CN116184669A - 一种多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法 - Google Patents

一种多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法 Download PDF

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CN116184669A CN202310156967.8A CN202310156967A CN116184669A CN 116184669 A CN116184669 A CN 116184669A CN 202310156967 A CN202310156967 A CN 202310156967A CN 116184669 A CN116184669 A CN 116184669A
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Abstract

一种多角度同时照明的全息近眼显示装置，包括光源模块、空间光调制器、分束器、目镜和总控制器；光源模块，用于发射不同角度的平行光，并同时照明且覆盖所述空间光调制器的有效工作区域；空间光调制器，加载有全息图，用于对入射的不同角度的平行光进行调制后形成不同角度的衍射平行光，即不同视角的虚拟图像。本发明通过不同角度的平行光照明空间光调制器，经空间光调制器上的计算全息图调制并衍射，衍射的图像光经过第二透镜会聚形成不同的视点供人眼观看。这种多角度同时照明的情况，不需要对照明单元进行额外的分时控制，并且当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。

Description

一种多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法
技术领域
本发明涉及近眼显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法。
背景技术
全息显示是一种利用干涉条纹实现三维重建的技术。在参考光的照射下，通过干涉条纹可以重构出包括振幅和相位在内的所有信息。传统的全息重建是通过光敏材料实现的。但是，光敏材料不能反复书写和擦除。此外，基于光敏材料的全息显示系统容易受到振动的影响。因此，传统的全息技术并不适合虚拟现实和增强现实(VR/AR)显示。
随着计算机技术的飞速发展，全息图可以通过算法进行计算。为了显示计算机生成的全息图(CGH)，采用了空间光调制器加载计算全息图，并通过空间光调制器的衍射调制再现虚拟图像，最终通过目镜呈现到人眼观察位置。与传统全息技术相比，CGH有多个优势。首先，全息图是由计算机产生的，而不是通过感光材料的干涉产生的，可以避免实验环境和操作因素对全息图质量的不利影响。其次，与光学全息图相比，计算全息图的保存、传输和复制更容易，甚至可以通过互连网实现全息图的实时传输和异地显示。另外，CGH可以记录SolidWorks等三维建模软件产生的虚拟物体的信息。因此，目前基于CGH显示的VR/AR设备受到越来越多的关注。
然而，对于基于计算全息原理的近眼显示系统，其最为突出的问题，就是空间光调制器的像素总数决定了显示系统的空间带宽积，限制了系统能呈现的数据总量，从而导致视场角和眼瞳箱相互制约。因此需要在保证观看视场满足正常观看需求的情况下，实现大眼瞳箱的全息近眼显示。
专利文献CN113608352A公开了一种基于出瞳扫描的全息近眼显示系统及眼瞳箱扩展方法，通过点光源发出的光被透镜准直以后照射到反射镜上面，反射镜再将其反射到分束器上面，平行光被分束器反射照射到空间光调制器上，被加载到空间光调制器上的计算全息图调制并衍射，衍射的图像光通过透镜会聚到人眼。同时利用眼动追踪装置追踪人眼的位置，控制器计算反射镜转动角度、方向以及加载到空间光调制器的相应全息图，转动反射镜即可改变入射到空间光调制器上的平行光的方向，使全息图精确地会聚到人眼所在的位置，进而实现扩展眼瞳箱的效果。专利文献CN113608353A通过计算机计算点光源阵列中相应位置和相应颜色点光源的发光状态以及加载到空间光调制器的相应全息图，通过控制点光源改变入射到空间光调制器上的平行光的方向，使全息图精确地会聚到人眼所在的位置。但是，这些技术都需要对点光源进行额外的分时控制，并且单次只允许一个视点进入人眼，当没有视点或者多个视点进入人眼时，会出现图像缺失或者混叠的情况，影响正常的观看体验。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明提供一种多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供一种多角度同时照明的全息近眼显示装置，包括光源模块、空间光调制器、分束器、目镜和总控制器，其特点在于：
所述光源模块，用于发射不同角度的平行光，并同时照明且覆盖所述空间光调制器的有效工作区域；
