CN111175983A - 一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3d显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，包括：光源、体全息光学元件、空间光调制器和光阑。来自光源的发散照明光被体全息光学元件波长选择并衍射形成平面波以一定角度照明空间光调制器，调制光场反向传播后再次被体全息光学元件衍射，衍射的正一级物光通过光阑进入人眼，而其它杂光被光阑遮挡。所述的体全息光学元件实现了波长选择、棱镜分光和成像三个功能，大大减少了光学器件的使用数量和光学系统的体积，能够实现相干光照明或非相干光照明条件下单色及彩色的近眼全息增强现实3D显示，具有重要的应用价值。

Description

一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示 系统

技术领域

本发明涉及显示领域，尤其涉及一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统。

背景技术

近眼显示头盔或智能眼镜可以实现增强现实显示的效果。增强现实显示是目前重要的新型显示技术，能够将虚拟图像与真实环境相融合以实现无与伦比的人机交互体验，在国防安全、工业设计、医疗、教育等领域有着重要的应用价值。

目前3D显示主要为双目视差3D显示，通过棱镜、自由曲面增强现实目镜或波导作为耦合器件，将虚拟图像投影于人眼，而环境光可直接穿透耦合器件进入人眼实现增强现实显示的目的。对于双目视差3D显示而言，人眼的聚焦和观看虚拟场景双目视轴会聚的不一致会导致严重的视疲劳及眩晕等问题，该问题即为所谓的辐辏调节冲突问题。当所显示的图像与人的距离较远时，人眼无需额外聚焦即可看到具有双目视差的3D图像，辐辏调节冲突的影响小。然而，当显示的图像与人的距离近时，辐辏调节冲突问题会变得严重。美国Magic Leap的Magic Leap One增强现实眼镜及杭州光粒科技推出的增强现实眼镜均采用双深度光场显示技术实现了近眼增强现实3D显示。双深度光场显示可一定程度上减弱辐辏调节冲突的影响，但不能完全解决辐辏调节冲突问题。实现无辐辏调节冲突的近眼增强现实真3D显示，是一个亟需解决的问题。

众所周知，全息显示是基于干涉记录和衍射再现的显示技术，能够实现完美的3D光场重构，被认为是最理想的3D显示技术。然而由于目前微显示器分辨率和像素尺寸的限制，短期内实现多人可同时观看的动态彩色3D显示的条件还不成熟。而在现有条件下，满足单眼观看真3D显示的需求已经具有了可能性。通过两片微显示器，分别为人的左眼和右眼成像，实现基于双目的真3D全息显示。实现该技术可以促进全息的实际应用。

现有的全息3D显示系统中，使用空间光调制器作为显示器进行光场的调制，最主要的空间光调制器有LCoS，DMD，LCD等，其中LCoS和DMD为反射式空间光调制器，LCD为透射式空间光调制器。DMD与LCD作为空间光调制器实现光场调制的能力受到像素尺寸和分辨率的影响，受限于加工制造技术，其像素尺寸难于进一步减小，目前现有的DMD和LCD的像素尺寸10um左右。而LCoS的制造技术能够实现更小像素尺寸和更高分辨率，目前已知最小像素尺寸的空间光调制器如美国晶典科技有限公司的4K分辨率的LCoS，其像素尺寸3.2um。更小的像素尺寸意味着更大的衍射角度从而可以实现更大视场角的全息3D显示。

使用反射式空间光调制器实现全息3D显示时，传统的方法中使用激光或LED等光源发出的发散球面波通过透镜准直为平面波后经过部分反射镜或分光棱镜将光部分反射用于照明LCoS。准直透镜、分光棱镜等器件的使用增大了光学系统的体积和重量。体全息光学元件是指采用全息曝光的方式实现的具有一定光学功能的器件，具有波长和角度选择性。采用体全息光学元件与全息显示相结合，减少光学器件的使用，实现紧凑的近眼全息增强现实3D显示系统具有重要的应用价值和研究意义。

发明内容

本发明公开了一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统。所公开的显示系统，无需准直透镜及分光镜，结构简单紧凑，能够实现相干光照明或非相干光照明的单色或彩色的近眼全息增强现实显示，具有重要的商用价值。

本发明公开的一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，包括光源、体全息光学元件、空间光调制器和光阑。

