CN112711141B - 三维动态显示的全息光波导装置和增强现实显示设备 - Google Patents

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CN112711141B CN202110198095.2A CN202110198095A CN112711141B CN 112711141 B CN112711141 B CN 112711141B CN 202110198095 A CN202110198095 A CN 202110198095A CN 112711141 B CN112711141 B CN 112711141B
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Abstract

本公开是关于一种三维动态显示的全息光波导装置和增强现实显示设备，全息光波导装置，包括：光机系统，包括激光照明系统和微显示器，微显示器用来加载通过对三维场景进行波前编码后获得的三维计算全息图，根据三维计算全息图调制由激光照明系统照射至微显示器的光波，被调制后的携带有三维场景波前信息分布的光波进入透镜系统；透镜系统，将携带有三维场景波前信息分布的光波进行滤波处理后射入耦入复用体全息光栅；耦入复用体全息光栅，将携带有三维场景波前信息分布的光波耦入波导板；波导板，将携带有三维场景波前信息分布的光波通过全反射方式传输至耦出复用体全息光栅；耦出复用体全息光栅，将携带有三维场景波前信息分布的光波耦出至人眼。

Description

三维动态显示的全息光波导装置和增强现实显示设备
本发明要求中国专利申请CN202010418635.9的优先权，该优先权文件的说明书、说明书附图和权利要求书所记载的内容全文引入本发明的说明书并被作为本发明说明书原始记载的一部分。申请人进一步声明，申请人拥有基于该优先权文件修改本发明的说明书和权利要求书的权利。
技术领域
本公开涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种三维动态显示的全息光波导装置和增强现实显示设备。
背景技术
近眼显示是观察者在观看外界真实物体的同时，叠加在真实环境中的图像或者数据等信息也可被观看，其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。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，但是全息光栅无法用于处理任意形状相位分布的衍射光线，所以无法对真实三维物体进行快速实时动态显示，大大限制了其应用的范围。
计算全息术是通过计算机图形学产生所需要的物体模型，并对其波阵面进行抽样后，将得到的离散分布的物光波场表达式输入计算机中通过一定的编码方式后形成数字全息图。然后将该计算全息图加载到SLM等液晶屏上，当有一束参考光照射时，即可在一定距离的显示屏上再现出清晰的该物体模型的再现像。但是，目前的计算全息术主要用于直接通过液晶屏显示，并未应用到增强现实技术领域。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种三维动态显示的全息光波导装置和增强现实显示设备，用以实现对任意三维物体模型的实时动态显示过程。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种三维动态显示的全息光波导装置，包括：光机系统、透镜系统、耦入复用体全息光栅、波导板和耦出复用体全息光栅；
所述光机系统，包括激光照明系统和微显示器，所述微显示器用来加载通过对三维场景进行波前编码后获得的三维计算全息图，根据所述三维计算全息图调制由所述激光照明系统照射至所述微显示器的光波，被调制后的携带有三维场景波前信息分布的光波进入所述透镜系统；
所述透镜系统，用于将经由所述微显示器加载的三维计算全息图调制后的携带有三维场景波前信息分布的光波进行滤波处理后射入所述耦入复用体全息光栅；
所述耦入复用体全息光栅，用于将携带有三维场景波前信息分布的光波耦入所述波导板；
所述波导板，用于将所述携带有三维场景波前信息分布的光波通过全反射的方式传输至所述耦出复用体全息光栅；
