CN117111305A - 一种大视场角全息近眼显示装置和显示方法 - Google Patents

Abstract

一种大视场角全息近眼显示装置，包括结构光多角度照明模块、空间光调制器、目镜，结构光多角度照明模块，用于产生不同角度的平行光并对其进行调制，共同照射到空间光调制器上的不同区域；空间光调制器，加载有全息图，用于对不同角度的平行光进行调制并衍射，不同角度的衍射图像光经过目镜会聚后全部进入人眼。本发明利用结构光调制器件产生的不同角度的平行光共同照射空间光调制器的不同区域，空间光调制器产生的衍射图像光在像面上对分辨率重新排布，扩大像面尺寸，从而达到扩大视场角的目的。并且不同角度的衍射图像光在像面上部分重叠，重叠区域的分辨率高于未重叠区域，符合人眼中心凹的视觉特性。

Description

一种大视场角全息近眼显示装置和显示方法

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种大视场角全息近眼显示装置和显示方法。

背景技术

近眼显示技术是一类用于将数字内容直接显示在用户眼前的技术，通常通过戴在头部的设备来实现。用于虚拟现实(VR)或增强现实(AR)的近眼显示装置因其可以提供沉浸式的三维效果而受到广泛关注。以双目视差成像为代表的传统3D显示技术通过在左右眼之间引入微小的视角差异，使用户的大脑能够解释出深度信息，从而产生立体感和真实感。然而这种显示技术普遍存在辐辏调节冲突的问题即人眼的辐辏距离与调焦距离不匹配，容易导致视觉模糊和疲劳。

全息3D显示技术是目前备受认可也是最具发展前景的立体显示技术，相较于传统3D显示技术，全息3D显示通过衍射光学元件可以完整再现物光波信息，并且提供人眼所需的全部深度信息，从而解决了辐辏调节冲突的问题。随着计算机技术的突飞猛进，计算全息技术代替了传统的光学全息，通过在空间光调制器(SLM)上加载计算全息图(CGH)，然后用相干光源对其进行照明，可以对物体进行光学重建。计算全息技术相较于传统的光学全息，其灵活性和可控性更好，并且计算全息图更易于存储和传输。

在近眼显示技术中，视场角和眼瞳箱尺寸被视为评估设备性能的重要因素，其优化对于提升用户体验和技术可用性至关重要。然而，SLM的空间带宽积限制了其能够处理的光学信息量。这就导致在增加视场角时，需要更多的光学信息来填充视野，从而增加了相位和振幅的复杂度，进而要求更高的空间带宽积。受限于空间光调制器的空间带宽积，全息近眼显示的视场角和眼瞳箱大小互相制约。因此，在全息近眼显示装置中，实现尽可能大的视场角或眼瞳箱尺寸备受关注。

专利文献CN115145036A公开了一种基于光源阵列的大视场角高分辨全息近眼显示装置和显示方法。光源阵列中不同位置点光源发出的光线被透镜准直成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，衍射的图像光通过中继光学系统会聚到出瞳位置供人眼观看。本发明在保证出瞳大小一定的情况下通过时序依次点亮不同位置点光源来增加观看图像的可视角度范围以及图像分辨率，采用视场角分时扫描的方法同时实现大视场角和大出瞳的高分辨全息近眼显示。专利文献CN115145037A提出了一种基于视场扫描拼接的大视场角高分辨全息近眼显示装置和显示方法。通过旋转反射镜或移动点光源即可改变入射到空间光调制器上的平行光的方向，使不同角度入射的全息图通过中继光学系统精确地会聚到人眼所在的位置，在保证出瞳大小一定的情况下通过连续扫描来增加观看图像的可视角度范围以及图像分辨率，采用视场角连续扫描的方法同时实现大视场角和大出瞳的高分辨全息近眼显示。

但是，这些技术需要对点光源进行额外的分时控制，并且空间光调制器需要与点光源的时序同步刷新，不便于操作。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明提供一种大视场角全息近眼显示装置和方法，不需要对点光源进行额外的分时控制及同步处理。

本发明采用如下技术方案：

一种大视场角全息近眼显示装置，其特点在于，包括：

结构光多角度照明模块，包括至少一个光源、结构光调制器件，用于将所述光源发射的光进行调制，并产生不同角度的平行光，共同照射到空间光调制器上的不同区域；

空间光调制器，用于显示计算机产生的全息图，该全息图由对应每个角度平行光的子全息图组成，以对从所述光源出射、并以不同角度入射的平行光进行空间地调制与衍射；

目镜，用于捕获经所述空间光调制器调制与衍射的不同角度带有图像信息的衍射光，并会聚形成不同视点的衍射虚拟图像光，供人眼观察，且不同视点之间的最大间距2ftanω应满足如下条件：

