CN113900254A - 一种全息显示用的近眼显示装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种全息显示用的近眼显示装置、方法，包括：显示模块；耳部佩戴结构；连接结构，将所述显示模块和所述耳部佩戴结构进行连接；其中，所述显示模块包括：激光器；第一偏振分束器，位于所述激光器的输出端；空间光调制器，与所述激光器、所述第一偏振分束器共线，所述空间光调制器位于所述第一偏振分束器远离所述激光器的一侧；透镜，位于所述第一偏振分束器的输出端；第二偏振分束器，与所述第一偏振分束器、所述透镜共线，所述第二偏振分束器位于所述透镜远离所述第一偏振分束器的一侧；以及偏振滤波器，位于所述第二偏振分束器的输出端；其中，所述偏振滤波器位于所述透镜的焦平面上。本发明可实现视点位置及视窗大小的调节。

Description

一种全息显示用的近眼显示装置、方法

技术领域

本发明涉及全息显示技术领域，具体涉及一种全息显示用的近眼显示装置、方法。

背景技术

随着增强现实(Augmented Reality，AR)、虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术的发展，各类近眼显示技术层出不穷，近眼显示相关技术如雨后春笋般进入大家的视野中。

视网膜投影显示技术将图像直接投影到人眼的视网膜上，而不受人眼调焦的影响，可以解决传统AR/VR显示设备存在的辐辏-调节冲突，从而解决视疲劳问题，是目前常用的近眼显示技术。但是，传统基于光学透镜的视网膜投影显示具有视窗小，视点位置不可调节等缺点，需要复杂的光路来拓展视窗大小。另外，全息视网膜投影技术利用波前调控的手段，可以轻松实现视点位置的调节和视窗(eyebox)的拓展，是一种优秀的近眼显示技术。但是，传统基于球面波编码的全息视网膜显示方法中存在严重的共轭光和零级光，占用了全息图的带宽，使得视窗受限，限制了其实用性。

发明内容

为了解决全息视网膜显示方法中存在的共轭光以及零级光，导致的全息图带宽和视窗受限的影响，本发明提出一种全息显示用的近眼显示装置、方法，可包括如下的技术方案：

一种全息显示用的近眼显示装置，其包括：

显示模块；

耳部佩戴结构；

连接结构，将所述显示模块和所述耳部佩戴结构进行连接；

其中，所述显示模块包括：

激光器；

第一偏振分束器，位于所述激光器的输出端；

空间光调制器，与所述激光器、所述第一偏振分束器共线，所述空间光调制器位于所述第一偏振分束器远离所述激光器的一侧；

透镜，位于所述第一偏振分束器的输出端；

第二偏振分束器，与所述第一偏振分束器、所述透镜共线，所述第二偏振分束器位于所述透镜远离所述第一偏振分束器的一侧；以及

偏振滤波器，位于所述第二偏振分束器的输出端；

其中，所述偏振滤波器位于所述透镜的焦平面上。

作为本发明进一步的技术方案：所述第一偏振分束器和所述第二偏振分束器透射第一偏振方向的所述激光束，反射第二偏振方向的所述激光束，第一偏振方向与第二偏振方向正交垂直。

作为本发明再进一步的技术方案：所述偏振滤波器包括：

透明玻璃基板；以及

微偏振片，设置于所述透明玻璃基板上，所述微偏振片位于所述透镜的焦平面上。

作为本发明再进一步的技术方案：所述微偏振片呈圆形形状。

作为本发明再进一步的技术方案：所述微偏振片的直径为1～3mm。

一种全息显示用的近眼显示方法，其包括：

通过激光器，产生激光束；

通过第一偏振分束器，透射所述激光束；

通过空间光调制器，将经过所述第一偏振分束器透射的所述激光束进行全息图调制，然后反射至所述第一偏振分束器上；

通过透镜，将经过所述空间光调制器全息图调制，然后经过所述第一偏振分束器反射的所述激光束进行汇聚；

通过第二偏振分束器，以反射经过所述透镜汇聚的激光束；

通过偏振滤波器，对经过所述第二偏振分束器反射的激光束进行滤波，所述偏振滤波器消除零级光以得到全息显示图，其中所述偏振滤波器位于所述透镜的焦平面上。

作为本发明再进一步的技术方案：所述全息显示图的计算表达式为：

其中，H(x，y)为全息图分布，x为全息图分布水平坐标，y为全息图分布垂直坐标，N为水平方向信号光视点数，K为垂直方向信号光视点数，Re{}代表取实部函数，I(x，y)为目标图像，exp是以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位，k为光波波矢，(sinα_n，sinβ_k)为第(n，k)列平面波的方向余弦，α_n＝tan^-1(nΔx/f),β_k＝tan^-1(kΔy/f)，θ为参考光波的倾斜角，C为常数。

