CN112462522A - 一种大视场紧凑型近眼显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场紧凑型近眼显示装置，包括：自发光LCOS模块、光机模块、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，光机模块包括线性偏振片、PBS、第一四分之一波片、凹面反射镜、第二四分之一波片和凸面反射镜；光机模块的入射面与自发光LCOS模块平行，波导片的上端面与下端面平行，且与耦入三角棱镜的出射面形成第一预设夹角；耦出模块包括基于角度复用技术制作的彩色复用体全息光栅，耦出模块贴合于波导片的上端面，用于耦出经波导片传输的偏振光。本发明利用基于角度复用技术制作的复用彩色体全息光栅作为光耦出装置，大大增加了人眼观察的动态范围，从而扩展视场。
Description
技术领域
本发明涉及近眼装置技术领域，尤其涉及一种大视场紧凑型近眼显示装置。
背景技术
近眼显示装置提供了传统显示设备不具有的与真实环境无障碍的实时实地交互的功能，从而给用户带来了全新的视觉体验，因此被广泛应用于各个领域。近眼显示中首要的问题就是如何减少显示设备的体积和重量，并提供足够的信息量、视场角，实现设备轻便化和高空间分辨率、高角分辨率的近眼三维呈现效果。
全息波导将波导的全反射特性和全息光栅的衍射特性相结合，可实现大视场、大出瞳图像输出，从而被应用于新一代头盔显示系统，而且其具有整体质量和体积更为紧凑的优点。
但是由于体全息光栅对波长及角度的选择性，大大限制了全息波导的动态视场范围。
发明内容
本发明目的在于，提供一种大视场紧凑型近眼显示装置，利用基于角度复用技术制作的复用彩色体全息光栅作为光耦出装置实现在多角度通道处获取三维虚拟物体图像信息，大大增加了人眼观察的动态范围，从而扩展视场，以解决由于体全息光栅对波长及角度的选择性，大大限制了全息波导的动态视场范围的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种大视场紧凑型近眼显示装置，包括：自发光LCOS模块、光机模块、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虚拟物体图像信息的衍射图像光；所述光机模块的入射面与所述自发光LCOS模块平行，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光机模块的出射面平行并胶合，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胶合，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；所述耦出模块贴合于所述波导片的上端面，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LED包括R、G和B三色光源。
在某一个实施例中，还包括控制器，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，所述光机模块包括线性偏振片、PBS、第一四分之一波片、凹面反射镜、第二四分之一波片和凸面反射镜；所述线性偏振片、所述凹面反射镜以及所述凸面反射镜分别平行胶合于所述PBS的不同端面上，所述线性偏振片和所述PBS的胶合面、所述凹面反射镜和所述PBS的胶合面分别与所述耦入三角棱镜和所述PBS的胶合面垂直，所述凸面反射镜和所述PBS的胶合面与所述耦入三角棱镜和所述PBS的胶合面平行；
所述第一四分之一波片设置在所述凹面反射镜与所述PBS之间；所述第二四分之一波片设置在所述凸面反射镜与所述PBS之间；所述PBS的出射面与所述耦入三角棱镜的入射面胶合。
在某一个实施例中，所述耦出模块包括基于角度复用技术制作的彩色复用体全息光栅。
本发明实施例还可提供一种基于角度复用技术制作的彩色复用体全息光栅制备方法，应用于上述的大视场紧凑型近眼显示装置，所述方法包括：
先取R、G、B三色中一种单色光记录角度复用的体全息光栅，记录时保持物光和参考光位置固定，通过转动记录材料得到不同的角度通道，然后在每个角度通道复用记录干涉条纹，在体全息聚合物中得到一系列所述角度复用的体全息光栅单元，记录时，材料的最初位置应使其光轴位于物光、参考光所成夹角的角平分线上；
取R、G、B三色中的另外两种单色光采用同样的方式分别记录获取相应的角度复用体全息光栅。
本发明实施例的大视场紧凑型近眼显示装置中，利用自发光LCOS模块可提供高亮度的出射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。同时该系统利用基于角度复用技术制作的复用彩色体全息光栅作为光耦出装置实现在多角度通道处获取三维虚拟物体图像信息，大大增加了人眼观察的动态范围，从而扩展视场。
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大视场紧凑型近眼显示装置的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的光机模块的结构示意图；
图3是本发明又一实施例提供的基于材料转动的多角度复用体全息光栅制备的原理示意图。
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大视场紧凑型近眼显示装置，包括：自发光LCOS模块110、光机模块120、耦入三角棱镜130、波导片140和耦出模块150。