所述空间光调制器，设置在所述光源模块的出光侧，与所述总控制器相连，加载有全息图，用于对入射的不同角度的平行光进行调制后形成不同角度的衍射平行光，即不同视角的虚拟图像；
所述分束器，用于将带不同视角的虚拟图像的衍射平行光反射至所述目镜；
所述目镜，用于将带不同视角的虚拟图像的衍射平行光会聚入人眼，形成不同的视点；
所述总控制器，用来加载所述空间光调制器上所需的全息图。
进一步，所述全息图是由多个子全息图组合而成，每个子全息图与照射到该空间光调制器上不同角度的平行光相对应，每个角度的平行光对应一张子全息图。
进一步，所述的多角度同时照明的全息近眼显示装置，还包括眼动追踪系统，与所述总控制器相连，用于获取人眼瞳孔的位置信息。
优选的，所述光源模块，包括第一透镜(110)，以及位于该第一透镜(110)前焦面的多角度照明单元(100)；该多角度照明单元(100)用于提供不同角度的照明光，同时照明并覆盖所述空间光调制器的有效工作区域。
所述的多角度照明单元(100)可以是一维或二维排列的LED点光源阵列加窄带滤光片的组合，可以是一维或二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列，也可以是面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列；其中，主动开关阵列可以是机械式的电子小孔快门阵列，也可以是液晶开关阵列；所述的点光源(101)为同时点亮的相干光源。
优选的，所述光源模块，包括照明单元(200)和全息光学元件(210)；所述照明单元(200)用于提供宽束的球面光或平行光；所述全息光学元件(210)将照明单元(200)提供的球面光或平行光衍射，得到不同角度的再现平行光束，不同角度的再现光束照射到所述空间光调制器的有效工作区域。
所述的全息光学元件(210)为多角度复用的全息光学元件，通过记录平面或球面参考光和不同角度的平面信号光分时曝光制备，该全息光学元件(210)记录的光束波长应与所述照明单元(200)发出的光束波长相对应。
优选的，所述光源模块，包括照明单元(300)、准直透镜(310)、折射棱镜(320)和中继光学系统(460)；所述照明单元(200)用于提供照明光；所述准直透镜(310)的前焦面设有所述照明单元(300)，用于产生不同角度的宽光束平行光；所述的折射棱镜(320)用于将准直透镜(310)准直产生的宽束平行光分光为不同角度的平行光束，不同角度的平行光照射到所述空间光调制器的有效工作区域；所述的中继光学系统(460)是由第一中继透镜(461)和第二中继透镜(462)组成的4f光学中继系统，所述空间光调制器与不同角度的平行光重合的公共区域位于4f系统的共轭位置，用于收集光线，使能量得到充分利用。
所述的折射棱镜(320)是任意的将光束一分多的折射棱镜，宽束平行光照射到所述的折射棱镜上，经过折射棱镜不同表面的折射后，可以产生多束不同角度的平行光束。
另一方面，本发明还提供一种多角度同时照明的全息近眼显示与眼瞳箱扩展方法，包括如下步骤：
S1.根据需要显示的三维场景，计算目标面观察图像的复振幅分布；
S2.根据人眼瞳孔大小和位置，计算空间光调制器面的复振幅分布，具体如下：
S2.1确定照明并覆盖空间光调制器的有效工作区域的n束不同角度的平行光的角度分别为θ1，θ2，…，θi，…，θn；
S2.2将子全息图分别在相应的角度θi下进行传播，并在目标平面进行复振幅的叠加；
S2.3根据人眼瞳孔不同的大小和位置，在目镜的频谱面添加不同的瞳孔滤波函数Mf来模拟人眼瞳孔大小和位置变化，对相应瞳孔大小和位置所对应的全息图进行优化，多次迭代直至得到复合全息图，即空间光调制器面的复振幅分布；
S3.将空间光调制器面的复振幅分布编码为全息图像信息；
S4.使n束不同角度的平行光同时照明且覆盖所述空间光调制器的有效工作区域，并在空间光调制器上加载全息图像信息H，确保人眼看到清晰的虚拟图像。
进一步。当人眼瞳孔大小和位置发生变化时，通过采用眼动跟踪装置获取更新后的人眼瞳孔大小和位置，并重复步骤S2至S4。
与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明装置利用多角度的平行光同时照明且覆盖加载对应每个角度的平行光子全息图组成的复合全息图的空间光调制器，从而能够不需要对点光源进行额外的分时控制及同步处理，简单易行；经过多角度平行光同时照射空间光调制器后会衍射产生不同视角的虚拟图像，经透镜形成不同的视点位置。当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而实现了眼瞳箱的扩展，避免出现图像缺失或者混叠的情况，影响正常的观看体验。
2.本发明装置利用单片多角度复用的全息光学元件产生多角度平行光照明空间光调制器，多角度复用的全息光学元件通过记录平面或球面参考光和不同角度的平面信号光分时曝光制备，仅为单片结构，无需额外的复杂光学结构，从而减小了多角度照明模组的体积，便于构建紧凑型近眼显示系统。