作为本发明再进一步的技术方案：视点间距为Δx＝Δα·f，Δy＝Δβ·f，其中Δα和Δβ分别为相邻平面波的水平和垂直角度间隔，f为透镜焦距。

作为本发明再进一步的技术方案：满足

及Δα＝Δβ，最大视窗大小为E＝λf/p，其中p为空间光调制器像素间距，λ为光波长。

作为本发明再进一步的技术方案：形成全息图像视场为2tan^-1(Mp/2f)，其中M为空间光调制器一维方向的像素数目；

第(n,k)个信号光视点位置为[f·tanα_n，f·tan(β_k+θ)]，第(n,k)个共轭光视点位置为[-f·tanα_n，-f·tan(β_k+θ)]。

本发明提出一种全息显示用的近眼显示装置、方法，通过将偏振滤波器设置于透镜的焦平面上，偏振滤波器可用于消除零级光，通过空间光调制器对全息图中的角度参数的α_n、β_k及θ进行参数改变，从而可实现视点位置及视窗大小的调节，利用共轭光拓展视窗，拓展效果是传统全息视网膜投影的两倍。

附图说明

图1为本发明一种全息显示用的近眼显示装置结构示意图；

图2为本发明一种全息显示用的近眼显示装置的显示模块结构示意图；

图3为本发明一种全息显示用的偏振滤波器的结构示意图；

图4为本发明一种全息显示用的近眼显示方法的流程示意图；

图5为本发明一种全息显示用的近眼显示方法的结构框图；

图6为本发明一种全息显示用的近眼显示方法形成的视窗拓展示意图；

图中：1、激光器；2、激光束；3、第一偏振分离器；4、空间光调制器；5、透镜；6、第二偏振分束器；7、信号光视点；8、零级光；9、共轭光视点；10、偏振滤波器；101、透明玻璃基板；102、微偏振片；11、信号光视点阵列；12、共轭光视点阵列；13、计算机；14、显示模块；15、连接结构；16、耳部佩戴结构；17、耳机模块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1～2，本发明提出一种全息显示用的近眼显示装置，可应用于AR/VR设备中，可通过使得视点位置、视窗大小根据人眼位置的不同而进行调节，从而可增加投影近眼显示技术的实用性，在一些实施例中，一种全息显示用的近眼显示装置可包括有显示模块14、连接结构15、耳部佩戴结构16，显示模块14可用于提供显示图像并将所述显示图像成像在人眼向前的视野，连接结构15可用于将显示模块14和耳部佩戴结构16进行连接，耳部佩戴结构16用于将近眼显示装置佩戴在耳朵上。在一些实施例中，显示模块14可包括有激光器1、第一偏振分离器3、空间光调制器4、透镜5、第二偏振分束器6、偏振滤波器10，其中，激光器1可为全息显示用的近眼显示装置的输入端，激光器1作为激光束2的提供设备，激光器1的具体型号不加以限制，激光器1可为准直激光器，可发射准直激光束。激光器1沿着发射激光束2的直线方向上，可设置有第一偏振分束器3，沿着激光器1、第一偏振分束器3的直线方向上可设置有空间光调制器4。首先，激光器1发射出的激光束2可透射第一偏振分束器3，接着，经过第一偏振分束器3透射的激光束2可照射空间光调制器4，空间光调制器4可将加载的全息图对激光束2进行调制，然后，经过空间光调制器4调制的激光束2可再次照射第一偏振分束器3，并且发生反射。第一偏振分束器3的输出端可设置有透镜5，沿着第一偏振分束器3、透镜5的直线方向上可设置有第二偏振分束器6，第二偏振分束器6的输出端可设置有偏振滤波器10，偏振滤波器10可设置于透镜5的焦平面上。经过空间光调制器4调制的激光束2照射第一偏振分束器3，之后经过第一偏振分束器6可发生反射，然后经过调制处理后的激光束2可经过透镜5进行汇聚，经过透镜5汇聚后的激光束2可再照射第二偏振分束器6并且发生反射，经过第二偏振分束器6反射的激光束2可照射至偏振滤波器10上，可形成信号光视点7、零级光8和共轭光视点9，通过将偏振滤波器10设置于透镜5的焦平面上，偏振滤波器10可用于消除零级光8。

