CN111175975B - 一种用于实现大焦深成像的近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于实现大焦深成像的近眼显示装置，该近眼显示装置包括准直光源、振幅式空间光调制器、4F滤波系统和纳米指向性功能薄膜。其中振幅式空间光调制器用于加载显示图像；4F滤波系统用于阻挡高级次衍射光，提高显示图像清晰度；纳米指向性功能薄膜为波导式结构，其侧面为入光面用于耦合显示图像，其出光面上设有纳米光栅像素阵列，用于将显示图像会聚在人眼瞳孔处，形成麦克斯韦视角(Maxwellian‑view)，实现大焦深成像，解决近眼显示中的辐辏调节矛盾问题。

Description

一种用于实现大焦深成像的近眼显示装置

技术领域

本发明涉及AR显示技术领域，特别是涉及一种用于实现大焦深成像的近眼显示装置。

背景技术

近眼显示(near-eye display,NED)装置是增强显示(AR)技术的关键部件，它能够将真实物体与虚拟世界进行叠加、融合，被广泛应用在医疗、军事、娱乐的领域，被认为是下一代移动显示平台，也因此成为科研工作者的研究热点。

中国专利201710803568.0公开了一种波导式近眼显示装置，所描述的波导元件包括入射面、出光面、反射倾斜面和多个分光元件。显示器提供的图像信息经过倾斜面耦合进入波导元件中传输，多个分光元件在不同的波导位置进行反射，耦合出图像进入人眼，实现近眼成像。但是在三维显示效果上面，这种近眼显示装置采用的是双眼视差原理，产生的辐辏调节矛盾问题难以解决，容易导致视觉疲劳，影响长时间观看效果。

中国专利ZL201611040561.X公开了一种基于波导镜片结构的宽视角近眼显示装置，所描述的波导镜片是由纳米光栅结构组成的光栅透镜，具有会聚光场视角的放大功能，与计算全息结合，能够实现无视觉疲劳、大视场角的3D增强显示效果。但是基于计算全息的三维重建信息量较大，对CPU和显示器的要求较高，并且出现的图像分辨率、全息散斑等问题还亟待解决。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种纳米指向性功能薄膜，结合4F滤波系统，并通过波导式光照明，在人眼瞳孔处形成会聚点，实现大焦深成像的近眼显示效果，以降低视觉疲劳、增强视觉体验效果、降低图像数据量。

一种用于实现大焦深成像的近眼显示装置，包括准直光源、振幅式空间光调制器、4F滤波系统和纳米指向性功能薄膜，所述准直光源用于提供近眼显示系统的入射光源；所述振幅式空间光调制器用于加载显示图像；所述4F滤波系统用于阻挡高级次衍射光，提高显示图像质量；所述纳米指向性功能薄膜用于对图像耦合、传播和会聚，在人眼瞳孔处形成会聚点，实现麦克斯韦视角的大焦深成像。

进一步地，纳米指向性功能薄膜为波导式结构，其侧面为入光面，可为斜面形或其他形状；其上表面为出光面，为平面形状。出光面上设有多组像素阵列，各组像素阵列之间以有序或无序的方式彼此互相嵌合，并均匀分布在所述纳米指向性功能薄膜的出光面上，同一组的像素阵列发出的光会聚到相同点，不同组的像素阵列会聚成不同点。

进一步地，所述纳米指向性功能薄膜中的像素单元由纳米光栅结构填充，纳米光栅结构的周期和取向满足全息记录和再现原理，每个光栅的参数能够根据光栅衍射方程进行计算，所述纳米光栅出射为反射方式。

进一步地，所述纳米光栅周期处于50nm到1500nm之间，取向角度处于0°到360°之间。

进一步地，所述纳米指向性功能薄膜为透过率较高的材料，满足波导传输的同时，能够透过现实场景，应用于增强现实技术中。

进一步地，所述振幅式空间光调制器为透射式调制方式，可以是LCD，LCOS，DMD等电子显示设备，但不限于此。所述振幅式空间光调制器加载的图像信息，经过纳米指向性功能薄膜调制后，能够在人眼瞳孔位置会聚成点，形成麦克斯韦视角(Maxwellian-view)，经过视网膜成像，实现大焦深的图像信息再现。

