CN218675520U - 一种基于波导的全息成像系统和电子显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种基于波导的全息成像系统和电子显示设备，其中全息成像系统包括：波导，以及设置在所述波导两侧的光源、入耦合光学元件、空间光调制器和出耦合光学元件；其中，所述波导包括楔形部分及平板部分，所述楔形部分用于增大光在所述波导内的反射角度；所述入耦合光学元件用于将所述光源入射至所述波导中的光以一定的角度耦合进所述波导的所述板部分；所述空间光调制器用于动态加载全息图并调制；所述出耦合光学元件，用于使调制后的光耦合出所述波导，继续进行全息重建过程。

Description

一种基于波导的全息成像系统和电子显示设备

技术领域

本实用新型涉及显示系统技术领域，涉及但不限定于基于波导的全息成像系统和电子显示设备。

背景技术

头戴式增强现实显示系统(AR-HMD，Augmented Reality-head Mounted Display)同时将现实世界及虚拟重建的场景投射到观察者的视网膜上，在医学、军事、教育、娱乐等多个领域发展中均具备非常大的促进作用。传统立体显示技术会带来辐辏调节冲突问题，引起使用者的视觉疲劳。与之相比，基于衍射光学的全息显示技术可获得完整、灵活的深度线索，是缓解辐辏调节冲突的最佳方案，也因此被称为最理想的三维重建技术。

然而，由于全息算法的特性以及一些必需的滤波操作，对于AR-HMD来说，全息重建的光学系统过于笨重是限制其应用场景的最大缺陷，这些特性致使近眼全息显示无法投入到实际应用中。

另外，受器件的限制，上述光学系统中空间光调制器的像素化结构会在重建过程中引起零级噪声，若不滤除，观看重建场景时零级噪声对有效的图像存在一定干扰，以及对人眼有较大伤害，但滤除零级波势必会扩大显示系统的体积。

发明内容

本实用新型实施例提供一种基于波导的全息成像系统和电子显示设备，可以有效地解决零级噪声带来的诸多影响，并一定程度上降低了全息重建光学系统的体积。

本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本实用新型实施例提供一种基于波导的全息成像系统，其特征在于，包括：波导，以及设置在所述波导两侧的光源、入耦合光学元件、空间光调制器和出耦合光学元件；其中，所述波导包括楔形部分及平板部分，所述楔形部分用于增大光在所述波导内的反射角度；所述入耦合光学元件用于将所述光源入射至所述波导中的光以一定的角度耦合进所述波导的所述平板部分；所述空间光调制器用于动态加载全息图并调制；所述出耦合光学元件，用于使调制后的光耦合出所述波导，继续进行全息重建过程。

在一些实施例中，所述入耦合光学元件为全息光学元件或衍射光学元件，贴合于所述波导的平板部分表面，与所述光源处于所述波导的对侧。

在一些实施例中，所述空间光调制器为反射式的相位型空间光调制器或反射式的振幅型空间光调制器，贴合于所述波导的平板部分表面；当光波照射到所述空间光调制器上时，所述空间光调制器加载计算生成的全息图并调制光的波前信息，再将调制后的光波反射回所述波导内继续进行全内反射传播。

在一些实施例中，所述空间光调制器与所述入耦合光学元件位于所述波导的同侧或异侧。

在一些实施例中，所述出耦合光学元件为反射型或透射型光学元件，贴合于所述波导的楔形部分；在所述出耦合光学元件为反射型光学元件的情况下，所述出耦合光学元件贴合于人眼视点位置的对侧；在所述出耦合光学元件为透射型光学元件的情况下，所述出耦合光学元件贴合于人眼视点位置的同侧。

在一些实施例中，所述入耦合光学元件的尺寸大于所述空间光调制器的尺寸，且所述出耦合光学元件的尺寸大于所述空间光调制器的尺寸。

在一些实施例中，所述光源包括至少以下之一：准直激光光源、LED阵列光源、OLED阵列光源；其中，在所述光源为阵列光源的情况下，所述光源直接贴合于所述波导的平板部分上。