3.本发明方法采用考虑人眼瞳孔动态变化在内的全息图优化方法，当人眼瞳孔大小和位置变化时，会有一个视点或者几个相邻视点同时进入人眼瞳孔的情况，在全息图优化过程中通过在目镜的频谱面添加瞳孔滤波函数来模拟人眼瞳孔大小和位置的变化，对相应瞳孔大小和位置所对应的全息图进行单独优化，空间光调制器加载优化后的全息图，从而达到人眼在不同的瞳孔大小和位置处始终获得良好的观看效果。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的通过多角度照明单元实现多角度同时照明的全息近眼显示装置的一个实施例结构示意图；
图2为本发明实施例1中，以矩形光源阵列为例，所对应的多角度照明单元中点光源二维阵列的示意图；
图3为本发明实施例2提供的通过多角度复用全息光学元件实现多角度同时照明的全息近眼显示装置的一个实施例结构示意图；
图4为本发明实施例3中提供的通过折射棱镜实现多角度同时照明的全息近眼显示装置的一个实施例结构示意图；
图5为本发明实施例3中的将光束一分多的折射棱镜的三维结构示意图；
图6为本发明实施例4中提供的通过折射棱镜实现多角度同时照明的全息近眼显示装置的一个实施例结构示意图；
图7为本发明实施例提供的基于多角度同时照明的全息近眼显示装置实现眼瞳箱扩展的方法示意流程图；
图中：100为多角度照明单元、101为点光源、110为第一透镜、120为分束器、130为空间光调制器、140为第二透镜、150为总控制器、200为照明单元、210为全息光学元件、300为照明单元、310为第一透镜、320为折射棱镜、460为中继光学系统、461为第一中继透镜、462为第二中继透镜。
应当理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的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，都属于本发明保护的范围。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例1
一种基于多角度同时照明用于眼瞳箱扩展的全息近眼显示装置，如图1所示，包括多角度照明单元100、第一透镜110、分束器120、空间光调制器130、第二透镜140、总控制器150。
所述的多角度照明单元100，用于提供不同角度的照明光，同时照明并覆盖空间光调制器的有效工作区域。所述的多角度照明单元100一般是由多个点光源101组成的一维阵列或者二维阵列，分别对应眼瞳箱的一维或者二维扩展，其排列方式与空间光调制器130的衍射角以及眼瞳箱扩展的范围相关。所述的多角度照明单元100可以是一维或二维排列的LED点光源阵列加窄带滤光片的组合，可以是一维或二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列，也可以是面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列。其中，主动开关阵列可以机械式的电子小孔快门阵列，也可以是液晶开关阵列。所述的点光源101为相干光源，在本发明中是同时点亮的。
在所述的第一透镜110的前焦面设有多角度照明单元100，第一透镜110对多角度照明单元100中点光源101发出的光束进行准直，用于产生不同角度的宽光束平行光，并且保证不同角度的宽光束平行光照明并覆盖空间光调制器130的有效工作区域；多角度照明单元100中每个点光源101的自身位置以及光轴朝向决定了点光源出光的中心角度；多角度照明单元100中的点光源101与第一透镜110的相对位置决定了其产生的准直平行光角度；多角度照明单元100中的点光源101的间隔及第一透镜110的焦距决定产生不同角度平行光的角度间隔，点光源101的相对位置和光轴朝向以及透镜焦距可根据光源扩散角和空间光调制器的衍射角以及眼瞳箱扩展的范围选择合适的组合。所述的第一透镜110可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组。
所述的分束器120将空间光调制器130的衍射光束反射到第二透镜140，并由第二透镜140将光束会聚到人眼所在位置，供人眼观察虚拟图像；所述的分束器120为平板分束镜或块状分束棱镜，分束器120前也可设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器130相匹配。
所述的空间光调制器130可以是相位型、振幅型、振幅相位混合型的反射型空间光调制器，对照射到其上的多角度平行光进行衍射调制后经分束器120反射到第二透镜140，经过第二透镜140的会聚形成不同视点，供人眼观察虚拟图像。所述的空间光调制器130也可以是透射型空间光调制器。
所述的第二透镜140将空间光调制器130衍射的不同角度的平行光会聚形成不同的视点，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像。所述的总控制器150，其与空间光调制器130一般通过HDMI、DVI、VGA、DisplayPort等视频接口、USB、串口以及通用I/O等方式连接，决定空间光调制器130的控制模式，主要用来控制空间光调制器130的显示图像、显示帧率、分辨率等。