光源：用于提供照明光；

体全息光学元件，实现三个功能：

(1)对来自光源的光进行波长选择，即满足波长条件的光被衍射，其它波长的光透射；

(2)照到其上的照明光中满足波长选择性的光被衍射为平面波，并以一定角度照明空间光调制器；

(3)经过空间光调制器调制之后的光场，被体全息光学元件反向衍射，衍射光汇聚到与光源所在平面上。

空间光调制器：用于载入全息图，对照射其上的平面波进行调制，产生调制的光场；

光阑，与光源位于同一个平面内，用于遮挡杂散光，仅允许正一级衍射光透过。

优选的，所述的光源包括点光源，发出发散照明光；所述点光源包括卤素灯白光光源或LED白光光源发出的白光或单色激光光源或三色激光光源合输后耦合进入光纤，在光纤端口发出发散球面波；或LED白光光源或单色LED光源或由RGB三个单色LED组成的白光光源发出发散球面波。

优选的，所述的空间光调制器包括反射式空间光调制器，如DMD或LCoS。

优选的，所述的空间光调制器包括相位型空间光调制器或振幅型空间光调制器。

优选的，所述的体全息光学元件为单片式彩色体全息光学元件，对红色、绿色和蓝色对应的三个波长均产生衍射作用；或两片式体全息光学元件堆叠形成的彩色体全息光学元件，其中一片能对红色、绿色和蓝色对应的波长中的两种发生衍射作用，而另一片对余下的另一种颜色对应的波长发生衍射作用；或三片式体全息光学元件堆叠形成的彩色体全息光学元件，每一片仅对对应波长的光发生衍射作用。

优选的，所述的体全息光学元件由一个平面波与一个球面波在感光材料内曝光形成的反射式体全息光学元件；感光材料包括光致聚合物、银盐材料或明胶感光材料中的一种或多种。

优选的，所述的基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统还包括一片或多片反射镜、偏振片、衰减片等，用于改变光路的形态使得光路更加紧凑，或改变光的偏振态或光的强度。

以反射式LCoS作为空间光调制器为例，来说明所述显示系统的工作原理，具体实现过程为：来自光源的发散照明光传播到体全息光学元件上，由于体全息光学元件的波长选择性，对应波长的光将发生衍射，形成平面波以一定角度照明LCoS，LCoS上载入计算全息图，对照明其上的光进行调制，调制光中包含未被衍射的零级光、包含物光信息的正一级光、共轭光和由于LCoS像素结构引起的高级衍射光。调制光反向传播到达体全息光学元件后被反向衍射汇聚，汇聚到位于光源所在的平面上，零级光的汇聚点与照明光的发光点分离，正一级衍射光位于零级光汇聚点与照明光发光点之间的位置上。在光源所在平面放置光阑，遮挡零级光、共轭光及高级衍射光，仅允许正一级衍射光进入人眼。体全息光学元件仅对特定波长和特定角度范围的光发生衍射，而环境光可透过体全息光学元件，通过光阑的开口进入人眼。从而人眼位于光阑的开口处，可同时看到环境中的场景和成像与远处放大的虚拟图像，实现增强现实显示的效果。

使用白光光源照明时，使用一片单色的体全息光学元件，可实现与该体全息光学元件对应波长颜色的单色显示；白光光源是由红色、绿色、蓝色光源组合而成，并且三个颜色的光源均可时序点亮，同时使用彩色体全息光学元件可实现时序的彩色近眼全息增强现实3D显示；可使用单色激光和单色体全息光学元件实现基于激光照明的近眼增强现实全息3D显示或使用三色激光合成的白光和彩色全息光学元件采用时序刷新的方式实现彩色的近眼全息增强现实3D显示。

上述的显示系统，可制作两套，分别为人的左眼和右眼显示包含对应视差信息的3D图像，实现双目的近眼全息增强现实3D显示。

上述系统中使用的计算全息图为离轴计算全息图，其算法为现有技术，不再赘述；上述系统中使用的体全息光学元件为一个球面波与一个平面波干涉曝光形成的反射式离轴体全息透镜，彩色体全息光学元件为三色对应激光曝光形成的反射式离轴体全息透镜为现有技术不再赘述。

本发明公开的一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统与现有技术相比，有益效果是：体全息光学元件实现了波长选择、棱镜分光和成像三重功能，减少了光学系统的器件数量，光学系统体积小，重量轻，能够实现相干光照明或非相干光照明两种情况下单色或彩色的近眼全息增强现实3D显示，在增强现实智能眼镜或头盔方面具有重要的应用价值。

附图说明

附图1为基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统；

上述附图中的图示标号为：

100：反射式空间光调制器(例如LCoS)；101：体全息光学元件；102：光源；103：零级衍射光汇聚点；104：光阑；105：人眼所在位置；106：显示的虚拟3D图像；107：现实环境中的实际物体。

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，使得方案更加清楚、明白。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对本发明的保护范围不起任何限定作用。

