CN112462521A - 一种实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，包括：自发光LCOS模块、滤波模块、线性偏振片、耦入三角棱镜、波导片和耦出模块；自发光LCOS模块包括装配有白光LED的LCOS显示器；滤波模块与自发光LCOS模块平行相对，用于滤除未被调制的零级光以及衍射图像共轭光，并将携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光会聚后入射到耦入三角棱镜；波导片与耦入三角棱镜的出射面形成第一预设夹角；耦出模块设置在所述波导片上。本发明同时结合计算全息光波场可以任意控制的优点，实现了结构紧凑且可对任意三维物体模型实时动态显示的近眼显示装置。

Description

一种实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置
技术领域
本发明涉及近眼装置技术领域，尤其涉及一种实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置。
背景技术
增强现实近眼显示装置，利用计算机仿真技术和虚实融合将虚拟信息投射到真实场景中，从而可以让使用者在半虚拟的环境里进行相关的操作，可以帮助人类更方便地接收信息、更好的认知周围的环境以及更大地提升工作效率，因此被广泛应用于各个领域。
但是现有近眼显示装置中户外用头戴式显示器存在亮度效率不足的问题，而且不具备薄型化及轻量化的模块设计，元件的体积及重量不够轻便，系统尺寸、结构不够紧凑，人体配戴不够方便。另外也没有有效的光学方案可以用于精确地控制光的波前信息来达到消除辐辏调节冲突以及模仿人类自然的视觉观感的目的，从而实现舒适佩戴的三维动态增强现实近眼显示装置。
发明内容
本发明目的在于，提供一种实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，利用自发光LCOS模块可提供高亮度的输出光以及低功耗的特点，设计小巧、高效能的微显示光学系统，以解决户外用头戴式显示器亮度效率不足以及不够轻便的问题。并且结合计算全息光波场可以任意控制的优点，实现了结构紧凑且可对任意三维物体模型实时动态显示的近眼显示装置。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，包括：自发光LCOS模块、滤波模块、线性偏振片、耦入三角棱镜、波导片和耦出模块；
所述自发光LCOS模块包括装配有白光LED的LCOS显示器，所述LCOS显示器出射的光携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光、未被调制的零级光以及衍射图像共轭光；
所述滤波模块与所述自发光LCOS模块平行相对，用于滤除所述未被调制的零级光以及所述衍射图像共轭光，并将携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光会聚后入射到所述耦入三角棱镜；
所述耦入三角棱镜的入射面为所述耦入三角棱镜的第一长边，所述第一长边与所述滤波模块的出射面平行且贴合有所述线性偏振片；所述耦入三角棱镜的出射面为所述耦入三角棱镜的第二长边，所述第二长边与所述波导片的入射端面贴合，所述波导片的上端面与下端面平行，且与所述耦入三角棱镜的出射面形成第一预设夹角；所述耦出模块设置在所述波导片上，用于耦出经所述波导片传输的偏振光。
在某一个实施例中，所述增强现实近眼显示装置还包括控制器，所述LED包括R、G和B三色光源，所述控制器用于控制所述LED分时点亮R、G和B三色光源，以实现彩色照明。
在某一个实施例中，所述滤波模块包括沿着所述LCOS显示器出射光的光路依次设置的第一透镜、第二透镜和光阑，所述光阑设置于所述第一透镜的后焦平面处，且设置于所述第二透镜的一倍焦距与二倍焦距之间。
在某一个实施例中，所述耦出模块包括透射式体全息光栅或反射式体全息光栅。
在某一个实施例中，所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅为同时感红、感绿、感蓝三色光的单片式彩色体全息光栅；或，所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅为由感红、感绿、感蓝的三个单色体全息光栅准确对位并堆叠组成的三片式彩色体全息光栅；或，所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅为由感红、感绿、感蓝中任意两种光复用记录在同一区域的体全息光栅以及由感红、感绿、感蓝中任一种单色光记录的体全息光栅准确对位并堆叠组成的两片式彩色体全息光栅。
在某一个实施例中，所述耦出模块包括有预设分光比的分光膜阵列，所述分光膜阵列相互平行，且等间距间隔放置于所述波导片内。
在某一个实施例中，所述耦出模块包括至少三个所述分光膜阵列。
在某一个实施例中，所述分光膜阵列与所述波导片的下端面形成第二预设夹角。
本发明实施例的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置中，利用自发光LCOS模块可提供高亮度的输出光以及低功耗的特点，设计小巧、高效能的微显示光学系统，解决户外用头戴式显示器亮度效率不足的问题，而且薄型化及轻量化的模块设计，大幅度降低元件的体积及重量，缩小系统尺寸并同时使结构更为紧凑，适合人体配戴。同时结合计算全息光波场可以任意控制的优点，实现了结构紧凑且可对任意三维物体模型实时动态显示的近眼显示装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明某一实施例提供的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的滤波模块的滤波成像的原理示意图；