在一些实施例中，所述波导的整体结构为平板结构或曲面结构。

在一些实施例中，所述光源与所述空间光调制器位于所述波导的同侧或异侧，所述出耦合光学元件与所述空间光调制器位于所述波导的同侧或异侧。

第二方面，本实用新型实施例提供一种电子显示设备，包括全息成像系统，其特征在于，所述全息成像系统为上述第一方面所述的全息成像系统。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本实用新型实施例中，将全息重建中的滤波过程与波导结构结合起来，使得波导通过限制光的传播与调制过程而降低光学系统体积，同时波导采用平板部分与楔形波导的组合，当光由波导的平板部分照射到波导的楔形部分时，反射角增大，包括零级波的一些光由于无法到达出耦合光学元件处，因此可以实现全息显示中的滤波操作，可以有效地解决零级噪声带来的诸多影响，并一定程度上降低了全息重建光学系统的体积，实现了小型化的全息AR显示。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本实用新型实施例提供的一种基于波导的全息成像系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的全息成像系统的光路示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种基于波导的全息成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度及深度的三维空间尺寸。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

全息显示的基本原理是光波的干涉记录与衍射再现，这种显示器能够提供人眼需要的所有深度线索和运动视差信息，从而避免单眼聚焦和双眼汇聚的冲突造成的视觉疲劳，因此被认为是理想的真三维显示技术。

轻薄的光波导与全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)相结合，能够严格地分离虚拟重建图像与真实场景而互不产生干扰，保证了增强现实显示中观察者视野的完整度，可极大程度地降低全息系统的体积。现有的光波导全息成像系统的主要思想是利用波导中光的全内反射特性(Total Internal Reflection，TIR)，让带有光场信息的光以较低损失率在波导中传播。为了将光控制在波导内部传播，该系统采用了耦合光学元件，即上述全息光学元件，负责将光耦合进波导而后在波导中完成全内反射传播，以及在人眼观察处的对应位置将光耦合出波导，接着完成全息重建，将图像投射到人眼中。然而，该结构仅仅是将光的传播过程限制在一个较为纤薄的系统中。就光的调制过程而言，空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)与波导之间始终存在着一定间隔，这使得系统整体的成像结构难以进一步减小。

相关技术中为了降低光系统的尺寸，将阵列光源、入耦合光学元件、反射型空间光调制器、出耦合光学元件集成在光波导上，形成近眼显示器。该显示器结构可以缩小光学系统的尺寸，增大全息成像的视场角，提升用户的观看体验效果。但是该方案仅仅考虑了全息显示中的光的传播以及光的调制部分，并未考虑光被耦出波导后的全息重建以及滤波过程。

受器件的限制，空间光调制器的像素化结构会在重建过程中引起零级噪声，若不滤除，当人眼观看重建的场景时，零级噪声极高的亮度会影响人眼观察的效果，甚至直接伤害人眼，因此，无论采用什么算法计算全息图，滤除零级波是重建光路中必不可少的环节。但矛盾的是，这一步骤势必会扩大显示系统的体积，阻碍了全息显示在头戴式增强现实显示系统中的应用。

本实用新型实施例提供一种基于波导的全息成像系统，针对全息显示在头戴式增强现实显示系统实际应用中的困难，提出了一种基于波导的轻薄全息成像系统，可以有效地解决零级噪声带来的诸多影响，并一定程度上降低了全息重建光学系统的体积。请参阅图1，如图1所示，一种基于波导的全息成像系统，包括：波导11，以及设置在所述波导11两侧的光源12、入耦合光学元件13、空间光调制器14、出耦合光学元件15；其中，所述波导11包括楔形部分及平板部分，所述楔形部分用于增大光在所述波导内的反射角度；所述入耦合光学元件13用于将所述光源12入射至所述波导11中的光以一定的角度耦合进所述波导11的平板部分；所述空间光调制器14用于动态加载全息图并调制；所述出耦合光学元件15，用于使调制后的光耦合出所述波导，继续进行全息重建过程。

图2为本实用新型实施例提供的全息成像系统的光路示意图，如图2所示，在实施中，所述光源12发出的光束照射进波导中，经所述入耦合光学元件13反射后，以一定角度衍射，接着光束将继续在波导11内以相同的角度发生全内反射并向前传播。当光束照射到所述空间光调制器14上时，加载在空间光调制器14上的计算全息图会与传统的全息显示一样调制光的波前信息。光束被调制后再反射到所述波导11中继续传播，当照射到波导11的楔形部分时，反射角增大，包括零级波的一部分光由于无法到达出耦合光学元件15处而不影响人眼的观察，另外一部分光束到达出耦合光学元件15上，由所述出耦合光学元件15将调制后的光束导出所述波导11并进入人眼16。人眼16在对应位置向波导方向观看，由于波导及出耦合光学元件的高度透明特性，可同时观看到全息显示重建的虚拟图像以及现实场景，完成AR(Augmented Reality，增强现实)功能的实现。

