CN112649961A - 基于空间光调制器的全息ar显示系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于空间光调制器的全息AR显示系统及方法，包括：控制模块(101)、RGB点光源模块(102)、第一分光镜(103)、RGB滤光片(105)、空间光调制器SLM(104)、第一透镜组(106)、光阑(107)、第二透镜组(108)以及第二分光镜(109)；本专利通过全息算法将彩色三维图像的强度信息和深度信息计算到普通的二维RGB全息图中，并加载到液晶空间光调制器上，利用空间光调制器的相位调制能力，能够投射出具备真实景深信息的彩色三维图像，该方法能够有效消除人眼的视觉疲劳。
Description
技术领域
本发明涉及AR显示技术领域，具体地，涉及一种基于空间光调制器的全息AR显示系统及方法。
背景技术
目前，近眼AR显示技术主要采用OLED和LCos等屏幕，所提供的像源为二维图像，三维图像显示效果需通过双目视差技术来实现，不可避免的造成双目辐辏调节与视觉屈光调节不匹配，从而产生视觉疲劳。
全息三维显示技术作为一种真三维显示技术，能够完整地记录和重建三维物体的光场，提供人眼视觉系统所需的全部信息。
专利文献CN201922043259.5公开了一种AR显示装置，包括波导镜片和用于减少反射光经多次折返进入光波导镜片的增透膜，波导镜片包括波导，以及设置在波导同一侧表面的耦入区域和耦出区域，增透膜紧贴在波导上远离耦入区域一侧的表面，且至少遮挡耦入区域，图像光线经增透膜进入波导镜片后全反射输出至人眼。本专利还公开了AR显示系统，包括图像处理装置、投影装置和上述AR显示装置，图像处理装置输出图像光线至投影装置，图像光线经投影装置调节后，入射至AR显示装置，再经AR显示装置全反射输出至人眼。通过增透膜紧贴在波导上远离耦入区域一侧的表面，且至少遮挡耦入区域，减少反射光经多次折返进入波导镜片，从而避免了反射光线带来的视觉问题，极大改善了观看体验。该专利在结构和技术性能上仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于空间光调制器的全息AR显示系统及方法。
根据本发明提供的一种基于空间光调制器的全息AR显示系统，包括：控制模块101、RGB点光源模块102、第一分光镜103、RGB滤光片105、空间光调制器SLM 104、透镜组106、光阑107、第二透镜组108以及第二分光镜109；所述控制模块101将需要显示的彩色三维图像信息经全息算法计算成二维RGB全息图，输出加载到空间光调制器104上进行显示，并同步控制RGB点光源模块102发光；所述RGB点光源模块102出射的发散光由第一分光镜103反射后向上传播，经透镜组106准直为平行光，并通过RGB滤光片转换为RGB光束后，入射到空间光调制器104上，经空间光调制器104调制后，反射衍射出的三维成像光束经过由透镜组106、光阑107和第二透镜组108构成的视场角放大系统后，经第二分光镜109反射进入人眼，使人眼观察到虚拟的彩色三维图像信息。同时外部环境的光束可透过第二分光镜109进入人眼。
优选地，所述RGB点光源模块102由RGB三个点光源构成。
优选地，所述RGB点光源模块102包括：红光R点光源201、第一偏振片202、绿光G点光源203、第二偏振片204、蓝光B点光源205、第三偏振片206以及三色合光棱镜207；
所述红光R点光源201、绿光G点光源203、蓝光B点光源205共光轴；
所述红光R点光源201、绿光G点光源203、蓝光B点光源205经三色合光棱镜后重合到同一光路上，然后产生的出射光束为发散球面光，经第一分光镜103反射后，被透镜组105准直为平行光，入射到空间光调制器104上。
优选地，所述红光R点光源201、绿光G点光源203、蓝光B点光源205采用具有相干性的激光光源。
优选地，所述红光R点光源201、绿光G点光源203、蓝光B点光源205采用同时点亮发光；
