CN111796425A

CN111796425A - 光学系统

Info

Publication number: CN111796425A
Application number: CN202010681183.3A
Authority: CN
Inventors: 谈顺毅
Original assignee: Shanghai Intelight Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Intelight Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2020-10-20

Abstract

本发明提供了一种光学系统，包括：合路器件、成像系统；所述合路器件的数量为一个或者多个；所述合路器件包括：光输入接口；所述成像系统包括：动态耦合器件；所述动态耦合器件能够根据输入信息动态将光耦合入对应的光输入接口；所述耦合入不同光输入接口的光的光学参数不同。本发明可以涵盖图像的所有远近距离范围，实现同时具备系统体积小，成本低等优点的显示系统。

Description

光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，具体地，涉及一种光学系统。

背景技术

目前的AR/VR类穿戴式产品中，通过波导合路及扩瞳已经成为产品实现轻便及较大EYEBOX等技术指标的主流技术路线。在这一领域的另一技术发展方向是光场显示，即通过技术手段将显示的图像调节到不同的成像距离(真实的像距)，从而还原真实深度信息。然而将波导类的合路/扩瞳技术与光场技术结合却存在一定技术瓶颈，波导一般针对图像无穷远来做光学设计，当所需显示的图像实际像距较近时，无穷远设计的波导会出现图像断裂、叠影、模糊等等一系列问题，此时必须使用针对近距离图像设计的光波导才能实现较好成像效果。

专利文献US20200183172A1描述了一种采用多套不同像距的成像系统，分别通过多套特定的波导系统导出，实现多个固定深度的图像显示的技术方案，或者改变波导上的光输入接口或波导本身(例如提到的DOE薄膜，可变的DOE薄膜制造难度很高，技术本身还不成熟)来实现不同距离图像耦合的技术方案，但这种方案存在像距变化不连续，或系统体积大，成本高等等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光学系统。

根据本发明提供的一种光学系统，包括：合路器件、成像系统、动态耦合器件；所述合路器件的数量为一个或者多个；所述合路器件包括：光输入接口；所述动态耦合器件能够根据输入信息动态将光耦合入对应的光输入接口；所述动态耦合器件的数量为一个或者多个。

优选地，所述多个合路器件能够分别合路不同光学参数的图像光；所述光学参数包括以下任一种参数：-图像像距；-波长；-角度。

优选地，所述合路器件采用波导器件。

优选地，所述波导器件采用任一种或者任多种：-衍射波导(衍射器件可采用SRG表面光栅，体光栅等)；-阵列波导(用棱镜阵列拼接而成)。

优选地，所述波导器件的数量为一个或者多个；所述多个波导器件分别对不同光学参数的入射光进行合路和/或扩瞳；所述光输入接口的数量为一个或者多个；所述多个光输入接口，分别具有不同的光耦合参数；所述合路器件光耦合参数为入射光的空间位置参数和/或入射光的偏振方向参数和/或波长参数。

优选地，所述成像系统包括：空间光调制器；所述空间光调制器能够调制出图像光线；所述空间光调制器能够在调制出图像光线的同时调节以下任一种或者任多种参数：-光学参数；-耦合参数。当空间光调制器同时调节耦合参数时，其同时作为系统中的动态耦合器件(即动态耦合器件与空间光调制器是同一器件)

优选地，所述成像系统，通过两块空间光调制器以双相位的方式在调制出图像光线的同时，调节光学参数及和/或耦合参数。。

优选地，所述成像系统还包括：像元。所述动态耦合器件为空间光调制器；所述合路器件包括：合路器件接口；所述动态耦合器件的数量为一片或者多片；所述动态耦合器件对像元输出的图像光的耦合参数进行调制，将像元输出的图像光导入对应耦合参数的合路器件接口。

优选地，所述像元能够调制出图像及将图像调制到目标光学参数，或将同一图像的不同部分分别调制到不同的目标光学参数。

优选地，通过空间光调制器调制出图像光线，同时调节光学参数。

优选地，所述像元，通过两块空间光调制器以双相位的方式在调制出图像光线的同时，调节光学参数。

优选地，所述像元包括：成像器件、空间光调制器；所述成像器件能够输出图像光线；所述空间光调制器的数量为一片或者多片；所述空间光调制器能够调节成像器件输出光的光学参数。

