CN112946914B - 一种带张角透射式几何全息屏及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学显示技术领域，公开了一种带张角透射式几何全息屏，包括透射式几何全息屏，沿所述透射式几何全息屏的边缘一周设有至少一组张角镜组，所述张角镜组用于将超出透射式几何全息屏边缘的部分光线反射至透射式几何全息屏上，并经过透射式几何全息屏的光学转化参与成像；每组张角镜组由一对呈角度θ设置的张角镜组成，其中一个张角镜与透射式几何全息屏的入射面之间的角度为α，另一个张角镜与透射式几何全息屏的出射面之间的夹角为β，满足：90°≤α≤160°且90°≤β≤160°。本发明采用相对较小的成本就能实现显示窗口的显著增大，同时还可以增加透射式几何全息屏的机械强度，提高稳定性。

Description

一种带张角透射式几何全息屏及其应用

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，尤其是涉及一种带张角透射式几何全息屏及其应用。

背景技术

透射式几何全息屏是一种新型平板光学透镜元件，它是由两组相互垂直的镜面阵列组合形成的特殊透镜。这种结构使得位于其一侧的物点发出的光一次经过两组镜组的光学转化后(反射)可以在物点相对与透镜的对称位置附近成像。这种成像方式与普通镜面成像非常类似，都是在相对于镜面的对称位置成像，所不同的是透射式几何全息屏所成的像是实像，而普通平面镜只能成虚像。

因此，借助它可以实现非常理想的几何全息显示效果。但是这种新型平板透镜在生产加工过程需要大规模制备非常精密的微结构，所以加工成本极高。所以实际应用中，为了节省成本，显示窗口往往制备的很小，无法满足大面积显示的应用。

发明内容

针对现有透射式几何全息屏加工成本高对显示设备显示窗口的限制，提供一种带张角透射式几何全息屏及其应用，采用相对较小的成本就能实现显示窗口的显著增大，同时还可以增加透射式几何全息屏的机械强度，提高稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种带张角透射式几何全息屏，包括透射式几何全息屏，沿所述透射式几何全息屏的边缘一周设有至少一组张角镜组，所述张角镜组用于将超出透射式几何全息屏边缘的部分光线反射至透射式几何全息屏上，并经过透射式几何全息屏的光学转化参与成像；

每组张角镜组由一对呈角度θ设置的张角镜组成，其中一个张角镜与透射式几何全息屏的入射面之间的角度为α，另一个张角镜与透射式几何全息屏的出射面之间的夹角为β，满足：90°≤α≤160°，90°≤β≤160°，且|α-β|≤5°，|α-β|表示α-β的绝对值。

进一步地，所述透射式几何全息屏的周长为C，透射式几何全息屏的入射面或者出射面与所对应的多个张角镜的相交线长度总和为L，满足：C和L的单位为㎜。

进一步地，保持透射式几何全息屏处于水平，在分别与透射式几何全息屏和张角镜均垂直的截面上，以透射式几何全息屏边缘的中心为原点O，以过原点O的水平线为X轴，以过原点O的竖直线为Y轴的坐标系下，满足：

|y₁+y₂|≤3，单位㎜；

其中，y₁和y₂分别为相同X坐标x时，透射式几何全息屏1入射面一侧的张角镜截面反射层的Y坐标和透射式几何全息屏出射面一侧的张角镜截面反射层的Y坐标，|y₁+y₂|表示y₁+y₂的绝对值。

进一步地，单个所述张角镜最小宽度为W㎜，W≥3。

进一步地，单个所述张角镜与透射式几何全息屏之间的角度可调。

进一步地，单个所述张角镜的强度满足：平搭荷重质量不小于219g。

本发明还提供一种带张角透射式几何全息屏，由多个上述的带张角透射式几何全息屏拼接形成。

本发明还提供一种上述带张角透射式几何全息屏的应用，具体应用于虚拟显示系统，包含显示设备、交互设备以及带张角透射式几何全息屏，显示设备的图像经过带张角透射式几何全息屏的光学转换形成悬浮在空中的实像，交互设备可以识别用户的交互信息。

