CN112485906A - 一种三维动态全彩显示的增强现实近眼装置 - Google Patents

一种三维动态全彩显示的增强现实近眼装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，包括：自发光LCOS模块、滤波模块和体全息平板波导组；自发光LCOS模块包括装配有白光LED的LCOS显示器，体全息平板波导组包括三层体全息平板波导，体全息平板波导包括可调衰减片、耦入体全息光栅、耦出体全息光栅和平板波导；耦入体全息光栅和耦出体全息光栅皆由两片复合型体全息光栅叠加构成；可调衰减片贴合于平板波导的上表面，耦入体全息光栅和耦出体全息光栅贴合于平板波导的下表面，且可调衰减片与耦入体全息光栅设置于平板波导的同一光路侧，耦出体全息光栅位于平板波导的与耦入体全息光栅相对的另一端。本发明实现了结构紧凑、低功耗且可对任意三维彩色物体模型实时动态显示的近眼显示装置。

Description

一种三维动态全彩显示的增强现实近眼装置
技术领域
本发明涉及近眼装置技术领域，尤其涉及一种三维动态全彩显示的增强现实近眼装置。
背景技术
增强现实近眼显示装置可以让使用者在半虚拟的环境里进行相关的操作，从而达到超越现实的感官体验，被预估最有可能取代手机成为下一代的信息交互平台。
但是现阶段近眼显示装置中的光学方案无法精确地控制光的波前信息以消除辐辏调节冲突，使人类可以通过自然的视觉观感与真实环境无障碍地进行实时实地的交互。另一方面如果利用单层复合型体全息光栅波导传播彩色图像，会出现相近色光串扰严重的问题。而如果采用多层单色体全息光栅波导来分别传输R、G、B三色光，则由于体全息光栅对角度的选择性，耦出图像的亮度过低，无法满足增强现实显示装置对输出图像的亮度需求。
发明内容
本发明目的在于，提供一种三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，将传统典型光学引擎内的LED照明系统和偏极化分光镜，与LCOS微型显示器模块相结合，同时结合彩色计算全息光波场可以任意控制的优点，以解决现有装置体积较大且不具有的与真实环境无障碍地进行实时实地交互的功能问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，包括：自发光LCOS模块、滤波模块和体全息平板波导组；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体全息平板波导组；所述体全息平板波导组包括三层体全息平板波导，所述体全息平板波导包括可调衰减片、耦入体全息光栅、耦出体全息光栅和平板波导；所述耦入体全息光栅包括第一耦入体全息光栅和第二耦入体全息光栅；所述耦出体全息光栅包括第一耦出体全息光栅和第二耦出体全息光栅；所述可调衰减片贴合于所述平板波导的上表面，所述耦入体全息光栅贴合于所述平板波导的下表面，且所述可调衰减片与所述耦入体全息光栅设置于所述平板波导的同一光路侧，所述耦出体全息光栅贴合于所述平板波导的下表面，且位于所述平板波导的与所述耦入体全息光栅相对的另一端。
在某一个实施例中，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。
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，所述第一耦入体全息光栅和所述第二耦入体全息光栅复合堆叠贴合于所述平板波导下表面，所述第一耦入体全息光栅和所述第二耦入体全息光栅为两个完全相同的反射式体全息光栅；所述第一耦出体全息光栅和所述第二耦出体全息光栅复合堆叠贴合于所述平板波导下表面，所述第一耦出体全息光栅和所述第二耦出体全息光栅为两个完全相同的反射式体全息光栅。
在某一个实施例中，所述耦入体全息光栅和所述耦出体全息光栅镜像对称。
在某一个实施例中，所述平板波导材质包括透明光学玻璃或透明光学塑料。
在某一个实施例中，所述体全息平板波导组包括沿着所述LCOS显示器出射光的光路依次设置的第一体全息平板波导、第二体全息平板波导和第三体全息平板波导，每个所述体全息平板波导均包括所述可调衰减片、所述耦入体全息光栅、所述耦出体全息光栅和所述平板波导；其中，所述第一体全息平板波导的所述耦入体全息光栅与所述第二体全息平板波导的所述可调衰减片相对，所述第二体全息平板波导的所述耦入体全息光栅与所述第三体全息平板波导的所述可调衰减片相对；所述第一体全息平板波导的所述耦出体全息光栅、所述第二体全息平板波导的所述耦出体全息光栅以及所述第三体全息平板波导的所述耦出体全息光栅均位于同一侧。