请参阅图2～3，在一些实施例中，第一偏振分束器3和第二偏振分束器6可透射第一偏振方向的激光束2，可反射第二偏振方向的激光束2，第一偏振方向与第二偏振方向可正交垂直。所述偏振滤波器10的具体结构不加以限制，在一些实施例中，偏振滤波器10可包括有透明玻璃基板101和微偏振片102，透明玻璃基板101上可设置有微偏振片102，其中微偏振片102可位于透镜5的焦平面上，通过将微偏振片102设置于透镜5的焦平面上，可起到消除零级光8的作用。微偏振片102的具体形状不加以限制，在一些实施例中，微偏振片102可为圆形微偏振片，直径大小可为1～3mm。并且，环境光可透过所述第二偏振分束器6，可与全息图像进行叠加，从而实现增强现实全息显示。一种全息显示用的近眼显示装置，还可包括有计算机13，计算机13可与空间光调制器4连接，计算机13可对空间光调制器4的调制信息进行修改。其中，空间光调制器4是指在主动控制下，它可以通过液晶分子调制光场的某个参量，例如，可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——相干光的转换，从而可将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。

请参阅图4～5，本发明提出一种全息显示用的近眼显示方法，在一些实施例中，可包括有以下步骤：

S1、通过激光器1，产生激光束2；

S2、通过第一偏振分束器3，透射所述激光束2；

S3、通过空间光调制器4，将经过所述第一偏振分束器3透射的所述激光束2进行全息图调制，然后反射至所述第一偏振分束器3上；

S4、通过透镜5，将经过所述空间光调制器4全息图调制，然后经过所述第一偏振分束器3反射的所述激光束2进行汇聚；

S5、通过第二偏振分束器6，以反射经过所述透镜5汇聚的激光束2；

S6、通过偏振滤波器10，对经过所述第二偏振分束器6反射的激光束3进行滤波，偏振滤波器10消除零级光8以得到全息显示图，其中偏振滤波器10位于透镜5的焦平面上。

其中，全息显示图计算表达式为：

其中，H(x，y)为全息图分布，x为全息图分布水平坐标，y为全息图分布垂直坐标，N为水平方向信号光视点数，K为垂直方向信号光视点数，Re{}代表取实部函数，I(x，y)为目标图像，exp是以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位，k为光波波矢，(sinα_n，sinβ_k)为第(n，k)列平面波的方向余弦，α_n＝tan^-1(nΔx/f),β_k＝tan^-1(kΔy/f)，θ为参考光波的倾斜角，C为常数，用来保证全息图取值非负。

请参阅图6，透镜焦平面上将形成2N×K个视点，信号光视点阵列11可包含N×K个信号光视点，共轭光视点阵列12可包含N×K个共轭光视点。视点间距为Δx＝Δα·f，Δy＝Δβ·f，其中Δα和Δβ分别为相邻平面波的水平和垂直角度间隔，f为透镜焦距。为了使信号光视点阵列与共轭光视点阵列共同形成等间距视点阵列，需要满足

及Δα＝Δβ。所形成的的最大视窗大小为E＝λf/p，其中p为空间光调制器像素间距，λ为光波长。所形成全息图像视场为2tan^-1(Mp/2f)，其中M为空间光调制器一维方向的像素数目。第(n,k)个信号光视点位置为[f·tanα_n，f·tan(β_k+θ)]，第(n,k)个共轭光视点位置为[-f·tanα_n，-f·tan(β_k+θ)]，信号光视点阵列11的中心点偏离光轴的垂直距离f·tanθ与参考光波角度有关。空间光调制器4可对激光束2进行调制，将激光束2调制成不同方向的平面波，因此可以通过空间光调制器4对全息图中的角度参数的α_n、β_k及θ进行参数改变，从而可实现视点位置及视窗大小的调节。