所述耦出复用体全息光栅，用于将所述携带有三维场景波前信息分布的光波耦出至人眼。
在一个实施例中，微显示器包括反射式硅基液晶显示器。
在一个实施例中，优选地，所述耦入复用体全息光栅和所述耦出复用体全息光栅的周期相同且镜像对称。
在一个实施例中，优选地，所述激光照明系统包括：激光器、衰减片、半波片、光纤耦合器、单模保偏光纤、光纤准直器、电控旋转台、聚焦透镜和偏振分光棱镜；
所述激光器，用于出射偏振光；
所述衰减片和所述半波片，沿所述偏振光的传播方向依次设置，用于将所述激光器出射的偏振光处理成线偏振光并调节激光输入能量；
所述光纤耦合器，用于将所述线偏振光耦入所述单模保偏光纤；
所述单模保偏光纤，通过光纤准直器固定在所述电控旋转台上，并使光波出射端位于所述电控旋转台的旋转圆盘的中心延长线上，且所述光波出射端所处的平面是所述聚焦透镜的焦平面，以通过调整所述电控旋转台的旋转角度调整出射光波的角度；
所述偏振分光棱镜，用于将所述出射光波射入所述微显示器，并将所述微显示器出射的光波射入所述透镜系统。
在一个实施例中，优选地，所述微显示器按照预设时间间隔加载所述三维计算全息图，并根据所述三维计算全息图确定射入所述微显示器的光波的角度，以根据所述角度通过电控旋转台的伺服控制系统调整所述电控旋转台的旋转角度以及在所述旋转角度停留的时长，使所述微显示器射出的光波中携带有三维场景波前信息分布，且能实现动态显示。
在一个实施例中，优选地，所述透镜系统包括：第一透镜、光阑和第二透镜；
所述第一透镜，用于将所述微显示器射入的携带有三维场景波前信息分布的光波成像于第一平面；
所述光阑，设置在所述第一透镜的后焦平面处，所述光阑偏移成像中心，用于滤除掉除一级衍射光波之外的其他衍射级次的光波；
所述第二透镜，用于将过滤后的光波进行会聚后入射到所述耦入复用体全息光栅。
在一个实施例中，优选地，所述第二透镜与所述第一平面的距离满足以下条件：
f2＜z1＜2f2
其中，z1表示所述第二透镜与所述第一平面的距离，f2表示所述第二透镜的焦距。
在一个实施例中，优选地，所述耦入复用体全息光栅和耦出复用体全息光栅包括角度复用体全息光栅。
在一个实施例中，优选地，所述角度复用体全息光栅在记录干涉条纹时，保持物光和参考光的位置固定，通过转动记录材料得到不同的角度通道，并在每个角度通道复用记录干涉条纹，其中，所述记录材料的初始位置是使体全息光栅的光轴位于所述物光和所述参考光的角平分线上。
在一个实施例中，优选地，所述记录材料的转动角度满足以下条件：
Figure BDA0002946762930000041
其中，θ0表示所述记录材料的转动角度，n表示需要复用记录的光栅总数，Δθmin表示最小复用角度间距；
所述最小复用角度间距满足以下条件：
Figure BDA0002946762930000042
Δθmin表示最小复用角度间距，Δθb表示布拉格角，L为所述记录材料的厚度，入为记录光的波长，θ为记录时物光和参考光与光轴之间的夹角。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任一项所述的三维动态显示的全息光波导装置。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例中，利用全息波导有效缩短纵向长度且扩展出瞳的特性，与反射式硅基液晶显示器LCOS计算全息装置简单，光波场可以任意控制的优点相结合，实现了对任意三维物体模型的实时动态显示过程。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种三维动态显示的全息光波导装置的结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种三维动态显示的全息光波导装置中光机系统和透镜系统的结构示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种三维动态显示的全息光波导装置中透镜系统的成像原理示意图。
图4和图5是根据一示例性实施例示出的基于角度复用技术的体全息光栅制备方法示意图。
