TWI816370B - 一種光學系統和瞄準設備 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示光學系統和瞄準設備。光學系統包括：具有相對的第一表面和第二表面的波前調製元件，波前調製元件的所述第一表面用於接收不具有完整平面波前的第一光波，波前調製元件的第二表面用於出射經過波前調製元件對第一光波進行光束整形的具有完整平面波前的第二光波。瞄準設備包括殼體和設置在殼體中的光學系統。本發明實施例的光學系統，可降低光學系統各元件尺寸約束，同時保證圖像品質不降低。

Description

一種光學系統和瞄準設備
本發明屬於光電子技術領域，特別涉及一種光學系統和瞄準設備。
波導承載入射光柵和出射光柵構成的光學系統被應用到了很多領域。在這樣的光學系統中，光線通過入射光柵入射到波導，入射到波導內的光線為平行光，平行光在波導內傳播，當平行光傳播到出射光柵時被耦合出波導。耦合出波導的光線在不具有完整平面波的情況下，影像品質不高。
本發明的實施例提供了一種光學系統和瞄準設備，該光學系統包括：具有相對的第一表面和第二表面的波前調製元件，波前調製元件的第一表面設置為接收不具有完整平面波前的第一光波，波前調製元件的第二表面設置為出射經過波前調製元件對非完整平面波前進行光束整形的具有完整平面波前的第二光波。瞄準設備包括殼體和設置在殼體中的上述光學系統。
本發明的目標，和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對所屬技術領域中具有通常知識者而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書，申請專利範圍，以及圖式中所特別指出的結構來實現和獲得。
以下將結合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，借此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成相應技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。本發明實施例以及實施例中的各個特徵，在不相衝突前提下可以相互結合，所形成的技術手段均在本發明的保護範圍之內。
請參考圖1，H1為耦合輸入光柵，H2為耦合輸出光柵，耦合輸出光柵H2具有圖像。耦合輸入光柵H1和耦合輸出光柵H2分別貼合在波導300′的同一面。耦合輸入光柵H1、耦合輸出光柵H2和波導300′組成光學系統。平行光入射到耦合輸入光柵H1，並通過耦合輸入光柵H1耦合進入波導300′，平行光在波導裡進行全反射傳輸。平行光到達耦合輸出光柵H2時，耦合輸出光柵H2將平行光從波導300′耦合出射到人眼。從耦合輸出光柵H2出射的平行光的範圍稱為眼盒Eyebox。其中，入射的平行光的光束寬度PD與出射的平行光的光束寬度PD一致，光線在波導300′中傳輸的角度為θ，光線在波導300′中傳輸的全反射週期為 是波導300′的厚度。
上述光學系統可以應用在波導全息瞄準設備中，從波導300′中輸入到耦合輸出光柵H2表面的光線需要具有平面波前（wavefront），此時耦合輸出光柵H2才可以在遠場處無畸變清晰地衍射出圖像（因為記錄時採用的是平面波），平面波前代表光波的相位分佈為線性分佈。通常人眼觀察要求較大的眼盒Eyebox尺寸，例如25mm*25mm，為了保證平面波前，因此要求波導300′上的耦合輸入光柵H1需要和耦合輸出光柵H2的尺寸一樣大，也即是25mm*25mm，且波導300′中傳播的平行光的光束寬度PD在耦合輸入光柵H1表面和耦合輸出光柵H2表面的口徑要一樣大，傳輸的全反射週期為L要大於等於入射平行光的光束寬度PD，傳輸的全反射週期L與波導300′的厚度D有關。如果波導300′中傳輸的角度θ不改變，則還要求波導300′的厚度D較厚才可以保證平面波前。這些因素都導致為了獲取足夠好的圖像品質和足夠的眼盒Eyebox，必須要增加光學系統中各元件的橫向尺寸或縱向尺寸，這無疑導致光學系統體積大的缺點。如果平面波前無法保證，則最終得到的圖像將產生畸變和模糊，影響最終瞄準的效果。
