CN112540526A - 全息光学元件记录系统及方法、近眼显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种全息光学元件记录系统及方法、近眼显示系统及方法，所述全息光学元件记录系统包括：依次设置的第一透镜、玻璃基底、全息光学元件、扩散器及第二透镜；信号光经过所述第一透镜后聚焦至贴合在所述玻璃基底上的全息光学元件；参考光经过所述第二透镜得到平行参考光，所述平行光经过所述扩散器入射到所述全息光学元件上。本申请能够在不使用光波导技术及耦合结构的情况下，利用穿透式有机发光显示器及全息光学元件制成近眼显示系统，实现近眼显示。

Description

全息光学元件记录系统及方法、近眼显示系统及方法

技术领域

本申请涉及光学成像领域，具体是一种全息光学元件记录系统及其方法、近眼显示系统及其方法。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪与注册、智能交互及传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐及视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，补充真实世界中的真实信息，实现对真实世界的“增强”。

用于增强现实的头戴式显示器利用近眼显示技术实现，因此也称近眼显示装置。当人们佩戴近眼显示装置时，可以在观察周围环境的同时，看到近眼显示装置中正在显示的虚拟图像，从而达到增强现实的目的。增强现实技术可以将虚拟图像叠加在用户所感知到的真实世界上，为用户营造更加逼真的体验，带来较强的沉浸感。

现有技术中，实现近眼显示装置的技术主要包括：Birdbath、棱镜、自由曲面及光波导技术。其中，Birdbath、棱镜及自由曲面技术都存在着增大视场角与减小近眼显示装置体积之间的存盾。为解决该问题，本领域技术人员提出了光波导技术，但现有的光波导技术普遍都需要耦入结构的配合。耦入结构用于将微投影光机所发出的光束耦入波导片,使得光束满足在波导片中的全反射传播条件，是光波导技术中重要的一个组件。然而，若要实现较大的视场角，耦入结构的体积也会增大。因此，耦入结构会增加近眼显示装置的体积及重量，为用户带来不便。因此，需要开发一种无需光波导技术就能实现近眼显示且不带耦合结构的近眼显示装置。

发明内容

针对现有技术中的问题，本申请提供一种近眼显示装置，能够在不使用光波导技术及耦合结构的情况下，利用穿透式有机发光显示器(Transparent OLEDDisplay，T-OLED)及全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)制成近眼显示装置，实现近眼显示。

为解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种全息光学元件记录系统，包括：依次设置的第一透镜、玻璃基底、全息光学元件、扩散器及第二透镜；

信号光经过所述第一透镜后聚焦至贴合在所述玻璃基底上的全息光学元件；参考光经过所述第二透镜得到平行参考光，所述平行光经过所述扩散器入射到所述全息光学元件上。

进一步地，所述信号光由多个角度的信号光组成，多个角度的信号光分别经过所述第一透镜后聚焦至所述全息光学元件。

进一步地，所述第一透镜为由多个透镜组成的透镜阵列，所述透镜阵列的每个透镜将所述信号光的光束分为多个细光束，以将信号光通过多个角度入射到所述全息光学元件上。

进一步地，所述的全息光学元件记录系统，还包括：第三透镜，用于将所述信号光准直为平行信号光，所述平行信号光经过所述第一透镜后聚焦至所述全息光学元件。

第二方面，本申请提供一种近眼显示系统，包括：T-OLED显示屏及经过所述全息光学元件记录系统记录的带有干涉条纹的全息光学元件，所述全息光学元件贴合在所述T-OLED显示屏上。