2ftanω≤d

式中，f为目镜的焦距，ω为最外围衍射图像光与目镜光轴的夹角，d为人眼瞳孔直径。

进一步，所述结构光多角度照明模块，包括点光源阵列、准直透镜和结构光调制器件，所述点光源阵列是由多个点光源组成的一维阵列或二维陈列，所述点光源位于所述准直透镜的后焦距处，经该准直透镜准直形成宽光束平行光，经所述结构光调制器调制产生不同角度的平行光。

进一步，所述结构光多角度照明模块，包括单个点光源、准直透镜、折射棱镜和结构光调制器件，所述单个点光源发出的发散球面波经过准直透镜准直，再经所述折射棱镜后形成不同角度的平行光，不同角度的平行光通过所述结构光调制器件后在水平或垂直方向上被分成三束或若干束不同角度的平行光。

进一步，所述结构光多角度照明模块由单个点光源和结构光调制器件组成，所述点光源发出的发散球面波直接照射到所述的结构光调制器件上，发散球面波经所述结构光调制器件调制后在水平或垂直方向上被分成若干束不同角度的发散球面波。

进一步，所述结构光多角度照明模块由单个点光源、准直透镜和结构光调制器件组成，所述的点光源与所述准直透镜的后焦距位置并不重合，所述点光源发出的发散球面波经准直透镜后形成会聚的球面波，会聚的球面波经结构光调制器件调制后在水平或垂直方向上被分成若干束不同角度的会聚球面波。

进一步，所述结构光调制器件是包含三条或若干条狭缝的振幅型一维结构光调制器件，或者，所述结构光调制器件是透光与不透光相间排布的振幅型二维结构光调制器件，所述结构光调制器件的占空比由所述点光源的数量决定。

进一步，还包括分束器，用于将所述结构光多角度照明模块产生的若干束不同角度的球面波或平面波反射到所述空间光调制器的不同区域，经所述空间光调制器件进行相位、振幅或复振幅衍射调制后，沿原路返回至所述分束器，经分束器透射后入射到目镜。

进一步，还包括中继光学系统，用于将所述结构光多角度照明模块产生的若干束不同角度的球面波或平面波进行光线，进行扩大或者缩小后，照射到所述空间光调制器上。

进一步，还包括总控制器，与所述空间光调制器相连，用来控制所述空间光调制器的显示图像、显示帧率和/或分辨率。

另一方面，本发明还提供一种大视场角全息近眼显示方法，其特点在于，包括如下步骤：

S1.根据不同视点最大间距小于等于人眼瞳孔直径的要求，结合结构光多角度照明模块中点光源数量n和位置以及相应的结构光调制器件，计算出照射到空间光调制器上n束平行光的角度θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_n；

S2.基于照射到空间光调制器上的n束平行光的角度θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_n，计算对应每个角度平行光的子全息图H₁，H₂，…，Hi，…，H_n，将每个子全息图组合成复合全息图H，具体流程如下：

S2.1根据结构光调制器件的占空比确定其掩膜函数M_T；

S2.2用掩膜函数M_T乘上某一角度θ_i的平行光的复振幅来模拟结构光照明；

S2.3上述经掩膜函数处理后的复振幅即子全息图H_i衍射传播一段距离z后得到目标平面的复振幅U_i；

S2.4将计算得到的目标平面复振幅U_i与目标图像的复振幅U_target作误差损失函数后，迭代优化后得到子全息图H_i；

S3.将复合全息图H加载至空间光调制器上，同时点亮结构光多角度照明模块中的点光源，实现不同角度的平行光共同照射空间光调制器的不同区域；

S4.空间光调制器上的复合全息图经过结构光调制器件调制产生的若干束球面波或平面波照射后形成不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经过目镜会聚后形成多个视点，多个视点同时进入人眼，实现了视场角的扩大。

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.利用结构光调制器件与点光源阵列协同作用，高效地生成多个不同角度的平行光束。这种组合使得无需进行繁琐的点光源分时控制和繁复的同步处理步骤，从而实现了高度的操作简便性和技术可行性，并且减轻了系统复杂性，提升了设备的稳定性。