為了提供一種新的可降低光學系統各元件尺寸約束的手段，解決波導瞄準設備中的以上問題，且可以同時保證圖像品質不降低，本發明實施例公開了一種光學系統，其包括：具有相對的第一表面和第二表面的波前調製元件500，波前調製元件500的第一表面設置為接收不具有完整平面波前的第一光波，波前調製元件500的第二表面設置為出射經過波前調製元件500對第一光波進行光束整形的具有完整平面波前的第二光波。
波前調製元件500對不具有完整平面波前的第一光波進行光束整形，可以通過對第一光波的振幅和相位進行光束整形得到第二光波，第二光波具有完整平面波前。通過波前調製元件500的第二表面出射的第二光波可以設置為照射圖層元件600（傅立葉全息圖），圖層元件600設置為接收第二光波並呈現圖層元件600記錄的圖像，圖層元件600可以高品質呈現圖像。由於波前調製元件500可以將不具有完整平面波前的第一光波調製為具有完整平面波前的第二光波，波前調製元件500可以配合出射不具有完整平面波前的第一光波的光學系統使用，出射不具有完整平面波前的第一光波的光學系統的尺寸則不受橫向尺寸或縱向尺寸的限制，這樣的光學系統的體積可以更加緊湊。
在一些實施例中，第一光波包括多個分段的平面波，多個分段的平面波中的至少兩個相鄰的平面波部分交疊。分段的平面波不具有完整平面波前，例如，圖2示出的光學系統，光學系統包括波導300，以及貼合在波導300同一面的耦合輸入光柵401和耦合輸出光柵402。平行光入射到耦合輸入光柵401，並通過耦合輸入光柵401耦合進入波導300，平行光在波導300裡進行全反射傳輸。平行光到達耦合輸出光柵402時，耦合輸出光柵402將平行光從波導300耦合出射到人眼。從耦合輸出光柵402出射的平行光的範圍稱為眼盒Eyebox。入射的平行光的光束寬度PD可以大於光線在波導300中傳輸的全反射週期為 ，光線在波導300中傳輸的角度為θ，D是波導300的厚度。通過耦合輸出光柵402出射的第一光波中，包括第一分段的平面波（1st）和第二分段的平面波（2nd），第一分段的平面波和第二分段的平面波發生交疊，第一光波的光束複振幅場包括了兩個分段的平面波的和，每個分段的平面波場具有不同振幅和不同相位的總的波場。
第一分段的平面波具有平面波波前 ，其中， 為第一分段的平面波在 位置處的振幅分佈， 為第一分段的平面波在 位置處的相位分佈。第二分段的平面波具有平面波波前 ，其中， 為第二分段的平面波在 位置處的振幅分佈， 為第二分段的平面波在 位置處的相位分佈。第一光波的波前 ， 為第一光波在 位置處的振幅分佈， 為第一光波在 位置處的相位分佈。通過對第一光波的振幅和相位進行光束整形，波前調製元件500可以將不具有完整平面波前的第一光波調製為具有完整平面波前的第二光波。
在一些實施例中，為了增加使用舒適度，可以增加眼盒Eyebox的尺寸，例如通過在波導300中對光束進行多次擴展，第一光波不具有完整平面波前，第一光波為 ，其中， 為第 個分段的在 位置處的光波， 為第一光波在 位置處的振幅分佈， 為第一光波在 位置處的相位分佈。為了使經波前調製元件500的第二表面出射的第二光波具有平面波前，第二光波為 ，其中， 為常數， 為正比例函數，波前調製元件500具有複振幅透過率 ，其中，波前調製元件500的振幅透過率分佈 ，波前調製元件500的相位分佈 ，其中， 為整數。
經波前調製元件500的第二表面出射的第二光波 ，為了保證出射的第二光波為平面波前，要求 的振幅為常數， 的相位為線性相位，也即是： 。其中， 為常數， 為正比例函數，例如， ， 為波數， 為入射到圖層元件600的角度，當正入射時， 。圖層元件600的記錄光的波前相位分佈為 。波前調製元件500在每一個位置 上達到複振幅透過率為 的調製，其中，波前調製元件500的振幅透過率 ，波前調製元件500的相位分佈 ， 為相位設計自由度，其不影響相位調整的效果。
在一些實施例中，圖層元件600接收第二光波並呈現圖層元件600記錄的圖像。圖層元件600（傅立葉全息圖）可以通過平面波前記錄。記錄傅立葉全息圖，選擇平面波，一方面在於平面波容易獲取，另一方面原因在於平面波前可以附加常數相位，因而實際使用時，只需要入射到全息圖上角度正確即可。經波前調製元件500調製出射的第二光波 為平面波前，當其照射到圖層元件600上時，便可以獲得物體的傅立葉頻譜光 ，圖層元件600記錄光的波前相位分佈為 ，因而人眼便可以觀察到圖像強度分佈 ，也即是： ，FT為傅立葉變換過程，||為求模運算。
