CN115542558A - 一种全息偏振光学模组、近眼显示系统及增强现实穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种全息偏振光学模组、近眼显示系统及增强现实穿戴设备，涉及光学技术领域，包括沿图像光束传输方向依次设置的超表面器件、偏振体光栅器件组和全息体光栅组合器件，图像光束经超表面器件后出射为第一偏振方向的偏振光束，偏振光束经偏振体光栅器件组衍射后以预设夹角入射全息体光栅组合器件，偏振光束经全息体光栅组合器件后，衍射光束转换为与第一偏振方向成镜像的第二偏振方向，透过偏振体光栅器件组出射；环境光依次透过全息体光栅组合器件和偏振体光栅器件组出射，能够有效的提高数字影像以及外界景象的透过率，提高增强现实显示效果，并且能够使得模组的结构紧凑小巧。

Description

一种全息偏振光学模组、近眼显示系统及增强现实穿戴设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体涉及一种全息偏振光学模组、近眼显示系统及增强现实穿戴设备。

背景技术

增强现实技术（Augmented Reality，英文简称AR）是一种对使用者所看到的真实世界中的各类信息进行数字化景象增强的技术，它实时地将真实的世界和虚拟的世界结合在一起，在展示真实场景的同时，通过图像、视频、3D模型等技术为用户提供虚拟信息，实现虚拟信息与现实世界的相互融合，为人们带来与数字信息的真正交互体验。

随着增强现实技术的发展，以增强现实眼镜为代表的增强现实技术目前在各个行业开始兴起，尤其在安防和工业领域，增强现实技术体现了无与伦比的优势，大大改进了信息交互方式。

目前增强现实技术中的光学显示方案最常用的是Birdbath方案（后称BB方案）。传统BB方案中的光学设计是把来自显示源的光线投射至45°放置的分光镜上，分光镜具有固定反射率和透射率之比，能将入射的光线部分反射，而使其余部分透射通过。被分光镜反射的光线入射到合成器上，合成器一般为一个凹面镜，同样具有固定反射率和透射率之比，可以把光线重新反射进入人眼成像。具有固定反射率和透射率之比的分光镜和合成器在光路中能够使得用户同时看到由显示源生成的数字影像以及外界的景象，实现虚拟信息和现实世界的相互融合。

但传统BB方案存在以下缺点：显示源发出的成像光线和外界的自然光线均需通过分光镜和合成器进入人眼，分光镜和合成器所具有的固定反射率和透射率之比导致系统光效低和环境光透过率低，为使虚拟图像达到足够的亮度，需要增加光机的功率，会使光学系统的体积变大；同时，部分成像光线会经由合成器透射到系统外部，产生反向漏光问题。而且，光机内各元件基本都是共轴设置，其中分光镜至少需要和显示源宽度接近以便显示源出射的图像能够完全入射分光镜，如此一来也会导致模组整体结构较厚。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种全息偏振光学模组、近眼显示系统及增强现实穿戴设备，能够有效的提高数字影像以及外界景象的透过率，提高增强现实显示效果，并且能够使得模组的结构紧凑小巧。

本申请实施例的一方面，提供了一种全息偏振光学模组，包括沿图像光束传输方向依次设置的超表面器件、偏振体光栅器件组和全息体光栅组合器件，全息体光栅组合器件设置在偏振体光栅器件组的衍射光路上，图像光束经超表面器件后出射为第一偏振方向的偏振光束，偏振光束经偏振体光栅器件组衍射后以预设夹角入射全息体光栅组合器件，偏振光束经全息体光栅组合器件后，衍射光束转换为与第一偏振方向成镜像的第二偏振方向，透过偏振体光栅器件组出射；全息体光栅组合器件背离偏振体光栅器件组一侧的环境光依次透过全息体光栅组合器件和偏振体光栅器件组出射。

在本申请的一种可行的实施方式中，偏振体光栅器件组和全息体光栅组合器件之间呈预设夹角设置，以使由偏振体光栅器件组衍射的第一偏振方向的偏振光束入射全息体光栅组合器件。

在本申请的一种可行的实施方式中，超表面器件至少包括第一光学超表面，第一光学超表面用于调制透过光束的偏振状态，以使透过的图像光束出射为第一偏振方向的偏振光束。

在本申请的一种可行的实施方式中，超表面器件还包括第二光学超表面，第二光学超表面位于第一光学超表面的出光侧，第二光学超表面具有预设光焦度，用于对透过的偏振光束准直出射。