进一步地，所述4F滤波系统由两个透镜和一个滤波小孔组成，所述两个透镜为等焦距透镜，其间距等于透镜焦距的两倍；所述滤波小孔位于所述两个透镜之间，并处于焦点位置，形成所述4F滤波系统。所述振幅式空间光调制器中亚像素产生的高级次衍射光，经过所述4F滤波系统能够得到消除，减小了杂散光对所述近眼显示系统产生的影响

进一步地，所述准直光源为光入射矢量方向相互平行的平面光源；所述准直光源可以是激光，也可以是LED等光源，但不限于此；所述准直光源可以是由光学模组集成形成，也可以由点光源经过扩束、准直等过程搭建形成，但不限于此。

进一步地，所述准直光源耦合的入射角度、波长、耦合的出射角度与所述纳米光栅的周期、取向满足光栅衍射方程。本发明提出采用波导式纳米指向性功能薄膜对图像进行二次调控，与4F滤波系统、振幅式空间光调制器相结合，在人眼瞳孔处形成会聚点，实现麦克斯韦视角(Maxwellian-view)观看的大焦深近眼显示。

根据本发明提供用于实现大焦深成像的近眼显示装置，具有以下有益效果：

第一，纳米指向性功能薄膜能够将显示图像在人眼瞳孔处形成会聚点，形成麦克斯韦视角(Maxwellian-view)，通过人眼视网膜成像，实现大焦深图像的再现，解决了近眼显示技术中的辐辏调节矛盾问题，降低了视觉疲劳；

第二，4F滤波系统能够减小振幅式空间光调制器中亚像素的高级次衍射带来的影响，提高显示图像的质量，增强视觉体验效果；

第三，显示图像内容无需特定的计算处理，与现今显示面板相结合的同时，相比全息显示，能够大幅地降低图像数据量，形成动态显示效果。因此本发明采用波导式纳米指向性功能薄膜结构对显示图像进行二次调制，减小了辐辏调节矛盾，增加了近眼显示技术的视觉体验效果，同时结构紧凑，易于集成，能够应用于头戴式近眼显示技术中。

附图说明

本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是纳米光栅在XY平面下的结构图；

图2是图1中的纳米光栅在XZ平面下的结构图；

图3是本发明第一种实施方式下的近眼显示装置原理图；

图4是本发明第二种实施方式下的近眼显示装置原理图；

图5是本发明第三种实施方式下的近眼显示装置原理图；

图6是在人眼瞳孔处形成单个会聚点时，纳米指向性功能薄膜出光面上的纳米光栅像素结构分布示意图；

图7是本发明近眼显示系统中一种准直平面波光源的形成方式；

图8是本发明近眼显示系统中另一种准直平面波光源的形成方式。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术中所述，在实现近眼显示多种手段中，纳米光栅组成的指向性功能薄膜能够形成麦克斯韦视角(Maxwellian-view)，实现无视觉疲劳的3D显示效果，得到了本领域技术人员的青睐，成为未来最有可能大规模应用在近眼显示中的技术之一。

请先参见图1和图2，图1和图2是一个特征尺寸在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。根据光栅衍射方程，纳米光栅像素101的周期和取向角、入射光的入射角、衍射光的衍射角满足以下关系：

其中，光线沿x轴正方向传输，α₁和β₁依次表示入射光201与x轴和y轴的夹角；α₂和β₂依次表示衍射光202与x轴和y轴的夹角；n和λ依次表示纳米光栅101介质的折射率和入射光源201的波长；