本发明还提供一种上述带张角透射式几何全息屏的应用，具体应用于几何全息显示系统，包含投影显示设备、交互设备以及带张角透射式几何全息屏，投影显示设备的投射光经过带张角透射式几何全息屏的光学转换形成共轭像，共轭像的光线输出至视窗位置，供用户观看，交互设备可以识别用户的交互信息。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过增设张角镜使得本发明采用相对较小的成本就能实现显示窗口的显著增大，同时还可以增加透射式几何全息屏的机械强度，提高稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明中记载的一些实施例，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他的附图。

图1为本发明的一种实施方式的结构示意图，

图2为图1的顶视图，

图3为图1的正视图，

图4为图3中A-A截面以及以透射式几何全息屏1边缘的中心为原点O，以过原点O的水平线为X轴，以过原点O的竖直线为Y轴的坐标系示意图，

图5是采用弧形结构的张角镜21的结构示意图，

图6为矩形透射式几何全息屏1的两个长边上分别设置张角镜组2的结构示意图，

图7为张角镜21采用异型结构的最小宽度W的示意图，

图8为本发明的光路示意图，

图9为本发明应用于虚拟显示系统的示意图，

图10为本发明应用于几何全息显示系统的示意图，

图11为平搭荷重质量测试示意图，

图12为透射式几何全息屏1的示意图，重点展示微结构以及特征基元尺寸，附图标记如下：

透射式几何全息屏1，反射面11，张角镜组2，张角镜21，显示设备100,交互设备101，带张角透射式几何全息屏102，投影显示设备103。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1至图12，本发明提供一种带张角透射式几何全息屏，包括透射式几何全息屏1，沿透射式几何全息屏1的边缘一周设有至少一组张角镜组2，张角镜组2用于将超出透射式几何全息屏1边缘的部分光线反射至透射式几何全息屏1上，并经过透射式几何全息屏1的光学转化参与成像，张角镜21起到反射光线来增大光学孔径的作用，这就需要张角镜组2与透射式几何全息屏1的入射面和出射面之间具有一定的角度；

考虑到张角镜组2的作用方式是通过对光线的反射，使得原本无法被透射式几何全息屏1接收的部分光线，经过光学转化后能够被透射式几何全息屏接收到并进行成像转换，所以设计时还需要精细调整张角镜组2和透射式几何全息屏1之间的几何关系，以达到最优显示效果。如果张角镜组2设置的不合适，那么可能会使得系统的变得更加复杂冗余，甚至会出现有效光学孔径缩小的情况，下面对具体的结构关系进行说明：

每组张角镜组2由一对呈角度θ设置的张角镜21组成，其中一个张角镜21与透射式几何全息屏1的入射面之间的角度为α，另一个张角镜21与透射式几何全息屏1的出射面之间的夹角为β，满足：90°≤α≤160°，90°≤β≤160°，且|α-β|≤5°，|α-β|表示α-β的绝对值，这样两者才可以很好的相互配合，达到增加有效光学孔径的目的，实际应用时，应尽量保证α和β接近，最好相同，也就是说设置于透射式几何全息屏1的入射面和出射面两侧的张角镜21，相对于透射式几何全息屏1相互对称的时候，效果最佳；

如果角度α和β出现锐角的情况，则会造成光路遮挡，反而会减小有效光学孔径，不能适用；

张角镜21可以采用平面镜也可以采用弧面镜，需要说明的是，采用弧面镜时，α为入射面一侧的张角镜21和透射式几何全息屏1的相交线处，弧形的张角镜21的切平面与透射式几何全息屏1之间的夹角,β为出射面一侧的张角镜21和透射式几何全息屏1的相交线处，弧形的张角镜21的切平面与透射式几何全息屏1之间的夹角,如图4所示；

