CN110989174B - 基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器 - Google Patents

Abstract

本发明是基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其中光源模块包括激光光源、扩束系统短焦透镜和扩束系统长焦透镜；微显示模块包括微显示器、半透半反镜、缩束系统长焦透镜、缩束系统短焦透镜和模式片组，成像模块包括偏振体全息光栅阵列；激光光源产生的激光光路顺次穿过扩束系统短焦透镜和长焦透镜、模式片组、半透半反镜、缩束系统长焦透镜和缩束系统短焦透镜到达偏振体全息光栅阵列；微显示器接收半透半反镜的反射光产生的光路顺次穿过半透半反镜、缩束系统长焦透镜和缩束系统短焦透镜到达偏振体全息光栅阵列；该种近眼光场显示器可以重建出可连续变焦的光场场景，且系统串扰可以完美消除，同时具有高透明度、大视场角和器件小巧的优势。

Description

基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器

技术领域

本发明涉及近目显示系统技术领域，具体的说是基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器。

背景技术

目前的近目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，光波导等可以，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以问题。不过针对视觉舒适度里最重要的调节与辐辏角冲突问题，目前有很多有效的方案可以通过提供准确或者接近准确的深度线索来缓解，如基于麦克斯韦视图的显示方案；基于多平面的显示方案；基于全息的光场显示方案；基于双层液晶的光场显示方案；以及基于集成成像原理的光场显示方案等等。

其中全息方法被视为最佳3D重建方案。其主要原理是通过对原始光场的相位信息进行精确重建，可以在空间形成一个可连续变焦的重建光场。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，严重影响立体显示技术的推广与应用。目前比较理想型的光学器件是偏振体全息光栅(PVG)，其制备流程可参考专利CN 109917547A。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，可以重建出可连续变焦的光场场景，且系统串扰可以完美消除，同时具有高透明度、大视场角和器件小巧的优势。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征是：包括光源模块、微显示模块和成像模块，所述的光源模块包括激光光源、扩束系统短焦透镜和扩束系统长焦透镜；所述的微显示模块包括微显示器、半透半反镜、缩束系统长焦透镜、缩束系统短焦透镜和模式片组；所述的成像模块包括偏振体全息光栅阵列；

所述的激光光源产生的激光光路顺次穿过扩束系统短焦透镜、扩束系统长焦透镜、模式片组、半透半反镜、缩束系统长焦透镜和缩束系统短焦透镜到达偏振体全息光栅阵列；

所述的微显示器接收半透半反镜的反射光产生的光路顺次穿过半透半反镜、缩束系统长焦透镜和缩束系统短焦透镜到达偏振体全息光栅阵列；

所述的微显示器和模式片组共同作用产生不同偏振方向的投射光；

所述的偏振体全息光栅阵列用于对入射方向相同，但偏振方向不同的入射光线进行特定角度方向上的反射；

所述的微显示器上的每个显示模块一一对应于偏振体全息光栅阵列上指定光栅上。

所述的激光光源采用窄波段的单色激光光源。

所述的偏振体全息光栅阵列采用偏振态敏感反射型光栅，所述的偏振体全息光栅阵列呈m×m网格阵列分布，所述的偏振体全息光栅阵列固定安装在透明玻璃一侧，观测位设置在透明玻璃的另一侧。

所述的模式片组由沿光轴方向上并列排布的n片电控偏振片组成，相邻两电控偏振片之间的偏振角度间隔为α，所述的偏振角度间隔

电控偏振片的数量n＝m²。

所述的模式片组采用分成m×m个网格区域的单片偏振片，每个网格区域的偏振方向都不一样，偏振角度间隔为β，所述的偏振角度间隔

所述的模式片组采用电控液晶相位延迟器，所述的电控液晶相位延迟器通过时分复用的方法产生相位延迟序列。

所述的模式片组采用透明玻璃片，所述的微显示器采用偏振型反射式液晶显示器，所述的微显示器产生的光线信息为椭圆偏振光。

所述的微显示器用于显示视点图序列或者全息图阵列，所述的全息图阵列中包含每个视点图的全息图。

所述的微显示器上显示m×m阵列的图像序列。

该种基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器能够产生的有益效果为：第一，采用偏振体全息光栅作为主要反射器件，相较于传统的镜面反射或者光波导反射，具有体积小，加工难度低，以及大视场角优势。

第二，采用偏振体全息光栅阵列式结构，对不同模块投射具有不同角度信息的视差图像，相较于传统的单视点投射，可以进行大景深范围的光场重建，实现单目连续聚焦和缓解双目调节辐辏角冲突问题，对未来增强现实和虚拟现实显示技术具有绝对技术优势。

第三，采用偏振体全息光栅阵列式结构，由于该器件为偏振态敏感反射型光栅。因此对于其他通道的光线，即使泄露到该区域，也不会被反射到人眼，因此可以从理论上完全消除视点间串扰。