图3是本发明某一实施例提供的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置的原理示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作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。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1，本发明实施例提供一种实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，包括：自发光LCOS模块110、滤波模块120、线性偏振片130、耦入三角棱镜140、波导片150和耦出模块160；
自发光LCOS模块110包括装配有白光LED的LCOS显示器，所述LCOS显示器出射的光携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光、未被调制的零级光以及衍射图像共轭光；
滤波模块120与自发光LCOS模块110平行相对，用于滤除所述未被调制的零级光以及所述衍射图像共轭光，并将携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光会聚后入射到耦入三角棱镜140；
耦入三角棱镜140的入射面为耦入三角棱镜140的第一长边，所述第一长边与滤波模块120的出射面平行且贴合有线性偏振片130；耦入三角棱镜140的出射面为耦入三角棱镜140的第二长边，所述第二长边与波导片150的入射端面贴合，波导片150的上端面与下端面平行，且与耦入三角棱镜140的出射面形成第一预设夹角；耦出模块160设置在波导片150上，用于耦出经波导片150传输的偏振光。
在本实施例中，自发光LCOS模块110为0.22英寸的高效自发光型LCOS显示器模块，装配有白光LED背光。通过对三维场景进行波前编码后获得的三维计算全息图加载于LCOS上时，LCOS出射的光即为经由三维计算全息图调制过的，携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光、未被调制的零级光以及衍射图像共轭光。滤波模块120用于滤除未被调制的零级光以及衍射图像共轭光，并将携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光会聚后经偏振片入射到耦入三角棱镜140。经滤波模块120滤波处理后的携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光经线性偏振片130形成与入射面垂直的P光，然后入射到耦入三角棱镜140，进而进入波导片150。在满足全反射条件时，耦入光线可在光波导中以全反射的方式向前传播至耦出模块160(可为分光膜阵列或是耦出体全息光栅)耦出，进入人眼成像。人眼即可观察到全息再现三维虚像，而环境光不受影响地透过耦出模块160以及波导片150进入人眼成像。
在某一个实施例中，所述增强现实近眼显示装置还包括控制器，所述LED包括R、G和B三色光源，所述控制器用于控制所述LED分时点亮R、G和B三色光源，以实现彩色照明。
在本实施例中，LED光源包括R、G、B三色光源，受控于计算机，通过快速分时点亮R、G、B光源，实现彩色照明。当通过对三维场景进行波前编码后获得的三维计算全息图加载于自发光LCOS模块110上时，自发光LCOS模块110出射的光即为经由三维计算全息图调制过的，携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光、未被调制的零级光以及衍射图像共轭光。
在某一个实施例中，滤波模块120包括沿着所述LCOS显示器出射光的光路依次设置的第一透镜121、第二透镜123和光阑122，光阑122设置于第一透镜121的后焦平面处，且设置于第二透镜123的一倍焦距与二倍焦距之间。
请参阅图2，在本实施例中，自发光LCOS模块110的出射光经过第一透镜121(Lens1)成像于第一平面(plane1)，在第一透镜121(Lens1)的后焦平面处设置一光阑122，光阑122偏移成像中心，只让正一级衍射光波通过，未被调制的零级光以及衍射图像共轭光滤除掉，然后经第二透镜123(Lens2)会聚后，经过线性偏振片130入射到耦入三角棱镜140。第二透镜123的引入，是为了调节再现像的成像位置和大小。根据透镜的几何成像公式：
Figure BDA0002823940670000041
其中，f2为第二透镜123的焦距，z1为物距，z2为像距。于是在距离第二透镜123z2处即平面3(plane3)便可观察到清晰的再现像。通过改变第二透镜123的位置，可以在不同成像位置获得不同放大倍率的清晰再现像。为了得到放大的实像，设定f1<z1<2f2,则相对于第一平面(plane1)处的再现像，放大率为z2/z1，可方便调节全息再现像大小。
请参阅图1，在某一个实施例中，耦出模块160包括透射式体全息光栅或反射式体全息光栅。
在某一个实施例中，所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅为同时感红、感绿、感蓝三色光的单片式彩色体全息光栅；或，所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅为由感红、感绿、感蓝的三个单色体全息光栅准确对位并堆叠组成的三片式彩色体全息光栅；或，所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅为由感红、感绿、感蓝中任意两种光复用记录在同一区域的体全息光栅以及由感红、感绿、感蓝中任一种单色光记录的体全息光栅准确对位并堆叠组成的两片式彩色体全息光栅。
