CN112014974A - 基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统 - Google Patents

基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统 Download PDF

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Abstract

本发明是基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，包括光源模块、微显示模块、偏振体全息光栅阵列模组、透明玻璃模块和同步信号装置，光源模块包括激光光源、扩束系统短焦透镜、扩束系统长焦透镜；微显示模块包括微显示器、半透半反镜和模式片组；偏振体全息光栅阵列模组包括玻璃基板、左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅；该种近眼光场显示系统采用偏振体全息光栅阵列结构，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。

Description

基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统
技术领域
本发明涉及近目显示系统技术领域，具体的说是基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统。
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。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，采用偏振体全息光栅阵列结构，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。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：包括光源模块、微显示模块、偏振体全息光栅阵列模组、透明玻璃模块和同步信号装置，所述的光源模块包括激光光源、扩束系统短焦透镜、扩束系统长焦透镜；所述的微显示模块包括微显示器、半透半反镜和模式片组；所述的偏振体全息光栅阵列模组包括玻璃基板、左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅；
所述的透明玻璃模块内包括反射面；所述的反射面用于将来自偏振体全息光栅阵列模组的汇聚光线反射到观测点；
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、偏振体全息光栅阵列模组到达反射面；
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、偏振体全息光栅阵列模组到达反射面；
所述的微显示器和模式片组共同作用产生左旋圆偏光或右旋圆偏光；
所述的同步信号装置用于同步向模式片组的控制器、微显示器的图像控制器发送同步信号。
所述的激光光源采用窄波段的单色激光光源。
所述的模式片组采用偏振片，所述的偏振片用于依次产生左旋圆偏光和右旋圆偏光。
所述的模式片组采用透明玻璃片，所述的微显示器采用LCOS微显示器，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分别显示左旋圆偏光和右旋圆偏光的图像信息。
所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅由同一块玻璃基板依次全息曝光得到。
所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅的微透镜阵列的透镜直径为P，左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅的光轴相对沿水平方向或者沿垂直方向偏移P/2。
所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅的微透镜阵列的透镜直径为P，左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅的光轴相对竖直向上偏左45度方向，或竖直向上偏右45度方向，或竖直向下偏左45度方向，或竖直向下偏右45度方向偏移
Figure BDA0002711754700000021
所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅的聚焦面一致时，用于实现显示分辨率增强；所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅的聚焦面不一致时，用于实现显示景深增强。
所述的反射面为半透半反面或反射型全息光栅；所述的反射面为弧面结构。
该种基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统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，用偏振体全息光栅阵列结构，本质上是采用时分复用的方式，对所有视点进行定向投射，相较于传统方法的分辨率极限就是微显示器的分辨率，本方法在理论上，重建光场的分辨率可以提升N倍微显示器分辨率，N为视点个数。
附图说明
图1为本发明基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统的结构示意图。
图2为本发明基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统中光源模块的结构示意图。
图3为本发明基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统中微显示模块的结构示意图。
图4为本发明基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统中偏振体全息光栅阵列模组的结构示意图。
图5为本发明基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统中光场51左旋圆偏振光的投射示意图。
图6为本发明基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统中左旋圆偏振光通过偏振体全息光栅阵列模组的工作示意图。
图7为本发明基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统中光场52右旋圆偏振光的投射示意图。
图8为本发明基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统中右旋圆偏振光通过偏振体全息光栅阵列模组的工作示意图。
图9为本发明基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统的工作原理示意图。
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，基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：包括光源模块1、微显示模块2、偏振体全息光栅阵列模组3、透明玻璃模块4和同步信号装置6，所述的光源模块1包括激光光源11、扩束系统短焦透镜12、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和模式片组23；
所述的偏振体全息光栅阵列模组3包括玻璃基板31、左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅32和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅33；
所述的透明玻璃模块4内包括反射面42；所述的反射面42用于将来自偏振体全息光栅阵列模组3的汇聚光线反射到观测点5；
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23、半透半反镜22、偏振体全息光栅阵列模组3到达反射面42；
