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CN113703164B - 光波导指向背光全息显示模组 - Google Patents

光波导指向背光全息显示模组 Download PDF

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CN113703164B
CN113703164B CN202110807795.7A CN202110807795A CN113703164B CN 113703164 B CN113703164 B CN 113703164B CN 202110807795 A CN202110807795 A CN 202110807795A CN 113703164 B CN113703164 B CN 113703164B
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Sun Yat Sen University
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Abstract

本发明公开一种光波导指向背光全息显示模组，由光波导指向背光组件、光调制器件、会聚器件、控制器件及其它组件组成，其中光波导指向背光组件包括光源结构、准直器件和光波导器件。其中，光源结构投射光经相关组件，可以沿不同指向向光调制器件投射背光，并经会聚器件会聚至对应视区；控制器件同步加载待显示场景的全息编码信息至光调制器件，实现向对应视区的全息三维场景呈现。其中光波导器件的引入实现了指向背光投射结构的薄化，不同背光对应视区对观察者眼睛的追踪覆盖为观察者眼睛提供合理的观察区域。本发明公开的光波导指向背光全息显示模组可以应用于便携式显示终端，比如手机、iPad、头戴式VR/AR等。

Description

光波导指向背光全息显示模组
技术领域
本发明涉及三维显示技术领域，更具体涉及一种光波导指向背光全息显示模组。
背景技术
相对于传统二维显示，具有深度信息呈现能力的三维显示，因为显示场景维度一致于人们生活的真实空间，而备受关注。但现有三维显示大都是基于传统体视技术进行三维场景的呈现，通过向观察者两只眼睛分别投射各自对应的一幅视图，基于双目视差原理实现深度信息的呈现。在此过程中，观察者各眼睛需要聚焦于显示面，以看清楚各自对应视图，而两只眼睛的视向交叉于出屏的显示场景以触发观察者的深度感，由此导致各眼睛聚焦深度和双目会聚深度之间的不一致，也即聚焦-会聚冲突问题。而在自然情况下，观察者观察真实的三维场景时，各眼睛聚焦深度和双目会聚深度一致于观察者关注的空间深度。由此，传统体视技术的聚焦-会聚冲突有悖于人体自然进化的生理习惯，会导致观察者视觉不适，是阻碍三维显示技术推广应用的瓶颈性问题。
全息显示可以同时复现包括振幅和相位信息，从技术原理来说，显示的场景自带自然聚焦和离焦模糊效应，是最理想的三维显示技术，广受关注。但受全息显示所需光源的限制，背光结构都比较臃肿，不利于全息显示结构的小型化和便携化；同时，现有光调制器件有限的空间分辨率，也导致所显示全息场景尺寸合理情况下有限的观察区域。这些问题，极大限制了全息显示技术的实用化。
中国专利申请名称为《一种紧凑型增强现实近眼显示装置》、专利公开号：CN110488490A、公开日：2019-11-22，中公开的几种紧凑型增强现实近眼显示装置，该显示装置包括：光源：用于提供照明光；空间光调制器：用于载入计算全息图，对所述照明光进行调制，产生调制光场；波导：用于对所述照明光进行耦入、传输和耦出；包括将所述照明光耦出为平面波用于照明所述空间光调制器，以及对所述调制光场进行选择性的透射，允许衍射的3D光场透射，阻止非衍射的反射光透射；AR目镜：对所述3D光场进行成像。这几种装置可实现大视场的近眼AR全息三维显示或基于双目视差的增强现实三维显示或二维显示。但是该装置不涉及视区对观察者眼睛的追踪覆盖，无法实现具有合理观察区域尺寸的全息三维显示。
发明内容
本发明提出一种光波导指向背光全息显示模组，可以作为双目三维显示系统直接向观察者两只眼睛呈现可自然聚焦的三维场景，也可以作为一个目镜，向观察者的一个眼睛呈现可自然聚焦的三维场景，并采用两个该光波导指向背光全息显示模组构建双目全息显示系统。