张角镜组2除了可以有效扩大光学孔径之外，还可以增加整个屏幕的结构稳定性。从透射式几何全息屏1的工作原理知道，当它在外界作用下(如在外界振动、风扇吹动等)发生形变是会产生显著的像差，从而无法正常工作。因此，通过一些设计来增加其结构稳定性非常有必要。而张角镜组2在边缘处可以形成倒三角枝杈，这种结构可以显著增加结构的稳定性，同时在暴力击打、跌落、撞击等极端情况下的损坏情况也可以大大减少。因此，从多方面考虑，张角镜21的材料选择，最好要有一定的机械强度，优选采用玻璃材质或者透明塑料材质的镜面，通过结构仿真模拟发现，当张角镜21满足：平搭荷重质量≥219g时，可以大大提高带张角透射式几何全息屏整体的结构强度，并且张角镜21一般需要设有一个镀层面，对于玻璃或者透明塑料材质，其表面只能反射少量光线，镀层面才会对于光线的反射起主导作用，张角镜21的镀层面为工作反射层；

如图11，上述的平搭荷重质量的测试方法如下：

选用厚度与张角镜21一致，宽度为5±1㎜测试窄条(与张角镜21材质相同的窄条或者张角镜21上裁切下来的窄条)横搭载在相距4±0.5㎝的支架上，在测试条上悬挂219g的砝码，测量窄条于竖直方向上的形变位移小于3㎜，且未发生断裂，则认为平搭荷重质量≥219g，否则不满足该要求；

如图8，通过光路原理图可以知道，张角镜组2通过分别与透射式几何全息屏1的入射面和出射面两侧的张角镜21相互配合来实现有效光学孔径的增加，像点的光线依次经过透射式几何全息屏1入射面一侧的张角镜21反射，透射式几何全息屏1的光学转换，透射式几何全息屏1出射面一侧的张角镜21反射后实现像点的光学共轭转换。为了使像差足够小以满足实际场景下的成像需求，张角镜组2的一对张角镜21与透射式几何全息屏1之间的几何关系需要精细的调整。理论计算和实验验证发现，当保持透射式几何全息屏1处于水平，在分别与透射式几何全息屏1和张角镜21均垂直的截面上，以透射式几何全息屏1边缘的中心为原点O，以过原点O的水平线为X轴，以过原点O的竖直线为Y轴的坐标系下，如图4，满足|y₁+y₂|≤3时，单位㎜，可以达到实际成像质量的要求，满足一般户外广告、自助购票系统类等显示要求，；

其中，y₁和y₂分别为相同X坐标x时，透射式几何全息屏1入射面一侧的张角镜21截面的反射层的Y坐标和透射式几何全息屏1出射面一侧的张角镜21截面的反射层的Y坐标，反射层为上述的镀层面，|y₁+y₂|表示y₁+y₂的绝对值；

为了获取更好的成像质量，优选|y₁+y₂|≤2mm，此时，可以满足一般桌面普通画质显示需求；

进一步地，为了获取更好的成像质量，优选|y₁+y₂|≤1mm，此时，可以满足一般桌面高清画质显示需求；

此外，由于不同的应用场景下，透射式几何全息屏1本身会存在很大的差异，这种差异往往体现在微结构形态和尺寸上。比如对于移动设备上，肉眼对于像差的敏感性就会非常强，而对于舞台或者游乐场应用环境下，用户距离屏幕相对较远，此时微结构即使尺寸比较大视觉像差也不会太明显。因此，为了应对不同的设计场景，还可以给出一个比较通用的设计规则，即|y₁+y₂|≤5倍的特征基元尺寸，特征基元尺寸为透射式几何全息屏1相邻两个反射面11之间的距离，用d表示，如图12。当透射式几何全息屏1相邻两个反射面11之间的距离不是定值时，每一个微结构都要满足以上设计规则；

透射式几何全息屏1的周长为C㎜，透射式几何全息屏1的入射面一侧或者出射面一侧的所有张角镜21与透射式几何全息屏1的相交线长度总和为L㎜，优选满足时，可以显著增加有效光学孔径，有非常大的实用价值；