图6是根据一示例性实施例示出的体全息光栅的动态显示示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种三维动态显示的全息光波导装置的结构示意图，如图1所示，全息光波导装置，包括：光机系统11、透镜系统12、耦入复用体全息光栅13、波导板14和耦出复用体全息光栅15；
所述光机系统11，包括激光照明系统111和微显示器112，所述微显示器112用来加载通过对三维场景进行波前编码后获得的三维计算全息图，根据所述三维计算全息图调制由所述激光照明系统111照射至所述微显示器112的光波，被调制后的携带有三维场景波前信息分布的物光波进入所述透镜系统12；
所述透镜系统12，用于将经由所述微显示器112加载的三维计算全息图调制后的携带有三维场景波前信息分布的光波进行滤波处理后射入所述耦入复用体全息光栅13；
所述耦入复用体全息光栅13，用于将携带有三维场景波前信息分布的光波耦入所述波导板14；
所述波导板14，用于将所述携带有三维场景波前信息分布的光波通过全反射的方式传输至所述耦出复用体全息光栅15；
所述耦出复用体全息光栅15，用于将所述携带有三维场景波前信息分布的光波耦出至人眼。
在一个实施例中，微显示器112包括反射式硅基液晶显示器LCOS。
在一个实施例中，优选地，所述耦入复用体全息光栅和所述耦出复用体全息光栅的周期相同且镜像对称。
在该实施例中，利用全息波导有效缩短纵向长度且扩展出瞳的特性，与反射式硅基液晶显示器LCOS计算全息装置简单，光波场可以任意控制的优点相结合，实现了对任意三维物体模型的实时动态显示过程。
如图2所示，在一个实施例中，优选地，所述激光照明系统111包括：激光器21、衰减片22、半波片23、光纤耦合器24、单模保偏光纤25、光纤准直器26、电控旋转台27、聚焦透镜28和偏振分光棱镜29；
所述激光器21，用于出射偏振光；
所述衰减片22和所述半波片23，沿所述偏振光的传播方向依次设置，用于将所述激光器21出射的偏振光处理成线偏振光并调节激光输入能量；
所述光纤耦合器24，用于将所述线偏振光耦入所述单模保偏光纤25；
所述单模保偏光纤25，通过光纤准直器26固定在所述电控旋转台27上，并使光波出射端位于所述电控旋转台27的旋转圆盘的中心延长线上，且所述光波出射端所处的平面是所述聚焦透镜28的焦平面，以通过调整所述电控旋转台27的旋转角度调整出射光波的角度；
所述偏振分光棱镜29，用于将所述出射光波射入所述微显示器112，并将所述微显示器112出射的光波射入所述透镜系统12。
在该实施例中，激光器(laser)出射的偏振光首先经过圆形可调衰减片，以及半波片HWP后形成线偏振光，该线偏振光通过光纤耦合器(LFC)耦合入单模保偏光纤(OF)中，单模保偏光纤的另一端通过光纤准直器(FC)固定在一个电控旋转台(RS)上。将光纤出射端调整到电控旋转台上的圆盘(D)的中心延长线上，而光纤出射端所处平面也正好是聚焦透镜(FL)的焦平面。当光纤出射端在该平面内沿着圆盘直径在竖直/水平方向上做微移动时，入射的照明光即为倾斜的平面光波。入射照明光的极向角
Figure BDA0002946762930000071
的旋转角度可通过旋转装置圆盘上的标示刻度读出，而入射照明光的方位角γ则可由光纤出射端沿着圆盘直径在竖直/水平方向上微移动的距离除以透镜焦距后取反正切获得。倾斜的平面光波照射到偏振分光棱镜(PBS)上，其中激光P波部分透过偏振面，而激光S波部分被偏振面反射到LCOS面板上，LCOS根据加载的计算全息图调制入射光波，使其带有三维场景波前信息分布。
在一个实施例中，优选地，所述透镜系统12包括：第一透镜31、光阑32和第二透镜33；
所述第一透镜31，用于将所述微显示器射入的携带有三维场景波前信息分布的光波成像于第一平面；
所述光阑32，设置在所述第一透镜31的后焦平面处，所述光阑32偏移成像中心，用于滤除掉除一级衍射光波之外的其他衍射级次的光波；
所述第二透镜33，用于将过滤后的光波进行会聚后入射到所述耦入复用体全息光栅13。