在一些實施例中，波前調製元件500可以通過全息製作工藝加工而成。利用全息製作工藝使波前調製元件500具有複振幅透過率 。
在一些實施例中，參考圖3，波前調製元件500包括第一光學元件501和第二光學元件502，第一光學元件501具有振幅透過率分佈 ，第二光學元件502具有相位分佈 。波前調製元件500可以是通過兩個光學元件分別對振幅和相位進行調製。第一光學元件501和第二光學元件502可以是利用全息製作工藝製成。
在一些實施例中，第一光學元件501和第二光學元件502貼合在一起，第一表面位於第一光學元件501的遠離第二光學元件502的一側或位於第二光學元件502的遠離第一光學元件501的一側，第二表面位於第二光學元件502的遠離第一光學元件501的一側或位於第一光學元件501的遠離第二光學元件502的一側。第一光學元件501設置為對振幅進行調製，第二光學元件502設置為對相位進行調製。第一光波可以先進入第二光學元件502進行相位調製，然後再進入第一光學元件501進行振幅調製得到第二光波，或者，第一光波可以先進入第一光學元件501進行振幅調製，然後再進入第二光學元件502進行相位調製得到第二光波。
在一些實施例中，參考圖4和圖5，光學系統包括波前調製元件500以及光源101、耦合輸入元件401、波導300、耦合輸出光柵402、圖層元件600。光源101設置為發射光線；耦合輸入元件401設置為接收光源101發射的光線並將光線折轉；波導300設置為接收耦合輸入元件401折轉的光線並在波導300內以大於全反射角的方式傳播光線；耦合輸出光柵402設置為將波導300內傳播的光線耦合出波導300，波導300出射的光線為第一光波；圖層元件600設置為接收第二光波並呈現圖層元件600記錄的圖像。第一光波被波前調製元件500調製形成第二光波，第二光波照射到圖層元件600，圖像進入人眼700，人眼700可以觀察到清晰無畸變的圖像701。
耦合輸入元件401將光源101發射的光線折轉為平行光射入波導300中，平行光在波導300中傳播直到遇到耦合輸出光柵402將平行光耦合出波導300。通過耦合輸出光柵402出射的第一光波可以不具有完整平面波前，因此耦合輸入元件401和耦合輸出光柵402的光束尺寸不要求一致，耦合輸出光柵402的表面光束的口徑可以遠大於耦合輸入元件401的表面光束輸入口徑，光線在波導300內傳輸的全反射週期為L可小於入射光束的寬度PD，參考圖2，兩次擊中耦合輸出光柵402的光束可以發生交疊，最終從耦合輸出光柵402表面的出射光線不具有完整平面波前（而是分段的）。光學系統的各元件的尺寸可以減小，光學系統的整體體積可以更加緊湊，例如，有效降低對耦合輸入元件401的尺寸，波導300厚度，以及常產生輸入光的準直系統的體積，同時圖層元件600出射的影像品質也能得到保證。
其中，耦合輸入元件401和耦合輸出光柵402分別與波導300的至少一個平面平行設置。例如，耦合輸入元件401為耦合輸入光柵時，耦合輸入光柵和耦合輸出光柵402分別與波導300的兩個相對的平面平行設置，或者，耦合輸入光柵和耦合輸出光柵402均與波導300的一個平面平行設置。耦合輸入元件401和耦合輸出光柵402均與波導300貼合設置。例如，耦合輸入元件401為耦合輸入光柵時，耦合輸入光柵可以和耦合輸出光柵402貼合在波導300的一面（參考圖4），耦合輸入光柵也可以和耦合輸出光柵402分別貼合在波導300的兩面。耦合輸入光柵可以和耦合輸出光柵402貼合在波導300靠近人眼700的一面，耦合輸入光柵也可以和耦合輸出光柵402貼合在波導300遠離人眼700的一面。
波前調製元件500和圖層元件600設置在靠近人眼700的一側。波前調製元件500和圖層元件600平行設置。波前調製元件500和耦合輸出光柵402平行設置。如果耦合輸出光柵402設置在波導300的靠近人眼700的一側，則波前調製元件500的第一表面可以貼合在耦合輸出光柵402上。耦合輸出光柵402可以設置在波導300的遠離人眼700的一側，波前調製元件500的第一表面可以與波導300有預定間隔。