以透射式几何全息屏1的入射面一侧的张角镜21为例进行说明,由于入射面一侧包括有至少一个张角镜21，那么我们可以将这些张角镜21与透射式几何全息屏1相交线的长度依次记为L₁、L₂、……、L_n，所有这些张角镜21与透射式几何全息屏1入的相交线长度总和L＝L₁+L₂+……+L_n，上述所涉及长度的单位为㎜；

通常情况下，透射式几何全息屏1以及张角镜21一般采用规则的形状，例如矩形，这样张角镜21可以设置在透射式几何全息屏1的四边，或者局部边缘，例如可以设置在透射式几何全息屏1的一个短边上，或者两个短边上，或者一个长边上，或者两个长边上，或者一个短边和一个长边上，具体的设置方式，可以根据实际应用灵活调整，如图1至图3，在矩形的透射式几何全息屏1的其中一个短边和一个长边上分别设置一组张角镜组2，那么透射式几何全息屏1入射面一侧的所有张角镜21与透射式几何全息屏1的相交线长度总和L＝L₁+L₂；

作为一种优选的实施方式，如图6，分别在透射式几何全息屏1的两个长边上设置张角镜组2，这样可以减少制作加工时的加工工序，同时又能显著增加光学孔径；

当然，透射式几何全息屏1以及张角镜21也可以采用其它的异形结构；

优选的是，单个张角镜21的最小宽度为W，单位㎜，W≥3，这样就可以使用户明显感觉到有效孔径的增加，带来更大的视觉空间体验；

需要说明的是，当张角镜21为规则的矩形时，单个张角镜21的最小宽度为即为矩形张角镜21的宽度，为了装饰美观，可能会将张角镜21的相交线对边做成不规则的形状，如斜边、波浪边等，如图7，当张角镜21的形状不规则时，单个张角镜21的最小宽度则为相交线与其对边之间的最小垂直距离；

而当张角镜21为弧面镜结构时，单个张角镜21的宽度为弧面镜起止点之间的距离，如图5所示；

由于不同应用场景的屏幕存在较大差异，所以难以用一个固定尺寸来进行设计，采用比例设计更为有效，定义：透射式几何全息屏1的最大线长为L_屏，单位㎜，透射式几何全息屏1的最大线长L_屏为屏幕上能够画出的最大线段的长度，比如，对于矩形屏幕就是对角线长度，对于圆形屏幕就是圆的直径，优选W≥0.02L_屏，此时才能比较有效的增加光学孔径，但是W过大的话，光线的约束效果会变差，有些光线经过张角镜21反射后不能够到达透射式几何全息屏1上，就达不到扩大显示面积的效果，进一步优选W≤0.3L_屏；

为了增加本发明应用时的通用性和灵活性，单个张角镜21与透射式几何全息屏1之间可以设计成的角度可调的形式，具体的可以通过现有的活动装配、铰接等方式来实现。

本发明在实际运用时，超出透射式几何全息屏1边缘的部分光线，经过增设的张角镜21的光学转化，反射至透射式几何全息屏1上，这部分光线再经过透射式几何全息屏1的光学转化就能参与成像，能够有效增大显示窗口。

本发明的带张角透射式几何全息屏于虚拟显示系统的应用，如图9，具体包含现有的显示设备100和交互设备101，再配备本发明的带张角透射式几何全息屏102，实现虚拟悬浮成像，其中显示设备100可以采用LCD屏幕、LED屏幕、OLED屏幕以及体显示设备等，显示设备100显示的图像经过带张角透射式几何全息屏102的光学转换形成悬浮在空中的实像，交互设备101可以识别用户的交互信息，交互设备101包括控制器以及交互动作捕捉单元，属于常规的现有技术，不作赘述。

本发明的带张角透射式几何全息屏于几何全息显示系统的应用，如图10，具体包含投影显示设备103和交互设备101，再配备本发明的带张角透射式几何全息屏102，实现3D全息显示，投影显示设备103为通过投影方式显示画面的设备(投影仪、全息投影器以及3D投影器等)，投射的光线经过带张角透射式几何全息屏102的光学转换形成共轭像，共轭像的光线输出至视窗位置，供用户观看，交互设备101可以识别用户的交互信息，交互设备101包括控制器以及交互动作捕捉单元，属于常规的现有技术，不作赘述；