本发明实施例的三维动态全彩显示的增强现实近眼装置中，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，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。同时结合彩色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彩色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三维动态全彩显示的增强现实近眼装置的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的滤波系统的滤波成像的原理示意图；
图3是传统体全息波导出瞳的原理示意图；
图4是本发明某一实施例提供的两片复合型体全息光栅堆叠结构的体全息波导出瞳距扩展的原理示意图；
图5是本发明另一实施例提供的两片复合型体全息光栅堆叠结构的体全息波导明暗条纹改善的原理示意图。
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三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，包括：自发光LCOS模块110、滤波模块120和体全息平板波导组130。
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体全息平板波导组130。
体全息平板波导组130包括体全息平板波导131，体全息平板波导131包括可调衰减片131a、耦入体全息光栅131c、耦出体全息光栅131d和平板波导131b；耦入体全息光栅131c包括第一耦入体全息光栅131c1和第二耦入体全息光栅131c2；耦出体全息光栅131d包括第一耦出体全息光栅131d1和第二耦出体全息光栅131d2；可调衰减片131a贴合于平板波导131b的上表面，耦入体全息光栅131c贴合于平板波导131b的下表面，且可调衰减片131a与耦入体全息光栅131c设置于平板波导131b的同一光路侧，耦出体全息光栅131d贴合于平板波导131b的下表面，且位于平板波导131b的与耦入体全息光栅131c相对的另一端。
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，在其他实施例中，自发光LCOS模块110还可以为0.35英寸的高效自发光型LCOS显示器模块，在此不做限定。当通过对三维场景进行波前编码后获得的三维彩色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彩色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。
滤波系统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入射到体全息平板波导组130。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，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，同时结合彩色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彩色物体模型实时动态显示的近眼显示装置。
在某一个实施例中，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。
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。三维彩色计算全息图是通过对彩色三维物体不同角度的波前信息分别提取R、G、B分量进行编码记录再叠加融合后得到的，则控制自发光LCOS模块110加载每帧彩色计算全息图时间间隔，于是自发光LCOS模块110的出射光中即携带有R、G、B三色光分量的三维场景波前信息分布。而且由于人眼的视觉暂留效应，人眼处即可观察到动态显示的彩色三维场景波前重建全息显示效果。
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，所述LCOS显示器的出射光经过第一透镜(Lens1)121成像于第一平面(plane1)，在第一透镜(Lens1)121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(Lens2)123会聚后，入射到体全息平板波导组130。
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 BDA0002824713910000051
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。
在某一个实施例中，第一耦入体全息光栅131c1和第二耦入体全息光栅131c2复合堆叠贴合于平板波导131b下表面，第一耦入体全息光栅131c1和第二耦入体全息光栅131c2为两个完全相同的反射式体全息光栅；第一耦出体全息光栅131d1和第二耦出体全息光栅131d2复合堆叠贴合于平板波导131b下表面，第一耦出体全息光栅131d1和第二耦出体全息光栅131d2为两个完全相同的反射式体全息光栅。