波導300可以是透明光學塑膠或者玻璃材質，其具有折射率n,光線在波導300的傳輸角度θ滿足 ，光線可以在波導300中以全反射的方式傳播。耦合輸出光柵402、波前調製元件500和圖層元件600均可以透射環境光，人眼700可以通過波導300、耦合輸出光柵402、波前調製元件500和圖層元件600看到真實環境光。
在一些實施例中，波前調製元件500的第二表面與圖層元件600貼合設置。波前調製元件500的第二表面出射第二光波，第二光波具有完整平面波前，第二光波照射到圖層元件600，人眼700可以看到圖層元件600記錄的圖像。
在一些實施例中，參考圖4，光源101可以是點光源。點光源101發射單色光進入耦合輸入光柵，經耦合輸入光柵折轉進入波導300得到在波導300中傳輸的平行光。
在一些實施例中，光學系統還包括準直元件201，準直元件201設置在光源101和耦合輸入元件401之間的光路中，準直元件201設置為將光源101發射的光線進行準直並將準直後的光線朝耦合輸入元件401發射。準直元件201可以將點光源101發射的光線準直在平行光，耦合輸入光柵將平行光折轉入波導300中。
在一些實施例中，參考圖5，光學系統包括的耦合輸入元件401可以是耦合輸入稜鏡，耦合輸入稜鏡將光源101發射的光線折轉進波導300中。耦合輸入稜鏡可以跟波導300的一個側面貼合，耦合輸出光柵402跟波導300的另一個面貼合，這兩個面不平行。另外，光學系統還可以包括準直元件201，準直元件201設置在光源101和耦合輸入稜鏡之間的光路中，準直元件201用於將光源101發射的光線進行準直並將準直後的光線朝耦合輸入稜鏡發射，耦合輸入稜鏡將準直的光線折轉入波導300中。準直元件201和光源101均可以設置在靠近所述波導的側面位置處。耦合輸入稜鏡替代耦合輸入光柵，可以提高光能利用率。
在一些實施例中，耦合輸出光柵402與波導300貼合的長度大於耦合輸入元件401與波導300貼合的長度。光學系統的尺寸可以減小，但是影像品質不會降低，人眼700可以看到清晰無畸變的圖像。
在上述的光學系統中，圖層元件600呈現瞄準影像（圖像）可以用於全息瞄準設備。全息瞄準設備包括殼體和上述的光學系統，光學系統設置在殼體中。這樣的全息瞄準設備可以利用全息波導折疊光路和光柵易集成優勢，降低了全息瞄準設備的體積，解除傳統波導瞄準對部件的限制，同時不降低影像品質。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何所屬技術領域中具有通常知識者在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以申請專利範圍的保護範圍為準。
101:光源 201:準直元件 300,300′:波導 401:耦合輸入元件（圖2） 500:波前調製元件 501:第一光學元件 502:第二光學元件 600:圖層元件 700:人眼 701:圖像 D:厚度 PD:光束寬度 H 1,401:耦合輸入光柵（圖4） H 2,402:耦合輸出光柵 L:傳輸的全反射週期 2nd:第二分段的平面波 1st:第一分段的平面波
圖式用來提供對本發明的技術手段或先前技術的進一步理解，並且構成說明書的一部分。其中，表達本發明實施例的圖式與本發明的實施例一起用於解釋本發明的技術手段，但並不構成對本發明技術手段的限制。 〔圖1〕是一種光學系統的結構示意圖。 〔圖2〕是另一光學系統的結構示意圖。 〔圖3〕是本發明實施例的波前調製元件的結構示意圖。 〔圖4〕是根據本發明實施例的光學系統的結構示意圖。 〔圖5〕是根據本發明另一實施例的光學系統的結構示意圖。 〔圖6〕是根據本發明一實施例的瞄準設備的示意圖。
101:光源
201:準直元件
300:波導
401:耦合輸入元件
402:耦合輸出光柵
500:波前調製元件
600:圖層元件
700:人眼
701:圖像

Claims (10)