优选地，所述第一偏振片202能够控制红光R点光源201出射光束的偏振态；
所述第二偏振片204能够控制绿光G点光源203出射光束的偏振态；
所述第三偏振片206能够控制蓝光B点光源205出射光束的偏振态；
以保证空间光调制器104的工作状态。
优选地，所述三色合光棱镜207包括：第一面301、第二面302、第三面303、第四面304、第五面305、第六面306；
所述第一面301、第二面302、第三面303、第四面304上镀增透膜；
所述第五面305上镀二向色膜，反射红光透过蓝光和绿光；
所述第六面306上镀二向色膜，反射蓝光透过红光和绿光。
优选地，所述RGB点光源模块102包括：白光点光源401、第四偏振片402。
所述RGB点光源模块102也可以采用白光光源，如图4所示，由白光点光源401和偏振片402构成。
优选地，所述控制模块101包括：主控制单元、控制程序界面单元、外部通信接口、全息图计算单元、存储单元、SLM驱动单元以及光源驱动单元；
所述主控制单元与存储单元、控制程序界面单元、全息图计算单元、外部通信接口、SLM驱动单元分别相连。
优选地，所述RGB滤光片105采用RGB颜色滤光片，贴近空间光调制器104放置，透光区域的大小与空间光调制器104的显示区域大小一致。与RGB全息图相对应，RGB滤光片也分为左、中、右大小相同的三个区域，如图7所示，左边区域为可透过红光的红色滤光区域FR，中间区域为可透过绿光的绿色滤光区域FG，右边区域为可透过蓝光的蓝色滤光区域FB。RGB滤光片105用来确保R、G、B光源照射到对应分量的R、G、B全息图上。
所述RGB滤光片105采用液晶可调谐RGB滤光片，贴近空间光调制器104放置，透光区域的大小与空间光调制器104的显示区域大小一致。可以将液晶可调谐RGB滤光片分割成M*NM、N为1或者3的整数倍个区域，如图8所示，将各区域调节为分别可透过红光、绿光和蓝光的对应滤光区域FR、FG和FB。同时，相应的也需要将RGB全息图分割成M*NM、N为1或者3的整数倍个区域，在各区域填入对应的分量全息图的HR、HG和HB。
所述液晶可调谐RGB滤光片可以时序刷新R、G、B滤光区域的位置，通过同步刷新对应的RGB全息图，可以提高彩色三维图像的质量。需要在控制模块中增加液晶可调谐RGB滤光片驱动单元和同步控制单元，如图9所示，同步控制单元用来同步控制液晶可调谐RGB滤光片和RGB全息图的同步时序刷新。图10所示为M*N＝3*1时的同步时序刷新方式，液晶可调谐RGB滤光片上的R、G、B透光区域FR、FG和FB从左至右时序变换，RGB全息图上的R、G、B分量全息图的HR、HG和HB相应的变换位置，从而可得到质量较好的彩色三维图像。
所述空间光调制器104采用反射式空间光调制器；
所述视场角放大系统主要用来进行成像视场放大，如图11所示，由透镜组106、光阑107和第二透镜组108组成。
所述透镜组106的焦距f1大于第二透镜组108的焦距f2，透镜组106和第二透镜组108之间的距离为f1+f2，视场角的放大倍数为f1/f2；
所述视场角放大系统中，为扩大显示系统的出瞳距离S2，空间光调制器104和透镜组106之间的距离S1小于透镜组106的焦距f1，出瞳距离S2能够表示为S2＝f2+f2·(f2/f1)-(f2/f1)2·S1，S1越小，出瞳距离S2越大；
所述光阑107位于透镜组106的傅里叶变换面上，通过设计相应的孔径光阑，可以滤除多级衍射像以及零级像对成像的干扰。
所述透镜组106是成像放大系统的前镜组，同时具备将发散光准直为平行光的作用。根据本发明提供的一种基于空间光调制器的全息AR显示方法，采用基于空间光调制器的全息AR显示系统，进行基于空间光调制器的全息AR显示。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出一种基于空间光调制器的全息近眼AR显示方法和系统，通过全息算法将彩色三维图像的强度信息和深度信息计算到普通的二维RGB全息图中，并加载到液晶空间光调制器上，利用空间光调制器的相位调制能力；