该光波导指向背光全息显示模组由光波导指向背光组件、光调制器件、会聚器件、控制器件、眼睛追踪单元及其它组件组成。时序光源通过准直器件、光波导器件及其它组件，可以向光调制器件投射不同指向的背光；各指向背光经会聚器件，分别会聚于对应视区。在一个指向的背光入射时，控制器件同步加载待显示场景的全息编码信息至光调制器件，实现向视区处观察者眼睛的全息三维场景呈现。眼睛追踪单元实时确定的观察者眼睛位置，控制器件控制光波导指向背光组件投射覆盖观察者眼睛视区所对应背光，实现视区对观察者眼睛的追踪覆盖。
本发明提供如下方案：
光波导指向背光全息显示模组，包括：
光调制器件，该光调制器件包括由多个像素排列组成像素阵列，该光调制器件通过像素对各自对应入射光束的调制，进行光信息加载；
光波导指向背光组件，该光波导指向背光组件能够沿不同指向投射具有相同颜色特性的背光入射所述光调制器件，其中：该光波导指向背光组件包括由出射相同颜色特性光的M个时序光源组成的光源结构、准直器件和光波导器件，其中光源结构中不同的时序光源的投射光，经准直器件调制和光波导器件引导，作为背光，沿各自对应的不同指向入射所述光调制器件，其中M>1；或者，该光波导指向背光组件包括时序光源构建的光源结构、准直器件、光波导器件和可控偏转器件，其中光源结构投射光经准直器件调制和光波导器件引导，由可控偏转器件偏转，作为背光，沿不同指向入射所述光调制器件；
会聚器件，会聚光波导指向背光组件沿各指向所投射背光，引导其经光调制器件的调制光向对应视区投射，其中各视区和各背光及其背光指向一一对应；
控制器件，该控制器件分别与光调制器件、光波导指向背光组件连接，该控制器件用于控制光波导指向背光组件投射背光，并同步加载对应该背光的待显示场景全息编码至光调制器件；
其中，所述光波导指向背光全息显示模组被设置为满足：所述光波导指向背光组件所投射各背光，经所述光调制器件调制，投射对应全息场景至对应视区。
进一步地，所述的光波导指向背光全息显示模组，各时序光源设计为由分别出射N种颜色光的N个子光源组成，并被设置为使得：任一子光源投射的光经所述准直器件调制和所述光波导器件引导，作为背光，沿对应指向入射所述光调制器件后，通过光调制器件对应全息编码的同步加载，投射全息场景的对应颜色分量信息至该背光所对应视区，其中N>1；
该光波导指向背光全息显示模组被设置为满足：N个对应不同颜色的、发生最大程度重叠的视区成组，并定义其最大重叠区域为一个彩色视区，各彩色视区和其N个组员视区的对应背光及背光指向对应。
进一步地，所述N＝3，所述N种颜色为红(R)、绿(G)、蓝(B)。
进一步地，该光波导指向背光全息显示模组对应观察者两只眼睛放置，光波导指向背光组件沿两个指向时序投射背光，该两个背光所对应视区分别对应覆盖观察者的两只眼睛。
进一步地，该光波导指向背光全息显示模组对应观察者两只眼睛放置，还包括与所述该控制器件连接的眼睛追踪单元，该眼睛追踪单元能够确定观察者眼睛实时位置，从而能够确定对应视区分别覆盖观察者不同眼睛的背光，控制器件能够控制所述光波导指向背光组件时序投射该背光，并同步加载对应全息编码至光调制器件。
进一步地，该光波导指向背光全息显示模组对应观察者两只眼睛放置，光波导指向背光组件时序投射两个彩色视区对应背光，该两个彩色视区分别对应覆盖观察者的两只眼睛。
进一步地，该光波导指向背光全息显示模组对应观察者两只眼睛放置，还包括与所述该控制器件连接的眼睛追踪单元，该眼睛追踪单元能够确定观察者眼睛实时位置，从而能够确定覆盖观察者不同眼睛的不同彩色视区，控制器件能够控制所述光波导指向背光组件时序投射该不同彩色视区所对应背光，并同步加载对应全息编码至光调制器件。
进一步地，所述模组对应观察者一只眼睛置放，还包括与所述该控制器件连接的眼睛追踪单元，眼睛追踪单元能够确定观察者眼睛实时位置，从而能够确定对应视区覆盖观察者眼睛的背光，控制器件能够控制所述光波导指向背光组件投射该背光，并同步加载对应全息编码至光调制器件。
进一步地，所述模组对应观察者一只眼睛置放，还包括与所述该控制器件连接的眼睛追踪单元，该眼睛追踪单元能够确定观察者眼睛实时位置，从而能够确定覆盖观察者眼睛的彩色视区，该控制器件能够控制所述光波导指向背光组件投射该彩色视区对应背光，并同步加载对应全息编码至光调制器件。
进一步地，所述会聚器件为自由曲面光学结构。
进一步地，所述光波导指向背光全息显示模组还包括光路折叠结构，该光路折叠结构置于光路上，用于压缩光路所占空间。