第三方面，本申请提供一种全息光学元件记录方法，包括：

第一透镜将信号光聚焦至贴合在玻璃基底上的全息光学元件上；

第二透镜将参考光准直后入射到扩散器上；

扩散器将准直后的参考光扩散后入射到全息光学元件上，以使全息光学元件上的信号光及参考光发射干涉，形成干涉条纹。

进一步地，所述信号光由多个角度的信号光组成，所述第一透镜将信号光聚焦至贴合在所述玻璃基底上的全息光学元件上包括：

所述第一透镜将多个角度的信号光分别聚焦至贴合在所述玻璃基底上的所述全息光学元件。

进一步地，所述第一透镜为由多个透镜组成的透镜阵列，所述第一透镜将信号光聚焦至贴合在所述玻璃基底上的全息光学元件上包括：

所述透镜阵列的每个透镜将所述信号光的光束分为多个细光束，将信号光通过多个角度入射到所述全息光学元件上。

进一步地，全息光学元件的记录方法，还包括：设置在所述第一透镜前的第三透镜将所述信号光准直为平行信号光后入射到所述第一透镜上。

第四方面，本申请提供一种近眼显示方法，包括：

所述T-OLED显示屏发出的虚拟影像光进入带有干涉条纹的全息光学元件；

所述全息光学元件将所述虚拟影像光反射后透过T-OLED显示屏聚焦至人眼；

所述全息光学元件及所述T-OLED显示屏依次透射环境光，使所述环境光射入所述人眼。

针对现有技术中的问题，本申请提供一种全息光学元件记录系统、近眼显示系统、全息光学元件记录方法及近眼显示方法，能够在不使用光波导技术及耦合结构的情况下，利用穿透式有机发光设备(Transparent OLEDDisplay，T-OLED)及全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)制成近眼显示装置，实现近眼显示，具有视场角大及体积小等优点。

附图说明

图1为本申请实施例中全息光学元件记录系统的示意图之一；

图2为本申请实施例中全息光学元件记录系统的示意图之二；

图3为本申请实施例中全息光学元件记录系统的示意图之三；

图4为本申请实施例中近眼显示系统的示意图；

图5为本申请实施例中近眼显示方法的示意图之一；

图6为本申请实施例中近眼显示方法的示意图之二；

图7为本申请实施例中近眼显示方法的示意图之三。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了能够在不使用光波导技术及耦合结构的情况下，利用穿透式有机发光设备及全息光学元件制成近眼显示装置，实现近眼显示，首先需对全息光学元件进行记录，在全息光学元件上形成干涉条纹。

为此，本申请提供一种全息光学元件记录系统，参见图1，该全息光学元件记录系统包括：依次设置的透镜1、玻璃基底2、全息光学元件3、扩散器4及透镜5；信号光6经过透镜1后聚焦至贴合在玻璃基底2上的全息光学元件3；参考光7经过透镜5得到平行光14，平行光14经过扩散器4入射到全息光学元件3上。

可以理解的是，全息光学元件3的记录方式是使信号光6与参考光7之间发生干涉，将所形成的干涉条纹记录在全息光学元件3上。为此，根据信号光及参考光的入射方向，本申请提供的全息光学元件记录系统从左至右或从右至左依次设置有透镜1、玻璃基底2、全息光学元件3、扩散器4及透镜5。透镜1将信号光6聚焦形成球面波，球面波透过玻璃基底2入射到贴合在玻璃基底2上的全息光学元件3上。同时，透镜5将参考光7准直，使其成为平行光，平行光经过透射式的扩散器4入射到全息光学元件3上。此时，信号光6与参考光7会在全息光学元件3上发生干涉，形成干涉条纹。

从上述描述可知，本申请提供的全息光学元件记录系统能够完成全息光学元件记录。

参见图2，优选地，在本申请提供的全息光学元件记录系统中，信号光6由多个角度的光组成，多个角度的信号光6分别经过透镜1后聚焦至全息光学元件3。

可以理解的是，一般而言，信号光6可以从单一的水平角度入射到透镜1；而在一优选的实施例中，信号光6可以从多个角度入射到透镜1。在保持透镜1、玻璃基底2、全息光学元件3、扩散器4及透镜5的设置方式不变的情况下，从多个角度入射的信号光6在全息光学元件3上分别与参考光7发生干涉所形成的干涉条纹为多组。

相较于信号光6从单一的水平角度入射，信号光6从多个角度入射可以扩大人在使用近眼显示系统时的眼动范围。因为在对全息光学元件3进行记录时，如果信号光6为单一角度的平行光，那么信号光6通过透镜1聚焦后只会形成一个焦点，而只有将人眼瞳孔13落在这个焦点位置时，才会看到虚拟影像。

因此，优选地，在对全息光学元件3进行记录时，分别使从多个角度发射的平行光作为信号光6，依次入射到透镜1，以便形成多个焦点。具体的，使来自第一角度上的平行光入射透镜1，经透镜1聚焦后入射到全息光学元件3上；同时，透镜5将参考光7准直，使其成为平行光，平行光经过透射式的扩散器4入射到全息光学元件3上。此时，信号光6与参考光7会在全息光学元件3上发生干涉，形成干涉条纹，完成干涉条纹的一次记录。同理，依次使来自其他角度上的平行光入射透镜1，经透镜1聚焦后入射到全息光学元件3上；同时，透镜5将参考光7准直，使其成为平行光，平行光经过透射式的扩散器4入射到全息光学元件3上。此时，信号光6与参考光7会在全息光学元件3上发生干涉，形成干涉条纹，完成干涉条纹的多次记录。