2.利用结构光调制器件产生的不同角度平行光共同照射到加载对应每个角度平行光的子全息图组成的复合全息图的空间光调制器，经过平行光共同照射空间光调制器后衍射产生不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经目镜会聚形成多个视点，多个视点同时进入人眼，扩大像面尺寸，从而达到扩大视场角的目的。

3.根据人眼的视觉特性对像面分辨率进行优化，不同角度的衍射图像光在传播一段距离后在目标平面上部分重叠，重叠区域的分辨率优于未重叠区域。相较于用单一角度平行光照明空间光调制器的方法，本发明方法对目标平面上重建图像的分辨率重新排布，目标图像的分辨率不再是均匀分布，而是中心区域的分辨率高于四周，符合人眼中心凹的视觉特性。

4.在本发明装置中，不同角度的衍射图像光经目镜会聚形成不同视点。由于不同视点的存在，往往需要引入眼动追踪装置，但本发明的不同视点能够全部进入人眼，从而无需复杂的眼动追踪装置。这一设计极大地简化了整个系统的配置，使装置的操作更加便捷与高效。

5.本发明以掩膜函数的形式引入结构光调制器件的概念，通过融合光学硬件和数学模型，在计算层面实现了对结构光的高效模拟，极大地简化了实际装置的设计和实现复杂性，同时也为全息图生成的过程带来了更高的灵活性、可靠性和性能提升。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于一维结构光照明的全息近眼显示装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于发散光照明的结构光多角度照明模块示意图；

图3为本发明实施例提供的基于会聚光照明的结构光多角度照明模块示意图；

图4为本发明实施例1提供的振幅型一维结构光调制器件示意图；

图5为本发明实施例1提供的基于一维结构光照明的大视场角全息近眼显示装置的目标图像重建示意图；

图6为本发明实施例2提供的基于二维结构光照明的全息近眼显示装置的结构示意图；

图7为本发明实施例2中，以矩形光源阵列为例，所对应的结构光多角度照明模块中点光源二维阵列的示意图；

图8为本发明实施例2提供的二维结构光调制器件示意图；

图9为本发明实施例2提供的基于二维结构光照明的大视场角全息近眼显示装置的目标图像重建示意图；

图10为本发明实施例3提供的基于结构光照明并带有中继光学系统的全息近眼显示装置的示意图；

图11为本发明实施例提供的基于结构光照明的全息近眼显示装置和视场角扩大方法的示意流程图；

图中：100为结构光多角度照明模块、101为发散结构光多角度照明模块、102为会聚结构光多角度照明模块，110为点光源阵列、111为点光源、112为单个点光源，120为准直透镜，130为一维结构光调制器件，131为振幅型一维结构光调制器件，140为分束器、150为空间光调制器、160为目镜、170为总控制器、210为二维结构光调制器件、211为振幅型二维结构光调制器件、310为一维或二维结构光调制器件，320为中继光学系统，321为第一中继透镜，322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

一种基于结构光照明用于扩大一维视场角的全息近眼显示装置，如图1所示，包括结构光多角度照明模块100、分束器140、空间光调制器150、目镜160、总控制器170。

所述的结构光多角度照明模块100，用于提供不同角度的照明光，共同照射到空间光调制器的不同区域。所述的结构光多角度照明模块100一般是由点光源阵列110、准直透镜120和结构光调制器件130组成的照明模块。所述的点光源阵列110一般是由多个点光源111组成的一维阵列。所述的点光源阵列110中的每个点光源111可以根据实际需要和系统要求选择合适的数量和排布。所述点光源阵列110可以是一维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列，可以是一维排列的窄带LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源，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。所述点光源111为相干光源，在本发明中所有的点光源是同时点亮的。所述点光源111位于准直透镜120的后焦距处，经过准直透镜120形成宽光束平行光。所述的准直透镜120可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组。

所述的结构光多角度照明模块100也可以是由单个点光源111、准直透镜120、折射棱镜和结构光调制器件130组成的照明模块。所述的点光源111可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源。所述单个点光源111发出的发散球面波经过准直透镜120准直，再经折射棱镜后形成不同角度的平行光，不同角度的平行光通过所述结构光调制器件130后在水平或垂直方向上被分成三束或若干束不同角度的平行光。

所述的结构光多角度照明模块101也可以是由单个点光源112和结构光调制器件130组成的照明模块，如图2所示。所述的点光源112可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源。所述点光源112发出的发散球面波直接照射到所述的结构光调制器件130上，发散球面波经所述结构光调制器件130调制后在水平或垂直方向上被分成若干束不同角度的发散球面波，不同角度的发散球面波经所述分束器140的反射后照射到所述空间光调制器150的不同区域。

