CN216351537U

CN216351537U - 一种全息近眼三维显示系统

Info

Publication number: CN216351537U
Application number: CN202121579872.XU
Authority: CN
Inventors: 曾震湘; 薛翰聪
Original assignee: Jitong Technology Beijing Co ltd
Current assignee: Jitong Technology Beijing Co ltd
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2031-07-12

Abstract

本申请实施例公开了一种全息近眼三维显示系统。该系统包括：控制模块、光源、空间光调制器、凹面半透半反镜和分光镜；控制模块，用于将三维图像信息计算成二维全息图，并将二维全息图发送至空间光调制器；光源，用于出射发散光，将发散光入射至空间光调制器；空间光调制器，用于对发散光进行调制，将二维全息图衍射成三维成像光束；分光镜，用于将三维成像光束反射至凹面半透半反镜，经凹面半透半反镜将三维成像光束反射进入人眼。本技术方案，通过全息算法将三维图像信息计算为二维全息图，加载到空间光调制器上，利用空间光调制器的调制能力，将三维成像光束像投射至人眼。能够消除三维成像光束的色差，提高成像质量，实现轻量化全息近眼显示。

Description

一种全息近眼三维显示系统

技术领域

本申请实施例涉及全息近眼三维显示技术领域，尤其涉及一种全息近眼三维显示系统。

背景技术

目前，近眼AR显示技术主要采用OLED(Organic Light-Emitting Diode)和LCos(Liquid Crystal on Silicon)等屏幕，所提供的像源为二维图像，三维图像显示效果需通过双目视差技术来实现，不可避免的造成双目辐辏调节与视觉屈光调节不匹配，从而产生视觉疲劳。

全息三维显示技术作为一种真三维显示技术，能够完整地记录和重建三维物体的光场，提供人眼视觉系统所需的全部信息。

目前，动态的全息三维显示一般由空间光调制器的来实现，但由于在实现过程中需要消除多级衍射像，导致显示系统比较大，只能在实验台上实现，难以实现轻量化的头戴式全息近眼显示系统。

实用新型内容

本申请实施例提供一种全息近眼三维显示系统，通过全息算法将三维图像信息计算为二维全息图，加载到空间光调制器上，利用空间光调制器的调制能力，将三维成像光束像投射至人眼。能够消除三维成像光束的色差，提高成像质量，实现轻量化全息近眼显示。

第一方面，本申请实施例提供了一种全息近眼三维显示系统，该系统包括：控制模块、光源、空间光调制器、凹面半透半反镜和分光镜；

所述控制模块，用于将三维图像信息计算成二维全息图，并将所述二维全息图发送至所述空间光调制器；

所述光源，用于出射发散光，将所述发散光入射至所述空间光调制器；

所述空间光调制器，用于对所述发散光进行调制，将所述二维全息图衍射成三维成像光束；

所述分光镜，用于将所述三维成像光束反射至所述凹面半透半反镜，经所述凹面半透半反镜将所述三维成像光束反射进入人眼。

本申请实施例所提供的技术方案，控制模块，用于将三维图像信息计算成二维全息图，并将二维全息图发送至空间光调制器；光源，用于出射发散光，将发散光入射至空间光调制器；空间光调制器，用于对发散光进行调制，将二维全息图衍射成三维成像光束；分光镜，用于将三维成像光束反射至凹面半透半反镜，经凹面半透半反镜将三维成像光束反射进入人眼。本技术方案，通过全息算法将三维图像信息计算为二维全息图，加载到空间光调制器上，利用空间光调制器的调制能力，将三维成像光束像投射至人眼。能够消除三维成像光束的色差，提高成像质量，实现轻量化全息近眼显示。

附图说明

图1是本申请实施例一提供的全息近眼三维显示系统的结构示意图；

图2是本申请实施例一提供的另一全息近眼三维显示系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或系统。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于系统、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