优选地，所述成像器件包括以下任一种或者任多种：-光源和LCOS器件；-光源和MEMS振镜；-光源和DMD器件；-光源和LCD屏；-OLED器件；-MICRO LED器件。

优选地，所述空间光调制器采用液晶器件或振镜。

优选地，所述空间光调制器调制入射光的相位和/或调制光线偏振方向。

优选地，所述成像系统还包括：辅助光学器件；所述辅助光学器件采用以下任一种或者任多种器件：-透镜；-反射镜；-棱镜；-旋光器件；-偏振片；-滤波片；-波片；；所述棱镜包括：非偏振棱镜、偏振棱镜。

优选地，所述光学系统还包括：控制系统；所述控制系统控制成像系统输出图像，并输出耦合参数信号至动态耦合器，将对应不同光学参数的不同图像或对应不同光学参数的同一图像的不同部分分别耦合入对应的合路器件。

优选地，不同的合路器可以将不同光学参数的图像分别合路入观看者单目或双目的视场中。将同一套成像系统的图像或部分图像分别合路入观看者的左右眼时，即实现了一套成像系统分别为双目成像的功能，从而降低系统体积和成本。

优选地，所述控制系统包括以下任意一种：-CPU器件；-GPU器件；-FPGA器件；-CPLD器件；-DSP器件；-NPU器件；-ASIC器件；-内存器件；-FLASH芯片。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明旨在提供一种使用较少的成像系统数量，通过空间光调制器来动态调节其耦合的参数，将图像动态的耦合入对应的合路器(例如波导)，还可以通过一套成像系统来实现双目显示；

2、本发明可使用成熟的动态耦合器件(例如LC旋光片，振镜等)替代在合路器的光输入接口上使用技术上不成熟的动态DOE薄膜器件来实现动态的耦合；

3、本发明可以涵盖图像的所有远近距离范围，实现同时具备系统体积小，成本低等优点的显示系统；

4、本发明结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中的整体结构示意图。

图2为本发明实施例中的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提高的一种光学系统，包含多个合路器，成像系统、动态耦合器件、控制系统。

成像系统中包含像元，其中像元负责形成图像，像元中可以包含成像器件以及用于调节光学参数(例如图像距离)的空间光调制器，或者也可以是像元成像和调制光学参数的功能通过一个器件实现，还可以是像元和调制图像距离及耦合参数的功能都通过同一器件实现(例如相位调制的硅基液晶芯片，使用全息的方式实现成像及调节耦合参数)，或者使用双相位方式用两个SLM实现同时调制图像，光学参数和耦合参数。当使用LCoS、LCD、DMD(digital mirror device)、Mems Scanner(扫描振镜)等器件作为像元的成像器件时时，成像器件中还包括光源(例如LED、LD等)。当使用OLED、Micro LED等器件作为像元的成像器件时，则无需光源。调节耦合参数的动态耦合器件可使用可使用液晶类的空间光调制器器件，通过调节光的偏振或输出位置等耦合参数来将其耦合入对应的合路器。调节耦合参数的动态耦合器件也可以使用振镜类原件，通过调节光的输出位置来将其耦合入对应合路器。所述的调节光学参数及和/或耦合参数。可以是在不同帧图像之间调节，即上一帧图像与下一帧图像的光学参数不同，耦合参数不同，也可以是在同一帧图像中，包含多个不同光学参数(例如像距)及耦合参数的部分，通过动态耦合器件分别调制出对应部分的耦合参数，导入对应的合路器。

合路器采用光波导，例如衍射式光波导(表面光栅SRG波导、体光栅波导等)，或者阵列式波导(采用镀有一定反射率薄膜的小棱镜拼接而成)，或者也可以采用其它类型的合路器，系统中具有多个合路器，各自有不同耦合参数的光输入接口。所述的耦合参数可以是光的偏振方向、输入接口的空间位置、及光的波长等。各个合路器分别对应不同光学参数(例如像距)的图像光，可清晰显示对应光学参数范围内的图像。