2、本发明能够投射出具备真实景深信息的彩色三维图像，能够有效消除人眼的视觉疲劳；
3、本发明结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于空间光调制器的全息AR显示系统的示意图。
图2为本发明实施例中的RGB点光源模块由RGB三个点光源构成示意图。
图3为本发明实施例中的三色合光棱镜示意图。
图4为本发明实施例中的RGB点光源模块采用白光光源示意图。
图5为本发明实施例中的控制模块主要完成图像信息的全息图计算、加载以及空间光调制和光源的同步控制工作示意图。
图6为本发明实施例中的对R、G、B分量全息图进行分割重排生成RGB全息图示意图。
图7为本发明实施例中的RGB滤光片分为左、中、右大小相同的三个区域示意图。
图8为本发明实施例中的将液晶可调谐RGB滤光片分割成M*N(M、N为1或者3的整数倍个区域示意图。
图9为本发明实施例中的在控制模块中增加液晶可调谐RGB滤光片驱动单元和同步控制单元示意图。
图10为本发明实施例中的M*N＝3*1时的同步时序刷新方式示意图。
图11为本发明实施例中视场角放大系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于空间光调制器的全息AR显示系统包括控制模块101、RGB点光源模块102、第一分光镜103、RGB滤光片105、空间光调制器SLM 104、透镜组106、光阑107、第二透镜组108、第二分光镜109。首先控制模块101将需要显示的彩色三维图像信息经全息算法计算成二维RGB全息图，输出加载到空间光调制器104上进行显示，并同步控制RGB点光源模块102发光。RGB点光源模块102出射的发散光由第一分光镜103反射后向上传播，经透镜组106准直为平行光，并通过RGB滤光片转换为RGB光束后，入射到空间光调制器104上。经空间光调制器104调制后，反射衍射出的三维成像光束经过由透镜组106、光阑107和第二透镜组108构成的视场角放大系统后，经第二分光镜109反射进入人眼，使人眼观察到虚拟的彩色三维图像信息。同时外部环境的光束可透过第二分光镜109进入人眼。
所述RGB点光源模块102可以由RGB三个点光源构成，如图2所示，包括红光R点光源201、偏振片202、绿光G点光源203、偏振片204、蓝光B点光源205、偏振片206、三色合光棱镜207。
所述红光R点光源201、203、205共光轴，经三色合光棱镜后重合到同一光路上，出射光束为发散球面光，经第一分光镜103反射后，被透镜组105准直为平行光，入射到空间光调制器104上。
所述红光R点光源201、203、205为具有相干性的激光光源也可以是具有一定相干性的LED光源。
所述红光R点光源201、203、205是同时点亮发光的。
所述三个偏振片202、204、206分别用来控制红光R点光源201、203、205出射光束的偏振态以保证空间光调制器104的工作状态。
所述三色合光棱镜207具体如图3所示，面301、302、303、304上镀增透膜；面305上镀二向色膜，反射红光透过蓝光和绿光；面306上镀二向色膜，反射蓝光透过红光和绿光。
所述RGB点光源模块102也可以采用白光光源，如图4所示，由白光点光源401和偏振片402构成。
所述控制模块101主要完成图像信息的全息图计算、加载以及空间光调制和光源的同步控制工作。如图5所示，控制模块主要包括主控制单元、控制程序界面、外部通信接口、全息图计算单元、存储单元、SLM驱动单元和光源驱动单元。主控制单元完成整个系统的控制工作；控制程序界面主要提供人机接口界面；外部通信接口主要包括视频、数据等有线接口，或无线、蓝牙、红外等无线接口接收外部数据；全息图计算单元将对应的彩色三维图像信息或者数据通过全息图算法生成RGB全息图，并通过主控制单元输出到空间光调制器驱动单元上，从而驱动空间光调制对入射到其上的光束进行调制从而输出对应的RGB三维图像信息；主控制单元还可以通过内部或者外部的存储单元事先存储的全息图输出显示到空间光调制器上。