在本申请的一种可行的实施方式中，全息体光栅组合器件包括贴合设置的全息体光栅和第三光学超表面，第三光学超表面位于全息体光栅靠近偏振体光栅器件组的一侧，偏振光束入射至全息体光栅并衍射，两次经过第三光学超表面的偏振光束由第一偏振方向转换为与第一偏振方向成镜像的第二偏振方向。

在本申请的一种可行的实施方式中，图像光束为复色光，偏振体光栅器件组包括第一偏振体光栅、第二偏振体光栅和第三偏振体光栅，第一偏振体光栅、第二偏振体光栅和第三偏振体光栅分别响应复色光中各波段光束向全息体光栅组合器件衍射。

在本申请的一种可行的实施方式中，全息体光栅组合器件包括第一全息体光栅、第二全息体光栅和第三全息体光栅，第一全息体光栅、第二全息体光栅和第三全息体光栅的光焦度不同，用于分别对应各波段光束以呈现多深度图像显示。

本申请实施例的另一方面，提供了一种近眼显示系统，包括显示器件以及如前述任意一项的全息偏振光学模组，全息偏振光学模组设置于显示器件的出光侧。

本申请实施例的再一方面，提供了一种增强现实穿戴设备，包括穿戴设备主体，以及设置在穿戴设备主体上的如前述的近眼显示系统，近眼显示系统的显示器件为激光束扫描器件，激光束扫描器件包括激光源以及沿激光源的出光方向依次设置的整形模组和微机电振镜，激光源出射的激光束经整形模组整形后通过微机电振镜扫描出射，穿戴设备主体包括目视镜，扫描出射的扫描激光束呈预设夹角入射目视镜，以与由目视镜像侧透过的外界景象叠加呈现增强现实显示。

本申请实施例的又一方面，提供了又一种增强现实穿戴设备，包括穿戴设备主体，以及设置在穿戴设备主体上的如前述的近眼显示系统，近眼显示系统的显示器件包括光源、偏振分光器件和空间光调制器，光源出射的光束经偏振分光器件反射至空间光调制器，反射的光束经空间光调制器调制为图像光束并反射，反射后的图像光束透过偏振分光器件透射。

本申请实施例提供的全息偏振光学模组，包括沿图像光束传输方向依次设置的超表面器件、偏振体光栅器件组和全息体光栅组合器件，全息体光栅组合器件设置在偏振体光栅器件组的衍射光路上，图像光束经超表面器件后出射为第一偏振方向的偏振光束，偏振光束经偏振体光栅器件组衍射后以预设夹角入射全息体光栅组合器件，偏振光束经全息体光栅组合器件后，衍射光束转换为与第一偏振方向成镜像的第二偏振方向，透过偏振体光栅器件组出射；全息体光栅组合器件背离偏振体光栅器件组一侧的环境光依次透过全息体光栅组合器件和偏振体光栅器件组出射。由于超表面器件自身厚度较小，可直接贴合设置在玻璃等透明基材上，而且偏振体光栅器件组和全息体光栅组合器件均具有较小的厚度，使得全息偏振光学模组的整体结构紧凑，而且，还能够通过偏振体光栅器件组和全息体光栅组合器件的相应参数设置实现彩色显示和深度图像的呈现。利用偏振体光栅对于光束的偏振选择性，衍射元件的波长选择性，以及超表面器件的高能量利用率和超薄的结构特点，能够对图像光束和外界环境光束进行区分，降低光学系统的能量损耗，实现较佳的增强现实显示效果，且有利于实现近眼显示器件的小型化和轻薄化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本申请实施例提供的一种全息偏振光学模组的结构示意图之一；

图2是本申请实施例提供的一种全息偏振光学模组的结构示意图之二；

图3是本申请实施例提供的一种全息偏振光学模组的结构示意图之三；

图4是本申请实施例提供的一种增强现实穿戴设备的结构示意图之一；

图5是本申请实施例提供的一种增强现实穿戴设备的结构示意图之二。

图标：10-超表面器件；11-第一光学超表面；12-第二光学超表面；20-偏振体光栅器件组；21-第一偏振体光栅；22-第二偏振体光栅；23-第三偏振体光栅；30-全息体光栅组合器件；31-全息体光栅；311-第一全息体光栅；312-第二全息体光栅；313-第三全息体光栅；32-第三光学超表面；40-显示器件；41-光源；42-偏振分光器件；43-空间光调制器。