在本实施例中，多角度照明单元100中点光源101所对应的一种二维阵列方式如图2所示。应该注意的是，本发明中所有的点光源101是同时点亮的，各个点光源产生的光束经第一透镜110准直后，产生了不同角度的宽束平行光，不同角度的宽束平行光同时照明并覆盖空间光调制器130的有效工作区域，经衍射调制后经分束器120反射到达第二透镜140，在人眼处会聚形成不同的视点，从而达到出瞳扩展的作用。所述的多角度照明单元100中的每个点光源101可以根据实际需要和系统要求选择合适的数量和排布，所述的多角度照明单元100的形状可以是矩形，也可以是圆形或其他形状。
多角度照明单元100中的点光源101同时点亮，不同角度的光束经过第一透镜120准直后同时照明并覆盖所述空间光调制器130的有效工作区域。所述空间光调制器130加载的全息图是由多个子全息图组合而成的复合全息图，每个子全息图与照射到空间光调制器130上不同角度的平行光相对应，每个角度的平行光对应一张子全息图。将所有的子全息图通过优化合成为一张复合全息图，加载到空间光调制器130上，不同角度的平行光照射空间光调制器130后会衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜140会聚的同时形成不同的视点。这种多角度同时照明的情况，不需要对照明单元进行额外的分时控制，并且当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。
实施例2
一种基于多角度同时照明用于眼瞳箱扩展的全息近眼显示装置的一个实施例，如图3所示，包括照明单元200、全息光学元件210、分束器120、空间光调制器130、第二透镜140、总控制器150。
所述的照明单元200，用于提供宽束照明光，所提供的照明光可以是宽束的球面光或平行光，也可以是窄光束加扩束准直系统。照明单元200提供的球面光或平行光照射到多角度复用全息光学元件210上，经全息光学元件210衍射出不同角度的再现光束同时照明并覆盖到空间光调制器130的有效工作区域。
所述的全息光学元件210为多角度复用的全息光学元件，照明单元200提供的球面光或平行光照射到全息光学元件210上衍射出不同角度的再现光束，图3中以水平方向三个角度复用为例，实现眼瞳箱的一维扩展。也可以在水平和竖直方向同时采用多个角度复用，实现眼瞳箱的二维扩展。实际可根据系统要求在水平和竖直方向选择任意多角度复用，其再现光角度根据空间光调制器的衍射角以及眼瞳箱扩展的范围制备相应的全息光学元件，从而实现眼瞳箱的一维扩展或者二维扩展。所述的全息光学元件210一般通过记录平面或球面参考光和不同角度的平行信号光分时曝光制备。照明单元200提供的球面光或平行光经所述的全息光学元件210衍射后，能够得到不同角度的再现平行光束，不同角度的再现光束同时覆盖到空间光调制器130的有效工作区域，经空间光调制器130衍射产生不同角度的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜140会聚同时形成不同的视点，供人眼观看虚拟图像，从而实现眼瞳箱扩展的作用。在实际制备过程中，可以将全息记录材料先固定在玻璃基板上，通过全息曝光的方法进行分时曝光制备全息光学元件210。也可以将制备好的全息光学元件210通过光学匹配胶进行粘接，以工作面胶合的方式与玻璃基板贴合在一起。所述的全息光学元件210记录的光束波长应与照明单元200发出光束的波长相对应。常用的全息记录材料有卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光致抗蚀剂、光致聚合物、光导热塑料等。光致聚合物全息记录材料具有灵敏度及衍射效率高、加工方便、可实时干法显影等优点。
所述的分束器120将空间光调制器130衍射的光束反射到第二透镜140，并由第二透镜140将光束会聚到人眼所在位置，供人眼观察虚拟图像；所述的分束器120为平板分束镜或块状分束棱镜，分束器120前也可设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器130相匹配。
所述的空间光调制器130可以是相位型、振幅型、振幅相位混合型的反射型空间光调制器，对照射到其上的平行光进行衍射调制后经分束器120反射到达第二透镜140，经过第二透镜140的会聚到达人眼所在位置，供人眼观察虚拟图像。所述的空间光调制器130也可以是透射型空间光调制器。
所述的第二透镜140将空间光调制器130衍射的不同角度的平行光会聚形成不同的视点，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像。所述的总控制器150，其与空间光调制器130一般通过HDMI、DVI、VGA、DisplayPort等视频接口、USB、串口以及通用I/O等方式连接，决定空间光调制器130的控制模式，主要用来控制空间光调制器130的显示图像、显示帧率、分辨率等。