进一步地，所述光路折叠结构包括：第一光学特性调制片，半透半反片，第二光学特性调制片，选择性反射-透射器件，其中选择性反射-透射器件分别用于反射和透射具有不同光学特性的光束，定义透射对应光学特性为透射特性，反射对应光学特性为反射特性；
该光路折叠结构被设置为使得：入射光经第一光学特性调制片和第二光学特性调制片，以反射特性入射选择性反射-透射器件，并被选择性反射-透射器件反射，然后经第二光学特性调制片一次后再次被半透半反片反射，并再次入射第二光学特性调制片，两次过第二光学特性调制片的光束，对应光学特性由反射特性转换为透射特性，然后经透射选择性反射-透射器件出射。
进一步地，所述光波导器件包括光波导体、入瞳、耦入器件、反射面、耦出器件和出瞳，该光波导器件用于：在各时间点，来自光源结构的光经准直器件，过光波导器件的入瞳入射光波导体，然后经耦入器件引导和反射面反射，于光波导体内向耦出器件传播，并经耦出器件引导，由出瞳以对应指向出射光波导体。
进一步地，所述光源结构的时序光源是激光源、LED+滤色结构、MicroLED+滤色结构或者耦入了单色光的光纤头。
进一步地，所述滤色结构为体光栅，仅允许特定波长的光通过，阻挡其它波长的光通过。
进一步地，所述光调制器件对应多于一个的光波导指向背光组件，不同光波导指向背光组件分别用于向该光调制器件的各自对应区域投射背光。
本发明利用光波导结构投射指向背光，从而薄化背光结构，并通过不同指向背光对应视区对观察者眼睛的追踪覆盖，实现合理视区的全息三维显示模组。
本发明具有以下技术效果：本发明光波导指向背光全息显示模组，借助薄结构的光波导结构投射背光，克服传统指向背光的结构厚重问题；利用会聚器件引导各指向背光向各自对应视区的有效会聚，充分利用光调制器件空间带宽积；同时，通过不同指向背光对应视区对观察者眼睛的追踪覆盖，为观察者眼睛提供合理的空间观察区域。所述光波导指向背光全息显示模组可以应用于各种屏幕及便携式显示终端，比如头戴式VR、AR、手机、iPad等。
本发明实施例的细节在附图或以下描述中进行体现。本发明的其它特性、目的和优点通过下述描述、附图而变得更为明显。
附图说明
附图用于帮助更好地理解本发明，也是本说明书的一部分。这些对实施例进行图解的附图和描述一起用以阐述本发明的原理。
图1是对应观察两只眼睛的光波导指向背光全息显示模组结构示意图。
图2为光源结构包含分别对应观察者两只眼睛的两个时序光源的光波导指向背光组件结构的事宜图。
图3为光波导指向背光组件20的结构示意图，其中示出了对应观察者两只眼睛的两个彩色视区。
图4是观察者各个眼睛分别对应的多个视区分布示意图。
图5所示为包含可控偏转器件的光波导指向背光组件结构示意图。
图6是采用反射式光调制器件的显示模组结构示意图。
图7是光调制器件和会聚器件的另一种位置关系示意图。
图8是会聚器件集成于光波导器件的范例结构示意图
图9是采用自由曲面光学结构会聚器件的单目显示模组的结构示意图。
图10是采用反射式光调制器件和自由曲面光学结构会聚器件的单目显示模组的结构示意图。
图11所示为置于会聚器件和观察者眼睛之间的光路折叠结构的结构示意图。
图12为光路折叠结构置于光调制器件和观察者眼睛之间的位置关系示意图。
图13为光路折叠结构置于光调制器件和会聚器件之间的位置关系示意图。
具体实施方式
本发明所述光波导指向背光全息显示模组，利用光波导指向背光组件向光调制器件投射指向背光，并通过会聚器件引导各指向背光对应的调制光信息会聚形成各自对应视区。在任一视区覆盖观察者眼睛时，实现向该眼睛的全息三维信息投射。设计多束沿不同指向背光，实现视区对观察者眼睛的追踪覆盖，增大观察者眼睛所需的观察区域。相较于现有全息显示光机，光波导器件的引入实现了指向背光结构的轻薄化，有利用轻薄结构便携式全息三维显示终端的实现，例如手机全息显示终端；多指向背光通过视区对观察者眼睛的追踪覆盖，解决单束背光面临的观察区域狭小问题。进一步结合自由曲面光学结构型会聚器件和光路折叠结构，可是实现结构厚度优化的近眼全息三维显示终端。
图1所示为光波导指向背光全息显示模组的基本结构。其包括光调制器件10、光波导指向背光组件20、会聚器件30、控制器件40。其中，光波导指向背光组件20在一个时间周期(t～t+Δt)的两个时间点t和t+Δt/2，分别投射沿VecL指向和VecR指向的两束平行背光。图1以时间点t投射的沿VecL指向平行背光为例，其中实线箭头表示光的具体传输方向。光调制器件10的任一像素p1，接收沿指向VecL的背光，基于衍射效应出射衍射角为θ的调制光束：
dsin(θ)＝λ (1)，