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。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

增强现实技术（Augmented Reality，英文简称AR）是一种对使用者所看到的真实世界中的各类信息进行数字化景象增强的技术，它实时地将真实的世界和虚拟的世界结合在一起，在展示真实场景的同时，通过图像、视频、3D模型等技术为用户提供虚拟信息，实现虚拟信息与现实世界的相互融合，为人们带来与数字信息的真正交互体验。

在一些光学的近眼显示应用中，往往希望能够在同一个视场下看到更加清晰且丰富的图像信息，便于使用者的视觉信息获取，例如在增强现实技术中，就需要能够同时看到外界环境景象和叠加附加的图像信息，并且二者之间还不能造成相互之间的不良影响。

目前增强现实技术中的光学显示方案最常用的就是通过分光镜的分光作用，使得外界环境光和附加的图像在同一光路中共同呈现，然而，由于分光镜是基于几何光学的分光元件，分光镜具有固定的透反比，也就是说，经过分光镜的光束，透过光束和反射光束的比例是既定的，如此一来，无论是外界环境光还是附加的图像，在经过分光镜时都会由于分光镜的透反比限制而有部分光束被阻挡无法透过，从而使得增强显示的画面中，无论是外界环境光还是附加图像的透过率都较低，这样会也使得增强现实的画面亮度和画面清晰度都难以提高，同时，一部分被限制在分光镜之外的光束，还可能透射到系统的外部，产生反向漏光的问题。这些都在一定程度上限制了增强现实技术的发展和增强现实设备的应用。

本申请实施例提供了一种全息偏振光学模组，如图1所示，本申请实施例的全息偏振光学模组，包括沿图像光束传输方向（如图1中的多段直线所示）依次设置的超表面器件10、偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30，全息体光栅组合器件30设置在偏振体光栅器件组20的衍射光路上，图像光束经超表面器件10后出射为第一偏振方向的偏振光束，偏振光束经偏振体光栅器件组20衍射后以预设夹角入射全息体光栅组合器件30，偏振光束经全息体光栅组合器件30后，衍射光束转换为与第一偏振方向成镜像的第二偏振方向，透过偏振体光栅器件组20出射；全息体光栅组合器件30背离偏振体光栅器件组20一侧的环境光依次透过全息体光栅组合器件30和偏振体光栅器件组20出射。

本申请实施例为采用全息光学元件和偏振光学元件，利用全息术原理和光的偏振态的特性实现增强显示的全息偏振光学模组，全息光学元件（holographic opticalelements；HOE）是根据全息术原理制成的光学元件。光全息术是通过引入参考光波与物光干涉，将物光波的振幅和相位信息以干涉条纹的形式记录在某种介质上，然后利用光波衍射的原理，再现原始物光波，从而再现原物的图像。常见的全息光学元件包括有全息透镜、全息光栅、全息滤波器、全息扫描器等。光的偏振（polarization of light）表现的是光的振动方向对于传播方向的不对称性，只有横波才能产生偏振现象。在任一方向上具有相同振幅的横振动的光成为自然光，也叫作非偏振光，凡是振动失去这种对称性的光统称为偏振光。具体的，偏振光包括线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光等。在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向（偏振方向）始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或称为平面偏振光）。具有特定透过轴方向的偏振片，能够选择以使得线偏振光中与透过轴方向相同的偏振方向的线偏振光透过，其他偏振方向的线偏振光被阻挡。

全息偏振光学模组包括沿图像光束的传输方向依次设置的超表面器件10、偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30，超表面器件10具有偏振调控的功能，图像光束经过超表面器件10后出射为第一偏振方向的偏振光束，即由超表面器件10后出射的图像光束为具有相同的偏振状态（第一偏振方向）的偏振光，偏振光束以预设的角度入射偏振体光栅器件组20并反射衍射，第一偏振方向对应于偏振体光栅器件组20的反射式衍射偏振态，因此，偏振光束反射衍射以预设夹角入射全息体光栅组合器件30，偏振光束入射全息体光栅组合器件30的预设夹角满足全息体光栅的布拉格衍射条件，全息体光栅组合器件30能够对满足布拉格衍射条件的光束实现衍射并且同样具有偏振调控功能，偏振光束被全息体光栅组合器件30衍射后，偏振态由第一偏振方向转变为第二偏振方向，第一偏振方向与第二偏振方向成镜像，如此一来，第二偏振方向的偏振光束再次以预设的夹角角度经过偏振体光栅器件组20时，不再发生反射衍射，而是直接透过偏振体光栅器件组20后出射，出射的图像光束在如图1所示的左侧能够被人眼接收。