所述RGB全息图的计算方法为：首先将待显示的彩色三维图像分解为R、G、B三个分量的物信息，用菲涅耳层析衍射计算方法将三个分量的物信息分别计算，生成对应的R、G、B分量全息图；然后对R、G、B分量全息图进行分割重排生成RGB全息图，如图6所示，将RGB全息图分成左、中、右大小相同的三个区域，左边区域取R分量全息图的HR的对应区域全息图填入，中间区域取G分量全息图的HG的对应区域全息图填入，右边区域取B分量全息图的HB的对应区域全息图填入，从而得到所需的RGB全息图。
所述RGB滤光片105可以为RGB颜色滤光片，贴近空间光调制器104放置，透光区域的大小与空间光调制器104的显示区域大小一致。与RGB全息图相对应，RGB滤光片也分为左、中、右大小相同的三个区域，如图7所示，左边区域为可透过红光的红色滤光区域FR，中间区域为可透过绿光的绿色滤光区域FG，右边区域为可透过蓝光的蓝色滤光区域FB。RGB滤光片105用来确保R、G、B光源照射到对应分量的R、G、B全息图上。
所述RGB滤光片105也可以为液晶可调谐RGB滤光片，同样贴近空间光调制器104放置，透光区域的大小与空间光调制器104的显示区域大小一致。可以将液晶可调谐RGB滤光片分割成M*NM、N为1或者3的整数倍个区域，如图8所示，将各区域调节为分别可透过红光、绿光和蓝光的对应滤光区域FR、FG和FB。同时，相应的也需要将RGB全息图分割成M*NM、N为1或者3的整数倍个区域，在各区域填入对应的分量全息图的HR、HG和HB。
所述液晶可调谐RGB滤光片可以时序刷新R、G、B滤光区域的位置，通过同步刷新对应的RGB全息图，可以提高彩色三维图像的质量。需要在控制模块中增加液晶可调谐RGB滤光片驱动单元和同步控制单元，如图9所示，同步控制单元用来同步控制液晶可调谐RGB滤光片和RGB全息图的同步时序刷新。图10所示为M*N＝3*1时的同步时序刷新方式，液晶可调谐RGB滤光片上的R、G、B透光区域FR、FG和FB从左至右时序变换，RGB全息图上的R、G、B分量全息图的HR、HG和HB相应的变换位置，从而可得到质量较好的彩色三维图像。
所述空间光调制器104为反射式空间光调制器。
所述视场角放大系统主要用来进行成像视场放大，如图11所示，由透镜组106、光阑107和第二透镜组108组成。
所述透镜组106的焦距f1大于第二透镜组108的焦距f2，透镜组106和第二透镜组108之间的距离为f1+f2，视场角的放大倍数为f1/f2。
所述视场角放大系统中，为了扩大显示系统的出瞳距离S2，空间光调制器104和透镜组106之间的距离S1小于透镜组106的焦距f1，出瞳距离S2可表示为S2＝f2+f2·(f2/f1)-(f2/f1)2·S1，S1越小，出瞳距离S2越大。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于空间光调制器的全息AR显示系统，其特征在于，包括：控制模块(101)、RGB点光源模块(102)、第一分光镜(103)、RGB滤光片(105)、空间光调制器(104)、第一透镜组(106)、光阑(107)、第二透镜组(108)以及第二分光镜(109)；
所述控制模块(101)将需要显示的彩色三维图像信息计算成二维RGB全息图，输出加载到空间光调制器(104)上进行显示，并同步控制RGB点光源模块(102)发光；
所述RGB点光源模块(102)出射的发散光由第一分光镜(103)反射后向上传播，经第一透镜组(106)准直为平行光，并通过RGB滤光片转换为RGB光束后，入射到空间光调制器(104)上，经空间光调制器(104)调制后，反射衍射出的三维成像光束经过由第一透镜组(106)、光阑(107)和第二透镜组(108)构成的视场角放大系统后，经第二分光镜(109)反射进入人眼。
2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的全息AR显示系统，其特征在于，所述RGB点光源模块(102)由RGB三个点光源构成。