其中，d为像素尺寸，λ为波长。图1以xy面为例，也即对应图1，公式(1)中θ为xz面内的衍射角θx，d为x方向像素尺寸dx。由于本专业人员很清楚该关系，本专利不再特意就该问题进行说明，也即在使用上述公式(1)时，不再特意说明其中的d和θ具体为哪个面内的值。则像素p1调制光经会聚器件30，包含目标显示信息的有效衍射光，覆盖会聚器件30焦平面上的VzL区域。其它各像素，同入射角的平行入射光设计，使各像素调制光中的有效衍射光均于会聚器件30焦平面上覆盖VzL区域。则，VzL区域为该时间点沿VecL指向的背光所对应视区VzL。处于该区域的观察者眼睛70L，将接收到此时光调制器件10编码显示的全息光信息。VzL区域的中点VL0是光调制器件10不存在时，沿VecL指向的背光经会聚器件30的会聚点。明显地，在会聚指向背光的同时，会聚器件30也投射光调制器件10的放大虚像。以VecL指向背光作为入射光，采用全息编码算法，编制时间点t时待显示三维场景的全息编码，并由控制器件40同步加载至光调制器件10，即可在该时间点实现向视区VzL内观察者左眼睛70L的全息三维显示。同理，设计t+Δt/2时间点，沿VecR指向入射背光的对应视区。VzR覆盖观察者右眼睛70R，控制器件40控制光调制器件10同步加载对应该背光的全息编码，则可基于视觉滞留实现双目的全息三维场景呈现。图1所示视区被置于会聚器件30的焦平面上。实际上，可以观察到对应全息信息的空间区域，为图1所示视区VzL和视区VzR附近的一个空间区域。也即是说，观察者眼睛70不是一定要被限制于会聚器件30的焦平面。上述范例，各背光取为平行光。实际上，各背光也可以是对应一个实际会聚点的会聚光，或者对应一个虚的反向会聚点的发散光。此时，各视区所在面将不再位于会聚器件30的焦平面上，而是对应背光在仅经会聚器件30时的会聚面上。该扩展也适用于本专利以下部分，不再重复说明。
光波导指向背光组件20，包括包含时序光源的光源结构21、准直器件22和光波导器件23。图2以一个具体的结构为例，光波导器件23由光波导体2301、入瞳2305、耦入器件2302、反射面2303、耦出器件2304和出瞳2306构建。包含两个时序光源SR0和SL0的光源结构21，其两个时序光源在时间周期(t～t+Δt)的两个时间点t和t+Δt/2，分别由控制器件40打开。于一个时间点，来自对应打开时序光源的投射光，经准直器件22被调制为沿对应指向传播的平行光，图2中，准直器件22具体地取为透镜。此处，准直器件22的功能是将时序光源投射光转为平行光束。具有该功能的其它器件，例如菲涅尔透镜、全息器件等，均可选用。该平行光经光波导器件23的入瞳2305入射光波导体2301，然后经耦入器件2302引导和反射面2303反射，于光波导体2301内向耦出器件2304传播，并经耦出器件2304调制，由出瞳2306沿对应的指向平行出射。如上所述，如果需要各背光为会聚光或发散光时，可以设计耦出器件2304，以获得想要的背光。同一时间周期内不同时间点，光波导指向背光组件20所投射各背光的指向，对应取决于时序光源SR0和SL0于会聚器件22前焦面上的空间位置，及光波导器件23的性质。图1具体的以反射面作为耦入器件2302，以多个半透半反面2304a、2304b和2304c作为耦出器件2304。其中，以多个半透半反面2304a、2304b和2304c构建耦出器件2304的目的是进行扩瞳，以保证出瞳出射光的分布范围可以覆盖后继的光学器件，如光调制器件10和会聚器件30。图1中以常见几何光波导作为光波导器件23。实际上，类似于准直器件22，光波导器件23也可以选用其它结构，例如衍射光波导。图2中，各视区示为虚线椭圆，仅是示意视区之间的相互位置关系，并不意味着各视区的真实分布形状。以下各图，同理。
图1以两个时序光源，对应视区分别对应两个眼睛70的情况为例，进行说明。现有光调制器件10，多是单色器件，例如相位型空间光调制器。在这种情况下，若进行彩色三维场景的呈现，观察者各个眼睛70需要时序接收到不同颜色的光信息，基于视觉滞留获得彩色三维场景显示。如图3所示，设计光源结构21的各时序光源，分别由N＝3个分别投射红(r)、绿(g)、蓝(b)光的子光源组成，分别对应观察者的两只眼睛70。具体地，对应右眼睛70R的时序光源SR0由标示为r、g、b的三个子光源组成，对应左眼睛70L的时序光源SL0由另外同样标示为r、g、b的三个子光源组成。