综上所述，本发明提出一种全息显示用的近眼显示装置、方法，通过空间光调制器4对全息图中的角度参数的α_n、β_k及θ进行参数改变，从而可实现视点位置及视窗大小的调节，利用共轭光拓展视窗，拓展效果是传统全息视网膜投影的两倍。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种全息显示用的近眼显示装置，其特征在于，其包括：

显示模块；

耳部佩戴结构；

连接结构，将所述显示模块和所述耳部佩戴结构进行连接；

其中，所述显示模块包括：

激光器；

第一偏振分束器，位于所述激光器的输出端；

空间光调制器，与所述激光器、所述第一偏振分束器共线，所述空间光调制器位于所述第一偏振分束器远离所述激光器的一侧；

透镜，位于所述第一偏振分束器的输出端；

第二偏振分束器，与所述第一偏振分束器、所述透镜共线，所述第二偏振分束器位于所述透镜远离所述第一偏振分束器的一侧；以及

偏振滤波器，位于所述第二偏振分束器的输出端；

其中，所述偏振滤波器位于所述透镜的焦平面上。

2.根据权利要求1所述的一种全息显示用的近眼显示装置，其特征在于，所述第一偏振分束器和所述第二偏振分束器透射第一偏振方向的所述激光束，反射第二偏振方向的所述激光束，第一偏振方向与第二偏振方向正交垂直。

3.根据权利要求1所述的一种全息显示用的近眼显示装置，其特征在于，所述偏振滤波器包括：

透明玻璃基板；以及

微偏振片，设置于所述透明玻璃基板上，所述微偏振片位于所述透镜的焦平面上。

4.根据权利要求3所述的一种全息显示用的近眼显示装置，其特征在于，所述微偏振片呈圆形形状。

5.根据权利要求4所述的一种全息显示用的近眼显示装置，其特征在于，所述微偏振片的直径为1～3mm。

6.一种全息显示用的近眼显示方法，其特征在于，其包括：

通过激光器，产生激光束；

通过第一偏振分束器，透射所述激光束；

通过空间光调制器，将经过所述第一偏振分束器透射的所述激光束进行全息图调制，然后反射至所述第一偏振分束器上；

通过透镜，将经过所述空间光调制器全息图调制，然后经过所述第一偏振分束器反射的所述激光束进行汇聚；

通过第二偏振分束器，以反射经过所述透镜汇聚的激光束；

通过偏振滤波器，对经过所述第二偏振分束器反射的激光束进行滤波，所述偏振滤波器消除零级光以得到全息显示图，其中所述偏振滤波器位于所述透镜的焦平面上。

7.根据权利要求6所述的一种全息显示用的近眼显示方法，其特征在于，所述全息显示图的计算表达式为：

其中，H(x，y)为全息图分布，x为全息图分布水平坐标，y为全息图分布垂直坐标，N为水平方向信号光视点数，K为垂直方向信号光视点数，Re{}代表取实部函数，I(x，y)为目标图像，exp是以自然常数e为底的指数函数，j为虚数单位，k为光波波矢，(sinα_n，sinβ_k)为第(n，k)列平面波的方向余弦，α_n＝tan^-1(nΔx/f),β_k＝tan^-1(kΔy/f)，θ为参考光波的倾斜角，C为常数。

8.根据权利要求7所述的一种全息显示用的近眼显示方法，其特征在于，视点间距为Δx＝Δα·f，Δy＝Δβ·f，其中Δα和Δβ分别为相邻平面波的水平和垂直角度间隔，f为透镜焦距。

9.根据权利要求7所述的一种全息显示用的近眼显示方法，其特征在于，

满足

及Δα＝Δβ，最大视窗大小为E＝λf/p，其中p为空间光调制器像素间距，λ为光波长。

10.根据权利要求9所述的一种全息显示用的近眼显示方法，其特征在于，

形成全息图像视场为2tan^-1(Mp/2f)，其中M为空间光调制器一维方向的像素数目；

第(n,k)个信号光视点位置为[f·tanα_n，f·tan(β_k+θ)]，第(n,k)个共轭光视点位置为[-f·tanα_n，-f·tan(β_k+θ)]。

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