控制系统控制成像系统，同步像元及调节耦合参数的动态耦合器件。当使用全息方式通同时实现成像，调节光学参数及调节耦合参数的功能时，则控制系统只需根据目标图像计算对应的全息图/相息图(还可以同步左右眼信号)或者选取预先计算的全息图/相息图，并同步光源和空间光调制器即可。所述全息图可以通过一片空间光调制器(例如相位调制的LCoS，丢弃强度)来实现，或者通过两片空间光调制器一片调制强度一片调制相位实现，或者通过两片相位调制的空间光调制器使用双相位调制方式实现(两片空间光调制器都调制相位，使用全息图的目标强度和相位根据公式算出相位两片空间光调制器上各自的相位分布，当两个相位分布叠加时还原出目标强度和相位)。当像元中成像器件和调节光学参数、调节耦合参数的空间光调制器是不同器件时，则控制系统需要同步上述器件。控制系统一般使用CPU、GPU、NPU、DSP、FPGA、CPLD、ASIC等电子芯片实现，还可以包括FLASH、DDR等存储器件。

系统中还可以包括其它光学元器件，包括透镜、棱镜、反射镜、偏振片、滤波片、光阑等其它光学元器件。

实施例1

一种光学系统，包含2片阵列式波导，第一波导、第二波导层叠排列，第一波导设置在第二波导之前(即光先进入第一波导),波导对输入光进行扩瞳并合路输出至人眼。第一波导对成像系统输出的像距在0～1米之间的图像光进行扩瞳并合路输出至人眼，第二波导对成像系统输出的像距在1～∞米之间的图像光进行扩瞳并合路输出至人眼。第一波导与第二波导的光输入接口(耦合区/入瞳)在第二波导光输入接口之前，镀有薄膜，可将偏振方向为S方向的光反射回第一波导至其光输入接口，而P方向的光可以透过薄膜，进入第二波导的光输入接口，所述光输入接口可以使用棱镜或DOE器件等。系统中成像器件使用强度调制的LCoS,第一空间光调制器使用相位调制的LCoS，将成像器件输出的图像光根据控制系统的信号调制到不同的像距，系统中还包含第二空间光调制器作为动态耦合器件，使用TN封装的透射式LCD，对第一空间光调制器输出的包含不同的像距的图像分别旋光，例如第一空间光调制器输出的光都为P光，当前图像目标像距为0～1米之间时，控制系统控制第二空间光调制器(不在ITO基板之间施加电压)，使其将输入光的偏振方向旋转90°变为S光后输出，经第二空间光调制器输出的S光入射到第二波导光输入接口之前的薄膜时，由于其偏振方向为S，将会被反射回第一波导，经第一波导合路并扩瞳后输入观看者眼睛。当下一帧图像目标像距大于1米时，控制系统控制第二空间光调制器(在ITO基板之间施加一定电压)，使其不改变输入光的偏振方向，第二空间光调制器的输出光仍为P光，经第二空间光调制器输出的P光入射到第二波导光输入接口之前的薄膜时，由于其偏振方向为P，将会透过镀膜被耦合入第二波导，经第二波导合路并扩瞳后输入观看者眼睛。

上述实施例1中的薄膜也可以用偏振棱镜替代，将空间光调制器输出的图像光中的P光和S光分路后分别耦合入第二波导和第一波导。

上述实施例1中的第二空间光调制器还可以采用VAN封装方式的液晶器件，此时施加电压后偏振改变的情况与TN封装方式相反。

上述实施例中强度调制的LCoS可以是color sequential模式的，在不同时间调制不同颜色的图像，由于第一空间光调制器和第二空间光调制器都是液晶器件，对波长敏感，所以通过这种时分复用的方式控制系统同步各器件后可以对对不同波长的光在不同时间调制，通过对液晶器件施加不同的电压来实现对各波长的正确调制。

此外，第二空间光调制器的两个表面可以都采用整片ITO玻璃(表面都只能施加一个固定电压)，也可以在一个表面制作出多个不同区域或者像素点结构(TFT技术)，可以对不同区域/像素施加不同电压，通过第一空间光调制器对同一帧图像的不同区域实现不同像距的调制，并通过第二空间光调制器实现将同一帧图像内对应的不同深度的区域调制出对应的偏振态，从而耦合入不同的波导，实现同一帧图像内多个不同深度的图像的显示。

