CN205450454U - 一种近眼显示系统及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种近眼显示系统，包括三色光源系统和图像显示系统，图像显示系统的显示元件为透明数字全息显示元件；三色光源系统产生的三色光以高频方式轮流照射到透明数字全息显示元件上，以反射方式激活全息图，相应的，本实用新型还公开了一种头戴显示设备，本实用新型充分利用计算全息技术，使得该近眼显示系统轻巧，并且可实现大视场显示以及通过计算全息实现景深调节。

Description

一种近眼显示系统及头戴显示设备

技术领域

本实用新型涉及近眼显示领域，尤其涉及一种近眼显示系统及头戴显示设备。

背景技术

随着科技的进步，增强现实智能眼镜逐渐出现在大众视野，例如谷歌的GoogleGlass和微软的Hololens。GoogleGlass通过一个投影光学系统将LCOS微显示器上的图像投影，经过一个棱镜和反射镜，通过内置在棱镜中的分光镜将投影的图像反射到用户眼睛。Hololens是将LCOS或者DLP微显示器上的图像通过全息光栅耦合进入波导，并通过波导传输，最后在人眼正前方通过相应的全息光栅耦合输出，投影进入人眼。这两者的近眼显示技术均存在视场较小的问题，前者的视场在14°左右，后者的视场在30°左右，无法满足目前消费类产品的需求。增强现实智能眼镜要想满足消费类产品的需求，大视场成为亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可实现大视场、景深可调的近眼显示系统及头戴显示设备。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种近眼显示系统，包括三色光源系统和图像显示系统，图像显示系统的显示元件为透明数字全息显示元件；三色光源系统产生的三色光以高频方式轮流照射到透明数字全息显示元件上，以反射方式激活全息图。

优选的，三色光源系统中的光源为RGB三色激光光源或RGB三色LED光源。

优选的，所述三色光源系统包括：RGB三色激光光源、合光系统和激光扩束准直系统，RGB三色激光光源发出三色激光，先通过合光系统进行合光，再经过激光扩束准直系统，将三色激光束调制成准直宽光束，照射到透明数字全息显示元件上。

优选的，所述合光系统为合色X立方体棱镜或二向色镜。

相应的，本实用新型还提出一种头戴显示设备，包括微处理器和近眼显示系统，所述近眼显示系统为本实用新型前述的近眼显示系统，所述微处理器与近眼显示系统中的光源系统和图像显示系统相连。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型近眼显示系统是基于计算全息显示技术设计，利用衍射的成像原理，可以将近眼显示的视场做得很大(衍射角可以做得很大)，可突破传统的近眼显示光学系统对视场的限制；

2.本实用新型头戴显示设备采用基于计算全息的近眼显示技术，可以通过算法实现投射图像的景深调节，实现物体显示的三维效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本实用新型近眼显示系统结构示意图；

图2为图1中合光系统结构示意图一；

图3为图1中合光系统结构示意图二。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

全息技术，是虚拟成像技术中的一种，其利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像。

计算全息是建立在数学计算与现代光学的基础上，利用计算机编码制作全息图，它可以全面记录光波的振幅和相位，噪声低，重复性高，可记录任何物体的全息图，甚至可以实现自然界尚不存在的三维物体的立体显示。

本实用新型近眼显示系统的光学结构方案是基于计算全息技术而设计，下面结合附图对本实用新型实施例进行介绍。

本实用新型中的透明数字全息显示元件采用高分辨空间光调制器，例如透明LCD、透明OLED等显示元件。

本实施例近眼显示系统包括三色光源系统和图像显示系统，图像显示系统的显示元件为透明数字全息显示元件；三色光源系统产生的三色光以高频方式轮流照射到透明数字全息显示元件上，以反射方式激活全息图。所述三色光源系统中的光源为可以为RGB三色激光光源，也可以为RGB三色LED光源。透明数字全息显示元件在处理器的控制下，根据显示信息实时改变全息结构，使得通过相干光照明可以复现虚拟物，使人眼可见。具体采用的原理是：照明光束被全息结构衍射生成所需要的虚拟显示光源，该光进入人眼，人即可看见虚拟物。图像显示系统上显示的全息图像是处理器生成的计算全息图像，由于计算全息计算可以全面记录光波的振幅和相位，通过调节生成计算全息图的算法，可以实现将物投影在距离人眼250mm至无限远位置处，因此可以实现近眼显示，并且可以实现景深的调节，本方案所指景深指虚拟图像离人眼距离，即成像深度。