全息体光栅组合器件30是高透过率的材料，对于不满足布拉格衍射条件的光束具有高透过性，因此环境光能够高效的透过全息体光栅组合器件30，因此，外界环境光在如图1所示的左侧也能够高效的透过被人眼接收。从而人眼能够接收到环境光与图像光束叠加的增强现实显示画面。

其中，第一，超表面器件10可以设置一层至多层的光学超表面，对于光学超表面的不同参数设置，可以使得超表面器件10附加有其他所需的光学功能，本申请实施例中对此不做具体限定，只要超表面器件10能够实现对图像光束的偏振调控，使图像光束出射为第一偏振方向的偏振光即可。

第二，根据前述的光束调控的功能实现需求，应理解，本申请实施例的偏振体光栅器件组20至少包括能够使得第一偏振态的偏振光反射衍射，其他偏振态的光束高透过的偏振参数设置选择。

第三，同样根据前述的光束调控的功能实现需求，应理解，本申请实施例的全息体光栅组合器件30至少包括能够使得满足布拉格衍射条件的光束衍射反射的全息体光栅，以及能够对光束进行偏振调控的光学超表面。其中，实现光全息衍射的光学元件（如全息体光栅）可以是透射式的全息光学元件，也可以是反射式的全息光学元件，区别在于对光束实现全息衍射后的路径是透过还是反射，本申请实施例中根据功能实现显然可知，全息体光栅为反射式全息光学元件，此外，全息体光栅对于光束发生全息衍射的导向方向可以是根据实际需要对参数进行的选择设置，本申请实施例中对此不做具体限定。

本申请实施例提供的全息偏振光学模组，包括沿图像光束传输方向依次设置的超表面器件10、偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30，全息体光栅组合器件30设置在偏振体光栅器件组20的衍射光路上，图像光束经超表面器件10后出射为第一偏振方向的偏振光束，偏振光束经偏振体光栅器件组20衍射后以预设夹角入射全息体光栅组合器件30，偏振光束经全息体光栅组合器件30后，衍射光束转换为与第一偏振方向成镜像的第二偏振方向后，透过偏振体光栅器件组20出射；全息体光栅组合器件30背离偏振体光栅器件组20一侧的环境光依次透过全息体光栅组合器件30和偏振体光栅器件组20出射。由于超表面器件10自身厚度较小，可直接贴合设置在玻璃等透明基材上，而且偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30均具有较小的厚度，使得全息偏振光学模组的整体结构紧凑，而且，还能够通过偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30的相应参数设置实现彩色显示和深度图像的呈现。利用偏振体光栅对于光束的偏振选择性，衍射元件的波长选择性，以及超表面器件10的高能量利用率和超薄的结构特点，能够对图像光束和外界环境光束进行区分，降低光学系统的能量损耗，实现较佳的增强现实显示效果，且有利于实现近眼显示器件的小型化和轻薄化。

在本申请的一种可行的实施方式中，如图1所示，偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30之间呈预设夹角设置，以使由偏振体光栅器件组20衍射的第一偏振方向的偏振光束入射全息体光栅组合器件30。

如图1所示，在一种较为经典的增强现实显示场景下，本申请实施例的全息偏振光学模组可以采用使偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30之间呈夹角设置的方式，外界环境光依次透过全息体光栅组合器件30和偏振体光栅器件组20进入人眼，全息体光栅组合器件30对于不满足布拉格衍射条件的光束具有高透过性，能够在尽可能无损的情况下使得外界环境光透过，偏振体光栅器件组20对于不满足其偏振态的光也具有较佳的透过性，因此，依次透过全息体光栅组合器件30和偏振体光栅器件组20的外界环境光能够高效透过，使人眼观察到正常的外界景象。