图1是本申请实施例一提供的全息近眼三维显示系统的结构示意图，本实施例可适用于轻量化全息近眼三维显示的情况，该系统可集成于用于三维图像显示的智能终端等设备中。

如图1所示，所述全息近眼三维显示系统包括：控制模块110、光源120、空间光调制器130、凹面半透半反镜140和分光镜150；

所述控制模块110，用于将三维图像信息计算成二维全息图，并将所述二维全息图发送至所述空间光调制器130；

所述光源120，用于出射发散光，将所述发散光入射至所述空间光调制器130；

所述空间光调制器130，用于对所述发散光进行调制，将所述二维全息图衍射成三维成像光束；

所述分光镜150，用于将所述三维成像光束反射至所述凹面半透半反镜140，经所述凹面半透半反镜140将所述三维成像光束反射进入人眼。

其中，空间光调制器130是指在主动控制下通过液晶分子调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，或是实现非相干或相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。它可以方便地将信息加载到一维或二维的光场中，利用光的宽带宽，多通道并行处理等优点对加载的信息进行快速处理。它是构成实时光学信息处理、光互连、光计算等系统的核心器件。

在本方案中，凹面半透半反镜140具有一半穿透、一半反射，拥有低吸收的特性。凹面半透半反镜140的反射面型可以为球面、非球面、圆锥曲面、自由曲面及其他能实现光束会聚功能的光学面。

在本实施例中，控制模块110利用预设全息算法将三维图像信息计算成二维全息图。输出加载到空间光调制器130，并同步控制光源120发光，光源120出射的发散光入射至空间光调制器130，空间光调制器130对发散光进行调制，反射衍射出的三维成像光束经过由分光镜150和凹面半透半反镜140构成的BB结构光学模块后，进入人眼，从而使人眼观察到虚拟的三维图像信息。同时外部环境的光束可透过由凹面半透半反镜140和分光棱镜150组成的BB结构光学系统进入人眼。其中，BB结构光学模块由分光镜150和凹面半透半反镜140构成，可以减小显示系统的体积，实现轻量化的全息近眼显示。且由于BB结构为几何反射式结构，因此能够消除三维图像的色差，提高三维图像的成像质量。

在本技术方案中，可选的，所述控制模块110包括光源驱动单元和空间光调制器驱动单元；

所述光源驱动单元，用于驱动光源出射发散光，将所述发散光入射至空间光调制器；

所述空间光调制器驱动单元，用于驱动所述空间光调制器，以对所述发散光进行调制，将所述二维全息图衍射成三维成像光束。

在本实施例中，光源驱动单元可以是软件驱动单元，也可以是硬件驱动单元。用于驱动光源出射发散。空间光调制器驱动单元也可以是软件驱动单元，或硬件驱动单元，用于驱动空间光调制器。

在本方案中，控制模块110还包括主控制单元和全息图计算单元。主控制单元，与全息图计算单元、空间光调制器驱动单元以及光源驱动单元连接，用于控制全息图计算单元、空间光调制器驱动单元以及光源驱动单元工作；全息图计算单元，用于利用预设全息算法将获得的三维图像信息计算成二维全息图，并通过主控制单元将二维全息图发送至空间光调制器。

通过使用光源驱动单元对光源进行驱动和使用空间光调制器驱动单元对空间光调制器进行驱动，可以利用空间光调制器的调制能力，将三维成像光束像投射至人眼。能够消除三维成像光束的色差，提高成像质量，实现轻量化全息近眼显示。

在本技术方案中，可选的，所述控制模块110还包括控制程序界面单元、外部通信接口单元以及存储单元；

所述控制程序界面单元，用于提供人机接口界面；

所述外部通信接口单元，用于接收外部发送的三维图像信息；

所述存储单元，用于预先存储三维图像信息。

其中，外部通信接口单元可以包括视频有线接口、数据有线接口、无线接口、蓝牙接口以及红外接口等，用于接收外部数据。

可以理解的，控制模块110可以从外部通信接口单元或存储单元中获取三维图像信息，以实现三维图像信息的全息近眼显示。

将三维图像信息提供给控制模块，通过全息算法将三维图像信息中的强度信息和深度信息计算到普通的二维全息图中，可以实现三维图像信息的全息图计算。

在本技术方案中，可选的，所述光源120为点光源；所述点光源出射光束为发散球面光。

其中，点光源可以是指从一个点向周围空间均匀发光的光源。

采用点光源作为全息近眼三维显示系统的光源，不仅节约了资源，还保护了环境。

在本技术方案中，可选的，所述光源120包括具有相干性的单色激光光源、彩色激光光源、单色LED光源以及彩色LED光源中的至少一种。

其中，激光光源是指利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源。是一种相干光源。LED(Light Emitting Diode)光源为发光二极管光源。此种光源具有体积小、寿命长、效率高等优点。