实施例2

实施例2中有6个合路器，分别使用6片衍射波导，其中波导1、4分别对成像系统输出的红色光(610～660nm)进行扩瞳并合路输出至人眼，波导2、5分别对成像系统输出的绿色光(510～550nm)进行扩瞳并合路输出至人眼，波导3、6分别对成像系统输出的蓝色光(430～480nm)。波导1、2、3对成像系统输出的像距在0～2米之间的图像光进行扩瞳并合路输出至人眼，波导4、5、6对成像系统输出的像距在2～∞米之间的图像光进行扩瞳并合路输出至人眼。上述波导的光输入接口在空间上错开。成像系统像元中的成像器件采用强度调制的color sequential硅基液晶芯片(LCoS)，空间光调制器采用相位调制的硅基液晶芯片，同时负责调制图像的光学参数及耦合参数。系统中还包括R、G、B三色LED光源，及负责控制像元、空间光调制器及光源的控制系统，控制系统实时向像元输出图像信号，控制其调制出目标图像，同时控制空间光调制器将图像信号调制到对应的像距，及对应的光输入接口，耦合入对应的波导。在第一个时间周期，控制系统控制R LED打开，红色光线通过X棱镜输入到像元，控制系统同时控制成像器件显示对应的红色图像帧，同时控制相位调制的空间光调制器将红色图像调制器到对应的像距，并且将其输出的角度调制到对应的波导1或4的光接收入口(也可以是部分图像调制到波导1的光接收入口，部分调制到波导4的光接收入口)。在第二个时间周期，控制系统控制G LED打开，通过X棱镜输入到像元，控制系统同时控制成像器件显示对应的绿色图像帧，同时控制相位调制的空间光调制器将绿色图像调制器到对应的像距，并且将其输出的角度调制到对应的波导2或5的光接收入口(也可以是部分图像调制到波导2的光接收入口，部分调制到波导5的光接收入口)。在第三个时间周期，控制系统控制B LED打开，通过X棱镜输入到像元，控制系统同时控制成像器件显示对应的蓝色图像帧，同时控制相位调制的空间光调制器将蓝色图像调制器到对应的像距，并且将其输出的角度调制到对应的波导3或6的光接收入口(也可以是部分图像调制到波导3的光接收入口，部分调制到波导6的光接收入口)。在第四个时间周期，重复第一个时间周期的任务。

此实施例中空间光调制器还可以是透射式的相位调制液晶器件，例如液晶透镜，相位调制的LC面板等。

此实施例中的成像器件还可以替换为MEMS SCANNER(微振镜)，通过扫描的方式输出图像。

此实施例中还可以加入调制耦合参数的动态耦合器件，原空间光调制器只负责调制光线参数，调制耦合参数的动态耦合器件可以是相位调制的LCD，也可以是振镜/微振镜等器件。

此实施例中的像元还可以和空间光调制器合并使用同一块相位调制的硅基液晶芯片，光源替换为R、G、B三色的LD，控制系统需要根据输入图像及光学参数实时计算全息图/相息图，通过干涉衍射原理同时还原出目标图像的强度及相位，即输出的图像同时包含图像信息，光学参数信息(例如像距)及对应的耦合参数。

此实施例中的此实施例中的像元还可以使用两块空间调制器，控制系统计算全息图(并非目标图像和相位，而是其在传播一定距离前或后，在某一平面上对应的光场分布/强度相位分布)，其中一片空间光调制器调制强度信息，另一片调制相位信息。

此实施例中的此实施例中的像元还可以使用两块空间调制器，控制系统计算全息图(并非目标图像和相位，而是其在传播一定距离前或后，在某一平面上对应的光场分布/强度相位分布)，其中两片空间光调制器都采用相位调制(使用双相位调制叠加出全息图)，两片空间光调制器上的相位分布可以通过下述公式计算

