CN104090372B - 基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统，将微显示器(1)放置于波导(3)输入端表面的全息微透镜阵列的焦距处，二维基元图像经过全息微透镜阵列后成像，得到包含深度与视差信息的图像，所得图像被波导(3)输入端表面的全息透镜耦合进入透明的波导(3)中，经过全反射传播后，又被设于波导(3)输出端表面的全息透镜耦合输出，为人眼所观察。本发明通过引入衍射光学元件克服技术背景中所述的体积大、重量大、结构复杂等缺点，实现一体化的单目立体三维显示；同时引入波导(3)这一光学元件，实现离轴、高透过率、大系统光瞳的视透型单目立体三维显示。可广泛应用于集成成像三维显示系统当中。
Description
技术领域
本发明涉及集成成像三维显示领域，尤其涉及一种基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统。
背景技术
集成成像系统是利用微透镜阵列来记录和再现物空间三维信息的一种真三维显示系统，可实现单目立体成像显示。但是现有集成成像系统存在体积大、重量大、结构复杂，很难实现一体化的缺点；同时，现有集成成像系统不能同时实现高透过率、大系统光瞳的视透型三维显示。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是如何提供一种高透过率、大系统光瞳的视透型集成成像三维显示系统，同时避免传统系统存在的体积大、重量大、结构复杂，很难实现一体化的缺点。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，包括微显示器，输入端衍射光学元件、波导、输出端衍射光学元件；
所述微显示器用于加载二维基元图像，所述二维基元图像通过输入端衍射光学元件进入波导中；在波导中经过全反射传播后，进入输出端衍射光学元件耦合输出后进入人眼，观察者可用单眼观察到三维立体图像；
其中，所述输入端衍射光学元件包括全息微透镜阵列与全息透镜；所述全息微透镜阵列起到产生视差图像的作用，所述全息透镜产生光焦度并校正除色差外的其他像差，起到耦合图像的作用以及提供目视成像功能；
所述输出端衍射光学元件包括全息透镜；
所述微显示器放置于波导输入端表面的全息微透镜阵列的焦距处；
所述输入端衍射光学元件位于波导的输入端表面；
所述输出端衍射光学元件位于波导的输出端的表面。
优选地，所述输入端衍射光学元件中的全息微透镜阵列为反射型全息微透镜阵列或透射型全息微透镜阵列，全息透镜为反射型全息透镜或透射型全息透镜；
所述输出端衍射光学元件为反射型全息透镜或透射型全息透镜。
优选地，所述输入端衍射光学元件中，全息微透镜阵列和全息透镜分别设于波导的输入端的上表面或下表面；
所述输出端衍射光学元件中，全息透镜位于波导的输出端的上表面或下表面；
二维基元图像经过微透镜阵列生成包含深度与视差信息的图像后，被全息透镜耦合后进入波导；在波导中经过全反射传播后，进入全息透镜耦合输出后进入人眼。
优选地，所述输入端衍射光学元件中，全息微透镜阵列和全息透镜组合在一起，位于波导的输入端的上表面或下表面；
所述输出端衍射光学元件中，全息透镜位于波导的输出端的上表面或下表面；
二维基元图像经过微透镜阵列生成包含深度与视差信息的图像后，被全息透镜耦合后进入波导；在波导中经过全反射传播后，进入全息透镜耦合输出后进入人眼。
优选地，所述波导为平板波导。
优选地，所述波导厚度为1mm-10mm，材料为透明的光学玻璃或光学塑料。
优选地，所述输入端衍射光学元件、输出端衍射光学元件的厚度为1μm-100μm，材料为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体，光透过率大于50％。
本发明的基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统的光瞳直径大于8mm。
(三)有益效果
本发明的基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统，通过引入衍射光学元件克服技术背景中所述的体积大、重量大、结构复杂等缺点，实现一体化的单目立体三维显示；同时引入波导这一光学元件，实现离轴、高透过率、大系统光瞳的视透型单目立体三维显示。
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：本发明提供的一种基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统的结构原理示意图：
图2：实施例1提供的方案对应的结构示意图；
图3：实施例2提供的方案对应的结构示意图；
图4：实施例3提供的方案对应的结构示意图；
图5：实施例4提供的方案对应的结构示意图；
图6：实施例5提供的方案对应的结构示意图；
图7：实施例6提供的方案对应的结构示意图。
附图标记：1、微显示器；2、输入端衍射光学元件；3、波导；4、输出端衍射光学元件；5、系统光瞳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，包括微显示器1，输入端衍射光学元件2、平板波导、输出端衍射光学元件4；
其中，所述输入端衍射光学元件2包括全息微透镜阵列与全息透镜；所述全息微透镜阵列起到产生视差图像的作用，所述全息透镜产生光焦度并校正除色差外的其他像差，起到耦合图像的作用以及提供目视成像功能；