而且，偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30之间呈预设夹角设置，对图像光束转换为偏振光后朝向偏振体光栅器件组20的入射角度进行预先设计，如此一来，如图1所示，图像光束的光线光路为图1中实线折线所示，转变为偏振光束的图像光束以预设夹角首先入射偏振体光栅器件组20，在偏振体光栅器件组20发生衍射反射后，以预设夹角射向全息体光栅组合器件30，与全息体光栅组合器件30实现衍射反射并将偏振光束转变为第二偏振方向，从而由偏振体光栅器件组20透过入射人眼，从而在人眼观测的位置呈现虚拟和现实两种图像的叠加。全息光学元件的衍射作用，相当于为全息偏振光学模组引入离轴特性，显示器件偏离环境光透射的光轴方向，避免对环境光的透过产生遮挡，同时也能够使得整个模组结构设计的更紧凑合理。

在本申请的一种可行的实施方式中，如图1所示，超表面器件10至少包括第一光学超表面11，第一光学超表面11用于调制透过光束的偏振状态，以使透过的图像光束出射为第一偏振方向的偏振光束。

如图1所示，第一光学超表面11能够调制光束的偏振状态，以使图像光束出射为第一偏振方向的偏振光束，示例的，第一光学超表面11可以贴合设置在透明基板的一侧，从而保证超表面器件10的结构稳定性。本申请实施例中对于第一光学超表面贴合设置于透明基板的哪一侧不做具体限定，本领域技术人员根据需要进行选择设置即可。

示例的，第一光学超表面11可以贴合设置在光源的出光侧，光源可以为Micro-OLED、Micro-LED等自发光图像源。

此外，超表面器件10还可以为在透明基板上设置的多层结构，例如在设置有第一光学超表面11的透明基板上再设置其他光学元件结构实现相应的光学功能，又例如，透明基板的表面还可以设置为平面、柱面和曲面的任意一种，以便叠加对透过光束的几何光学功能调整。

还需要说明的是，本申请实施例中，对于透明基板的具体材质不做限定，例如可以为玻璃、树脂材料等。第一光学超表面11具有较佳的结构转移性，能够转贴至各种材料界面，提高透明基板材料的选择的便捷性。

示例的，为了尽可能保证设置的第一光学超表面11或其他光学元件结构在透明基板上的设置稳定性以及参数设置的准确性，通常将透明基板设置为平面。若需要超表面器件10实现相应的几何光学出光调制性能，还可以在透明基板表面贴设相应的光学元件以实现功能。

此外，对于图像光束为单色图像光束时，可以仅采用一层薄膜层的第一光学超表面11贴合设置于透明基板的一侧，实现对单色图像光束的偏振调整，若图像光束为RGB图像光束，可以在透明基板的一侧叠层设置多层第一光学超表面11以针对RGB图像光束中的各波段分别进行偏振调整，多层第一光学拆表面11可以在透明基板同侧设置，也可以分布设置于透明基板的两侧，对于第一光学超表面11的设置数量可以根据采用的图像光束的类型以及其他实际需求进行具体设置。

在本申请的一种可行的实施方式中，超表面器件10还包括第二光学超表面12，第二光学超表面12位于第一光学超表面11的出光侧，第二光学超表面12具有预设光焦度，用于对透过的偏振光束准直出射。

还请参照图1所示，为了避免图像光束在传输过程中发生各种像差、聚焦等问题，超表面器件10还包括有第二光学超表面12，第二光学超表面12设置在第一光学超表面11的出光侧，在第一光学超表面11将图像光束调整为偏振光束后，通过第二光学超表面12预设的光焦度参数，对偏振光束进行准直等几何光学调制，从而，进一步提高进入人眼的图像光束的成像效果和聚焦效果。

需要说明的是，在前述透明基板的限定说明中已经明确，透明基板具有一定的结构强度以及保证光束的高效透过，则基于几何光学调整的需求，也可以使得透明基板的表面设置与第二光学超表面12的参数设置相互配合，从而实现更多的几何光学调制功能。

在本申请的另一种可行的实施方式中，如图2所示，全息体光栅组合器件30包括贴合设置的全息体光栅31和第三光学超表面32，第三光学超表面32位于全息体光栅31靠近偏振体光栅器件组20的一侧，偏振光束入射至全息体光栅31并衍射，两次经过第三光学超表面32的偏振光束由第一偏振方向转换为与第一偏振方向成镜像的第二偏振方向。