照明单元200提供的球面光或平行光照射到全息光学元件210上衍射出不同角度的再现光束，照明并覆盖所述空间光调制器130的有效工作区域。所述空间光调制器130加载的全息图是由多个子全息图组合而成的复合全息图，每个子全息图与照射到空间光调制器130上不同角度的平行光相对应，每个角度的平行光对应一张子全息图。将所有的子全息图通过优化合成为一张复合全息图，加载到空间光调制器130上，经过不同角度的平行光照射空间光调制器130后会衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜140会聚的同时形成不同的视点。这种利用多角度复用全息光学元件实现多角度同时照明空间光调制器的情况，不需要对照明单元进行额外的分时控制，并且当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。
实施例3
本发明提供的一种基于多角度同时照明用于眼瞳箱扩展的全息近眼显示装置的一个实施例，如图4所示。所述的基于多角度同时照明用于眼瞳箱扩展的全息近眼显示装置包括照明单元300、准直透镜310、折射棱镜320、分束器120、空间光调制器130、第二透镜140、总控制器150。
所述的照明单元300，用于提供宽束照明光，所提供的照明光经准直透镜310后产生宽束的平行光，产生的宽束平行光照射到折射棱镜320上，经折射棱镜320不同表面折射后产生不同角度的平行光束照明并覆盖到空间光调制器130的有效工作区域。
所述的折射棱镜320用于将准直透镜310准直产生的宽束平行光分光为不同角度的平行光束，以图4所示为例，平行光束经过折射棱镜320后，一束平行光在水平方向上分为三束不同角度的平行光，三束不同角度的平行光同时照射到空间光调制器130上，并覆盖其有效工作区域。经空间光调制器130衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜140会聚的同时形成不同的视点，从而实现眼瞳箱一维扩展的作用。
所述的分束器120将空间光调制器130衍射的光束反射到第二透镜140上，并由第二透镜140将光束会聚到人眼所在位置，供人眼观察虚拟图像；所述的分束器120为平板分束镜或块状分束棱镜，分束器120前也可设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器130相匹配。
所述的空间光调制器130可以是相位型、振幅型、振幅相位混合型的反射型空间光调制器，对照射到其上的多角度平行光进行衍射调制后经分束器120反射到达第二透镜140，经过第二透镜140的会聚到达人眼所在位置，供人眼观察虚拟图像。所述的空间光调制器130也可以是透射型空间光调制器。
所述的第二透镜140将空间光调制器130衍射的不同角度的平行光会聚形成不同的视点，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像。所述的总控制器150，其与空间光调制器130一般通过HDMI、DVI、VGA、DisplayPort等视频接口、USB、串口以及通用I/O等方式连接，决定空间光调制器130的控制模式，主要用来控制空间光调制器130的显示图像、显示帧率、分辨率等。
所述的折射棱镜320不仅仅是图4所示的一分三的折射棱镜，还可以是任意的将光束一分多的折射棱镜，图5展示的是将光束一分三、一分五、一分九的折射棱镜，宽束平行光照射到所述的折射棱镜上，经过折射棱镜不同表面的折射后，可以产生多束不同角度的平行光束，多束不同角度的平行光束同时照射到空间光调制器130上，并覆盖其有效工作区域，经空间光调制器130衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜140会聚同时形成不同的视点，从而实现眼瞳箱的一维扩展或者二维扩展。实际所用棱镜可根据空间光调制器的衍射角以及眼瞳箱扩展范围和精度对棱镜折射面之间的夹角以及棱镜大小进行相应的设计和加工，以满足所述系统的工作要求。
照明单元300提供的光束经准直透镜310准直后照射到折射棱镜320上，经折射棱镜320不同表面的折射后产生不同角度的平行光，不同角度的平行光照明并覆盖所述空间光调制器130的有效工作区域。所述空间光调制器130加载的全息图是由多个子全息图组合而成的复合全息图，每个子全息图与照射到空间光调制器130上不同角度的平行光相对应，每个角度的平行光对应一张子全息图。将所有的子全息图通过优化合成为一张复合全息图，加载到空间光调制器130上，经过不同角度的平行光照射空间光调制器130后会衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜140会聚的同时形成不同的视点。这种利用折射棱镜实现多角度同时照明空间光调制器的情况，不需要对照明单元进行额外的分时控制，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。
实施例4