所述输出端衍射光学元件4包括全息透镜；
所述微显示器1放置于平板波导输入端表面的全息微透镜阵列的焦距处。
所述平板波导厚度为1mm-10mm，材料为透明的光学玻璃或光学塑料。
所述输入端衍射光学元件2、输出端衍射光学元件4的厚度为1μm-100μm，材料为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体，光透过率大于50％。
实施1中，如图2所示，所述微显示器1用于加载二维基元图像，所述二维基元图像经过设于平板波导输入端下表面的透射型全息微透镜阵列后成像，得到的包含深度与视差信息的图像，被设于平板波导输入端上表面的反射型全息透镜耦合进入透明的平板波导中；经过全反射传播后，又被设于平板波导输出端上表面的反射型全息透镜耦合输出，为人眼所观察。
实施2中，如图3所示，所述微显示器1用于加载二维基元图像，所述二维基元图像经过设于平板波导输入端下表面的透射型全息微透镜阵列后成像，得到的包含深度与视差信息的图像，被设于平板波导输入端上表面的反射型全息透镜耦合进入透明的平板波导中；经过全反射传播后，又被设于平板波导输出端下表面的透射型全息透镜耦合输出，为人眼所观察。
实施例3中，如图4所示，所述输入端衍射光学元件2为透射型全息微透镜阵列与透射型全息透镜组合，位于平板波导输入端的下表面，所述输出端衍射光学元件4为反射型全息透镜，位于平板波导输出端的上表面。所述透射型全息微透镜阵列与透射型全息透镜组合兼具上述全息微透镜阵列和全息透镜的功能。
实施例4中，如图5所示，所述输入端衍射光学元件2为透射型全息微透镜阵列与透射型全息透镜组合，位于平板波导输入端的下表面，所述输出端衍射光学元件4为透射型全息透镜，位于平板波导输出端的下表面。所述透射型全息微透镜阵列与透射型全息透镜组合兼具上述全息微透镜阵列和全息透镜的功能。
实施例5中，如图6所示，所述输入端衍射光学元件2为反射型全息微透镜阵列与反射型全息透镜组合，位于平板波导输入端的上表面，所述输出端衍射光学元件4为反射型全息透镜，位于平板波导输出端的上表面。所述反射型全息微透镜阵列与反射型全息透镜组合兼具上述全息微透镜阵列和全息透镜的功能。
实施例6中，如图7所示，所述输入端衍射光学元件2为反射型全息微透镜阵列与反射型全息透镜组合，位于平板波导输入端的上表面，所述输出端衍射光学元件4为透射型全息透镜，位于平板波导输出端的下表面。所述反射型全息微透镜阵列与反射型全息透镜组合兼具上述全息微透镜阵列和全息透镜的功能。
实施例3至实施例7中的工作原理同实施例1和实施例2中是一样的，因此不再一一赘述。
上述实施例的基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统，具有高透过率，相对较大的系统光瞳5，以及单目立体三维显示的效果。
上述实施例中，全息透镜、全息微透镜阵列采用反射型还是透射型并非固定，而要结合人眼和微显示器1所在的方位对应于平板波导的位置来确定。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，包括微显示器(1)，输入端衍射光学元件(2)、波导(3)、输出端衍射光学元件(4)；
所述微显示器(1)用于加载二维基元图像，所述二维基元图像通过输入端衍射光学元件(2)进入波导(3)中；在波导(3)中经过全反射传播后，进入输出端衍射光学元件(4)耦合输出后进入人眼；
其中，所述输入端衍射光学元件(2)包括全息微透镜阵列与全息透镜；所述全息微透镜阵列起到产生视差图像的作用，所述全息透镜产生光焦度并校正除色差外的其他像差，起到耦合图像的作用以及提供目视成像功能；
所述输出端衍射光学元件(4)包括全息透镜；
所述微显示器(1)放置于波导(3)输入端表面的全息微透镜阵列的焦距处；
所述输入端衍射光学元件(2)位于波导(3)的输入端表面；
所述输出端衍射光学元件(4)位于波导(3)的输出端表面；所述输入端衍射光学元件(2)中，全息微透镜阵列和全息透镜组合在一起，位于波导(3)的输入端的上表面或下表面；
所述输出端衍射光学元件(4)中，全息透镜位于波导(3)的输出端的上表面或下表面；
二维基元图像经过微透镜阵列生成包含深度与视差信息的图像后，被全息透镜耦合后进入波导(3)；在波导(3)中经过全反射传播后，进入全息透镜耦合输出后进入人眼；
所述输入端衍射光学元件(2)中的全息微透镜阵列为反射型全息微透镜阵列或透射型全息微透镜阵列，全息透镜为反射型全息透镜或透射型全息透镜；
所述输出端衍射光学元件为反射型全息透镜或透射型全息透镜。
2.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述波导(3)为平板波导。
3.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述波导(3)厚度为1mm-10mm，材料为透明的光学玻璃或光学塑料。
4.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述输入端衍射光学元件(2)、输出端衍射光学元件(4)的厚度为1μm-100μm，材料为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体，光透过率大于50％。
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