对于非穿戴式应用场景，还需要用户跟踪系统，用于跟踪用户的运动情况，并调整视窗位置，使视窗位置始终覆盖用户的眼睛。

为了进一步实现超大孔径全息屏，可以将多个带张角透射式几何全息屏拼接起来形成更大的几何全息屏，如阵列形式等

可以将上述由多个带张角透射式几何全息屏拼接形成的超大孔径全息屏应用于上述的虚拟显示系统或者几何全息系统中，来实现系统的光学孔径显著的增大。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带张角透射式几何全息屏，包括透射式几何全息屏（1），其特征在于：沿所述透射式几何全息屏（1）的边缘一周设有至少一组张角镜组（2），所述张角镜组（2）用于将超出透射式几何全息屏（1）边缘的部分光线反射至透射式几何全息屏（1）上，并经过透射式几何全息屏（1）的光学转化参与成像；

每组张角镜组（2）由一对呈角度θ设置的张角镜（21）组成，其中一个张角镜（21）与透射 式几何全息屏（1）的入射面之间的角度为α，另一个张角镜（21）与透射式几何全息屏（1）的 出射面之间的夹角为β，满足：，，且，表 示的绝对值。

2.根据权利要求1所述的一种带张角透射式几何全息屏，其特征在于：所述透射式几何 全息屏（1）的周长为C，透射式几何全息屏（1）的入射面或者出射面与所对应的多个张角镜 （21）的相交线长度总和为L，满足：，C和L的单位为㎜。

3.根据权利要求1所述的一种带张角透射式几何全息屏，其特征在于：保持透射式几何全息屏（1）处于水平，在分别与透射式几何全息屏（1）和张角镜（21）均垂直的截面上，以透射式几何全息屏（1）边缘的中心为原点O，以过原点O的水平线为X轴，以过原点O的竖直线为Y轴的坐标系下，满足：

，单位㎜；

其中，和分别为相同X坐标x时，透射式几何全息屏（1）入射面一侧的张角镜（21） 截面反射层的Y坐标和透射式几何全息屏（1）出射面一侧的张角镜（21）截面反射层的Y坐 标，表示的绝对值。

4.根据权利要求1所述的一种带张角透射式几何全息屏，其特征在于：单个所述张角镜 （21）最小宽度为W㎜，。

5.根据权利要求1所述的一种带张角透射式几何全息屏，其特征在于：单个所述张角镜（21）与透射式几何全息屏（1）之间的角度可调。

6.根据权利要求1所述的一种带张角透射式几何全息屏，其特征在于：单个所述张角镜（21）的强度满足：平搭荷重质量不小于219g。

7.一种带张角透射式几何全息屏，其特征在于：由多个如权利要求1至5任意一项所述的带张角透射式几何全息屏拼接形成。

8.如权利要求1至6任意一项所述的一种带张角透射式几何全息屏的应用，具体应用于虚拟显示系统，包含显示设备（100）、交互设备（101）以及带张角透射式几何全息屏（102），显示设备（100）的图像经过带张角透射式几何全息屏（102）的光学转换形成悬浮在空中的实像，交互设备（101）可以识别用户的交互信息。

9.如权利要求1至5任意一项所述的一种带张角透射式几何全息屏的应用，具体应用于几何全息显示系统，包含投影显示设备（103）、交互设备（101）以及带张角透射式几何全息屏（102），投影显示设备（103）的投射光经过带张角透射式几何全息屏（102）的光学转换形成共轭像，共轭像的光线输出至视窗位置，供用户观看，交互设备（101）可以识别用户的交互信息。

10.如权利要求6所述的一种带张角透射式几何全息屏的应用，具体应用于几何全息显示系统，包含投影显示设备（103）、交互设备（101）以及带张角透射式几何全息屏（102），投影显示设备（103）的投射光经过带张角透射式几何全息屏（102）的光学转换形成共轭像，共轭像的光线输出至视窗位置，供用户观看，交互设备（101）可以识别用户的交互信息。