通过采用各具有相干性的光源，可以提高成像质量，实现轻量化全息近眼显示。

在本技术方案中，可选的，所述空间光调制器130包括反射式空间光调制器和透射式空间光调制器中的至少一种；其中，所述空间光调制器130的调制方式为振幅调制和/或相位调制。

其中，反射式空间光调制器是LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示屏)与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)集成电路有机结合的反射型新型显示技术，反射式液晶光阀具有高对比度、高光效、高分辨率、省电等诸多优势。反射式的空间光调制器不仅可以对振幅进行调制，而且可以实现纯相位调制。透射式液晶光阀是利用薄膜晶体管的有源矩阵型的液晶板外加其配套的驱动电路组成的。和驱动配套控制配套可以方便的实现和计算机的标准接口传输调制信息。从而实现控制空间光的振幅或相位变化。

利用空间光调制器的相位调制能力，可以投射出具备真实景深信息的三维图像，从而消除人眼的视觉疲劳。

图2是本申请实施例一提供的另一全息近眼三维显示系统的结构示意图，如图2所示，另一全息近眼三维显示系统包括控制模块210、光源220、空间光调制器240以及凹面半透半反镜270。控制模块210与控制模块110相同，光源220与光源120相同，空间光调制器240与空间光调制器130相同，凹面半透半反镜270与凹面半透半反镜140相同。

可选的，所述系统还包括第一分光镜230和透镜组250；

所述第一分光镜230，用于将发散光反射向上传播，经所述透镜组250调整为平行光，入射至所述空间光调制器240；

所述空间光调制器240，还用于对所述平行光进行调制，将二维全息图衍射成三维成像光束。

在本方案中，由控制模块210利用预设全息算法将三维图像信息计算成二维全息图，输出加载到空间光调制器240。并同步控制光源220发光，光源220出射的发散光由第一分光镜230反射向上传播，经透镜组250调整为平行光，入射指空间光调制器240。由空间光调制器240对平行光进行调制，反射衍射出的三维成像光束。

在本技术方案中，可选的，所述系统还包括光阑260和第二分光镜280；

所述透镜组250，用于将所述三维成像光束传播至所述光阑260；

所述光阑260，用于对所述三维成像光束进行处理，滤除衍射像干扰和零级像干扰，得到滤波后的三维成像光束，并将所述滤波后的三维成像光束反射至所述第二分光镜280；

所述第二分光镜280，用于将所述滤波后的三维成像光束反射至凹面半透半反镜270，经所述凹面半透半反镜270将所述滤波后的三维成像光束反射进入人眼。

在本实施例中，反射衍射出的三维成像光束后，由透镜组250将三维成像光束传播至光阑260，光阑260对三维成像光束进行处理，得到滤波后的三维成像光束，并反射至第二分光镜280，第二分光镜280将滤波后的三维成像光束反射至凹面半透半反镜270，经凹面半透半反镜270将滤波后的三维成像光束反射进入人眼。同时外部环境的光束可透过由凹面半透半反镜270和第二分光棱镜280组成的BB结构光学模块进入人眼。

在本方案中，由透镜组250、光阑260、凹面半透半反镜270以及第二分光镜280构成BB结构式4F光学模块，可以用来拓展全息近眼显示系统的视场角，同时增大显示系统的出瞳距离。示例性的，若透镜组250的焦距为f₁，凹面半透半反镜270的焦距为f₂，透镜组250和凹面半透半反镜270之间的距离为f₁+f₂，视场角的放大倍数为f₁/f₂。若空间光调制器240和透镜组250之间的距离为S₁，则出瞳距离S₂。可表示为S₂＝f₂+(f₂/f₁)²·(f₁-S₁)，S₁越小，出瞳距离S₂越大。为了扩大近眼显示系统的出瞳距离S₂，可以使空间光调制器240和透镜组250之间的距离S₁<f₁。