在本实施例中，耦入体全息光栅131c、耦出体全息光栅131d均采用两片复合型体全息光栅叠加构成，即耦入体全息光栅131c包括有第一耦入体全息光栅131c1和第二耦入体全息光栅131c2，且第一耦入体全息光栅131c1和第二耦入体全息光栅131c2复合堆叠贴合于平板波导131b下表面，而耦出体全息光栅131d也同样包括有第一耦出体全息光栅131d1和第二耦出体全息光栅131d2，且第一耦出体全息光栅131d1和第二耦出体全息光栅131d2也复合堆叠贴合于平板波导131b下表面。第一耦入体全息光栅131c1和第二耦入体全息光栅131c2为两个完全相同的反射式体全息光栅，同样的，第一耦出体全息光栅131d1和第二耦出体全息光栅131d2也为两个完全相同的反射式体全息光栅。在某一个实施例中，耦入体全息光栅131c和耦出体全息光栅131d镜像对称。
请参阅图3、图4和图5，在本实施例中，耦入体全息光栅131c和耦出体全息光栅131d镜像对称，两片复合型体全息光栅堆叠结构的体全息光栅波导可有效再次利用在耦入体全息光栅131c的第一耦入体全息光栅131c1因直接透射出波导而损失掉的0级衍射光，使其在第二耦入体全息光栅131c2发生衍射进入波导，以提高光效。同时在耦出体全息光栅131d一端，第一耦出体全息光栅131d1和第二耦出体全息光栅131d2可同时对传输光线进行耦出，于是增加了光线在光波导内的传播周期，消除了各个视场光线的光瞳间隙，实现了光瞳扩展，保证最终图像的连续性以及完整性，也可改善显示图像的明暗条纹。
在某一个实施例中，平板波导131b材质包括透明光学玻璃或透明光学塑料。
在本实施例中，平板波导131b的材质为透明光学玻璃，在其他实施例中，平板波导131b的材质还可以为透明光学塑料，在此不做限定。
在某一个实施例中，体全息平板波导组130包括沿着所述LCOS显示器出射光的光路依次设置的第一体全息平板波导131、第二体全息平板波导132和第三体全息平板波导133，每个体全息平板波导均包括所述可调衰减片、所述耦入体全息光栅、所述耦出体全息光栅和所述平板波导。其中，第一体全息平板波导131的耦入体全息光栅131c与第二体全息平板波导132的所述可调衰减片相对，所述第二体全息平板波导的所述耦入体全息光栅与所述第三体全息平板波导的所述可调衰减片相对；第一体全息平板波导131的耦出体全息光栅131d、第二体全息平板波导132的所述耦出体全息光栅以及第三体全息平板波导133的所述耦出体全息光栅均位于同一侧。
在本实施例中，体全息平板波导组130包括三层体全息平板波导，即第一体全息平板波导131、第二体全息平板波导132和第三体全息平板波导133，利用体全息光栅的波长选择性，分别对红光、绿光和蓝光单独进行衍射传输并耦出至人眼成像，从而减少色散和相近色光的串扰。每一层体全息平板波导包括可调衰减片，耦入体全息光栅、耦出体全息光栅以及平板波导。
具体地，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第一体全息平板波导131的可调衰减片131a垂直入射到第一体全息平板波导131耦入端的第一耦入体全息光栅131c1 VHG_Rin1，由于体全息光栅的波长选择性，只有红光的负一级衍射光耦入光波导中，而红光的0级衍射光将会垂直透射出波导入射到第二耦入体全息光栅131c2 VHG_Rin2后发生衍射，衍射光中的负一级衍射光亦耦入光波导中。在满足全反射条件时，两束耦入衍射光线可在光波导中以全反射的方式向前传播至耦出端体全息光栅衍射耦出。由于在耦出端，第一耦出体全息光栅131d1 VHG_Rou1和第二耦出体全息光栅131d2 VHG_Rou2可同时对传输光线进行耦出，于是增加了光线在光波导内的传播周期，消除了各个视场光线的光瞳间隙，实现了光瞳扩展，保证最终图像的连续性以及完整性，也可改善显示图像的明暗条纹。之后滤除了红光的携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光经第二体全息平板波导132的可调衰减片垂直入射到第二体全息平板波导132耦入端的第一耦入体全息光栅VHG_Gin1，由于体全息光栅的波长选择性，只有绿光的负一级衍射光耦入光波导中，而绿光的0级衍射光将会垂直透射出波导入射到第二耦入体全息光栅VHG_Gin2后发生衍射，衍射光中的负一级衍射光亦耦入光波导中。在满足全反射条件时，两束耦入衍射光线可在光波导中以全反射的方式向前传播至耦出端体全息光栅VHG_Gou1/VHG_Gou2衍射耦出。
