上述实施例1的区别在于，本实施例中，所述出耦合光学元件5采用的是仅具有反射镜作用的简单功能全息光学元件，此时，需要在光学系统中人眼6前再添置一个目镜8；人眼6在目镜8后方观看。
本实施例中，如图6、7所示，当第一发光单元7发出光线时，所述反射式振幅型空间光调制器会显示出第一视点的投影子图；当携带有第一视点的投影子图相关信息的光线经过光波导1若干次全反射后照射到出耦合光学元件5(仅具有反射镜作用的简单功能全息光学元件)上被导出光波导1，形成光场，该光场被目镜8会聚，在人眼6位置形成第一视点的光场会聚点9；同理，当第二发光单元10发出光线时，所述反射式振幅型空间光调制器会显示出第二视点的投影子图；最终也会在人眼6位置形成第二视点的光场会聚点11。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.基于全息波导的近眼显示器，其特征在于，包括：光波导以及设置在所述光波导两侧的阵列光源、入耦合光学元件、反射型空间光调制器、出耦合光学元件；所述阵列光源与入耦合光学元件位于光波导的异侧；所述出耦合光学元件的对侧为人眼视点位置；所述阵列光源发出的光线经入耦合光学元件反射后，照射到反射型空间光调制器上被反射型空间光调制器调制，再反射到出耦合光学元件上，由出耦合光学元件将调制后的光线导出光波导进入人眼；所述反射型空间光调制器与阵列光源的驱动信号同步。
2.根据权利要求1所述的基于全息波导的近眼显示器，其特征在于，所述阵列光源为可编程的发光单元阵列；所述阵列光源包括微LED阵列、激光光源阵列、液晶显示系统或OLED显示系统；
所述阵列光源上任意位置的发光单元均可单独点亮或者关闭；
所述阵列光源为单色光源或白光光源。
3.根据权利要求1所述的基于全息波导的近眼显示器，其特征在于，所述反射型空间光调制器为反射式的相位型空间光调制器或者反射式的振幅型空间光调制器。
4.根据权利要求1所述的基于全息波导的近眼显示器，其特征在于，所述入耦合光学元件为贴合于光波导表面的全息光学元件、衍射光学元件或者锲形反射镜面。
5.根据权利要求1所述的基于全息波导的近眼显示器，其特征在于，所述出耦合光学元件为贴合于光波导表面的全息光学元件，用于将所述反射型空间光调制器调制后的光线导出光波导或者在导出光波导的同时对光线进行会聚。
6.根据权利要求1所述的基于全息波导的近眼显示器，其特征在于，所述光波导为平板结构或弯曲结构。
7.根据权利要求1所述的基于全息波导的近眼显示器，其特征在于，所述阵列光源与反射型空间光调制器位于光波导的同侧或异侧；所述入耦合光学元件与反射型空间光调制器位于光波导的同侧或异侧；所述出耦合光学元件与反射型空间光调制器位于光波导的同侧或异侧。
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