需要注意的是，本申请不对信号光6入射的角度及信号光6的数量进行限制，本领域技术人员可以理解，信号光6的入射角度越多，信号光6的数量越多，则所形成的焦点数量越多，眼动范围越大。因此，在实际应用中，可以适当选取。

从上述描述可知，本申请提供的全息光学元件记录系统能够完成全息光学元件记录。

参见图3，优选地，在本申请提供的全息光学元件记录系统中，透镜1为由多个透镜组成的透镜阵列8，透镜阵列8的每个透镜将信号光6的光束分为多个细光束15，以将信号光6通过多个角度入射到全息光学元件3上。

可以理解的是，在本实施例中，全息光学元件记录系统从左至右或从右至左依次设置有透镜阵列8、玻璃基底2、全息光学元件3、扩散器4及透镜5。信号光6为一聚焦后的球面波，当该球面波入射到透镜阵列8后，透镜阵列8中的每一个小透镜会将整个的宽光束分为很多细光束15。具体地，当聚焦后的宽光束信号光6，也就是球面波入射到不同位置处的小透镜时，会形成不同角度的平行光入射到全息光学元件3上；同时，透镜5将参考光7准直，使其成为平行光，平行光经过透射式的扩散器4入射到全息光学元件3上。此时，信号光6与参考光7会在全息光学元件3上发生干涉，形成干涉条纹，完成干涉条纹的记录。

需要注意的是，在本实施例中，如果信号光6为一来自单一角度的平行光，那么则可在透镜阵列8之前设置一透镜，用于聚焦该平行光，使其形成球面波。该透镜可位于透镜1与透镜阵列8之间。

从上述描述可知，本申请提供的全息光学元件记录系统能够完成全息光学元件3记录。

参见图1、图2及图3，本申请所提供的全息光学元件记录系统还包括：一位于透镜1前的透镜，用于将信号光6准直为平行光，平行光经过透镜1后聚焦至全息光学元件3。

参见图4，本申请提供一种近眼显示系统，包括：T-OLED显示屏10及经过图1至图3的全息光学元件记录系统记录的带有干涉条纹的全息光学元件3，全息光学元件3贴合在T-OLED显示屏10上。

可以理解的是，T-OLED显示屏10为穿透式有机发光显示器。在人使用本申请提供的近眼显示系统时，已经完成记录的带有干涉条纹的全息光学元件3反射由T-OLED显示屏10所发出的虚拟影像光12，将虚拟影像光12反射后透过T-OLED显示屏聚焦至人眼；所谓虚拟影像光12是指T-OLED显示屏10所显示的虚拟影像。

同时，全息光学元件3透过来自现实世界的环境光11，使环境光11射入T-OLED显示屏10。T-OLED显示屏10因其具有透光特性，能够使环境光11透过其自身后射入人眼，使人眼看到现实影像，也就是现实世界，最终实现增强现实的效果。

需要注意的是，T-OLED显示屏10只向单向透光，也就是说，如果定义T-OLED显示屏10的背面朝向人眼，正面朝向现实世界，那么T-OLED显示屏10只向前发射虚拟影像光12，即将光射向全息光学元件3，而不向背面发光。这样，人眼在不经全息光学元件3反射的情况下，无法直接接收T-OLED显示屏10所发出的虚拟影像光12。