所述的结构光多角度照明模块102也可以是由单个点光源112、准直透镜120和结构光调制器件130组成的照明模块，如图3所示。所述的点光源112可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源。所述的点光源112与所述准直透镜120的后焦距位置并不重合，所述点光源112发出的发散球面波经准直透镜120后形成会聚的球面波，会聚的球面波经结构光调制器件130调制后在水平或垂直方向上被分成若干束不同角度的会聚球面波，不同角度的会聚球面波经所述分束器140的反射后照射到所述空间光调制器150的不同区域。

所述的结构光调制器件130可以是包含三条或若干条狭缝的振幅型一维结构光调制器件131，如图4所示。所述结构光调制器件130的占空比由所述点光源111的数量决定，若所述点光源111的数量为n，则所述结构光调制器件130透光与不透光的宽度比例为1：n-1。所述点光源阵列110发出照明光，经过准直透镜120准直后形成不同角度的宽光束平行光，不同角度的宽光束平行光通过振幅型一维结构光调制器件131后在水平或垂直方向上被分成三束或若干束不同角度的平行光。平行光的角度可以由特殊设计的结构光调制器件130控制，也可以由点光源阵列110和准直透镜120共同控制。所述的结构光调制器件130也可以是相位型一维结构光调制器件。

所述的分束器140一般是分束棱镜或平板分束镜，用于将所述结构光多角度照明模块100产生的球面波或平面波反射到空间光调制器150上。所述分束器140前也可以设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器150相匹配。

所述的空间光调制器件150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，对照射到其上的不同角度的球面波或平面波进行相位、振幅或复振幅衍射调制后经分束器140透射到目镜160，经过目镜160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150也可以是透射型空间光调制器。

所述的目镜160将不同角度带有图像信息的衍射光会聚形成不同视点，供人眼观察虚拟图像。所述的目镜160可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

所述的总控制器170，其与空间光调制器150一般通过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150的控制模式，主要用来控制空间光调制器150的显示图像、显示帧率、分辨率等。

在本发明中，所述点光源阵列110中的所有点光源是同时点亮的，点亮产生的照明光经结构光调制器件130调制后形成三束或若干束球面波或平面波，球面波或平面波经过所述分束器140反射后共同照射到所述空间光调制器150的不同区域。所述空间光调制器150加载的全息图由多个子全息图组合而成，每个子全息图与结构光调制器件130调制产生的三束或若干束球面波或平面波对应。每个子全息图经过所述结构光调制器件130调制产生的三束或若干束球面波或平面波照射形成不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经过目镜160会聚后全部进入人眼，衍射图像光在像面上对分辨率重新排布，扩大像面尺寸，如图5所示，从而达到扩大视场角的目的。并且在所述衍射图像光传播过程中，不同角度的衍射图像光在目标平面上部分重叠，H₀区域代表重叠区域，重叠区域的分辨率高于未重叠区域，这符合人眼中心凹的视觉特性。

在本发明中为达到扩大视场角的目的，应该注意的是，不同角度的衍射图像光经过目镜160会聚形成不同的视点，若要使这些不同的视点全部进入人眼，应满足不同视点之间的最大间距小于等于人眼瞳孔的直径d(d一般在2-5mm)。具体描述如下：

以扩大一维视场角为例，如图1所示，目镜160的焦距为f，最外围的衍射图像光与目镜160光轴的夹角为ω，人眼瞳孔直径为d，在此假设不同角度的衍射图像光关于目镜160的光轴对称，则不同视点之间的最大间距应满足：

2ftanω≤d#(1)

因此，目镜焦距和尺寸以及照明光的角度应根据系统要求选择。

实施例2

一种基于结构光照明用于扩大二维视场角的全息近眼显示装置，如图6所示，包括结构光多角度照明模块100、分束器140、空间光调制器150、目镜160、总控制器170。

所述的结构光多角度照明模块100，用于提供不同角度的照明光，共同照射到空间光调制器的不同区域。所述的结构光多角度照明模块100一般是由点光源阵列110、准直透镜120和结构光调制器件210组成的照明模块。所述的点光源阵列110一般是由多个点光源111组成的二维阵列，如图7所示。所述点光源阵列110中的点光源111可以根据实际需要和系统要求选择合适的数量和排布。所述的点光源阵列110的形状可以是矩形，也可以是圆形或其他形状。所述点光源阵列110可以是二维排列的光纤耦合激光器的输出端阵列，可以是二维排列的窄带LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源，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。所述点光源111为相干光源，在本发明中所有的点光源是同时点亮的。所述点光源111位于准直透镜120的后焦距处，经过准直透镜120形成宽光束的平行光。所述的准直透镜120可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组。