和

依次表示纳米衍射光栅101的周期

在x轴和y轴的分量；

表示衍射光栅101的取向角(槽型方向与y轴正方向夹角)。换言之，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线角度之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米衍射光栅的周期和取向角了。例如，650nm波长红光以与x轴夹角60°，与y轴夹角0°正入射(折射率为1.5)，衍射光与x轴夹角45°，与y轴夹角45°时，通过计算，对应的纳米衍射光栅周期为1207nm，取向角为-57.8°。

按照上述原理，在一块纳米指向性功能薄膜的出光面上制作出多个按需设定的不同取向角和周期的纳米衍射光栅之后，理论上可以对入射光进行精确调制，获得不同出射方向的光线，配合侧边波导式耦合入射光，将显示图像在人眼瞳孔处会聚成点，形成麦克斯韦视角(Maxwellian-view)，实现大焦深成像的近眼显示效果。

本发明的技术方案是：振幅式空间光调制器加载的显示图像经过4F滤波系统进行空间滤波，消除杂散光，之后由纳米光栅像素组成的波导式纳米指向性功能薄膜，将显示图像进行耦合、传输以及会聚，最后在人眼瞳孔处形成麦克斯韦视角(Maxwellian-view)点，实现大焦深成像。纳米指向性功能薄膜中包含纳米光栅像素阵列的参数满足上述求出的方程(1)和(2)。纳米光栅像素阵列的功能是对入射波前进行转换，将平面波转换成会聚的球面波。其本质就是将振幅式空间光调制器提供的图像信息转换成空间会聚的麦克斯韦视角(Maxwellian-view)信息，形成大焦深成像，因此能够解决辐辏调节矛盾问题。同时，纳米指向性功能薄膜具有一定的透射率，就能够将现实场景与虚拟图像结合成像，形成增强现实体验效果。

下面，将对本发明的技术方案进行具体实施方式的详细介绍。

请参照图3，图3是本发明第一种实施方式下的近眼显示装置原理图，图中的纳米光栅像素结构304a印刷在波导式纳米指向性功能薄膜304上表面外层。该近眼显示系统包括准直入射光301，振幅式空间光调制器302，4F滤波系统303和波导式纳米指向性功能薄膜304。入射光301经过振幅式空间光调制器302后携带有显示图像信息，经过4F滤波系统303空间滤波，其中4F滤波系统303由透镜303a、303c和小孔303b组成，可用于减小高级次杂散光的影响，滤波后的图像信息经纳米指向性功能薄膜304侧边耦合进入纳米指向性功能薄膜304中以全反射的形式传输，经出光面的纳米光栅像素结构304a耦合反射聚焦于人眼305瞳孔处，形成麦克斯韦视角(Maxwellian-view)，经过人眼视网膜成像，人眼305便能在其前方观看到虚拟的显示图像(例如A、B、C数字)，且形成的图像具有大焦深成像特点，无论人眼调焦在何处，都能观看到清晰的图像，解决了近眼显示中的辐辏调节矛盾问题。同时，由于波导式纳米指向性功能薄膜304具有一定的透过率，因此，人眼305也能观看到现实存在的物体，形成了现实与虚拟相结合的增强现实显示效果。

请参照图4，图4是本发明第二种实施方式下的近眼显示装置原理图，图中的纳米光栅像素结构404a刻蚀在波导式纳米指向性功能薄膜404上表面内层。该近眼显示系统包括准直入射光401，振幅式空间光调制器402，4F滤波系统403和波导式纳米指向性功能薄膜404。入射光401经过振幅式空间光调制器402后携带有显示图像信息，经过4F滤波系统403空间滤波，其中4F滤波系统403由透镜403a、403c和小孔403b组成，可用于减小高级次杂散光的影响，滤波后的图像信息经纳米指向性功能薄膜404侧边耦合进入纳米指向性功能薄膜404中以全反射的形式传输，经出光面的纳米光栅像素结构404a耦合反射会聚于人眼405瞳孔处，形成麦克斯韦视角(Maxwellian-view)，经过人眼视网膜成像，人眼405便能在其前方观看到虚拟的显示图像(例如A、B、C数字)，且形成的图像具有大焦深成像特点，无论人眼调焦在何处，都能观看到清晰的图像，解决了近眼显示中的辐辏调节矛盾问题。同时，由于波导式纳米指向性功能薄膜404具有一定的透过率，因此，人眼405也能观看到现实存在的物体，形成了现实与虚拟相结合的增强现实显示效果。