3.根据权利要求2所述的基于空间光调制器的全息AR显示系统，其特征在于，所述RGB点光源模块(102)包括：红光R点光源(201)、第一偏振片(202)、绿光G点光源(203)、第二偏振片(204)、蓝光B点光源(205)、第三偏振片(206)以及三色合光棱镜(207)；
所述红光R点光源(201)、绿光G点光源(203)、蓝光B点光源(205)共光轴；
所述红光R点光源(201)、绿光G点光源(203)、蓝光B点光源(205)经三色合光棱镜后重合到同一光路上，然后产生的出射光束为发散球面光，经第一分光镜(103)反射后，被第一透镜组(106)、第二透镜组(108)准直为平行光，入射到空间光调制器(104)上。
4.根据权利要求3所述的基于空间光调制器的全息AR显示系统，其特征在于，所述红光R点光源(201)、绿光G点光源(203)、蓝光B点光源(205)采用具有相干性的光源。
5.根据权利要求3所述的基于空间光调制器的全息AR显示系统，其特征在于，所述红光R点光源(201)、绿光G点光源(203)、蓝光B点光源(205)采用同时点亮发光。
6.根据权利要求3所述的基于空间光调制器的全息AR显示系统，其特征在于，所述第一偏振片(202)能够控制红光R点光源(201)出射光束的偏振态；
所述第二偏振片(204)能够控制绿光G点光源(203)出射光束的偏振态；
所述第三偏振片(206)能够控制蓝光B点光源(205)出射光束的偏振态。
7.根据权利要求3所述的基于空间光调制器的全息AR显示系统，其特征在于，所述三色合光棱镜(207)包括：第一面(301)、第二面(302)、第三面(303)、第四面(304)、第五面(305)、第六面(306)；
所述第一面(301)、第二面(302)、第三面(303)、第四面(304)上镀增透膜；
所述第五面(305)上镀二向色膜，反射红光透过蓝光和绿光；
所述第六面(306)上镀二向色膜，反射蓝光透过红光和绿光。
8.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的全息AR显示系统，其特征在于，所述RGB点光源模块(102)包括：白光点光源(401)、第四偏振片(402)。
9.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的全息AR显示系统，其特征在于，所述控制模块(101)包括：主控制单元、控制程序界面单元、外部通信接口、全息图计算单元、存储单元、SLM驱动单元以及光源驱动单元；
所述主控制单元与存储单元、控制程序界面单元、全息图计算单元、外部通信接口、SLM驱动单元分别相连；
所述RGB滤光片(105)采用RGB颜色滤光片，贴近空间光调制器(104)放置；
所述RGB滤光片(105)采用液晶调谐RGB滤光片，贴近空间光调制器(104)放置；
所述空间光调制器(104)采用反射式空间光调制器；
所述视场角放大系统主要用来进行成像视场放大；
所述第一透镜组(106)的焦距f1大于第二透镜组(108)的焦距f2，第一透镜组(106)和第二透镜组(108)之间的距离为f1+f2，视场角的放大倍数为f1/f2；
所述视场角放大系统中，为扩大显示系统的出瞳距离S2，空间光调制器(104)和第一透镜组(106)之间的距离S1小于第一透镜组(106)的焦距f1，出瞳距离S2能够表示为S2＝f2+f2·(f2/f1)-(f2/f1)2·S1，S1越小，出瞳距离S2越大；
所述光阑(107)位于第一透镜组(106)的傅里叶变换面上；
所述第一透镜组(106)是成像放大系统的前镜组。
10.一种基于空间光调制器的全息AR显示方法，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述的基于空间光调制器的全息AR显示系统，进行基于空间光调制器的全息AR显示。
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