本发明提供的一种基于多角度同时照明用于眼瞳箱扩展的全息近眼显示装置的一个实施例，如图6所示。所述的基于多角度同时照明用于眼瞳箱扩展的全息近眼显示装置包括照明单元300、准直透镜310、折射棱镜320、分束器120、空间光调制器130、第二透镜140、总控制器150、中继光学系统460。
所述的照明单元300，用于提供宽束照明光，所提供的照明光经准直透镜310后产生宽束平行光，产生的宽束平行光照射到折射棱镜320上，经折射棱镜320不同表面的折射后产生不同角度的平行光束并同时覆盖到空间光调制器130的有效工作区域。
所述的折射棱镜320用于将准直透镜310准直产生的宽束平行光分光为不同角度的平行光束，平行光束经过折射棱镜320后，一束平行光变为多束不同角度的平行光，多束不同角度的平行光同时照射到空间光调制器130上，照明并覆盖其有效工作区域。经空间光调制器130衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜140会聚同时形成不同的视点，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而实现眼瞳箱扩展的作用。
所述的中继光学系统460是由第一中继透镜461和第二中继透镜462组成的成像系统，保证空间光调制器130和多束不同角度平行光重合的公共区域基本成共轭关系，也可允许一定的偏差。中继光学系统460的基本结构为4f光学系统，第一中继透镜461和第二中继透镜462的光轴重合，第一中继透镜461的后焦点与第二中继透镜462的前焦点重合。空间光调制器130和多束不同角度平行光重合的公共区域位于4f系统的共轭位置，用于收集光线，使能量得到充分利用。所述4f系统的中间焦平面上可以加入空间滤波器，用于改善图像质量。所述中继光学系统460也可以是变形的4f光学系统，由具有第一焦距f1的第一中继透镜461和具有第二焦距f2的第二中继透镜462组成，用于扩大或者缩小照射到空间光调制器130上的光束大小，保证照明光能量的充分利用，让系统的空间布局更为合理。所述的第一中继透镜461可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。所述的第二中继透镜462可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。
所述的分束器120将空间光调制器130衍射的光束反射到第二透镜140，并由第二透镜140将光束会聚到人眼所在位置，供人眼观察虚拟图像；所述的分束器120为平板分束镜或块状分束棱镜，分束器120前也可设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器130相匹配。
所述的空间光调制器130可以是相位型、振幅型、振幅相位混合型的反射型空间光调制器，对照射到其上的多角度平行光进行衍射调制后经分束器120反射到达第二透镜140，经过第二透镜140的会聚到达人眼所在位置，供人眼观察虚拟图像。所述的空间光调制器130也可以是透射型空间光调制器。
所述的第二透镜140将空间光调制器130衍射的不同角度的平行光会聚形成不同的视点，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像。所述的总控制器150，其与空间光调制器130一般通过HDMI、DVI、VGA、DisplayPort等视频接口、USB、串口以及通用I/O等方式连接，决定空间光调制器130的控制模式，主要用来控制空间光调制器130的显示图像、显示帧率、分辨率等。
照明单元300提供的光束经准直透镜310准直后照射到折射棱镜320上，经折射棱镜320不同表面的折射后产生不同角度的平行光，不同角度的平行光经过中继光学系统460后照明并覆盖所述空间光调制器130的有效工作区域。所述空间光调制器130加载的全息图是由多个子全息图组合而成的复合全息图，每个子全息图与照射到空间光调制器130上不同角度的平行光相对应，每个角度的平行光对应一张子全息图。将所有的子全息图通过优化合成为一张复合全息图，加载到空间光调制器130上，经过不同角度的平行光照射空间光调制器130后会衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜140会聚的同时形成不同的视点。这种利用折射棱镜实现多角度同时照明空间光调制器的情况，不需要对照明单元进行额外的分时控制，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。
人眼瞳孔大小和位置有一个动态的变化范围，考虑到人眼瞳孔不同大小和位置，会有一个视点或者几个相邻视点进入人眼瞳孔的情况，为了在其中的一个视点或几个相邻的视点获得更好的图像效果，系统中可以添加眼动追踪系统，采用根据视点位置优化对应全息图的方法，当人眼瞳孔大小和位置变化时，眼动追踪系统获取人眼所在视点位置，在全息图优化过程中通过在目镜的频谱面添加瞳孔滤波函数来模拟人眼瞳孔大小和位置变化，对相应瞳孔大小和位置所对应的全息图进行单独优化，空间光调制器加载优化后的全息图，使人眼在不同的瞳孔大小和位置处始终获得良好的观看效果。本发明实施例提供的基于多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法的示意流程图，如图7所示，该方法包括如下操作步骤：