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、偏振体全息光栅阵列模组3到达反射面42；
所述的微显示器21和模式片组25共同作用产生左旋圆偏光或右旋圆偏光；
所述的同步信号装置6用于同步向模式片组23的控制器、微显示器21的图像控制器发送同步信号。
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反射到偏振体全息光栅阵列模组3。
本实施例中，产生左旋圆偏光和右旋圆偏光包括两种方式：
第一种：所述的模式片组23采用偏振片，所述的偏振片用于依次产生左旋圆偏光和右旋圆偏光。液晶相位延迟器是通过电压控制液晶分子的折射率来实现对光的相位延迟。在两片平板玻璃中间填充液晶材料，并在玻璃片上镀上透明电极与校准层。玻璃板之间的空隙由其边缘精细的玻璃纤维进行控制。这就制成了一个液晶相位延迟器。
当液晶两侧电压为零，液晶分子排列方向与玻璃板方向平行时，o光折射率与e光折射率差别最大。随着液晶层两端电压的增加，液晶分子开始旋转，o光折射率与e光折射率的差别逐渐缩小，直到两者几乎相当。如果入射光偏振方向与液晶O光折射率一致，则由液晶产生的相位延迟与所加电压无关。这是因为液晶的O光折射率不会随电压改变。如果入射光偏振方向与液晶e光折射率一致，则由液晶产生的相位延迟会电压改变而变化。
模式片组23采用偏振片的目的是产生不同偏振方向的入射光源。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，
Figure BDA0002711754700000041
此时，微显示器21可以采用常用显示器。以Poincare球为例，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：
Figure BDA0002711754700000051
其中
Figure BDA0002711754700000052
和
Figure BDA0002711754700000053
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：
Figure BDA0002711754700000054
Figure BDA0002711754700000055
α为偏振片的偏振角。
那么可以获得输出光场为：
Figure BDA0002711754700000056
因此，可以得出出射光的偏振态与偏振片之间的关系。采用时分复用的方式依次让这些偏振片工作，可以依次产生左旋圆偏光LCP和右旋圆偏光RCP。
第二种：所述的模式片组23采用透明玻璃片或取消，所述的微显示器21采用LCOS等微显示器件，显示内容可以为视点图序列，或者全息图阵列。全息图阵列中也应该包含每个视点图的全息图。所述的微显示器21产生的光线信息为椭圆偏振光，所述的微显示器21用于分别显示左旋圆偏光和右旋圆偏光的图像信息。该种情况下，同步信号装置6对模式片组23的控制取消。
本实施例中，偏振体全息光栅阵列模组3结构如图4所示，包括玻璃基板31、左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅32和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅33，左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅32和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅33均由同一块玻璃基板依次全息曝光所得；左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅32只对左旋圆偏光表现出光栅效应，对其他入射光表现为透明玻璃；右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅33只对右旋圆偏光表现出光栅效应，对其他入射光表现为透明玻璃。左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅32和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅33均为膜状结构，紧密叠加贴覆在玻璃基板31表面，两片之间的间隔可以忽略不计。
左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅32和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅33中的微透镜阵列直径为P，两片偏振体全息光栅的光轴沿水平方向或者沿垂直方向偏移P/2；或者沿着左上方向，或者右上方向，或者左下方向，或者右下方向偏移
Figure BDA0002711754700000061
如图5所示，光场51的视点信息来自微显示器，假设光场51是左旋圆偏振光，因此在经过偏振体全息光栅阵列模组3时，只有对该偏振态敏感的那片偏振体全息光栅会将该光线进行定向折射，而另一片偏振体全息光栅对该束光相当于透明玻璃。如图6所示，当携带着光场信息的左旋圆偏振光CLP进入偏振体全息光栅阵列模组3时，只有左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅32对该入射光表现出微透镜的光学效应。而右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅33则表现为透明玻璃效应。光线经过偏振体全息光栅阵列模组3后，汇聚在CDP_L面上；
同理如图7所示，光场52的视点信息来自微显示器，由于光场52是右旋圆偏振光，因此在经过偏振体全息光栅阵列模组3阵列时，光线直接穿过左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅32，此时右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅33则表现为透镜效应。图8所示，光线经过偏振体全息光栅阵列模组3后，汇聚在CDP_R面上；
如图9所示，当模式片组23采用偏振信号驱动的偏振片，输出偏振态为Mode A，同时，微显示器上也显示出视点A所对应的图像。由于该图像具有Mode A的偏振态，所有只有最左侧的偏振体全息偏振片可以定向折射该视点的光线，并在微透镜阵列的作用下汇聚在视点阵列的奇数列。同理，Mode B下的偏振态，也会对应出视点阵列的偶数列。
当左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅的聚焦面Z_R和Z_L一致时，汇聚面CDP_L面和CDP_R面也一致，当偏振型反射式液晶显示器LCOS作为微显示器时，由于该Lcos显示器本身可以进行相位调控，因此可以产生任意相位延迟量的椭圆偏振光。如图9所示，当需要显示光场41时，微显示器显示的图像AB本身就有ModeA的偏振态，因此，可以省略偏振片组件。对于光场42，同样微显示器显示的图像AB本身就有Mode B的偏振态。对于同步信号6，也可以省略偏振控制器部分。由于它们所重建处的光场CDP面也是一致的，可以做到分辨率增强显示。
当左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅的聚焦面Z_R和Z_L不一致时，汇聚面CDP_L面和CDP_R面也不一致，当偏振型反射式液晶显示器LCOS作为微显示器时，由于该Lcos显示器本身可以进行相位调控，因此可以产生任意相位延迟量的椭圆偏振光。如图9所示，当需要显示光场41时，微显示器显示的图像AB本身就有Mode A的偏振态，因此，可以省略偏振片组件。对于光场42，同样微显示器显示的图像AB本身就有Mode B的偏振态。对于同步信号6，也可以省略偏振控制器部分。由于它们所重建处的光场CDP面不一致重建光场将会有两个CDP面，可以实现景深增强显示。
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 (8)