全息体光栅31能够对满足其布拉格衍射条件的光束实现衍射，其中，本申请实施例中的全息体光栅31为反射式光栅，也就是说，以预设夹角入射满足布拉格衍射条件的光束在全息体光栅31上发生反射衍射。

贴合设置在全息体光栅31上的第三光学超表面32对偏振光束具有偏振方向的调整作用，在全息体光栅31上发生反射衍射的偏振光束，在两次经过第三光学超表面32时，偏振方向由第一偏振方向转变为与第一偏振方向成镜像的第二偏振方向反射朝向偏振体光栅器件组20出射。第二偏振方向的偏振光在经过偏振体光栅器件组20时不再发生衍射，因此，直接透过偏振体光栅器件组20后入射人眼呈现图像。

需要说明的是，偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30作为环境光束的透过光路，需要对于不满足衍射条件的环境光尽可能高效率的透过，因此，本申请实施例中，在一些场景中，可以在偏振体光栅器件组20和/或全息体光栅组合器件30中设置相应的增透膜层，提高自然光的透过效率，同时，增透膜层的设置也有助于减轻出射图像重影的问题，增透膜层的具体设置形式，本领域技术人员可以根据需要进行选择设置。

在本申请的一种可行的实施方式中，如图3所示，图像光束为复色光，偏振体光栅器件组20包括第一偏振体光栅21、第二偏振体光栅22和第三偏振体光栅23，第一偏振体光栅21、第二偏振体光栅22和第三偏振体光栅23分别响应复色光中各波段光束向全息体光栅组合器件30衍射。

如图3所示，图像光束为复色光，即，图像光束中包含可见光范围内的一个较大的波长范围，能够实现彩色显示，以三原色复色光为例，通过红光、绿光和蓝光三个波段的光束混合实现彩色显示，对于红光、绿光和蓝光三种不同的显示波段，偏振体光栅器件组20包括贴合设置的第一偏振体光栅21、第二偏振体光栅22和第三偏振体光栅23，从而分波长的响应图像光束中的红光、绿光和蓝光分别进行偏振选择和衍射。

其中，本申请实施例中，对于偏振体光栅器件组20中第一偏振体光栅21、第二偏振体光栅22和第三偏振体光栅23的贴合顺序排列不做具体限定。

在本申请的一种可行的实施方式中，如图3所示，全息体光栅组合器件30包括第一全息体光栅311、第二全息体光栅312和第三全息体光栅313，第一全息体光栅311、第二全息体光栅312和第三全息体光栅313的光焦度不同，用于分别对应各波段光束以呈现多深度图像显示。

如图3所示，当图像光束为复色光要实现增强现实的彩色显示，全息体光栅组合器件30包括第一全息体光栅311、第二全息体光栅312和第三全息体光栅313，第一全息体光栅311、第二全息体光栅312和第三全息体光栅313用于分别响应红光、绿光和蓝光波段的光束的衍射，当对第一全息体光栅311、第二全息体光栅312和第三全息体光栅313对应设置为不同的光焦度时，通过光焦度的调制设计，能够实现复色图像的多深度成像，进而使得增强现实器件能够实现多种形式的图像叠加。另外，不需要多深度显示时，第一全息体光栅311、第二全息体光栅312和第三全息体光栅313设置为相同的光焦度。

本申请实施例的另一方面，提供了一种近眼显示系统，如图4所示，包括显示器件40以及如前述任意一项的全息偏振光学模组，全息偏振光学模组设置于显示器件40的出光侧。

如图4所示，显示器件40的出光侧设置全息偏振光学模组，示例的，图4中虚线框内包含的器件整体作为显示器件40朝向超表面器件10出射图像光束。

在前述对于全息偏振光学模组的说明中，已经详细表述了全息偏振光学模组的结构和近眼显示功能的实现，此处不再赘述，在一些实施方式中，若需要图像光束以预设角度入射全息偏振光学模组中，则可以相应的将显示器件40设置在对应的位置，或者，使得显示器件40以对应的位置和角度出射图像光束。

其中，显示器件40根据其显示功能的需求和实现的要求，当需要对光路进行转折设计时，通过设置相应夹角的反射镜是光路设计中的常用方式，示例的，本申请实施例中，显示器件40即包括图像源和对出射的图像光束进行光路转折的反射镜。