光源结构21的该6个子光源，在任一时间周期的6个时间点，依次打开，同理前述过程进行全息编码的同步加载。则，在一个时间点，该时间点打开的子光源所对应视区内，可以接收到待显示场景单个颜色分量的全息显示信息。在对应同一只眼睛70的不同颜色子光源空间分离时，它们各自对应视区空间之间也发生相对位置偏移。它们的重叠区域，形成该眼睛70对应的彩色视区，例如图3中斜线覆盖的彩色视区CVzR和CVzL。本专利中，光源结构21的时序光源或子光源，可以选用各种可能的器件，例如激光光源、LED光源+滤色结构、MicroLED+滤色结构、出射单色激光的光纤头等。这里的滤色结构，以体光栅为例，其允许特定波长的光通过，阻挡其它波长的光通过，可以基于LED光源+滤色结构、MicroLED+滤色结构等类似组合作为单色时序光源或子光源。
根据公式(1)，不同颜色的时序光源(波长λ不同)，对应的视区尺寸也不相同。采用振幅型空间光调制器作为光调制器件10时，该光调制器件10的各像素，也可以由分别调制不同颜色光的子像素组成。在这种情况下，图3中，对应各时序光源的不同颜色子光源，在其投射光颜色和子像素所对应的不同颜色一一对应时，在各时间点可以同时打开一组子光源，以降低模组对时间复用频次的要求。
如上所述，基于单色光调制器件10进行彩色显示，对应一个眼睛70，需要不同颜色子光源的时序打开。其中，彩色视区的确定，遵循如下准则：N个对应不同颜色的、发生最大程度重叠的视区成组，其最大重叠区域作为一个彩色视区。本专利以下部分，不再重复性地讨论该彩色三维场景对应彩色视区的情况。仅以各时序光源投射一束背光的情况为例，进行更进一步的解释说明。
一只眼睛仅对应存在一个视区时，该视区作为该眼睛的观察区域，尺寸比较受限。图4所示为各眼睛70对应多个时序光源，也即对应多个视区的情况。该设置下，光源结构21的所有时序光源，可以在同一时间周期的不同时间点，依次打开，时序地对应呈现多个视区。在这些视区无缝连接起来的情况下，该连接区域可以作为扩展的观察区域，允许观察者眼睛70于该区域内自由移动。由于光调制器件10对各背光调制过程中，除包含目标显示信息的有效衍射光外，还伴随其它阶衍射光。有效衍射光如上所述，被导向对应视区；但其它阶衍射光将分布于对应视区之外的区域，作为衍射串扰存在。也即是说，如图4所示，通过各视区依次时序呈现来为观察者眼睛构建更大的观察区域时，各视区内会出现其它非对应背光入射时伴随产生的衍射串扰，影响显示效果。所以，图4所示情况，要求各背光入射时，伴随出现的其它阶衍射光光强较弱。为了更好地避免上述衍射串扰，可以引入如图1所示的眼睛追踪单元60，实时确定观察者眼睛70的空间位置。在对应观察者一只眼睛70的一个时间点，根据观察者眼睛70的空间位置，确定对应视区覆盖该观察者眼睛70的时序光源；然后控制器件40仅打开该时序光源，并同步加载对应全息编码。在对应该眼睛70的其它时间点，重复上述过程。这样，通过对实时覆盖观察者眼睛70的单个视区的追踪呈现，避免各时刻空闲视区(即不覆盖观察者眼睛70的视区)呈现，可以有效避免上述衍射串扰。在各时间周期，处于一个对应视区内的一只眼睛70，在对应其它眼睛的时间点，会接收到来自其它眼睛对应全息编码的衍射串扰，但由于不同眼睛之间较大的空间距离，该衍射串扰较弱。上述过程中，要保证任一位置的眼睛，都有一个对应视区可以覆盖它，在各视区尺寸大于观察者瞳孔直径Dp的前提下，需要该眼睛对应视区排布密度达到一定的程度。例如，沿视区的一个排列方向x′向，最优的要求相邻视区间距ΔD≦Dx′-Dp。Dx′为x′向上视区的宽度，也即是光调制器件10像素的一阶衍射光于视区面上沿x′向的分布尺寸。
上述多个时序光源时序投射不同指向背光的设计，也可以通过可控偏转器件50来实现。如图5所示，时序光源S投射光经准直器件22和光波导器件23，平行入射可控偏转器件50。在控制器件40的控制下，可控偏转器件50将平行入射光时序按所需角度进行偏转，作为光调制器件10的不同指向背光。图5中的时序光源S，也可以用N个投射不同颜色光的子光源代替，同理进行显示。近一步的，多个时序光源和可控偏转器件50的结合也是可行的。
上述各图中，所示光调制器件10为透射式器件。光调制器件10也可以选用反射式器件，如图6所示。同时，光调制器件10和会聚器件30的空间位置关系，也可以互换，如图7所示。当会聚器件30与光波导器件23之间无其它光学器件时，会聚器件30也可以集成到光波导器件23中。如图8所示范例，会聚器件30的功能，集成至光波导器件23的耦出器件2304。图8中，光波导器件23的耦出器件2304可以为浮雕光栅结构，或全息结构。