从上述描述可知，本申请提供的近眼显示系统能够增强现实，令使用者同时看到真实影像及虚拟影像，而无需使用波导片及耦合结构。

以上图1、图2及图3中所示的光线的方向并不限于图中的描绘。

参见图5，本申请提供一种全息光学元件记录方法，应用于本申请所提供的全息光学元件记录系统，包括：

透镜1将信号光6聚焦至贴合在玻璃基底2上的全息光学元件3上；

透镜5将参考光7准直后入射到扩散器4上；

扩散器4将准直后的参考光7扩散后入射到全息光学元件3上，以使全息光学元件3上的信号光6及参考光7发射干涉，形成干涉条纹。

可以理解的是，利用该方法实现全息光学元件3记录的具体过程可以参见本说明书在全息光学元件记录系统中的阐述。需要说明的是，在利用全息光学元件记录方法对全息光学元件3进行记录后，T-OLED显示屏10中光源发出的虚拟影像光12入射到全息光学元件3上，会被全息光学元件3上的干涉条纹衍射，衍射光的方向与本申请所提供的全息光学元件记录方法中信号光6的传播方向一致。因此，T-OLED显示屏10发出的虚拟影像光12入射到全息光学元件3上后，会反射出聚焦光。当人眼瞳孔13落在聚焦光的焦点位置时，聚焦光通过瞳孔13入射到视网膜上，使得人眼看到T-OLED显示屏10中的虚拟影像；而现实世界中的环境光11则会透过全息光学元件3及T-OLED显示屏10直接进入人眼；此时人眼观看到的影像即为虚拟影像与现实影像的叠加，实现增强现实的目的。

需要说明的是，全息光学元件3为一反射式全息光学元件，全息光学元件3及T-OLED显示屏10在对人眼显示的图像时，不会对环境光11进行调制，即现实世界的光会直接透过全息光学元件进入人眼。而T-OLED显示屏10发出的虚拟影像光12被全息光学元件3反射后，透过T-OLED显示屏10成像于人眼视网膜上，或经过全息光学元件3反射后，透过T-OLED显示屏10成一虚像，虚像位于有限远的位置。

从上述描述可知，本申请提供的全息光学元件记录方法能够完成全息光学元件记录。

参见图6，优选地，信号光6由多个角度的信号光6组成，透镜1将信号光6聚焦至贴合在玻璃基底2上的全息光学元件3上，本申请提供的全息光学元件记录方法，包括：

透镜1将多个角度的信号光6分别聚焦至贴合在玻璃基底2上的全息光学元件3。

可以理解的是，利用该方法实现全息光学元件3记录的具体过程可以参见本说明书在全息光学元件记录系统中的阐述。需要说明的是，在本实施例中，T-OLED显示屏10发出的虚拟影像光12入射到全息光学元件3上后，同样会反射出聚焦光，但与此前的实施例所不同的是，聚焦光的焦点有多个。当人眼的瞳孔13移动到某个焦点位置时，例如图6中所示出的三个位置之一，T-OLED显示屏10所显示虚拟影像都会成像到视网膜上；同时，来自现实世界的环境光11则会透过全息光学元件3及T-OLED显示屏10直接进入人眼。由此，人眼在多个位置都可以同时看到虚拟图像以及现实世界，相当于增大了眼动范围。

从上述描述可知，本申请提供的全息光学元件记录方法能够完成全息光学元件3记录。

参见图7，在本申请所提供的全息光学元件记录方法中，透镜1为由多个透镜组成的透镜阵列8，透镜1将信号光6聚焦至贴合在所述玻璃基底2上的全息光学元件3上包括：

透镜阵列8的每个透镜将信号光6的光束分为多个细光束15，将信号光6通过多个角度入射到全息光学元件3上。

可以理解的是，利用该方法实现全息光学元件3记录的具体过程可以参见本说明书在全息光学元件记录系统中的阐述。需要说明的是，在本实施例中，T-OLED显示屏10发出的虚拟影像光12入射到全息光学元件3上时，会被全息光学元件3反射并形成多个角度的平行光。这多个角度的平行光会有互相交叉的重叠区域，这些互相交叉的重叠区域就是眼动范围。当人眼的瞳孔13处于这个范围内时，就会看到完整的虚拟影像；而现实世界的环境光11，则会透过全息光学元件3及T-OLED显示屏10直接进入人眼，完成增强现实。

需要说明的是，为了形成较大的眼动范围，可以将T-OLED显示屏10划分为相邻且大小近似相等的区域。所划分的区域的大小可视眼动范围的大小及成像质量的要求而定。同一T-OLED显示屏10区域中的像素点所发出的虚拟影像光12是同一方向的平行光，不同T-OLED显示屏10区域中的像素点所发出的虚拟影像光12是不同方向的平行光。所划分的区域的数量可以与透镜阵列8中透镜的数量相对应。