第一步：根据需要显示的三维场景，通过点源法、角谱法、菲涅尔衍射、夫琅禾费衍射等方法计算目标面观察图像的复振幅分布UTarget；
第二步：通过随机梯度下降(SGD)算法、Gerchberg-Saxton(GS)算法或Wirtinger算法等计算空间光调制器面的复振幅分布Uslm。在本发明中，空间光调制器加载的全息图是由多个子全息图组合而成的复合全息图，每个子全息图与照射到空间光调制器上不同角度的平行光相对应，每个角度的平行光对应一张子全息图，将所有的子全息图通过优化合成为一张复合全息图，并且考虑到人眼瞳孔不同大小和位置，在全息图优化过程中通过在目镜的频谱面添加瞳孔滤波函数来模拟人眼瞳孔大小和位置变化，对相应瞳孔大小和位置所对应的全息图进行单独优化，具体的计算流程如下：
1.根据多角度照明单元中点光源数量和位置确定照射到空间光调制器上n束平行光的角度θ1，θ2，…，θi，…，θn。
2.在上述算法的一次迭代中，将子全息图分别在相应的角度θi下进行传播，并在目标平面进行复振幅的叠加。
3.根据人眼瞳孔不同的大小和位置，在目镜的频谱面添加不同的瞳孔滤波函数Mf来模拟人眼瞳孔大小和位置变化，对相应瞳孔大小和位置所对应的全息图进行优化。
3.算法进行多次迭代，优化得到最终的复合全息图，即空间光调制器面的复振幅分布Uslm。
第三步：将空间光调制器面的复振幅分布Uslm，根据空间光调制器的调制方式的不同，编码为空间光调制器相应的加载全息图像信息H。
第四步：点亮多角度照明单元中所有点光源实现多角度同时照明并在空间光调制器上加载全息图像信息H；或者点亮照明单元，通过全息光学元件或折射棱镜实现多角度同时照明并在空间光调制器上加载全息图像信息H。
第五步：当人眼瞳孔大小和位置变化时，通过上述优化过程，使人眼始终可以看到清晰的虚拟图像。
综上所述，上述实施例提供了一种基于多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法。其中，实施例1通过多角度照明单元实现多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法，该全息近眼显示装置包括多角度照明单元、第一透镜、分束器、空间光调制器、第二透镜以及总控制器。多角度照明单元中的点光源同时点亮，不同角度的光束经过第一透镜准直后同时照射并覆盖空间光调制器的有效工作区域。由多个子全息图组合而成的复合全息图加载到空间光调制器上，经过不同角度的平行光照射空间光调制器后会衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜会聚的同时形成不同的视点。这种多角度同时照明的情况，不需要对照明单元进行额外的分时控制，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。另外，实施例2通过多角度复用全息光学元件实现多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法，该全息近眼显示装置包括照明单元、全息光学元件、分束器、空间光调制器、第二透镜以及总控制器。照明单元提供的球面光或平行光照射到全息光学元件上能衍射出不同角度的再现光束，不同角度的再现光束覆盖到空间光调制器的有效工作区域。将复合全息图加载到空间光调制器上，经过不同角度的平行光照射空间光调制器后会衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜会聚的同时形成不同的视点。这种利用多角度复用全息光学元件实现多角度同时照明空间光调制器的情况，不需要对照明单元进行额外的分时控制，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。最后，实施例3、4通过折射棱镜实现多角度同时照明的全息近眼显示装置和眼瞳箱扩展方法，该全息近眼显示装置包括照明单元、准直透镜、折射棱镜、分束器、空间光调制器、第二透镜、以及总控制器。照明单元提供的光束经准直透镜准直后照射到折射棱镜上，经折射棱镜不同表面的折射后产生不同角度的平行光，不同角度的平行光照射并覆盖所述空间光调制器的有效工作区域。将复合全息图加载到空间光调制器上，经过不同角度的平行光照射空间光调制器后会衍射产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过第二透镜会聚的同时形成不同的视点。这种利用折射棱镜实现多角度同时照明空间光调制器的情况，不需要对照明单元进行额外的分时控制，当人眼瞳孔大小和位置变化时，始终可以看到清晰的虚拟图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种多角度同时照明的全息近眼显示装置，包括光源模块、空间光调制器、分束器、目镜和总控制器，其特征在于：