在该实施例中，如图3所示，LCOS调制后的反射光波通过偏振面，经过第一透镜(Lens1)成像于第一平面(plane1)，在第一透镜(Lens1)的后焦平面处设置一光阑，光阑偏移成像中心，只让正一级衍射光波通过，把零级亮斑以及其它衍射级次的再现像滤除掉，然后经第二透镜(Lens2)会聚后，入射到基于角度复用技术制作的复用体全息光栅上。经入射端复用体全息光栅衍射后的加载有三维场景波前信息分布的物光耦合入平板光波导，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端体全息光栅区域，经过耦出端的体全息光栅衍射输出后进入人眼成像。耦出端的复用体全息光栅也为一个基于角度复用技术制作的复用体全息光栅，并与耦入端的复用体全息光栅周期相同，且镜像对称。
图3中第二透镜(Lens2)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 BDA0002946762930000081
其中，f2为第二透镜(Lens2)的焦距，z1为物距，z2为像距。于是在距离第二透镜(Lens2)后z2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(Lens2)的位置，可以在不同成像位置获得不同放大率的清晰再现像。为了得到放大的实像，设定f2＜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。
在一个实施例中，优选地，所述微显示器按照预设时间间隔加载所述三维计算全息图，并根据所述三维计算全息图确定射入所述微显示器的光波的角度，以根据所述角度通过电控旋转台的伺服控制系统调整所述电控旋转台的旋转角度以及在所述旋转角度停留的时长，使所述微显示器射出的光波中携带有三维场景波前信息分布，且能实现动态显示。
在该实施例中，当旋转圆盘(D)时，产生的不同倾斜角度的照明光照射到LCOS，控制LCOS加载每帧计算全息图时间间隔，于是人眼在不同角度通道处即可获得不同的三维场景波前重建结果。如果在波前重建时通过电控旋转台的伺服控制系统精确控制旋转台的旋转角度，并在每个旋转角度位置都作短暂停留，由于人眼的视觉暂留效应，即可得到动态的波前重建全息显示效果。
在一个实施例中，优选地，所述耦入复用体全息光栅和耦出复用体全息光栅包括角度复用体全息光栅。
在一个实施例中，优选地，如图4所示，所述角度复用体全息光栅在记录干涉条纹时，保持物光和参考光的位置固定，如图5所示，通过转动记录材料得到不同的角度通道，并在每个角度通道复用记录干涉条纹，其中，所述记录材料的初始位置是使体全息光栅的光轴位于所述物光和所述参考光的角平分线上。
在一个实施例中，优选地，所述记录材料的转动角度满足以下条件：
Figure BDA0002946762930000091
其中，θ0表示所述记录材料的转动角度，n表示需要复用记录的光栅总数，Δθmin表示最小复用角度间距；
所述最小复用角度间距满足以下条件：
Figure BDA0002946762930000092
Δθmin表示最小复用角度间距，Δθb表示布拉格角，L为所述记录材料的厚度，入为记录光的波长，θ为记录时物光和参考光与光轴之间的夹角。
于是，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Δθ_min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。记录完成后，当有不同角度的且加载有三维场景波前信息分布的物光波照射到该复用体全息光栅时，则会在不同角度通道处获得不同的三维场景波前重建结果，如图6中所示。精确控制LCOS加载每帧计算全息图时间间隔以及电控旋转台的旋转角度，并在每个旋转角度位置都作短暂停留，由于人眼的视觉暂留效应，即可得到动态的波前重建全息显示效果。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任一项所述的三维动态显示的全息光波导装置。
进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种三维动态显示的全息光波导装置，其特征在于，包括：光机系统、透镜系统、耦入复用体全息光栅、波导板和耦出复用体全息光栅；