附图说明

图1为本发明基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器的结构示意图。

图2为本发明基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器的光场投射光路示意图。

图3为本发明基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器的光场投射光路结构示意图。

图4为本发明基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器偏振体全息光栅中的光线偏振方向于入射方向关系示意图。

图5为本发明基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器透射型偏振体全息光栅工作原理示意图。

附图说明：1、光源模块；2、微显示模块；3、成像模块；11、激光光源；12、扩束系统短焦透镜；13、扩束系统长焦透镜；21、微显示器；22、半透半反镜；23、缩束系统长焦透镜；24、缩束系统短焦透镜；25、模式片组；31、透明玻璃；32、偏振体全息光栅阵列；33、观测位；34、第一光场；35、第二光场。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征是：包括光源模块1、微显示模块2和成像模块3，所述的光源模块1包括激光光源11、扩束系统短焦透镜12和扩束系统长焦透镜13；所述的微显示模块2包括微显示器21、半透半反镜22、缩束系统长焦透镜23、缩束系统短焦透镜24和模式片组25；所述的成像模块3包括偏振体全息光栅阵列32；

所述的激光光源11产生的激光光路顺次穿过扩束系统短焦透镜12、扩束系统长焦透镜13、模式片组25、半透半反镜22、缩束系统长焦透镜23和缩束系统短焦透镜24到达偏振体全息光栅阵列32；

所述的微显示器21接收半透半反镜22的反射光产生的光路顺次穿过半透半反镜22、缩束系统长焦透镜23和缩束系统短焦透镜24到达偏振体全息光栅阵列32；

所述的微显示器21和模式片组25共同作用产生不同偏振方向的投射光；

所述的偏振体全息光栅阵列32用于对入射方向相同，但偏振方向不同的入射光线进行特定角度方向上的反射；

所述的微显示器21上的每个显示模块一一对应于偏振体全息光栅阵列上指定光栅上。

本实施例中，激光光源11采用窄波段的单色激光光源，常用的单色激光光源为波长为457nm的蓝光、波长为532nm的绿光、波长为630nm的红光。

本实施例中，由于微显示器21本身不发光，半透半反镜22的反射光到达微显示器21，再由微显示器21反射到达偏振体全息光栅阵列32。

本实施例中，模式片组25为了能够产生不同偏振方向的入射光，可以采用可以为沿光轴方向上并列排布的n片电控偏振片，其偏振角度间隔为α，偏振角度间隔

工作模式中的偏振片可以定向选择出射光偏振态，非工作模式中的偏振片为透明玻璃。

如图4所示为Poincare球，球面上不同位置可表征不同的偏振态，两个极点分别表示左旋与右旋，“赤道线”上表征不同方向的线偏振。当圆偏光通过不同光轴方向的半波片时，旋向变为反向偏振变化的路径不同，不同的偏振变化过程产生“几何相位或PB相位差”。所产生的PB相位差为：Poincare球不同偏振变化路径所围成的球面面积。如果入射的圆偏光表示为：

其中

和

分别是沿着偏振片表面的两个垂直方向上的光强。

已知琼斯矩阵计算偏振片光场传递矩阵为T，可以表示为：

α为偏振片的偏振角。

那么可以获得输出光场为：

因此，可以得出出射光的偏振态与偏振片之间的关系。

故由上述逻辑可知模式片组25可以选用一组m×m个电控偏振片，偏振态可以通过电压控制。采用时分复用的方式依次让这些偏振片工作，非工作状态下的偏振片相当于透明玻璃。偏振片阵列方向依次变换，即可以得出一组相应的不同偏振方向的出射光。也可以将偏振片也可以集成在单片偏振片上，分成m×m个网格区域，每个区域的偏振方向都不一样，其偏振角度间隔为β，偏振角度间隔

该种结构只需要一次入射，就可以获得一组不同偏振方向的出射光。

进一步的，为了能够产生不同偏振方向的入射光，模式片组25也可以采用电控液晶相位延迟器，所述的电控液晶相位延迟器通过时分复用的方法产生相位延迟序列。

进一步的，当微显示器21采用偏振型反射式液晶显示器，所述的微显示器21产生的光线信息为椭圆偏振光，此时模式片组25采用透明玻璃片即可。

微显示器21可以采用LCOS微显示器件，用于显示视点图序列或者全息图阵列，所述的全息图阵列中包含每个视点图的全息图。进一步的，微显示器21上显示m×m阵列的图像序列，水平方向上的图像序列之间具有水平视差，垂直方向上的图像序列之间具有垂直视差。

本实施例中，偏振体全息光栅阵列32采用偏振态敏感反射型光栅，所述的偏振体全息光栅阵列32呈m×m网格阵列分布，所述的透明玻璃31一侧设置有偏振体全息光栅阵列32，观测位33设置在透明玻璃31的另一侧。