请参照图5，图5是本发明第三种实施方式下的近眼显示装置原理图，图中的波导式纳米指向性功能薄膜504能够在人眼瞳孔的不同位置形成多个会聚点，增大人眼瞳孔的活动范围，提升近眼显示的体验效果。该近眼显示系统包括准直入射光501，振幅式空间光调制器502，4F滤波系统503和波导式纳米指向性功能薄膜504。入射光501经过振幅式空间光调制器502后携带有显示图像信息，经过4F滤波系统503空间滤波，其中4F滤波系统503由透镜503a、503c和小孔503b组成，可用于减小高级次杂散光的影响，滤波后的图像信息经纳米指向性功能薄膜504侧边耦合进入纳米指向性功能薄膜504中以全反射的形式传输，经出光面的纳米光栅像素结构504a耦合反射会聚于多处人眼瞳孔处(例如505a、505b、505c)，形成多个麦克斯韦视角(Maxwellian-view)，经过人眼视网膜成像，即使人眼位置发生移动，也均能在其前方观看到虚拟的显示图像(例如A、B、C数字)，且形成的图像具有大焦深成像特点，无论人眼调焦在何处，都能观看到清晰的图像，解决了近眼显示中的辐辏调节矛盾问题。同时，由于波导式纳米指向性功能薄膜504具有一定的透过率，因此，人眼也能观看到现实存在的物体，形成了现实与虚拟相结合的增强现实显示效果。

请参见图6，图6是在人眼瞳孔处形成单个会聚点时，纳米指向性功能薄膜601出光面上的纳米光栅像素结构分布示意图。纳米光栅像素均匀分布在纳米指向性功能薄膜601出光面上，在入射光603照明情况下，纳米光栅像素的出射光线能够会聚到人眼瞳孔位置。例如，光栅像素602a-602e的衍射光线604a-604e会聚到人眼瞳孔605位置。纳米指向性功能薄膜601上的纳米光栅像素的参数(周期和取向)都不相同，需根据纳米光栅像素位置坐标、人眼瞳孔坐标和入射光波长、入射角度进行特定理论设计，其中坐标为(x,y)的纳米像素的周期和取向满足以下方程(3)和(4)：

其中λ和θ分别是入射光的波长和入射角度；n为纳米指向性功能薄膜的折射率；x₀,y₀和z₀分别是人眼瞳孔位置在x轴、y轴和z轴的坐标.图上像素不限于矩形像素，也可以是圆形，菱形，多边形等像素形状，且不限于此。

本发明提出的近眼显示装置中的入射光源为准直平面波，其可以是由光学模组集成形成，也可以由点光源经过扩束、准直等过程搭建形成，且不限于此。

参考图7为一种准直平面波的形成方式，该光学系统包括激光701、扩束系统703和准直系统705。激光701发出的光线702，经过扩束系统703扩束形成发散的球面波704，再经过准直系统705调制后，形成准直平面波706。图8为另一种准直平面波的形成方式，该光学系统包括点光源801和准直系统803。点光源801发出的发散球面波802经过准直系统803调整后，形成平面波804，点光源可以是激光，也可以是LED等光源，且不限于此。图7和图8所示的准直的系统705和803，可以是单个透镜，也可以是组合透镜系统，且不限于此。

本发明上述的纳米指向性功能薄膜，其出光面上的纳米光栅像素可以采用光刻技术以及纳米压印进行制作。需要指出的是，在本发明中，既可以采用光刻方法在纳米指向性功能薄膜表面刻蚀制作出各个不同参数的纳米光栅像素，也可以通过该光刻方法先制作出能够用于压印的掩模，然后通过纳米压印技术大批量的在纳米指向性功能薄膜上压印出上述纳米光栅像素的图案。