所述光机系统，包括激光照明系统和微显示器，所述微显示器用来加载通过对三维场景进行波前编码后获得的三维计算全息图，根据所述三维计算全息图调制由所述激光照明系统照射至所述微显示器的光波，被调制后的携带有三维场景波前信息分布的光波进入所述透镜系统；
所述透镜系统，用于将经由所述微显示器加载的三维计算全息图调制后的携带有三维场景波前信息分布的光波进行滤波处理后射入所述耦入复用体全息光栅；
所述耦入复用体全息光栅，用于将所述携带有三维场景波前信息分布的光波耦入所述波导板；
所述波导板，用于将所述携带有三维场景波前信息分布的光波通过全反射的方式传输至所述耦出复用体全息光栅；
所述耦出复用体全息光栅，用于将所述携带有三维场景波前信息分布的光波耦出至人眼；
所述激光照明系统包括：激光器、衰减片、半波片、光纤耦合器、单模保偏光纤、光纤准直器、电控旋转台、聚焦透镜和偏振分光棱镜；
所述激光器，用于出射偏振光；
所述衰减片和所述半波片，沿所述偏振光的传播方向依次设置，用于将所述激光器出射的偏振光处理成线偏振光并调节激光输入能量；
所述光纤耦合器，用于将所述线偏振光耦入所述单模保偏光纤；
所述单模保偏光纤，通过光纤准直器固定在所述电控旋转台上，并使光波出射端位于所述电控旋转台的旋转圆盘的中心延长线上，且所述光波出射端所处的平面是所述聚焦透镜的焦平面，以通过调整所述电控旋转台的旋转角度调整出射光波的角度；
所述偏振分光棱镜，用于将所述出射光波射入所述微显示器，并将所述微显示器出射的光波射入所述透镜系统。
2.根据权利要求1所述的全息光波导装置，其特征在于，所述耦入复用体全息光栅和所述耦出复用体全息光栅的周期相同且镜像对称。
3.根据权利要求1所述的全息光波导装置，其特征在于，所述微显示器按照预设时间间隔加载所述三维计算全息图，并根据所述三维计算全息图确定射入所述微显示器的光波的角度，以根据所述角度通过电控旋转台的伺服控制系统调整所述电控旋转台的旋转角度以及在所述旋转角度停留的时长，使所述微显示器射出的光波中携带有三维场景波前信息分布，且能实现动态显示。
4.根据权利要求1所述的全息光波导装置，其特征在于，所述透镜系统包括：第一透镜、光阑和第二透镜；
所述第一透镜，用于将所述微显示器射入的携带有三维场景波前信息分布的光波成像于第一平面；
所述光阑，设置在所述第一透镜的后焦平面处，所述光阑偏移成像中心，用于滤除掉除一级衍射光波之外的其他衍射级次的光波；
所述第二透镜，用于将过滤后的光波进行会聚后入射到所述耦入复用体全息光栅。
5.根据权利要求4所述的全息光波导装置，其特征在于，所述第二透镜与所述第一平面的距离满足以下条件：
f2＜z1＜2f2
其中，z1表示所述第二透镜与所述第一平面的距离，f2表示所述第二透镜的焦距。
6.根据权利要求1所述的全息光波导装置，其特征在于，所述耦入复用体全息光栅和耦出复用体全息光栅包括角度复用体全息光栅。
7.根据权利要求6所述的全息光波导装置，其特征在于，所述角度复用体全息光栅在记录干涉条纹时，保持物光和参考光的位置固定，通过转动记录材料得到不同的角度通道，并在每个角度通道复用记录干涉条纹，其中，所述记录材料的初始位置是使体全息光栅的光轴位于所述物光和所述参考光的角平分线上。
8.根据权利要求7所述的全息光波导装置，其特征在于，所述记录材料的转动角度满足以下条件：
Figure FDA0003215954030000031
其中，θ0表示所述记录材料的转动角度，n表示需要复用记录的光栅总数，Δθmim表示最小复用角度间距；
所述最小复用角度间距满足以下条件：
Figure FDA0003215954030000032
Δθmin表示最小复用角度间距，Δθb表示布拉格角，L为所述记录材料的厚度，λ为记录光的波长，θ为记录时物光和参考光与光轴之间的夹角。
9.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至8中任一项所述的三维动态显示的全息光波导装置。
CN202110198095.2A 2020-05-18 2021-02-22 三维动态显示的全息光波导装置和增强现实显示设备 Active CN112711141B (zh)

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