实施例1：本实施例如附图1所示，是基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，其中100为反射式空间光调制器(例如LCoS)，101为体全息光学元件，102为光源，发出发散照明光，104为光阑，105为人眼所在位置，106为显示的虚拟图像，107为现实环境中的实际物体。为了描述方便，以照明光及零级光中心光线的传播来描述光波的传播路径。光源102发出发散照明光，照射到体全息光学元件101上，其中心光线的传播路径为光线AB。被体全息光学元件101进行波长选择，满足条件波长的光波被衍射为平面波以一定角度倾斜照明空间光调制器100(例如LCoS)，倾斜角度的范围±3°，其中心光线路径为BC。空间光调制器100(例如LCoS)载入计算全息图对照射其上的光进行调制，调制后的光场反向传播，包含直接反射的零级光、正一级衍射光、共轭光及高级衍射光。为了叙述简单，仅描述零级光传播过程，反射的零级光的角度与空间光调制器110的法线方向的角度与入射光角度相关，在±3°范围内，从而反射的零级光与入射的照明光的角度±6°。反射的零级光仍为平面波照射到体全息光学元件101上，其中心光线为CD。反射的零级光满足体全息光学元件的角度选择性，如银盐材料制备的体全息光学元件在±7°范围内均有比较大的衍射效率，被体全息光学元件101反向衍射，衍射光汇聚于103处，被光阑遮挡，其中心光线路径为DE。被空间光调制器100(例如LCoS)衍射的正一级光仍然会被体全息光学元件反向衍射汇聚，汇聚位置位于点光源102和零级光汇聚点104之间，可通过光阑的开口进入人眼105，人眼即可看到成像于远处的放大的虚拟3D图像，而环境光不满足体全息光学元件101的角度和波长选择性，可不受干扰的透过体全息光学元件并通过光阑的开口进入人眼，从而人眼可看到现实环境中的实际物体107，实现近眼全息增强现实3D显示的效果。

更一般的情况下，点光源由红色、绿色和蓝色三色光组合而成，如三色LED组成的白光光源，或三色激光偶入光纤，从光纤头发出的发散照明光。使用彩色体全息光学元件，使用时序点亮不同颜色通道的照明光并同步播放红色、绿色、和蓝色通道的全息图，即可实现近眼全息增强现实彩色3D显示的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，其特征在于，包括：

光源：用于提供照明光；

体全息光学元件，实现三个功能：

(1)对来自光源的光进行波长选择，即满足波长条件的光被衍射，其它波长的光透射；

(2)照到其上的照明光中满足波长选择性的光被衍射为平面波，并以一定角度照明空间光调制器；

(3)经过空间光调制器调制后的光场，被体全息光学元件反向衍射，衍射光汇聚到光源所在平面内。

空间光调制器：用于载入全息图，对照射其上的平面波进行调制，产生调制的光场；

光阑：与光源位于同一个平面内，用于遮挡杂散光，仅允许正一级衍射光透过。

2.根据权利要求1所述的一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，其特征在于，所述光源包括点光源，发出发散照明光；所述点光源包括卤素灯白光光源或LED白光光源发出的白光或单色激光光源或三色激光光源合输后耦入光纤，在光纤端口发出发散球面波；或LED白光光源或单色LED光源或由RGB三个单色LED组成的白光光源发出发散球面波。

3.根据权利要求1所述的一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，其特征在于，所述的体全息光学元件为单片式彩色体全息光学元件，对红色、绿色和蓝色对应的三个波长均产生衍射作用；或两片式体全息光学元件堆叠形成的彩色体全息光学元件，其中一片能对红色、绿色和蓝色对应的波长中的两种发生衍射作用，而另一片对余下的另一种波长发生衍射作用；或三片式单色体全息光学元件堆叠形成的彩色体全息光学元件，每一片仅对对应波长的光发生衍射作用。

4.根据权利要求1所述的一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，其特征在于，所述的空间光调制器为反射式空间光调制器，如LCoS和DMD等。

5.根据权利要求4所述的一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，其特征在于，所述的空间光调制器的调制类型为振幅型调制或相位型调制。

6.根据权利要求1所述的一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，其特征在于，所述的显示系统还包括一片或多片反射镜、偏振片、衰减片等，用于改变光路的形态使得光路更加紧凑，或改变光的偏振态或光的强度。

7.根据权利要求1所述的一种基于体全息光学元件的紧凑型近眼全息增强现实3D显示系统，其特征在于，该系统可制作为两套，分别为人的左眼和右眼显示包含视差信息的3D图像，用于实现双目的近眼全息增强现实3D显示。

Images