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虚拟物体图像信息的衍射图像光；光机模块120的入射面与自发光LCOS模块110平行，耦入三角棱镜130的入射面为耦入三角棱镜130的第一长边，所述第一长边与光机模块120的出射面平行并胶合，耦入三角棱镜130的出射面为耦入三角棱镜130的第二长边，所述第二长边与波导片140的入射端面胶合，波导片140的上端面与下端面平行，且与耦入三角棱镜130的出射面形成第一预设夹角；耦出模块150贴合于波导片140的上端面，用于耦出经波导片140传输的偏振光。
在本实施例中，大视场紧凑型增强现实近眼显示装置包括自发光LCOS模块110，光机模块120，耦入三角棱镜130，波导片140，耦出装置150。自发光LCOS模块110以及光机模块120平行放置，且光机模块120的出射面与耦入三角棱镜130的一长边平行并胶合，耦入三角棱镜130的另一长边与波导片140的入射端面胶合，于是波导片140的上下端面与耦入三角棱镜130的出射端面呈一定预设夹角。
当有三维虚拟物体图像加载于自发光LCOS模块110上时，自发光LCOS模块110出射的光即为经由三维虚拟物体图像调制过的，携带有三维虚拟物体图像信息的衍射图像光，然后入射到光机模块120，光机模块120的出射光经由耦入三角棱镜130耦入至波导片140中。在满足全反射条件时，耦入光线可在波导片140中以全反射的方式向前传播至耦出装置150耦出，进入人眼成像。人眼即可观察到三维虚拟物体图像，而环境光不受影响地透过耦出装置以及波导片进入人眼成像。该装置利用自发光LCOS模块110可提供高亮度及低功耗的特点，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。
在某一个实施例中，所述LED包括R、G和B三色光源。
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。LED光源包括R、G、B三色光源。
在某一个实施例中，还包括控制器，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，所述控制器为计算机，自发光LCOS模块110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。
请参阅图2，在某一个实施例中，光机模块120包括线性偏振片121、PBS122、第一四分之一波片125、凹面反射镜126、第二四分之一波片123和凸面反射镜124，其中，PBS122(polarization beam splitter)偏振分光棱镜，能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。线性偏振片121、凹面反射镜126以及凸面反射镜124分别平行胶合于所述PBS122的不同端面上，线性偏振片121和PBS122的胶合面、凹面反射镜126和PBS122的胶合面分别与耦入三角棱镜130和PBS122的胶合面垂直，凸面反射镜124和PBS122的胶合面与耦入三角棱镜130和PBS122的胶合面平行；
第一四分之一波片125设置在凹面反射镜126与PBS122之间；第二四分之一波片123设置在凸面反射镜124与PBS122之间；PBS122的出射面与耦入三角棱镜130的入射面胶合。
在本实施例中，光机模块120包括线性偏振片121、PBS122、第一四分之一波片125、凹面反射镜126、第二四分之一波片123和凸面反射镜124；线性偏振片121，凹面反射镜126,以及凸面反射镜124平行设置于PBS122某一端面，并与其胶合，用以缩小系统尺寸并同时使结构更为紧凑。凹面反射镜126与PBS122间有第一四分之一波片125，凸面反射镜124与PBS122间有第二四分之一波片123。线性偏振片121和PBS122胶合面，以及凹面反射镜126和PBS122胶合面与耦入三角棱镜和PBS122胶合面垂直，凸面反射镜124和PBS122胶合面与耦入三角棱镜和PBS122胶合面平行。PBS122的出射面与耦入三角棱镜130的入射面胶合，耦入三角棱镜130的出射面与波导片140的入射面胶合。
携带有三维虚拟物体图像信息的衍射图像光经光机模块120中的线性偏振片121形成与入射面垂直的P光，再经过PBS122，第一四分之一波片125入射到凹面反射镜126上，并经由凹面反射镜126反射后再一次经过第一四分之一波片125转化为S光，S光到达到PBS122分光膜后全部反射经过第二四分之一波片123后到达凸面反射镜124，经由凸面反射镜124反射后再一次经过第二四分之一波片123转化为P光，经PBS122分光膜全部透射到耦入三角棱镜130，进而进入波导片140。
在某一个实施例中，所述耦出模块包括基于角度复用技术制作的彩色复用体全息光栅。
在本实施例中，耦出装置150为一个基于角度复用技术制作的彩色复用体全息光栅。当携带有三维虚拟物体图像信息的衍射图像光照射到该复用彩色体全息光栅时，则会在多角度通道处获取三维虚拟物体图像信息，大大增加了人眼观察的动态范围，从而扩展视场。
本发明实施例还可提供一种基于角度复用技术制作的彩色复用体全息光栅制备方法，应用于上述的大视场紧凑型近眼显示装置，所述方法包括：