所述光波导指向背光全息显示模组，也可以仅相对观察者的一只眼睛70置放，作为近眼显示的一个目镜结构，例如图9所示结构。如果搭建双目显示系统，需要两个这样的目镜结构。图9中，会聚器件30采用自由曲面光学结构。其中，自由曲面光学结构的曲面F1为透射面，曲面F3为反射面，曲面F2为半透半反面，曲面F4为透射面。曲面F1、F3、F2和F4共同对来自光波导指向背光组件20的背光进行会聚，起会聚器件30的功能，同时参与对光调制器件10的成像。曲面F5消除曲面F2和F4对外部环境入射光的影响，起补偿单元60的功能，也使该结构可以作为AR目镜。图10为光调制器件10选用反射式器件时的光学结构示意图。图9所示结构，引入眼睛追踪单元60，结合沿不同背光的选用，同样实现视区对观察者眼睛70的追踪覆盖。会聚器件30也可以是其它两个或多个组件组成的复合器件。例如一个反射镜和一个透镜的组合，其中的反射镜可以改变光的传输方向。仅相对观察者一只眼睛70置放的光波导指向背光全息显示模组，其观察区域也类似地存在两种情况：多个视区在一个时间周期内的多个时间点依次投射，它们连接覆盖区域作为观察区域，或者借助眼睛追踪单元，在各时间点，仅实时覆盖观察者眼睛的那个视区被投射。后者可以避免衍射串扰。
根据图1和公式(1)，各像素衍射入射光，形成对应视区的尺寸，受限于像素衍射角θ和光调制器件-眼睛距离。在衍射角θ有限的情况下，合理的视区尺寸要求比较大的光调制器件-眼睛距离，而该距离较大时，会导致较大空间尺寸的模组结构。可以进一步地，于光调制器件10和观察者眼睛70之间引入光路折叠结构80，缩短较大光调制器件-眼睛距离所实际占据的空间体积。如图11所示，光路折叠结构80置于会聚器件30和观察者眼睛70之间。如果会聚器件30采用图9和图10所示的自由曲面光学结构，光路折叠结构80就是对应置于曲面F4和观察者眼睛70之间。该光路折叠结构80由第一光学特性调制片804、半透半反片803、第二光学特性调制片802、选择性反射-透射器件801组成。其中选择性反射-透射器件801分别反射和透射具有不同光学特性的光，定义透射对应光学特性为透射特性，反射对应光学特性为反射特性。入射光经第一光学特性调制片804和第二光学特性调制片802，以反射特性入射选择性反射-透射器件801，并被选择性反射-透射器件801反射，然后经第二光学特性调制片802一次后被半透半反片803反射，并再次入射第二光学特性调制片802，两次过第二光学特性调制片802的光，对应光学特性由反射特性转换为透射特性，然后经透射选择性反射-透射器件801出射。通过光传播路径的折返，缩短了会聚器件30和观察者眼睛70之间的空间距离，有利于光波导指向背光全息显示模组的结构薄化。具体地，图11以
Figure GDA0003794706210000111
态偏振作为透射特性。和
Figure GDA0003794706210000112
态偏振正交的“●”态偏振为反射特性。第二光学特性调制片802取为四分之一波片。过第一光学特性调制片804，来自光调制器件10的光调制为旋光出射，然后经半透半反片803透射后，被第二光学特性调制片802调制为“●”态偏振光入射选择性反射-透射器件801，并被反射。被入射选择性反射-透射器件801反射的“●”态偏振光，经第二光学特性调制片802后被半透半反片803反射，再一次入射第二光学特性调制片802，两次经过第二光学特性调制片802的“●”态偏振光，被转换为透射特性的
Figure GDA0003794706210000113
态偏振光，并出射选择性反射-透射器件801。
同样地，在光调制器件10和观察者眼睛70之间无其它器件时，光路折叠结构80也可以置于光调制器件10和观察者眼睛70之间，如图12。或者置于光调制器件10和会聚器件30之间，如图13。图12和图13的光路折叠结构80仅以简化的虚线框示意性地示出，并未示出光路折叠结构80具体的内部结构，虚线框并不代表光路折叠结构80的实际结构。
在来自一个光波导指向背光组件20的背光不能完全覆盖光调制器件10各像素时，也可以设计两个或更多个光波导指向背光组件，分别向光调制器件10不同部分提供背光，基于同样过程实现全息三维显示。
本发明的核心思想是设计光波导指向背光组件20可以沿不同指向，向光调制器件10投射背光，利用不同背光所对应不同视区对观察者眼睛70的追踪覆盖，克服仅一个视区所提供观察区域的尺寸过小的问题，实现具有合理观察区域尺寸的全息三维显示。