另外，计算全息显示投影出的视场角由数字全息显示元件(空间光调制器)的像素尺寸决定θX_max＝λ/ΔX,θY_max＝λ/ΔY，λ是光源激光波长，ΔX,ΔY分别是空间光调制器的长宽尺寸，θX_max和θY_max是水平方向和垂直方向的最大视场角，以波长为650nm红色激光器为例，当像素尺寸为1μm*1μm时，其视场角可以达到40度左右，因此本实用新型近眼显示系统可实现大视场。

参见图1，为本实用新型实施例近眼显示系统结构示意图，图1中的三色光源系统中的光源为RGB三色激光光源，如图1中的R激光光源1、G激光光源2和B激光光源3，三色光源系统还包括合光系统4和激光扩束准直系统5，RGB三色激光光源发出三色激光，先通过合光系统4进行合光，再经过激光扩束准直系统5，激光扩束准直系统5将三色激光束调制成准直宽光束，照射到透明数字全息显示元件6上，以反射方式激活全息图。激活全息图的原理为：数字全息元件根据显示信息实时改变全息结构，该结构使得照明光束被其衍射生成所需要的虚拟显示光源，虚拟显示光源射入人眼，人眼即可以看见虚拟显示信息。

图1中，合光系统4可以采用合色X立方体棱镜或二向色镜，合色X立方体棱镜结构可参考图2，二向色镜结构可参考图3，合光系统的作用是将红绿蓝三色激光器发出的R、G、B光束的路径组合在相同方向的相同路径上。

图2中合色X立方体棱镜包括R入射面171，G入射面172，B入射面173以及出射面174，两个选择反射表面175和176，红绿蓝三色激光器将各自出射的R、G和B光束分别辐射到入射表面171，172和173，选择反射层形成在选择反射表面175上以反射光束R并且透射光束G和B。另一选择反射层形成在选择反射表面176上以反射光束B并且透射光束R和G。通过三入射表面171，172和173入射的R、G和B光束分别通过出射面174射出，在这个结构中，R、G和B的光束路径重合。

图3为二向色镜示意图，二向色镜又称双色镜，常用于激光技术中，其特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。图3中，177镜对G光完全透过，对R光完全反射；178镜对G光完全透过，对B光完全反射。

本实用新型近眼显示系统全息图复现的具体实现原理为：

某一时刻，绿色光源和蓝色光源关闭，红色光源发出的红色光，以反射的方式照射到透明计算全息显示芯片上，此时透明芯片显示输出的是红色光束记录物的计算全息图，从而显示出图像信息的红光部分。在下一时刻，红色光源和蓝色光源关闭，绿色光源出射的绿色光束激活相应的绿光记录的计算全息图，从而投影出图像信息的绿光部分。同理，可以投影出图像信息的蓝光部分，当计算全息图和光源的切换速率可以足够快，由于人眼的视觉暂留效应，人眼就可以看见三色叠加的彩色图像信息。同时人眼还可以透过透明显示元件看到真实的外界环境，实现增强现实的效果。

本实用新型近眼显示系统充利用了计算全息技术，使得该近眼显示系统轻巧，并且可实现大视场显示以及通过计算全息实现景深调节，因此可以广泛应用于智能眼镜或者头戴显示设备领域。

为此，本实用新型还提出一种包含本实用新型近眼显示系统的头戴显示设备，包括微处理器和近眼显示系统，所述微处理器与近眼显示系统中的光源系统和图像显示系统相连，提供光调制、全息计算以及操作系统载入等功能。另外硬件方面，头戴显示设备还可以集成可充电电池、耳机、通讯芯片、wifi模块，蓝牙等模块中的一种或多种，实现和其他智能设备互联，如智能手机，电脑等。软件方面，头戴显示设备可配置图像识别系统和交互系统，图像识别系统通过对外界图像的识别，可以很好的将虚拟图像和真实环境进行融合，交互系统允许人通过手势或者眼球控制输入相应的操作信息。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括三色光源系统和图像显示系统，图像显示系统的显示元件为透明数字全息显示元件；三色光源系统产生的三色光以高频方式轮流照射到透明数字全息显示元件上，以反射方式激活全息图。

2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，三色光源系统中的光源为RGB三色激光光源或RGB三色LED光源。

3.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述三色光源系统包括：RGB三色激光光源、合光系统和激光扩束准直系统，RGB三色激光光源发出三色激光，先通过合光系统进行合光，再经过激光扩束准直系统，将三色激光束调制成准直宽光束，照射到透明数字全息显示元件上。

4.权利要求3所述的近眼显示系统，其特征在于，所述合光系统为合色X立方体棱镜或二向色镜。

5.一种头戴显示设备，包括微处理器和近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统为权利要求1至4任一项所述的近眼显示系统，所述微处理器与近眼显示系统中的光源系统和图像显示系统相连。