同样的，滤除了红光以及绿光的携带有三维场景波前信息分布的物体衍射图像光经第三体全息平板波导133的可调衰减片垂直入射到第三体全息平板波导133耦入端的第一耦入体全息光栅VHG_Bin1，由于体全息光栅的波长选择性，只有蓝光的负一级衍射光耦入光波导中，而蓝光的0级衍射光将会垂直透射出波导入射到第二耦入体全息光栅VHG_Bin2后发生衍射，衍射光中的负一级衍射光亦耦入光波导中。在满足全反射条件时，两束耦入衍射光线可在光波导中以全反射的方式向前传播至耦出端体全息光栅VHG_Bou1/VHG_Bou2衍射耦出。最后三束单色耦出衍射光线进入人眼成像，形成全彩色图像，人眼处即可观察到全彩色的全息再现三维虚像，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。
三维彩色计算全息图是通过对彩色三维物体不同角度的波前信息分别提取R、G、B分量进行编码记录再叠加融合后得到的，则控制LCOS加载每帧彩色计算全息图时间间隔，于是LCOS的出射光中即携带有R、G、B三色光分量的三维场景波前信息分布。而且由于人眼的视觉暂留效应，人眼处即可观察到动态显示的彩色三维场景波前重建全息显示效果。
本发明实施例的三维动态全彩显示的增强现实近眼装置中，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，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。同时结合彩色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彩色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 (7)

1.一种三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，其特征在于，包括：自发光LCOS模块、滤波模块和体全息平板波导组；
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体全息平板波导组；
所述体全息平板波导组包括体全息平板波导，所述体全息平板波导包括可调衰减片、耦入体全息光栅、耦出体全息光栅和平板波导；所述耦入体全息光栅包括第一耦入体全息光栅和第二耦入体全息光栅；所述耦出体全息光栅包括第一耦出体全息光栅和第二耦出体全息光栅；所述可调衰减片贴合于所述平板波导的上表面，所述耦入体全息光栅贴合于所述平板波导的下表面，且所述可调衰减片与所述耦入体全息光栅设置于所述平板波导的同一光路侧，所述耦出体全息光栅贴合于所述平板波导的下表面，且位于所述平板波导的与所述耦入体全息光栅相对的另一端。
2.根据权利要求1所述的三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，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所述的三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，其特征在于，所述滤波模块包括沿着所述LCOS显示器出射的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。
4.根据权利要求1所述的三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，其特征在于，所述第一耦入体全息光栅和所述第二耦入体全息光栅复合堆叠贴合于所述平板波导下表面，所述第一耦入体全息光栅和所述第二耦入体全息光栅为两个完全相同的反射式体全息光栅；
所述第一耦出体全息光栅和所述第二耦出体全息光栅复合堆叠贴合于所述平板波导下表面，所述第一耦出体全息光栅和所述第二耦出体全息光栅为两个完全相同的反射式体全息光栅。
5.根据权利要求1所述的三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，其特征在于，所述耦入体全息光栅和所述耦出体全息光栅镜像对称。
6.根据权利要求1所述的三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，其特征在于，所述平板波导材质包括透明光学玻璃或透明光学塑料。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的三维动态全彩显示的增强现实近眼装置，其特征在于，所述体全息平板波导组包括沿着所述LCOS显示器出射的光的光路依次设置的第一体全息平板波导、第二体全息平板波导和第三体全息平板波导，每个所述体全息平板波导均包括所述可调衰减片、所述耦入体全息光栅、所述耦出体全息光栅和所述平板波导；
其中，所述第一体全息平板波导的所述耦入体全息光栅与所述第二体全息平板波导的所述可调衰减片相对，所述第二体全息平板波导的所述耦入体全息光栅与所述第三体全息平板波导的所述可调衰减片相对；
所述第一体全息平板波导的所述耦出体全息光栅、所述第二体全息平板波导的所述耦出体全息光栅以及所述第三体全息平板波导的所述耦出体全息光栅均位于同一侧。
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