其中

是全息图的强度及相位分布，A_xy是全息图的强度分布(A_xy ²为全息图的能量分布)，

是相位分布。光源输出到第一空间光调制器上的光强为

相位为

光源输出到第二空间光调制器上的光强为

相位为

其中，

上述实施例经改造后还可以实现一套成像系统，经动态合路器调制后将图像或部分图像导入多个合路器，多个合路器分别将光导入观看者的左右眼，也即图像或部分图像对应光学参数分别为左眼或右眼(图像的出瞳位置不同)。此处的耦合可以是完整的图像在时序上分别导入左右眼，比如前一帧导入对应左眼的合路器，后一帧导入对应右眼的合路器，也可以是同一帧图像的不同部分在同一时间分别导入左右眼对应的合路器。分别不同对应左右眼的耦合参数可以是图像光输入光输入接口的位置，图像光的角度或偏振等耦合参数。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种光学系统，其特征在于，包括：合路器件、成像系统；

所述合路器件的数量为一个或者多个；

所述合路器件包括：光输入接口；

所述成像系统包括：动态耦合器件；

所述动态耦合器件能够根据输入信息动态将光耦合入对应的光输入接口；

所述耦合入不同光输入接口的光的光学参数不同。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述多个合路器件能够分别合路不同光学参数的图像光；

所述光学参数包括以下任一种参数：

-图像像距；

-图像出瞳的空间位置

-波长；

-角度。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述合路器件采用波导器件。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述波导器件采用任一种或者任多种：

-衍射波导；

-表面光栅波导；

-体光栅波导；

-阵列波导。

5.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述波导器件的数量为一个或者多个；

所述多个波导器件分别对不同光学参数的入射光进行合路和/或扩瞳；

所述光输入接口的数量为一个或者多个；

所述多个光输入接口，分别具有不同的光耦合参数；

所述合路器件光耦合参数为入射光的空间位置参数和/或入射光的偏振方向参数和/或入射光的角度参数。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述成像系统包括：空间光调制器；

所述空间光调制器能够调制出图像光线；

所述空间光调制器能够在调制出图像光线的同时调节以下任一种或者任多种参数：

-光学参数；

-耦合参数，当空间光调制器调节耦合参数时，空间光调制器同时作为光学系统中的动态耦合器件。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述成像系统，通过两块空间光调制器以双相位的方式在调制出图像光线的同时，调节光学参数和/或耦合参数。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述成像系统还包括：像元；

所述动态耦合器件的数量为一片或者多片；

所述动态耦合器件对像元输出的图像光的耦合参数进行调制，将像元输出的图像光导入对应耦合参数的合路器件光输入接口。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述像元能够调制出图像及将图像调制到目标光学参数，或将图像的不同部分分别调制到不同的目标光学参数。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，通过空间光调制器调制出图像光线，同时调节光学参数。

11.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述像元，通过两块空间光调制器以双相位的方式在调制出图像光线的同时，调节光学参数。

12.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述像元包括：成像器件、空间光调制器；

所述成像器件能够输出图像光线；

所述空间光调制器的数量为一片或者多片；

所述空间光调制器能够调节成像器件输出图像光的光学参数。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述成像器件包括以下任一种或者任多种：

-光源和LCOS器件；

-光源和MEMS振镜；

-光源和DMD器件；

-光源和LCD屏；

-OLED器件；

-MICRO LED器件。

14.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述动态耦合器件采用液晶器件或振镜。

15.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述动态耦合器件调制入射光的相位、振幅、角度、偏振方向的至少其中之一。

16.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述成像系统还包括：辅助光学器件；

所述辅助光学器件采用以下任一种或者任多种器件：

-透镜；

-反射镜；

-棱镜；

-旋光器件；

-偏振片；

-滤波片；

-波片；

所述棱镜包括：非偏振棱镜和/或偏振棱镜。

17.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述合路器件分别将不同光学参数的图像分别合路至观看者的左眼和/或右眼。

18.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述光学系统还包括：控制系统；

所述控制系统控制成像系统输出图像，并输出耦合参数信号至动态耦合器件，将对应不同光学参数的不同图像或对应不同光学参数的同一图像的不同部分分别耦合入对应的合路器件。

19.根据权利要求18所述的光学系统，其特征在于，

所述控制系统包括以下任意一种：

-CPU器件；

-GPU器件；

-FPGA器件；

-CPLD器件；

-DSP器件；

-NPU器件；

-ASIC器件；

-内存器件；

-FLASH芯片。