偏振体全息光栅的反射射角度与偏振体全息光栅阵列的曝光角度相关。进一步的，该结构中的偏振体全息光栅也可以换成任意一类透明，且可定向反射光学器件。

本实施例中，缩束系统长焦透镜23和缩束系统短焦透镜24将微显示器21中m×m阵列的图像序列依次对齐于成像模块3中的m×m偏振体全息光栅阵列，保证每个显示模块可以被独立的反射到人眼内。

当模式片组25采用可以为沿光轴方向上并列排布的n片电控偏振片这一方案时，系统工作模式是时分复用，即按时间先后，在一个帧周期内，依次遍历各个偏振片，此时显示器显示的图像内容也是依次变换的。当模式片组25可以选用一组m×m个电控偏振片网格排布这一方案时，系统工作模式是空分复用，即空间上，不同区域调制不同内容，此时，显示器在一个帧周期内，只需要显示一张图，但这张图被划分成组m×m个区域，每个区域与组m×m个偏振片一一对应。不论时分复用，还是空分复用，在一个帧周期内，都会由m×m个图像被产生。

如图2图3所示，当需要将第一光场34投射到人眼时，光场经过lcos发出，并具有特定偏转角度的平行光的照射到偏振体全息光栅阵列上，由于偏振体全息光栅可以为偏振态敏感反射型光栅，因此，当入射光于改光栅的偏振态敏感方向不一致时，光线会直接投射过去，如图2中投射的光线；相反，如果偏振态一致时，光线就会被定向反射，如图2中被反射到人眼的光线。同理，如图3所示，对于第二光场35而言其他通道的光线，在被投射出去，只有本通道的光线才会被反射。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征是：包括光源模块(1)、微显示模块(2)和成像模块(3)，所述的光源模块(1)包括激光光源(11)、扩束系统短焦透镜(12)和扩束系统长焦透镜(13)；所述的微显示模块(2)包括微显示器(21)、半透半反镜(22)、缩束系统长焦透镜(23)、缩束系统短焦透镜(24)和模式片组(25)；所述的成像模块(3)包括偏振体全息光栅阵列(32)；

所述的激光光源(11)产生的激光光路顺次穿过扩束系统短焦透镜(12)、扩束系统长焦透镜(13)、模式片组(25)、半透半反镜(22)、缩束系统长焦透镜(23)和缩束系统短焦透镜(24)到达偏振体全息光栅阵列(32)；

所述的微显示器(21)接收半透半反镜(22)的反射光产生的光路顺次穿过半透半反镜(22)、缩束系统长焦透镜(23)和缩束系统短焦透镜(24)到达偏振体全息光栅阵列(32)；

所述的微显示器(21)和模式片组(25)共同作用产生不同偏振方向的投射光；

所述的偏振体全息光栅阵列(32)采用偏振态敏感反射型光栅，所述的偏振体全息光栅阵列(32)呈m×m网格阵列分布；偏振体全息光栅阵列(32)用于对入射方向相同，但偏振方向不同的入射光线进行特定角度方向上的反射；

所述的微显示器(21)上的每个显示模块一一对应于偏振体全息光栅阵列上指定光栅上。

2.根据权利要求1所述的基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征在于：所述的激光光源(11)采用窄波段的单色激光光源。

3.根据权利要求1所述的基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征在于：所述的偏振体全息光栅阵列(32)固定安装在透明玻璃(31)一侧，观测位(33)设置在透明玻璃(31)的另一侧。

4.根据权利要求3所述的基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征在于：所述的模式片组(25)由沿光轴方向上并列排布的n片电控偏振片组成，相邻两电控偏振片之间的偏振角度间隔为α，所述的偏振角度间隔

电控偏振片的数量n＝m²。

5.根据权利要求3所述的基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征在于：所述的模式片组(25)采用分成m×m个网格区域的单片偏振片，每个网格区域的偏振方向都不一样，偏振角度间隔为β，所述的偏振角度间隔

6.根据权利要求3所述的基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征在于：所述的模式片组(25)采用电控液晶相位延迟器，所述的电控液晶相位延迟器通过时分复用的方法产生相位延迟序列。

7.根据权利要求3所述的基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征在于：所述的模式片组(25)采用透明玻璃片，所述的微显示器(21)采用偏振型反射式液晶显示器，所述的微显示器(21)产生的光线信息为椭圆偏振光。

8.根据权利要求3所述的基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征在于：所述的微显示器(21)用于显示视点图序列或者全息图阵列，所述的全息图阵列中包含每个视点图的全息图。

9.根据权利要求8所述的基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器，其特征在于：所述的微显示器(21)上显示m×m阵列的图像序列。

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