所述的结构光多角度照明模块100也可以是由单个点光源111、准直透镜120、折射棱镜和结构光调制器件210组成的照明模块。所述的点光源111可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源。所述单个点光源111发出的发散球面波经过准直透镜准直后，再经折射棱镜后形成不同角度的平行光，不同角度的平行光通过所述结构光调制器件210后在水平或垂直方向上被分成三束或若干束不同角度的平行光。

所述的结构光多角度照明模块100也可以是由单个点光源111和结构光调制器件210组成的照明模块。所述的点光源112可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源。所述点光源111发出的发散球面波直接照射到所述的结构光调制器件210上，发散球面波经所述结构光调制器件210调制后在水平和垂直方向上被分成若干束不同角度的发散球面波，不同角度的发散球面波经所述分束器140的反射后照射到所述空间光调制器150的不同区域。

所述的结构光多角度照明模块100也可以是由单个点光源111、准直透镜120和结构光调制器件210组成的照明模块。所述的点光源111可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源。所述的点光源111与所述准直透镜120的后焦距位置并不重合，所述点光源111发出的发散球面波经准直透镜120后形成会聚的球面波，会聚的球面波经结构光调制器件210调制后在水平和垂直方向上被分成若干束不同角度的会聚球面波，不同角度的会聚球面波经所述分束器140的反射后照射到所述空间光调制器150的不同区域。

所述的结构光调制器件210可以是透光与不透光相间排布的振幅型二维结构光调制器件211，如图8所示。所述结构光调制器件211的占空比由所述点光源111的数量决定。所述点光源阵列110发出照明光，经过准直透镜120准直后形成不同角度的宽光束平行光，不同角度的宽光束平行光通过振幅型二维结构光调制器件211后在水平和垂直方向上被分成若干束不同角度的平行光。平行光的角度可以由特殊设计的结构光调制器件210控制，也可以由点光源阵列110和准直透镜120共同控制。

所述的分束器140一般是分束棱镜或平板分束镜，用于将所述结构光多角度照明模块100产生的球面波或平面波反射到空间光调制器150上。所述分束器140前也可以设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器150相匹配。

所述的空间光调制器件150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，对照射到其上的不同角度的球面波或平面波进行相位、振幅或复振幅衍射调制后经分束器140透射到目镜160，经过目镜160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150也可以是透射型空间光调制器。

所述的目镜160将不同角度带有图像信息的衍射光会聚形成不同视点，供人眼观察虚拟图像。所述的目镜160可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

所述的总控制器170，其与空间光调制器150一般通过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150的控制模式，主要用来控制空间光调制器150的显示图像、显示帧率、分辨率等。

在本发明中，所述点光源阵列110中的所有点光源是同时点亮的，点亮产生的照明光经结构光调制器件210调制后形成若干束球面波或平面波，球面波或平面波经所述分束器140反射后共同照射到所述空间光调制器150的不同区域。所述空间光调制器150加载的全息图由多个子全息图组合而成，每个子全息图与结构光调制器件210调制产生的若干束球面波或平面波对应。每个子全息图经过所述结构光调制器件210调制产生的若干束球面波或平面波照射形成不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经过目镜160会聚后全部进入人眼，衍射的图像光在像面上对分辨率重新排布，扩大像面尺寸，如图9所示，从而达到扩大视场角的目的。并且在所述衍射图像光传播过程中，不同角度的衍射图像光在目标平面上部分重叠，H₀区域代表重叠区域，重叠区域的分辨率高于未重叠区域，这符合人眼中心凹的视觉特性。不同角度的衍射图像光经过目镜160会聚形成不同的视点，若要使这些不同的视点全部进入人眼，应满足不同视点之间的最大间距小于等于人眼瞳孔的直径。

实施例3

一种基于结构光照明用于扩大一维或二维视场角的全息近眼显示装置，如图10所示，包括结构光多角度照明模块100、中继光学系统320、分束器140、空间光调制器150、目镜160、总控制器170。