以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。相应地，所有相关实施例都落入本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，包括：
光调制器件(10)，该光调制器件(10)包括由多个像素排列组成像素阵列，该光调制器件(10)通过像素对各自对应入射光束的调制，进行光信息加载；
光波导指向背光组件(20)，该光波导指向背光组件(20)能够沿不同指向投射具有相同颜色特性的背光入射所述光调制器件(10)，其中：该光波导指向背光组件(20)包括由出射相同颜色特性光的M个时序光源组成的光源结构(21)、准直器件(22)和光波导器件(23)，其中光源结构(21)中不同的时序光源的投射光，经准直器件(22)调制和光波导器件(23)引导，作为背光，沿各自对应的不同指向入射所述光调制器件(10)，其中M>1；或者，该光波导指向背光组件(20)包括时序光源构建的光源结构(21)、准直器件(22)、光波导器件(23)和可控偏转器件(50)，其中光源结构(21)投射光经准直器件(22)调制和光波导器件(23)引导，由可控偏转器件(50)偏转，作为背光，沿不同指向入射所述光调制器件(10)；
会聚器件(30)，会聚光波导指向背光组件(20)沿各指向所投射背光，引导其经光调制器件(10)的调制光向对应视区投射，其中各视区和各背光及其背光指向一一对应；
控制器件(40)，该控制器件(40)分别与光调制器件(10)、光波导指向背光组件(20)连接，该控制器件(40)用于控制光波导指向背光组件(20)投射背光，并同步加载对应该背光的待显示场景全息编码至光调制器件(10)；
其中，所述光波导指向背光组件(20)所投射各背光，经所述光调制器件(10)调制，投射对应全息场景至对应视区。
2.根据权利要求1所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，各时序光源设计为由分别出射N种颜色光的N个子光源组成，并被设置为使得：任一子光源投射的光经所述准直器件(22)调制和所述光波导器件(23)引导，作为背光，沿对应指向入射所述光调制器件(10)后，通过光调制器件(10)对应全息编码的同步加载，投射全息场景的对应颜色分量信息至该背光所对应视区，其中N>1；
该光波导指向背光全息显示模组被设置为满足：N个对应不同颜色的、发生最大程度重叠的视区成组，并定义其最大重叠区域为一个彩色视区，各彩色视区和其N个组员视区的对应背光及背光指向对应。
3.根据权利要求2所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，所述N＝3，所述N种颜色为红、绿、蓝。
4.根据权利要求1所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，该光波导指向背光全息显示模组对应观察者两只眼睛(70)放置，光波导指向背光组件(20)沿两个指向时序投射背光，该光波导指向背光组件(20)沿两个指向时序投射的背光所对应视区分别对应覆盖观察者的两只眼睛(70)。
5.根据权利要求1所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，该光波导指向背光全息显示模组对应观察者两只眼睛(70)放置，还包括与所述该控制器件(40)连接的眼睛追踪单元(60)，该眼睛追踪单元(60)能够确定观察者眼睛(70)实时位置，从而能够确定对应视区分别覆盖观察者不同眼睛(70)的背光，控制器件(40)能够控制所述光波导指向背光组件(20)时序投射该背光，并同步加载对应全息编码至光调制器件(10)。
6.根据权利要求2所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，该光波导指向背光全息显示模组对应观察者两只眼睛(70)放置，光波导指向背光组件(20)时序投射两个彩色视区对应背光，该两个彩色视区分别对应覆盖观察者的两只眼睛(70)。