其中，所述入耦合光学元件13和所述出耦合光学元件15均是具有一定角度带宽的全息光学元件，可以增大出瞳面积，从而增大全息成像的视场角。设置在波导11楔形部分的出耦合光学元件15破坏在波导中传播的光的全内反射条件，进而使光被耦合出波导，继续接下来的全息重建过程。同时利用波导11的楔形部分使得包括零级波在内的部分光波在波导内部的反射角度增大，以致无法到达出耦合光学元件15处，因此不影响对重建图像的观看。这样，零级噪声被有效地滤除，同时，光被导出波导后的全息重建系统因减少了滤除零级波的步骤，尺寸得到了有效降低。

值得注意的是，图1和图2中示意的是入耦合光学元件13和所述出耦合光学元件15附着在波导11的同侧，实际上二者也可以附着在波导11的异侧，只要准确计算出光的传播路线以使最终的反射光到达所述出耦合光学元件15即可。

在一些实施方式中，所述入耦合光学元件13为全息光学元件或衍射光学元件，贴合于所述波导11的平板部分表面，与所述光源12处于所述波导11的对侧。在实施中，光源12发出的相干光照射至入耦合光学元件13处，以一定的角度耦合或被衍射进波导11内，此角度保证了光波在波导11内继续以全内反射的形式向前传播。

其中，所述入耦合光学元件13为具有角度选择性、波长选择性的反射型入耦合光学元件。在实施中，所述入耦合光学元件13将接收到的光线进行反射，使被反射的光线满足全反射条件，在平板光波导的两个反射面之间多次全反射后传输到空间光调制器14。

在一些实施方式中，所述空间光调制器14为反射式的相位型空间光调制器或反射式的振幅型空间光调制器，贴合于所述波导11的平板部分表面；当光波照射到所述空间光调制器14上时，所述空间光调制器14加载计算生成的全息图并调制光的波前信息，再将调制后的光波反射回所述波导11内继续进行全内反射传播。

在一些实施方式中，所述空间光调制器14与所述入耦合光学元件13位于所述波导的同侧或异侧。

在同侧的情况下，位于波导一侧的所述入耦合光学元件13将接收的光反射到波导的对侧，再由波导的对侧将光再次反射回所述入耦合光学元件13的同侧，经过若干次反射之后最终反射光进入同侧的空间光调制器14中。在异侧的情况下，位于波导11一侧的所述入耦合光学元件13将接收的光反射到波导的对侧，经过若干次反射之后最终反射光进入位于波导11另一侧的空间光调制器14中。

在一些实施方式中，所述出耦合光学元件15为反射型或透射型光学元件，贴合于所述波导11的楔形部分；在所述出耦合光学元件15为反射型光学元件的情况下，所述出耦合光学元件15贴合于人眼视点位置的对侧；在所述出耦合光学元件15为透射型光学元件的情况下，所述出耦合光学元件15贴合于人眼视点位置的同侧。

在一些实施方式中，所述出耦合光学元件15用于将所述空间光调制器14调制后的光线导出波导11或者在导出波导11的同时对光线进行会聚。

这里，出耦合光学元件15既可以只具有耦合光的作用，也可以同时具有会聚透镜的特性。在出耦合光学元件15仅具备耦合光的作用(对应反射型)的情况下，则需要在图2中人眼16的观察位置前添加成像元件，根据空间光调制器14所加载全息图的计算算法，完成对应的成像系统搭建。在出耦合光学元件15为具有反射镜和凸透镜组合的复合型全息光学元件(同时具备耦合光和会聚透镜功能)的情况下，空间光调制器14加载的全息图由诸如GS(Guass-Seidel，高斯赛德尔)迭代算法等得出，则无需在图2中添加任何元件即可完成全息成像。

在一些实施方式中，所述入耦合光学元件13的尺寸大于所述空间光调制器14的尺寸，且所述出耦合光学元件15的尺寸大于所述空间光调制器14的尺寸。

这里，限定入耦合光学元件13的尺寸与出耦合光学元件15的尺寸比空间光调制器15的尺寸大，从而保证加载到空间光调制器15上计算的全息图可以得到充分照射，且带有图像信息的光能够完整地耦出波导11。

在一些实施方式中，所述光源12发出相干光的准直光源，包括至少以下之一：准直激光光源、LED(Light Emitting Diode，发光二极管)阵列光源、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)阵列光源；其中，在所述光源12为阵列光源的情况下，所述光源12直接贴合于所述波导11的平板部分上，从而有效降低系统体积。