综上所述，本发明公开了一种实现大焦深成像的近眼显示装置。在本发明中，利用波导式纳米指向性功能薄膜对光的耦合、传输和调制输出的能力，结合振幅式空间光调制器提供的显示图像，能够在人眼瞳孔处形成麦克斯韦视角(Maxwellian-view)，有效地解决了现今近眼显示技术中大数据量刷新和辐辏调节矛盾问题，为工业应用提供了切实可行的方案。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种用于实现大焦深成像的近眼显示装置，其特征在于，包括准直光源、振幅式空间光调制器、4F滤波系统和纳米指向性功能薄膜，所述准直光源用于提供近眼显示系统的入射光源；所述振幅式空间光调制器用于加载显示图像；所述4F滤波系统用于阻挡高级次衍射光，提高显示图像质量；所述纳米指向性功能薄膜用于对图像耦合、传播和会聚，在人眼瞳孔处形成会聚点，实现麦克斯韦视角的大焦深成像；

所述纳米指向性功能薄膜的出光面上设有多组纳米光栅像素阵列，并且所述纳米指向性功能薄膜中的纳米光栅结构的周期和取向角满足以下关系：

其中λ和θ分别是入射光的波长和入射角度；n为纳米指向性功能薄膜的折射率；x₀,y₀和z₀分别是人眼瞳孔位置在x轴、y轴和z轴的坐标.；n和λ依次表示基底材料的折射率和入射光源的波长；Λ表示像素型纳米光栅周期；

表示像素型纳米光栅的取向角；

所述纳米指向性功能薄膜为波导式结构，其侧面为入光面，用于耦合显示图像；其上表面为出光面，且设有多组像素阵列，各组像素阵列之间以有序或无序的方式彼此互相嵌合，并均匀分布在所述纳米指向性功能薄膜的出光面上；

所述纳米指向性功能薄膜的出光面上的同一组像素阵列发出的光聚焦到相同的人眼瞳孔位置，不同组的像素阵列会聚到人眼瞳孔的不同位置；

所述纳米指向性功能薄膜的出光面上的像素单元由纳米光栅结构填充，纳米光栅结构的周期和取向满足全息记录和再现原理，纳米光栅的出射方式为反射。

2.根据权利要求1所述的用于实现大焦深成像的近眼显示装置，其特征在于，所述纳米指向性功能薄膜由具有预设透过率的材料制作，用于透过现实场景，应用于增强现实技术中。

3.根据权利要求1所述的用于实现大焦深成像的近眼显示装置，其特征在于，所述振幅式空间光调制器用于加载显示图像，经过所述纳米指向性功能薄膜耦合、传输和会聚后，能够在人眼瞳孔处形成麦克斯韦视角，实现大焦深图像观察。

4.根据权利要求1所述的用于实现大焦深成像的近眼显示装置，其特征在于，所述4F滤波系统由两个透镜和一个滤波小孔组成，所述振幅式空间光调制器中亚像素产生的高级次衍射光，经过所述4F滤波系统能够得到消除。

5.根据权利要求4所述的用于实现大焦深成像的近眼显示装置，其特征在于，所述4F滤波系统中的两个透镜为等焦距透镜，其间距等于透镜焦距的两倍；所述滤波小孔位于两个所述透镜之间，并处于焦点位置，形成所述4F滤波系统。

6.根据权利要求1所述的用于实现大焦深成像的近眼显示装置，其特征在于，所述准直光源为激光或LED光源；所述准直光源由光学模组集成形成，或者由点光源经过扩束、准直的过程搭建形成；所述准直光源的入射角和波长、光栅像素坐标、周期和取向以及人眼瞳孔位置坐标之间满足光栅衍射方程。

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