7.根据权利要求2所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，该光波导指向背光全息显示模组对应观察者两只眼睛(70)放置，还包括与所述该控制器件(40)连接的眼睛追踪单元(60)，该眼睛追踪单元(60)能够确定观察者眼睛(70)实时位置，从而能够确定覆盖观察者不同眼睛(70)的不同彩色视区，控制器件(40)能够控制所述光波导指向背光组件(20)时序投射该不同彩色视区所对应背光，并同步加载对应全息编码至光调制器件(10)。
8.根据权利要求1所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，所述模组对应观察者一只眼睛(70)置放，还包括与所述该控制器件(40)连接的眼睛追踪单元(60)，该眼睛追踪单元(60)能够确定观察者眼睛(70)实时位置，从而能够确定对应视区覆盖观察者眼睛(70)的背光，该控制器件(40)能够控制所述光波导指向背光组件(20)投射该背光，并同步加载对应全息编码至光调制器件(10)。
9.根据权利要求2所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，所述模组对应观察者一只眼睛(70)置放，还包括与所述该控制器件(40)连接的眼睛追踪单元(60)，该眼睛追踪单元(60)能够确定观察者眼睛(70)实时位置，从而能够确定覆盖观察者眼睛(70)的彩色视区，该控制器件(40)能够控制所述光波导指向背光组件(20)投射该彩色视区对应背光，并同步加载对应全息编码至光调制器件(10)。
10.根据权利要求8和9任一项所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，所述会聚器件(30)为自由曲面光学结构。
11.根据权利要求8和9任一项所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，还包括光路折叠结构(80)，该光路折叠结构(80)置于光路上，用于压缩光路所占空间。
12.根据权利要求11所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，其光路折叠结构(80)包括：第一光学特性调制片(804)，半透半反片(803)，第二光学特性调制片(802)，选择性反射-透射器件(801)，其中选择性反射-透射器件(801)分别用于反射和透射具有不同光学特性的光束，定义透射对应光学特性为透射特性，反射对应光学特性为反射特性；
该光路折叠结构被设置为使得：入射光经第一光学特性调制片(804)和第二光学特性调制片(802)，以反射特性入射选择性反射-透射器件(801)，并被选择性反射-透射器件(801)反射，然后经第二光学特性调制片(802)一次后再次被半透半反片(803)反射，并再次入射第二光学特性调制片(802)，两次过第二光学特性调制片(802)的光束，对应光学特性由反射特性转换为透射特性，然后经透射选择性反射-透射器件(801)出射。
13.根据权利要求1所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，所述光波导器件(23)包括光波导体(2301)、入瞳(2305)、耦入器件(2302)、反射面(2303)、耦出器件(2304)和出瞳(2306)，该光波导器件(23)用于：在各时间点，来自光源结构(21)的光经准直器件(22)，过光波导器件(23)的入瞳(2305)入射光波导体(2301)，然后经耦入器件(2302)引导和反射面(2303)反射，于光波导体(2301)内向耦出器件(2304)传播，并经耦出器件(2304)引导，由出瞳(2306)以对应指向出射光波导体(2301)。
14.根据权利要求1所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，所述光源结构(2 1)的时序光源是激光源、LED+滤色结构、MicroLED+滤色结构或者耦入了单色光的光纤头。
15.根据权利要求14所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，所述滤色结构为体光栅，仅允许特定波长的光通过，阻挡其它波长的光通过。
16.根据权利要求1所述的光波导指向背光全息显示模组，其特征在于，所述光调制器件(10)对应多于一个的光波导指向背光组件(20)，不同光波导指向背光组件(20)分别用于向该光调制器件(10)的各自对应区域投射背光。
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