1.基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：包括光源模块(1)、微显示模块(2)、偏振体全息光栅阵列模组(3)、透明玻璃模块(4)和同步信号装置(6)，所述的光源模块(1)包括激光光源(11)、扩束系统短焦透镜(12)、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)和模式片组(23)；
所述的偏振体全息光栅阵列模组(3)包括玻璃基板(31)、左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(32)和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(33)；
所述的透明玻璃模块(4)内包括反射面(42)；所述的反射面(42)用于将来自偏振体全息光栅阵列模组(3)的汇聚光线反射到观测点(5)；
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(23)、半透半反镜(22)、偏振体全息光栅阵列模组(3)到达反射面(42)；
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)、偏振体全息光栅阵列模组(3)到达反射面(42)；
所述的微显示器(21)和模式片组(25)共同作用产生左旋圆偏光或右旋圆偏光；
所述的同步信号装置(6)用于同步向模式片组(23)的控制器、微显示器(21)的图像控制器发送同步信号。
2.如权利要求1所述的基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：所述的模式片组(23)采用偏振片，所述的偏振片用于依次产生左旋圆偏光和右旋圆偏光。
3.如权利要求1所述的基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：所述的模式片组(23)采用透明玻璃片，所述的微显示器(21)采用LCOS微显示器，所述的微显示器(21)产生的光线信息为椭圆偏振光，所述的微显示器(21)用于分别显示左旋圆偏光和右旋圆偏光的图像信息。
4.如权利要求1所述的基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(32)和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(33)由同一块玻璃基板依次全息曝光得到。
5.如权利要求4所述的基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(32)和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(33)的微透镜阵列的透镜直径为P，左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(32)和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(33)的光轴相对沿水平方向或者沿垂直方向偏移P/2。
6.如权利要求4所述的基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(32)和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(33)的微透镜阵列的透镜直径为P，左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(32)和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(33)的光轴相对竖直向上偏左45度方向，或竖直向上偏右45度方向，或竖直向下偏左45度方向，或竖直向下偏右45度方向偏移
Figure FDA0002711754690000021
7.如权利要求5或6所述的基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(32)和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(33)的聚焦面一致时，用于实现显示分辨率增强；所述的左旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(32)和右旋圆偏光敏感型微透镜阵列光栅(33)的聚焦面不一致时，用于实现显示景深增强。
8.如权利要求4所述的基于偏振体全息型微透镜阵列的双通道近眼光场显示系统，其特征在于：所述的反射面(42)为半透半反面或反射型全息光栅；所述的反射面(42)为弧面结构。
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