在本实施例中，耦出模块160为所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅。所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅可为同时感红，感绿，感蓝三色光的单片式彩色体全息光栅，或为由感红、感绿、感蓝的三个单色体全息光栅准确对位并堆叠组成的三片式彩色体全息光栅，或由感红、感绿、感蓝中任意两种光复用记录在同一区域的体全息光栅以及由感红、感绿、感蓝中任一种单色光记录的体全息光栅准确对位并堆叠组成的两片式彩色体全息光栅。
请参阅图3，在某一个实施例中，耦出模块160包括有预设分光比的分光膜阵列，所述分光膜阵列相互平行，且等间距间隔放置于波导片150内。
在本实施例中，耦出模块160包括有预设分光比的分光膜阵列，所述分光膜阵列相互平行，且等间距间隔放置于波导片150内。分光膜是根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜。
在某一个实施例中，耦出模块160包括至少三个所述分光膜阵列。
在某一个实施例中，所述分光膜阵列与波导片150的下端面形成第二预设夹角。
在本实施例中，耦出模块160可为相互平行，且等间距间隔放置于波导片150内，有预设分光比的分光膜阵列，分光膜阵列的个数一般为大于或等于3，且与波导片150基底呈一定预设夹角。
经滤波模块120滤波处理后的携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光经线性偏振片130形成与入射面垂直的P光，然后入射到耦入三角棱镜140，进而进入波导片150。在满足全反射条件时，耦入光线可在光波导中以全反射的方式向前传播至耦出模块160(可为分光膜阵列或是耦出体全息光栅)耦出，进入人眼成像。人眼即可观察到全息再现三维虚像，而环境光不受影响地透过耦出模块160以及波导片150进入人眼成像。
本发明实施例的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置中，利用自发光LCOS模块110可提供高亮度的输出光以及低功耗的特点，设计小巧、高效能的微显示光学系统，解决户外用头戴式显示器亮度效率不足的问题，而且薄型化及轻量化的模块设计，大幅度降低元件的体积及重量，缩小系统尺寸并同时使结构更为紧凑，适合人体配戴。同时结合计算全息光波场可以任意控制的优点，实现了结构紧凑且可对任意三维物体模型实时动态显示的近眼显示装置。
以上所述是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，其特征在于，包括：自发光LCOS模块、滤波模块、线性偏振片、耦入三角棱镜、波导片和耦出模块；
所述自发光LCOS模块包括装配有白光LED的LCOS显示器，所述LCOS显示器出射的光携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光、未被调制的零级光以及衍射图像共轭光；
所述滤波模块与所述自发光LCOS模块平行相对，用于滤除所述未被调制的零级光以及所述衍射图像共轭光，并将携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光会聚后入射到所述耦入三角棱镜；
所述耦入三角棱镜的入射面为所述耦入三角棱镜的第一长边，所述第一长边与所述滤波模块的出射面平行且贴合有所述线性偏振片；所述耦入三角棱镜的出射面为所述耦入三角棱镜的第二长边，所述第二长边与所述波导片的入射端面贴合，所述波导片的上端面与下端面平行，且与所述耦入三角棱镜的出射面形成第一预设夹角；
所述耦出模块设置在所述波导片上，用于耦出经所述波导片传输的偏振光。
2.根据权利要求1所述的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，其特征在于，所述增强现实近眼装置还包括控制器，所述LED包括R、G和B三色光源，所述控制器用于控制所述LED分时点亮R、G和B三色光源，以实现彩色照明。
3.根据权利要求1所述的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，其特征在于，所述滤波模块包括沿着所述LCOS显示器出射光的光路依次设置的第一透镜、第二透镜和光阑，所述光阑设置于所述第一透镜的后焦平面处，且设置于所述第二透镜的一倍焦距和二倍焦距之间。
4.根据权利要求1至3任一项所述的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，其特征在于，所述耦出模块包括透射式体全息光栅或反射式体全息光栅。
5.根据权利要求4所述的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，其特征在于，所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅为同时感红、感绿、感蓝三色光的单片式彩色体全息光栅；或，所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅为由感红、感绿、感蓝的三个单色体全息光栅准确对位并堆叠组成的三片式彩色体全息光栅；或，所述透射式体全息光栅或所述反射式体全息光栅为由感红、感绿、感蓝中任意两种光复用记录在同一区域的体全息光栅以及由感红、感绿、感蓝中任一种单色光记录的体全息光栅准确对位并堆叠组成的两片式彩色体全息光栅。
6.根据权利要求1至3任一项所述的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，其特征在于，所述耦出模块包括有预设分光比的分光膜阵列，所述分光膜阵列相互平行，且等间距间隔放置于所述波导片内。
7.根据权利要求6所述的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，其特征在于，所述耦出模块包括至少三个所述分光膜阵列。
8.根据权利要求6所述的实时动态三维显示的增强现实近眼显示装置，其特征在于，所述分光膜阵列与所述波导片的下端面形成第二预设夹角。
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