实际中，考虑到从T-OLED显示屏10各像素点所发出的虚拟影像光12在入射到全息光学元件3时会存在入射角度的差异，因此同一T-OLED显示屏10区域中的像素点经过透镜阵列8后不是单一角度的平行光，而是一定角度变化范围内的平行光。当T-OLED显示屏10区域的大小被合理设置时，在一定眼动范围内，人眼可以观察到连续均匀的虚拟影像。

从上述描述可知，本申请提供的全息光学元件记录方法能够完成全息光学元件3记录。

参见图5、图6及图7，本申请提供一种全息光学元件记录方法，还包括：设置在透镜1前的第三透镜将信号光6准直为平行光后入射到透镜1上。

参见图5、图6及图7，本申请提供一种近眼显示方法，应用于本申请提供的近眼显示系统，包括：

T-OLED显示屏10发出的虚拟影像光12进入带有干涉条纹的全息光学元件3；

全息光学元件3将虚拟影像光12反射后透过T-OLED显示屏10聚焦至人眼；

全息光学元件3及T-OLED显示屏10依次透射环境光11，使环境光11射入人眼。

从上述描述可知，本申请提供的近眼显示方法能够增强现实，令使用者同时看到真实影像及虚拟影像，而无需使用波导片及耦合结构。

综合上述，本申请所提供的全息光学元件记录系统、近眼显示系统、全息光学元件记录方法及近眼显示方法，能够在不使用光波导技术及耦合结构的情况下，利用穿透式有机发光显示器及全息光学元件3制成近眼显示系统，实现近眼显示，具有视场角大及体积小等优点。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实现方法的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种全息光学元件记录系统，其特征在于，包括：依次设置的第一透镜、玻璃基底、全息光学元件、扩散器及第二透镜；

信号光经过所述第一透镜后聚焦至贴合在所述玻璃基底上的全息光学元件；参考光经过所述第二透镜得到平行参考光，所述平行光经过所述扩散器入射到所述全息光学元件上。

2.根据权利要求1所述的全息光学元件记录系统，其特征在于，所述信号光由多个角度的信号光组成，多个角度的信号光分别经过所述第一透镜后聚焦至所述全息光学元件。

3.根据权利要求1所述的全息光学元件记录系统，其特征在于，所述第一透镜为由多个透镜组成的透镜阵列，所述透镜阵列的每个透镜将所述信号光的光束分为多个细光束，以将信号光通过多个角度入射到所述全息光学元件上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的全息光学元件记录系统，其特征在于，还包括：第三透镜，用于将所述信号光准直为平行信号光，所述平行信号光经过所述第一透镜后聚焦至所述全息光学元件。

5.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：T-OLED显示屏及经过权利要求1所述的全息光学元件记录系统记录的带有干涉条纹的全息光学元件，所述全息光学元件贴合在所述T-OLED显示屏上。

6.一种全息光学元件记录方法，应用于权利要求1所述的全息光学元件记录系统，其特征在于，包括：

第一透镜将信号光聚焦至贴合在玻璃基底上的全息光学元件上；

第二透镜将参考光准直后入射到扩散器上；

扩散器将准直后的参考光扩散后入射到全息光学元件上，以使全息光学元件上的信号光及参考光发射干涉，形成干涉条纹。

7.根据权利要求6所述的全息光学元件记录方法，其特征在于，所述信号光由多个角度的信号光组成，所述第一透镜将信号光聚焦至贴合在所述玻璃基底上的全息光学元件上包括：

所述第一透镜将多个角度的信号光分别聚焦至贴合在所述玻璃基底上的所述全息光学元件。

8.根据权利要求6所述的全息光学元件记录方法，其特征在于，所述第一透镜为由多个透镜组成的透镜阵列，所述第一透镜将信号光聚焦至贴合在所述玻璃基底上的全息光学元件上包括：

所述透镜阵列的每个透镜将所述信号光的光束分为多个细光束，将信号光通过多个角度入射到所述全息光学元件上。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的全息光学元件记录方法，其特征在于，还包括：设置在所述第一透镜前的第三透镜将所述信号光准直为平行信号光后入射到所述第一透镜上。

10.一种近眼显示方法，应用于权利要求5所述的近眼显示系统，其特征在于，包括：

所述T-OLED显示屏发出的虚拟影像光进入带有干涉条纹的全息光学元件；

所述全息光学元件将所述虚拟影像光反射后透过T-OLED显示屏聚焦至人眼；

所述全息光学元件及所述T-OLED显示屏依次透射环境光，使所述环境光射入所述人眼。

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