  1. 一種光學系統，其特徵係包括：具有相對的第一表面和第二表面的波前調製元件(500)，其中，該波前調製元件(500)的該第一表面設置為接收波導(300)上的耦合輸出光柵(402)出射的不具有完整平面波前的第一光波，該波前調製元件(500)的該第二表面設置為出射經過該波前調製元件(500)對該第一光波進行光束整形的具有完整平面波前的第二光波；其中，該第一光波包括多個分段的平面波，多個分段的平面波中的至少兩個相鄰的平面波部分交疊。
  2. 如請求項1所述之光學系統，其中，該第一光波為
    Figure 111114866-A0305-02-0014-1
    ，其中，W n (x)為第n個分段的在x位置處的光波，A(x)為該第一光波在x位置處的振幅分佈，φ(x)為該第一光波在x位置處的相位分佈；該第二光波為V(x)=α exp[iβ(x)]，其中，α為常數，β(x)為正比例函數，該波前調製元件(500)具有複振幅透過率
    Figure 111114866-A0305-02-0014-4
    ，其中，該波前調製元件(500)的振幅透過率分佈
    Figure 111114866-A0305-02-0014-2
    ，該波前調製元件(500)的相位分佈
    Figure 111114866-A0305-02-0014-3
    ，其中，m為整數。
  3. 如請求項2所述之光學系統，其中，該波前調製元件(500)通過全息製作工藝加工而成。
  4. 如請求項2所述之光學系統，其中，該波前調製元件(500)包括第一光學元件(501)和第二光學元件(502)，該第一光學元件(501)具有 振幅透過率分佈
    Figure 111114866-A0305-02-0015-5
    ，該第二光學元件(502)具有相位分佈
    Figure 111114866-A0305-02-0015-6
    。
  5. 如請求項4所述之光學系統，其中，該第一光學元件(501)和該第二光學元件(502)貼合在一起，該第一表面位於該第一光學元件(501)的遠離該第二光學元件(502)的一側或位於該第二光學元件(502)的遠離該第一光學元件(501)的一側，該第二表面位於該第二光學元件(502)的遠離該第一光學元件(501)的一側或位於該第一光學元件(501)的遠離該第二光學元件(502)的一側。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之光學系統，其中，該光學系統還包括：光源(101)，該光源(101)設置為發射光線；耦合輸入元件(401)，該耦合輸入元件(401)設置為接收該光源(101)發射的光線並將光線折轉；該波導(300)，該波導(300)設置為接收該耦合輸入元件(401)折轉的光線並在該波導(300)內以大於全反射角的方式傳播光線；該耦合輸出光柵(402)，該耦合輸出光柵(402)設置為將該波導(300)內傳播的光線耦合出該波導(300)，其中，該波導(300)出射的光線為該第一光波；圖層元件(600)，該圖層元件(600)設置為接收該第二光波並呈現該圖層元件(600)記錄的圖像；其中，該耦合輸入元件(401)和該耦合輸出光柵(402)均與該波導(300) 貼合設置。
  7. 如請求項6所述之光學系統，其中，該耦合輸入元件(401)選自耦合輸入光柵、耦合輸入稜鏡構成的組中的一個；其中，該光學系統還包括準直元件(201)，該準直元件(201)設置在該光源(101)和該耦合輸入元件(401)之間的光路中，該準直元件(201)設置為將該光源(101)發射的光線進行準直並將準直後的光線朝該耦合輸入元件(401)發射。
  8. 如請求項6所述之光學系統，其中，該波前調製元件(500)的該第二表面與該圖層元件(600)貼合設置。
  9. 如請求項6所述之光學系統，其中，該耦合輸出光柵(402)與該波導(300)貼合的長度大於該耦合輸入元件(401)與該波導(300)貼合的長度。
  10. 一種瞄準設備，其特徵係包括殼體和如請求項1所述之光學系統，其中，該光學系統設置在該殼體中。
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