所述的结构光多角度照明模块100，用于提供不同角度的照明光，共同照射到空间光调制器的不同区域。所述的结构光多角度照明模块100一般是由点光源阵列110、准直透镜120和结构光调制器件310组成的照明模块。所述的结构光多角度照明模块100中的光源可以是一维或二维的点光源阵列110，分别对应视场角的一维和二维扩大，也可以是单个点光源。所述的点光源阵列110中的点光源111和所述的单个点光源可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或是加窄带滤光片的LED点光源。所述点光源111为相干光源，在本发明中所有的点光源是同时点亮的。所述点光源111位于准直透镜120的后焦距处，经过准直透镜120形成宽光束的平行光。所述的准直透镜120可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的准直透镜组。

所述的结构光多角度照明模块100也可以是由单个点光源111、准直透镜120、折射棱镜和结构光调制器件310组成的照明模块。所述的点光源111可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源。所述单个点光源111发出的发散球面波经过准直透镜120准直，再经折射棱镜后形成不同角度的平行光，不同角度的平行光通过所述结构光调制器件310后在水平或垂直或水平垂直两个方向上被分成三束或若干束不同角度的平行光。

所述的结构光多角度照明模块100也可以是由单个点光源111和结构光调制器件310组成的照明模块。所述的点光源111可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源。所述点光源111发出的发散球面波直接照射到所述的结构光调制器件310上，发散球面波经所述结构光调制器件310调制后在水平或垂直方向上被分成若干束不同角度的发散球面波，不同角度的发散球面波经所述分束器140的反射后照射到所述空间光调制器150的不同区域。

所述的结构光多角度照明模块100也可以是由单个点光源111、准直透镜120和结构光调制器件310组成的照明模块。所述的点光源111可以是光纤耦合激光器的输出端，也可以是窄带的LED点光源或加窄带滤光片的LED点光源。所述的点光源111与所述准直透镜120的后焦距位置并不重合，所述点光源111发出的发散球面波经准直透镜120后形成会聚的球面波，会聚的球面波经结构光调制器件310调制后在水平或垂直方向上被分成若干束不同角度的会聚球面波，不同角度的会聚球面波经所述分束器140的反射后照射到所述空间光调制器150的不同区域。

所述的结构光多角度照明模块100中的结构光调制器件310可以是包含三条或若干条狭缝的振幅型一维结构光调制器件131，如图4所示。所述的结构光调制器件310也可以是相位型一维结构光调制器件。所述的结构光调制器件310也可以是透光与不透光相间排布的振幅型二维结构光调制器件211，如图8所示。所述结构光调制器件310的一维或二维类型分别对应视场角的一维或者二维扩大。所述结构光调制器件310的占空比由所述点光源111的数量决定。

所述的中继光学系统320可以是4f光学系统，由两个具有相同焦距f的第一中继透镜321和第二中继透镜322组成，如图10所示。所述中继光学系统320用于收集光线，使能量得到充分利用。所述中继光学系统320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321和具有第二焦距f2的第二中继透镜322组成，用于扩大或者缩小照射到空间光调制器150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。所述的中继光学系统320还可以是由其他光学元件组成的中继光学系统，可以根据特定的功能对其进行定制和设计。

所述的分束器140一般是分束棱镜或平板分束镜，用于将所述结构光多角度照明模块100产生的球面波或平面波反射到空间光调制器150上。所述分束器140前也可以设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器150相匹配。

所述的空间光调制器件150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，对照射到其上的不同角度的球面波或平面波进行相位、振幅或复振幅衍射调制后经分束器140透射到目镜160，经过目镜160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150也可以是透射型空间光调制器。

所述的目镜160将不同角度带有图像信息的衍射光会聚形成不同视点，供人眼观察虚拟图像。所述的目镜160可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

所述的总控制器170，其与空间光调制器150一般通过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150的控制模式，主要用来控制空间光调制器150的显示图像、显示帧率、分辨率等。

在本发明中，所述的结构光多角度照明模块100中的点光源同时点亮，输出若干束不同角度的平面波或球面波，所述中继光学系统320对不同角度的平面波或球面波进行传输。所述中继光学系统320传输的球面波或平面波经过所述分束器140反射后共同照射到所述空间光调制器150的不同区域。所述空间光调制器150加载的全息图由多个子全息图组合而成，每个子全息图与结构光调制器件310调制产生的若干束球面波或平面波对应。每个子全息图经过所述结构光调制器件310调制产生的若干束球面波或平面波照射后形成不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经过目镜160会聚后全部进入人眼，衍射的图像光在像面上对分辨率重新排布，扩大像面尺寸，从而达到扩大视场角的目的。并且在所述衍射图像光传播过程中，不同角度的衍射图像光在目标平面上部分重叠，重叠区域的分辨率高于未重叠区域，这符合人眼中心凹的视觉特性。不同角度的衍射图像光经过目镜160会聚形成不同的视点，若要使这些不同的视点全部进入人眼，应满足不同视点之间的最大间距小于等于人眼瞳孔的直径。