由透镜组、光阑、凹面半透半反镜以及第二分光镜构成BB结构式4F光学模块，可以滤除空间光调制器产生的多级衍射像，同时还可以拓展全息近眼显示系统的视场角，且有利于增大显示系统的出瞳距离。

在本技术方案中，可选的，所述控制模块210还包括光阑驱动单元；

所述光阑驱动单元，用于驱动所述光阑，以用于对所述三维成像光束进行处理。

其中，光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。它可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏。其作用可分两方面，限制光束或限制视场大小。

通过光阑驱动单元驱动光阑，可以滤除空间光调制器产生的多级衍射像，同时还可以拓展全息近眼显示系统的视场角。

在本技术方案中，可选的，所述透镜组250安装在空间光调制器240的下方；所述第一分光镜230安装在所述透镜组250的下方；所述光阑260安装在所述透镜组250的傅里叶变换面上。

其中，将光阑260位于透镜组250的傅里叶变换面上，通过设计相应的孔径光阑或采用液晶可调光阑，可以滤除多级衍射像以及零级像对成像的干扰，提高三维图像的成像质量，并且可进一步拓展近眼显示系统的视场角。

在本方案中，第一分光镜230将光源220出射的发散光反射向上传播，经透镜组250调整为平行光，入射至空间光调制器240。空间光调制器240对平行光进行调制，将二维全息图衍射成三维成像光束经透镜组250传播至光阑260。

采用BB结构式4F光学模块，将三维图像投射到人眼，从而简化光学结构，消除三维图像的色差，滤除多级衍射像，实现适合头戴的轻量化全息近眼显示。

本申请实施例所提供的技术方案，控制模块，用于将三维图像信息计算成二维全息图，并将二维全息图发送至空间光调制器；光源，用于出射发散光，将发散光入射至空间光调制器；空间光调制器，用于对发散光进行调制，将二维全息图衍射成三维成像光束；分光镜，用于将三维成像光束反射至凹面半透半反镜，经凹面半透半反镜将三维成像光束反射进入人眼。通过执行本技术方案，通过全息算法将三维图像信息计算为二维全息图，加载到空间光调制器上，利用空间光调制器的调制能力，将三维成像光束像投射至人眼。能够消除三维成像光束的色差，提高成像质量，实现轻量化全息近眼显示。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种全息近眼三维显示系统，其特征在于，所述系统包括控制模块、光源、空间光调制器、凹面半透半反镜和分光镜；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块包括光源驱动单元和空间光调制器驱动单元；

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制模块还包括控制程序界面单元、外部通信接口单元以及存储单元；

所述控制程序界面单元，用于提供人机接口界面；

所述存储单元，用于预先存储三维图像信息。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源为点光源；所述点光源出射光束为发散球面光。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光源包括具有相干性的单色激光光源、彩色激光光源、单色LED光源以及彩色LED光源中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空间光调制器包括反射式空间光调制器和透射式空间光调制器中的至少一种；其中，所述空间光调制器的调制方式为振幅调制和/或相位调制。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第一分光镜和透镜组；

所述第一分光镜，用于将发散光反射向上传播，经所述透镜组调整为平行光，入射至所述空间光调制器；

所述空间光调制器，还用于对所述平行光进行调制，将二维全息图衍射成三维成像光束。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括光阑和第二分光镜；

所述透镜组，用于将所述三维成像光束传播至所述光阑；

所述光阑，用于对所述三维成像光束进行处理，滤除衍射像干扰和零级像干扰，得到滤波后的三维成像光束，并将所述滤波后的三维成像光束反射至所述第二分光镜；

所述第二分光镜，用于将所述滤波后的三维成像光束反射至凹面半透半反镜，经所述凹面半透半反镜将所述滤波后的三维成像光束反射进入人眼。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制模块还包括光阑驱动单元；

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述透镜组安装在空间光调制器的下方；所述第一分光镜安装在所述透镜组的下方；所述光阑安装在所述透镜组的傅里叶变换面上。