所述光源模块，用于发射不同角度的平行光，并同时照明且覆盖所述空间光调制器的有效工作区域；
所述空间光调制器，设置在所述光源模块的出光侧，与所述总控制器相连，加载有全息图，用于对入射的不同角度的平行光进行调制后形成不同角度的衍射平行光，即不同视角的虚拟图像；
所述分束器，用于将带不同视角的虚拟图像的衍射平行光反射至所述目镜；
所述目镜，用于将带不同视角的虚拟图像的衍射平行光会聚入人眼，形成不同的视点；
所述总控制器，用来加载所述空间光调制器上所需的全息图。
2.根据权利要求1所述的多角度同时照明的全息近眼显示装置，其特征在于：所述全息图是由多个子全息图组合而成，每个子全息图与照射到该空间光调制器上不同角度的平行光相对应，每个角度的平行光对应一张子全息图。
3.根据权利要求1或2所述的多角度同时照明的全息近眼显示装置，其特征在于：还包括眼动追踪系统，与所述总控制器相连，用于获取人眼瞳孔的位置信息。
4.根据权利要求1-3任一所述的多角度同时照明的全息近眼显示装置，其特征在于：所述光源模块，包括第一透镜(110)，以及位于该第一透镜(110)前焦面的多角度照明单元(100)；该多角度照明单元(100)用于提供不同角度的照明光，同时照明并覆盖所述空间光调制器的有效工作区域。
5.根据权利要求4所述的多角度同时照明的全息近眼显示装置，其特征在于：所述的多角度照明单元(100)可以是一维或二维排列的LED点光源阵列加窄带滤光片的组合，可以是一维或二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列，也可以是面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列；其中，主动开关阵列可以是机械式的电子小孔快门阵列，也可以是液晶开关阵列；所述的点光源(101)为同时点亮的相干光源。
6.根据权利要求1-3任一所述的多角度同时照明的全息近眼显示装置，其特征在于：所述光源模块，包括照明单元(200)和全息光学元件(210)；所述照明单元(200)用于提供宽束的球面光或平行光；所述全息光学元件(210)将照明单元(200)提供的球面光或平行光衍射，得到不同角度的再现平行光束，不同角度的再现光束照射到所述空间光调制器的有效工作区域。
7.根据权利要求6所述的多角度同时照明的全息近眼显示装置，其特征在于：所述的全息光学元件(210)为多角度复用的全息光学元件，通过记录平面或球面参考光和不同角度的平面信号光分时曝光制备，该全息光学元件(210)记录的光束波长应与所述照明单元(200)发出的光束波长相对应。
8.根据权利要求1-3任一所述的多角度同时照明的全息近眼显示装置，其特征在于：所述光源模块，包括照明单元(300)、准直透镜(310)、折射棱镜(320)和中继光学系统(460)；所述照明单元(200)用于提供照明光；所述准直透镜(310)的前焦面设有所述照明单元(300)，用于产生不同角度的宽光束平行光；所述的折射棱镜(320)用于将准直透镜(310)准直产生的宽束平行光分光为不同角度的平行光束，不同角度的平行光照射到所述空间光调制器的有效工作区域；所述的中继光学系统(460)是由第一中继透镜(461)和第二中继透镜(462)组成的4f光学中继系统，所述空间光调制器与不同角度的平行光重合的公共区域位于4f系统的共轭位置，用于收集光线，使能量得到充分利用。
9.根据权利要求8所述的多角度同时照明的全息近眼显示装置，其特征在于：所述的折射棱镜(320)是任意的将光束一分多的折射棱镜，宽束平行光照射到所述的折射棱镜上，经过折射棱镜不同表面的折射后，可以产生多束不同角度的平行光束。
10.一种多角度同时照明的全息近眼显示与眼瞳箱扩展方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.根据需要显示的三维场景，计算目标面观察图像的复振幅分布；
S2.根据人眼瞳孔大小和位置，计算空间光调制器面的复振幅分布，具体如下：
S2.1确定照明并覆盖空间光调制器的有效工作区域的n束不同角度的平行光的角度分别为θ1，θ2，…，θi，…，θn；
S2.2将子全息图分别在相应的角度θi下进行传播，并在目标平面进行复振幅的叠加；
S2.3根据人眼瞳孔不同的大小和位置，在目镜的频谱面添加不同的瞳孔滤波函数Mf来模拟人眼瞳孔大小和位置变化，对相应瞳孔大小和位置所对应的全息图进行优化，多次迭代直至得到复合全息图，即空间光调制器面的复振幅分布；
S3.将空间光调制器面的复振幅分布编码为全息图像信息；
S4.使n束不同角度的平行光同时照明且覆盖所述空间光调制器的有效工作区域，并在空间光调制器上加载全息图像信息H，确保人眼看到清晰的虚拟图像。
11.根据权利要求10所述的多角度同时照明的全息近眼显示与眼瞳箱扩展方法，其特征在于，当人眼瞳孔大小和位置发生变化时，通过采用眼动跟踪装置获取更新后的人眼瞳孔大小和位置，并重复步骤S2至S4。
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