本发明实施例提供的基于结构光照明的全息近眼显示装置和视场角扩大方法的示意流程图，如图11所示，该方法包括如下操作步骤：

第一步：根据不同视点最大间距小于等于人眼瞳孔直径的要求，结合结构光多角度照明模块中点光源数量n和位置以及相应的结构光调制器件，计算出照射到空间光调制器上n束平行光的角度θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_n；

第二步：基于照射到空间光调制器上的n束平行光的角度θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_n利用全息图优化算法分别计算对应每个角度平行光的子全息图H₁，H₂，…，Hi，…，H_n，将计算得到的每个子全息图组合成复合全息图H，具体流程如下：

1.根据结构光调制器件的占空比确定其掩膜函数M_T；

2.用掩膜函数M_T乘上某一角度θ_i的平行光的复振幅来模拟结构光照明；

3.上述经掩膜函数处理后的复振幅即子全息图H_i衍射传播一段距离z后得到目标平面的复振幅U_i；

4.将计算得到的目标平面复振幅U_i与目标图像的复振幅U_target作误差损失函数，后通过梯度下降算法或其他迭代算法优化出子全息图H_i；

第三步：将复合全息图H加载至空间光调制器上，同时点亮结构光多角度照明模块中的点光源，实现不同角度的平行光共同照射空间光调制器的不同区域；

第四步：空间光调制器上的复合全息图经过结构光调制器件调制产生的若干束球面波或平面波照射后形成不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经过目镜会聚后形成多个视点，多个视点同时进入人眼，实现了视场角的扩大。

综上所述，上述实施例提供了一种基于结构光照明的全息近眼显示装置和视场角扩大方法。其中，实施例1通过一维点光源阵列和一维结构光调制器件实现全息近眼显示装置一维视场角的扩大，该全息近眼显示装置包括结构光多角度照明模块、分束器、空间光调制器、目镜和总控制器。结构光多角度照明模块中的点光源同时点亮，不同角度的光束经过准直透镜准直和结构光调制器件调制后共同照射到空间光调制器的不同区域。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产生不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经过目镜会聚后全部进入人眼，衍射图像光在像面上对分辨率重新排布，扩大像面尺寸，从而实现一维视场角的扩大。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。另外，实施例2通过二维点光源阵列和二维结构光调制器件实现全息近眼显示装置二维视场角的扩大，该全息近眼显示装置包括结构光多角度照明模块、分束器、空间光调制器、目镜和总控制器。结构光多角度照明模块中的点光源同时点亮，不同角度的光束经过准直透镜准直和结构光调制器件调制后共同照射到空间光调制器的不同区域。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产生不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经过目镜会聚后全部进入人眼，衍射图像光在像面上对分辨率重新排布，扩大像面尺寸，从而实现二维视场角的扩大。最后，实施例3在实施例1和2的基础上引入中继光学系统，使能量得到充分利用，该全息近眼显示装置包括结构光多角度照明模块、中继光学系统、分束器、空间光调制器、目镜和总控制器。结构光多角度照明模块中的点光源同时点亮，不同角度的光束依次经过准直透镜准直、结构光调制器件调制以及中继光学系统的传输后，共同照射到空间光调制器的不同区域。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产生不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经过目镜会聚后全部进入人眼，衍射图像光在像面上对分辨率重新排布，扩大像面尺寸，从而实现视场角的扩大。相较于用单个角度光束照明空间光调制器的全息近眼显示装置，本发明方法不仅实现了视场角的一维和二维扩大，同时也实现了重建图像分辨率的重新分配，中心区域分辨率高于四周，符合人眼中心凹的视觉特性。

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 (10)

1.一种大视场角全息近眼显示装置，其特征在于，包括：

结构光多角度照明模块，包括至少一个光源、结构光调制器件，用于将所述光源发射的光进行调制，并产生不同角度的平行光，共同照射到空间光调制器上的不同区域；

空间光调制器，用于显示计算机产生的全息图，该全息图由对应每个角度平行光的子全息图组成，以对从所述光源出射、并以不同角度入射的平行光进行空间地调制与衍射；

目镜，用于捕获经所述空间光调制器调制与衍射的不同角度带有图像信息的衍射光，并会聚形成不同视点的衍射虚拟图像光，供人眼观察，且不同视点之间的最大间距2ftanω应满足如下条件：