在一些实施方式中，所述光源12与所述空间光调制器14位于所述波导11的同侧或异侧，所述出耦合光学元件15与所述空间光调制器14位于所述波导的同侧或异侧。

在本实用新型实施例中，将全息重建中的滤波过程与波导结构结合起来，使得波导通过限制光的传播与调制过程而降低光学系统体积，同时波导采用平板部分与楔形波导的组合来实现全息显示中的滤波操作，可以有效地解决零级噪声带来的诸多影响，并一定程度上降低了全息重建光学系统的体积，实现了小型化的全息AR显示。

在一些实施方式中，所述波导11的整体结构为平板结构或曲面结构。

本实用新型实施例提供另一种基于波导的全息成像系统，如图3所示，波导11为曲面结构，入耦合光学元件11位于波导11上曲率半径较小的部分(相当于上述平板部分)，出耦合光学元件15位于波导11上曲率半径较大的部分(相当于上述楔形部分)。

这样，当光达到波导11的曲率半径较大的部分时，增大了波导11中光的全内反射角度，以损失部分光的方式，使得零级波传播出波导。同时，耦合光学元件的功能也可以继续附加，用来适应特定的观看场景。因此，本实用新型实施例为全息AR显示系统提供了更大的优化空间。

本实用新型实施例提出由两段曲率半径不同的曲面结构组成的波导结构，以损失部分光的利用率为代价，在波导结构中有效地将零级噪声去除，提高了观看体验；同时将滤除零级噪声的操作集成到轻薄的波导中，极大地降低了全息重建系统的尺寸，从而降低了整体成像系统的体积，实现了小型化的全息AR显示。

本申请实施例还提供了电子显示设备，该电子显示设备包括上述的全息成像系统，因此，电子显示设备也具有上述全息成像系统的所有优点，即轻巧便携，同时保证观察者视野的完整度且不易引起视觉疲劳，提升观看体验。本申请实施例提供的电子显示设备例如近眼显示器、头戴式增强现实显示系统等

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于波导的全息成像系统，其特征在于，包括：波导，以及设置在所述波导两侧的光源、入耦合光学元件、空间光调制器和出耦合光学元件；其中，所述波导包括楔形部分及平板部分，所述楔形部分用于增大光在所述波导内的反射角度；所述入耦合光学元件用于将所述光源入射至所述波导中的光以一定的角度耦合进所述波导的所述平板部分；所述空间光调制器用于动态加载全息图并调制；所述出耦合光学元件，用于使调制后的光耦合出所述波导，继续进行全息重建过程。

2.根据权利要求1所述的全息成像系统，其特征在于，所述入耦合光学元件为全息光学元件或衍射光学元件，贴合于所述波导的平板部分表面，与所述光源处于所述波导的对侧。

3.根据权利要求1所述的全息成像系统，其特征在于，所述空间光调制器为反射式的相位型空间光调制器或反射式的振幅型空间光调制器，贴合于所述波导的平板部分表面；当光波照射到所述空间光调制器上时，所述空间光调制器加载计算生成的全息图并调制光的波前信息，再将调制后的光波反射回所述波导内继续进行全内反射传播。

4.根据权利要求3所述的全息成像系统，其特征在于，所述空间光调制器与所述入耦合光学元件位于所述波导的同侧或异侧。

5.根据权利要求1所述的全息成像系统，其特征在于，所述出耦合光学元件为反射型或透射型光学元件，贴合于所述波导的楔形部分；

在所述出耦合光学元件为反射型光学元件的情况下，所述出耦合光学元件贴合于人眼视点位置的对侧；在所述出耦合光学元件为透射型的情况下，所述出耦合光学元件贴合于人眼视点位置的同侧。

6.根据权利要求1至5任一项所述的全息成像系统，其特征在于，所述入耦合光学元件的尺寸大于所述空间光调制器的尺寸，且所述出耦合光学元件的尺寸大于所述空间光调制器的尺寸。

7.根据权利要求1至5任一项所述的全息成像系统，其特征在于，所述光源包括至少以下之一：准直激光光源、LED阵列光源、OLED阵列光源；

其中，在所述光源为阵列光源的情况下，所述光源直接贴合于所述波导的平板部分上。

8.根据权利要求1至5任一项所述的全息成像系统，其特征在于，所述波导的整体结构为平板结构或曲面结构。

9.一种电子显示设备，包括全息成像系统，其特征在于，所述全息成像系统为权利要求1至8任一项所述的全息成像系统。

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