先取R、G、B三色中一种单色光记录角度复用的体全息光栅，记录时保持物光和参考光位置固定，通过转动记录材料得到不同的角度通道，然后在每个角度通道复用记录干涉条纹，在体全息聚合物中得到一系列所述角度复用的体全息光栅单元，记录时，材料的最初位置应使其光轴位于物光、参考光所成夹角的角平分线上；
取R、G、B三色中的另外两种单色光采用同样的方式分别记录获取相应的角度复用体全息光栅。
请参阅图3，在本实施例中，所述基于角度复用技术的彩色体全息光栅制备方法如下，先取R、G、B三色中任意一种单色光记录角度复用的体全息光栅，记录时保持物光和参考光位置固定，通过转动记录材料得到不同的角度通道，然后在每个角度通道复用记录干涉条纹，于是便在体全息聚合物中得到一系列角度复用的体全息光栅单元。记录时，为保证角度通道的对称性，材料的最初位置应使其光轴位于物光、参考光所成夹角的角平分线上。假设需要复用记录的干涉条纹总数为n,则应将材料转动角度θ0后开始角度复用记录，
其中Δθmin为最小复用角度间隔。在实际应用中最小复用角度间隔的选择一般要大于布拉格角Δθb，即：
其中L为材料厚度，λ为记录光波长，θ为记录时光物、参考光与光轴的夹角。
在初始角度记录第一个体全息光栅后，接着将记录材料向初始方向转动Δθmin至第二个角度通道，则在体全息材料的同一区域位置即可叠加记录第二个体全息光栅，如此反复，即可实现n个体全息光栅在同一区域的复用记录。最后再取R、G、B三色中的另外两种单色光，采用同样的方式分别记录获取相应的角度复用体全息光栅。记录时为保证R、G、B三色光各自记录的角度复用体全息光栅在每一个角度通道的干涉条纹波矢方向一致，则每个R、G、B单色光记录角度复用体全息光栅的初始记录角度θ应满足如下条件：
λR、λG、λB分别为R、G、B三色光的波长，θR、θG、θB分别为R、G、B三色光记录角度复用体全息光栅的初始记录角度。记录完成后，当携带有三维虚拟物体图像信息的衍射图像光照射到该复用彩色体全息光栅时，则会在不同角度通道处获得三维虚拟物体图像信息。于是大大增加了人眼观察的动态范围，从而扩展视场。
本发明实施例的大视场紧凑型近眼显示装置中，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。同时该系统利用基于角度复用技术制作的复用彩色体全息光栅作为光耦出装置实现在多角度通道处获取三维虚拟物体图像信息，大大增加了人眼观察的动态范围，从而扩展视场。
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 (6)
1.一种大视场紧凑型近眼显示装置，其特征在于，包括：自发光LCOS模块、光机模块、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虚拟物体图像信息的衍射图像光；
所述光机模块的入射面与所述自发光LCOS模块平行，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光机模块的出射面平行并胶合，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胶合，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；
所述耦出模块贴合于所述波导片的上端面，用于耦出经所述波导片传输的偏振光。
2.根据权利要求1所述的大视场紧凑型近眼显示装置，其特征在于，所述LED包括R、G和B三色光源。
3.根据权利要求2所述的大视场紧凑型近眼显示装置，其特征在于，还包括控制器，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。
4.根据权利要求1所述的大视场紧凑型近眼显示装置，其特征在于，所述光机模块包括线性偏振片、PBS、第一四分之一波片、凹面反射镜、第二四分之一波片和凸面反射镜；
所述线性偏振片、所述凹面反射镜以及所述凸面反射镜分别平行胶合于所述PBS的不同端面上，所述线性偏振片和所述PBS的胶合面、所述凹面反射镜和所述PBS的胶合面分别与所述耦入三角棱镜和所述PBS的胶合面垂直，所述凸面反射镜和所述PBS的胶合面与所述耦入三角棱镜和所述PBS的胶合面平行；
所述第一四分之一波片设置在所述凹面反射镜与所述PBS之间；所述第二四分之一波片设置在所述凸面反射镜与所述PBS之间；所述PBS的出射面与所述耦入三角棱镜的入射面胶合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的大视场紧凑型近眼显示装置，其特征在于，所述耦出模块包括基于角度复用技术制作的彩色复用体全息光栅。
6.一种基于角度复用技术制作的彩色复用体全息光栅制备方法，其特征在于，应用于权利要求5所述的大视场紧凑型近眼显示装置，所述方法包括：
先取R、G、B三色中一种单色光记录角度复用的体全息光栅，记录时保持物光和参考光位置固定，通过转动记录材料得到不同的角度通道，然后在每个角度通道复用记录干涉条纹，在体全息聚合物中得到一系列所述角度复用的体全息光栅单元，记录时，材料的最初位置应使其光轴位于物光、参考光所成夹角的角平分线上；
取R、G、B三色中的另外两种单色光，采用同样的方式分别记录获取相应的角度复用体全息光栅。
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