2ftanω≤d

式中，f为目镜的焦距，ω为最外围衍射图像光与目镜光轴的夹角，d为人眼瞳孔直径。

2.根据权利要求1所述的大视场角全息近眼显示装置，其特征在于，所述结构光多角度照明模块，包括点光源阵列、准直透镜和结构光调制器件，所述点光源阵列是由多个点光源组成的一维阵列或二维陈列，所述点光源位于所述准直透镜的后焦距处，经该准直透镜准直形成宽光束平行光，经所述结构光调制器调制产生不同角度的平行光。

3.根据权利要求1所述的大视场角全息近眼显示装置，其特征在于，所述结构光多角度照明模块，包括单个点光源、准直透镜、折射棱镜和结构光调制器件，所述单个点光源发出的发散球面波经过准直透镜准直，再经所述折射棱镜后形成不同角度的平行光，不同角度的平行光通过所述结构光调制器件后在水平或垂直方向上被分成三束或若干束不同角度的平行光。

4.根据权利要求1所述的大视场角全息近眼显示装置，其特征在于，所述结构光多角度照明模块由单个点光源和结构光调制器件组成，所述点光源发出的发散球面波直接照射到所述的结构光调制器件上，发散球面波经所述结构光调制器件调制后在水平或垂直方向上被分成若干束不同角度的发散球面波。

5.根据权利要求1所述的大视场角全息近眼显示装置，其特征在于，所述结构光多角度照明模块由单个点光源、准直透镜和结构光调制器件组成，所述的点光源与所述准直透镜的后焦距位置并不重合，所述点光源发出的发散球面波经准直透镜后形成会聚的球面波，会聚的球面波经结构光调制器件调制后在水平或垂直方向上被分成若干束不同角度的会聚球面波。

6.根据权利要求2-5任一所述的大视场角全息近眼显示装置，其特征在于，所述结构光调制器件是包含三条或若干条狭缝的振幅型一维结构光调制器件，或者，所述结构光调制器件是透光与不透光相间排布的振幅型二维结构光调制器件，所述结构光调制器件的占空比由所述点光源的数量决定。

7.根据权利要求1-5任一所述的大视场角全息近眼显示装置，其特征在于，还包括分束器，用于将所述结构光多角度照明模块产生的若干束不同角度的球面波或平面波反射到所述空间光调制器的不同区域，经所述空间光调制器件进行相位、振幅或复振幅衍射调制后，沿原路返回至所述分束器，经分束器透射后入射到目镜。

8.根据权利要求1-5任一所述的大视场角全息近眼显示装置，其特征在于，还包括中继光学系统，用于将所述结构光多角度照明模块产生的若干束不同角度的球面波或平面波进行光线，进行扩大或者缩小后，照射到所述空间光调制器上。

9.根据权利要求1-8任一所述的大视场角全息近眼显示装置，其特征在于，还包括总控制器，与所述空间光调制器相连，用来控制所述空间光调制器的显示图像、显示帧率和/或分辨率。

10.一种大视场角全息近眼显示方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.根据不同视点最大间距小于等于人眼瞳孔直径的要求，结合结构光多角度照明模块中点光源数量n和位置以及相应的结构光调制器件，计算出照射到空间光调制器上n束平行光的角度θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_n；

S2.基于照射到空间光调制器上的n束平行光的角度θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_n，计算对应每个角度平行光的子全息图H₁，H₂，…，Hi，…，H_n，将每个子全息图组合成复合全息图H，具体流程如下：

S2.1根据结构光调制器件的占空比确定其掩膜函数M_T；

S2.2用掩膜函数M_T乘上某一角度θ_i的平行光的复振幅来模拟结构光照明；

S2.3上述经掩膜函数处理后的复振幅即子全息图H_i衍射传播一段距离z后得到目标平面的复振幅U_i；

S2.4将计算得到的目标平面复振幅U_i与目标图像的复振幅U_target作误差损失函数后，迭代优化后得到子全息图H_i；

S3.将复合全息图H加载至空间光调制器上，同时点亮结构光多角度照明模块中的点光源，实现不同角度的平行光共同照射空间光调制器的不同区域；

S4.空间光调制器上的复合全息图经过结构光调制器件调制产生的若干束球面波或平面波照射后形成不同角度的衍射图像光，不同角度的衍射图像光经过目镜会聚后形成多个视点，多个视点同时进入人眼，实现了视场角的扩大。