在本申请的一种可行的实施方式中，显示器件40为有机主动发光显示器件、激光束扫描器件和空间光调制器件的任意一种。

显示器件40可以为有机主动发光显示器件，例如将本申请实施例的近眼显示系统应用于AR眼镜，则显示器件40可以采用Micro-OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机半导体发光显示器件）、Micro-OLED，OLED是一种利用多层有机薄膜结构在电场驱动下，通过载流子注入和复合实现电致发光的器件，OLED具有较为成熟的制备技术，只需要较低的驱动电压即可实现高效的发光显示，而且整体结构更轻薄、亮度高、功耗低、响应快、清晰度高、柔性好、发光效率高。基于穿戴式的AR设备来说，显示器件40还可以采用Micro-LED，Micro-LED的发光显示与驱动电路集成在一块芯片之上，不需要其他外置驱动IC也可独立工作，大大的缩减了整体的结构尺寸，更有利于应用在小型的便携的AR设备中。或者，显示器件40还可以采用mini-LED，Mini-LED的芯片尺寸介于50~200μm之间，是由Mini-LED像素阵列、驱动电路组成且像素中心间距为0.3-1.5mm的发光单元，同样大大的缩减了整体的结构尺寸，更有利于应用在小型的便携的AR设备中。

此外，显示器件40还可以为激光束扫描器件（Laser Beam Scanning，LBS）。LBS主要包括激光源、光学器件和微机电振镜（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），LBS具有亮度高、色域光、体积小的优势，LBS以激光作为光源具有极小的波长展宽，更适合基于衍射光学原理的全息器件，能提升近眼显示系统的显示亮度和显示图像质量，而且LBS本身体积小，可以更为灵活的设计近眼显示系统的光路结构，有效的减小近眼显示系统的结构尺寸，使得近眼显示系统的设计灵活性更高，结构更为紧凑小巧。

又例如，显示器件40还可以为空间光调制器件，例如，LCOS（Liquid Crystal onSilicon，硅基液晶），DMD（数字微镜）等。LCOS是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示的空间光调制器件，采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成，结构小巧，功能稳定且强大，作为显示装置具有较高的透光率和高解析度。DMD 是一种电子输入、光学输出的微机电系统，能够执行高速、高效及可靠的空间光调制功能，实现高质量的全彩图像显示。而且，空间光调制器件通常为芯片级的尺寸，更有利于应用于穿戴设备等小巧的近眼显示系统中。

本申请实施例的再一方面，提供了一种增强现实穿戴设备，包括穿戴设备主体，以及设置在穿戴设备主体上的如前述的近眼显示系统，近眼显示系统的显示器件40为激光束扫描器件，激光束扫描器件包括激光源以及沿激光源的出光方向依次设置的整形模组和微机电振镜，激光源出射的激光束经整形模组整形后通过微机电振镜扫描出射，穿戴设备主体包括目视镜，扫描出射的扫描激光束呈预设夹角入射目视镜，以与由目视镜像侧透过的外界景象叠加呈现增强现实显示。

本申请实施例还提供一种增强现实穿戴设备，使用时可在身体上穿戴或佩戴使用，在穿戴或佩戴状态下，人眼可以通过增强现实穿戴设备观测到外界环境景象和图像光束的叠加显示画面。其中，穿戴设备主体包括有目视镜，近眼显示系统中的显示器件40为激光束扫描器件，激光束扫描器件包括激光源以及沿激光源的出光方向依次设置的整形模组和微机电振镜，激光源出射的激光束经整形模组整形后通过微机电振镜扫描出射，激光作为图像光束具有极小的波长展宽，更适合基于衍射光学原理的光学器件，能提升近眼显示系统的显示亮度和显示图像质量，而且激光束扫描器件本身体积小，扫描出射的扫描激光束呈预设夹角入射目视镜，图像光束与由目视镜像侧透过的外界景象叠加呈现质量较佳的增强现实显示。激光束扫描器件结合全息偏振光学模组中超表面器件10、偏振体光栅器件组20和全息体光栅组合器件30对于光束的偏振和衍射作用，可以更为灵活的设计近眼显示系统的光路结构，有效的减小近眼显示系统的结构尺寸，使得近眼显示系统的设计灵活性更高，结构更为紧凑小巧。

本申请实施例的又一方面，提供了又一种增强现实穿戴设备，如图5所示，包括穿戴设备主体，以及设置在穿戴设备主体上的如前述的近眼显示系统，近眼显示系统的显示器件40包括光源41、偏振分光器件42以及空间光调制器43，光源41出射的光束经偏振分光器件43反射至空间光调制器43，反射的光束经空间光调制器43调制为图像光束后反射，反射后的图像光束透过偏振分光器件42透射。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全息偏振光学模组，其特征在于，包括沿图像光束传输方向依次设置的超表面器件、偏振体光栅器件组和全息体光栅组合器件，所述全息体光栅组合器件设置在所述偏振体光栅器件组的衍射光路上，图像光束经所述超表面器件后出射为第一偏振方向的偏振光束，所述偏振光束经所述偏振体光栅器件组衍射后以预设夹角入射所述全息体光栅组合器件，所述偏振光束经所述全息体光栅组合器件后，衍射光束转换为与所述第一偏振方向成镜像的第二偏振方向，透过所述偏振体光栅器件组出射；所述全息体光栅组合器件背离所述偏振体光栅器件组一侧的环境光依次透过所述全息体光栅组合器件和所述偏振体光栅器件组出射。

2.根据权利要求1所述的全息偏振光学模组，其特征在于，所述偏振体光栅器件组和所述全息体光栅组合器件之间呈预设夹角设置，以使由所述偏振体光栅器件组衍射的第一偏振方向的偏振光束入射所述全息体光栅组合器件。

3.根据权利要求1或2所述的全息偏振光学模组，其特征在于，所述超表面器件至少包括第一光学超表面，所述第一光学超表面用于调制透过光束的偏振状态，以使透过的图像光束出射为第一偏振方向的偏振光束。

4.根据权利要求3所述的全息偏振光学模组，其特征在于，所述超表面器件还包括第二光学超表面，所述第二光学超表面位于所述第一光学超表面的出光侧，所述第二光学超表面具有预设光焦度，用于对透过的所述偏振光束准直出射。

5.根据权利要求1或2所述的全息偏振光学模组，其特征在于，所述全息体光栅组合器件包括贴合设置的全息体光栅和第三光学超表面，所述第三光学超表面位于所述全息体光栅靠近所述偏振体光栅器件组的一侧，所述偏振光束入射至所述全息体光栅并衍射，两次经过所述第三光学超表面的所述偏振光束由所述第一偏振方向转换为与所述第一偏振方向成镜像的第二偏振方向。

6.根据权利要求1或2所述的全息偏振光学模组，其特征在于，所述图像光束为复色光，所述偏振体光栅器件组包括第一偏振体光栅、第二偏振体光栅和第三偏振体光栅，所述第一偏振体光栅、所述第二偏振体光栅和所述第三偏振体光栅分别响应所述复色光中各波段光束向所述全息体光栅组合器件衍射。

7.根据权利要求6所述的全息偏振光学模组，其特征在于，所述全息体光栅组合器件包括第一全息体光栅、第二全息体光栅和第三全息体光栅，所述第一全息体光栅、所述第二全息体光栅和所述第三全息体光栅的光焦度不同，用于分别对应各波段光束以呈现多深度图像显示。

8.一种近眼显示系统，其特征在于，包括显示器件以及如权利要求1-7任意一项所述的全息偏振光学模组，所述全息偏振光学模组设置于所述显示器件的出光侧。

9.一种增强现实穿戴设备，其特征在于，包括穿戴设备主体，以及设置在所述穿戴设备主体上的如权利要求8所述的近眼显示系统，所述近眼显示系统的显示器件为激光束扫描器件，所述激光束扫描器件包括激光源以及沿所述激光源的出光方向依次设置的整形模组和微机电振镜，所述激光源出射的激光束经所述整形模组整形后通过所述微机电振镜扫描出射，所述穿戴设备主体包括目视镜，扫描出射的扫描激光束呈预设夹角入射所述目视镜，以与由所述目视镜像侧透过的外界景象叠加呈现增强现实显示。

10.一种增强现实穿戴设备，其特征在于，包括穿戴设备主体，以及设置在所述穿戴设备主体上的如权利要求8所述的近眼显示系统，所述近眼显示系统的显示器件包括光源、偏振分光器件和空间光调制器，光源出射的光束经所述偏振分光器件反射至所述空间光调制器，反射的光束经所述空间光调制器调制为图像光束并反射，反射后的所述图像光束透过所述偏振分光器件透射。

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