CN208705580U - 一种基于全息光栅的近眼显示光学装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于全息光栅的近眼显示光学装置，包括：微显示器、偏振片、自由曲面棱镜、玻璃基底和全息光栅，微显示器用于输出与虚拟图像对应的光束；偏振片用于将与虚拟图像对应的光束进行偏振，获得偏振光束；自由曲面棱镜用于准直偏振光束，获得平行光束；玻璃基底用于对平行光束进行全反射后输出；全息光栅用于对全反射后的平行光束进行光栅斜面反射后，进入人眼眼瞳。本实用新型采用一个自由曲面棱镜取代传统由多片光学棱镜构成的共轴目镜系统，同时还采用全息光栅进行光传输，既能降低整体体积和重量，以实现小型轻量化，使用户长时间无感佩戴，又能避免红蓝绿三色光发生串扰，能够保证观察者在大视场范围内看到清晰的图像。
Description
技术领域
本实用新型涉及显示用的光学技术领域，特别是涉及一种基于全息光栅的近眼显示光学装置。
背景技术
近眼显示系统也成头盔显示器，是一种用于虚拟现实等显示在使用者头上戴着的视觉显示器，最初主要应用于军事和科研领域，随着科技进步和社会法阵，然们对近眼显示技术的认识和学习越来越多，近眼显示技术逐步进入人们的生活。增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上，因此现有结合虚拟显示技术和增强显示技术，将近眼显示技术的应用领域拓展到军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域。
现有的近眼显示光学系统或装置通过设置多片棱镜组构成目镜系统，但设置的共轴目镜系统无法解决庞大厚重体积造成用户无法长时间佩戴使用，严重影响用户体验，另外，现有的近眼显示光学系统或装置还容易造成色光串扰现象，因此如何克服上述问题，设置一种小型轻量化、避免色光串扰的近眼显示光学装置成为本领域亟需解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于全息光栅的近眼显示光学装置，既降低整体体积和重量，实现小型轻量化，使用户长时间无感佩戴，又避免红蓝绿三色光发生串扰。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于全息光栅的近眼显示光学装置，所述近眼显示光学装置包括：
微显示器，用于输出与虚拟图像对应的光束；
偏振片，设置在所述微显示器的输出光路上，用于将所述与虚拟图像对应的光束进行偏振，获得偏振光束；
自由曲面棱镜，设置在所述偏振片的输出光路上，用于准直所述偏振光束，获得平行光束；
玻璃基底，设置在所述自由曲面棱镜的输出光路上，用于对所述平行光束进行全反射后输出；
全息光栅，与所述玻璃基底相连，用于对全反射后的所述平行光束进行光栅斜面反射后，进入人眼眼瞳。
可选的，所述自由曲面棱镜包括：至少一个自由曲面和入射光平面；多个所述自由曲面和入射光平面构成封闭空间，所述入射光平面设置在所述微显示器的输出光路上。
可选的，在所述玻璃基底上设置耦合入口，所述耦合入口设置在所述自由曲面棱镜的输出光路上，用于将所述平行光束入射至所述玻璃基底内部。
可选的，所述耦合入口的材质为光学玻璃的抛光平面或光学塑料的抛光平面或浮雕光栅。
可选的，所述浮雕光栅包括亚波长的闪耀光栅、倾斜光栅、沉积TiO2对称光栅、镀多层膜对称光栅、非对称亚波长光栅中的任意一种。
可选的，所述微显示屏为有机发光二极管或硅基液晶。
可选的，所述玻璃基底的材质为光学玻璃或光学塑料。
可选的，所述全息光栅包括第一光栅层、第二光栅层和第三光栅层；所述第一光栅层设置在所述第二光栅层上，所述第二光栅层设置在所述第三光栅层上。
可选的，所述第一光栅层、所述第二光栅层和所述第三光栅层采用三种不同玻璃。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
本实用新型采用一个自由曲面棱镜取代传统由多片光学棱镜构成的共轴目镜系统，同时还采用全息光栅进行光传输，既能降低整体体积和重量，以实现小型轻量化，使用户长时间无感佩戴，又能避免红蓝绿三色光发生串扰，能够保证观察者在大视场范围内看到清晰的图像
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例基于全息光栅的近眼显示光学装置结构图；
图2为本实用新型实施例自由曲面棱镜结构图；
图3为本实用新型实施例全息光栅工作原理图。
其中，1、微显示器，2、偏振片，3、自由曲面棱镜，4、玻璃基底，5、全息光栅，6、人眼眼瞳，7、耦合入口，8、自由曲面，9、入射光平面，10、平行光束，11、第一光栅层，12、第二光栅层，13、第三光栅层，200、参考光线。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种基于全息光栅的近眼显示光学装置，既降低整体体积和重量，实现小型轻量化，使用户长时间无感佩戴，又避免红蓝绿三色光发生串扰。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
增强现实(Augmented Reality，简称AR),它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。
头戴显示器(Head-mounted displays,简称HMD)被广泛应用于虚拟现实系统中，用以增强用户的视觉沉浸感。
全息光栅(holographic grating optical elements，简称HOE)，是利用全息照相技术制作的光栅。光全息技术，主要是利用光相干迭加原理，简单讲就是通过对复数项(时间项)的调整，使两束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，达到相干场具有较高的对比度的技术。
图1为本实用新型实施例基于全息光栅的近眼显示光学装置结构图，如图1所示，本实用新型提供了一种基于全息光栅的近眼显示光学装置，所述近眼显示光学装置包括：
微显示器1，用于输出与虚拟图像对应的光束；
偏振片2，设置在所述微显示器1的输出光路上，用于将所述与虚拟图像对应的光束进行偏振，获得偏振光束；
自由曲面棱镜3，设置在所述偏振片2的输出光路上，用于准直所述偏振光束，获得平行光束10；
玻璃基底4，设置在所述自由曲面棱镜3的输出光路上，用于对所述平行光束10进行全反射后输出；
全息光栅5，与所述玻璃基底4相连，用于对全反射后的所述平行光束10进行光栅斜面反射后，进入人眼眼瞳6。
作为一种实施方式，本实用新型所述自由曲面棱镜3包括：至少一个自由曲面8和入射光平面9；多个所述自由曲面8和入射光平面9构成封闭空间，所述入射光平面9设置在所述微显示器1的输出光路上。
作为一种实施方式，本实用新型在所述玻璃基底4上设置耦合入口7，所述耦合入口7设置在所述自由曲面棱镜3的输出光路上，用于将所述平行光束10入射至所述玻璃基底4内部。
作为一种实施方式，本实用新型所述耦合入口7的材质为光学玻璃的抛光平面或光学塑料的抛光平面或浮雕光栅。
作为一种实施方式，本实用新型所述浮雕光栅包括亚波长的闪耀光栅、倾斜光栅、沉积TiO2对称光栅、镀多层膜对称光栅、非对称亚波长光栅中的任意一种。
作为一种实施方式，本实用新型所述微显示屏为有机发光二极管或硅基液晶。
作为一种实施方式，本实用新型所述玻璃基底4的材质为光学玻璃或光学塑料。
作为一种实施方式，本实用新型所述全息光栅5包括第一光栅层11、第二光栅层12和第三光栅层13；所述第一光栅层11设置在所述第二光栅层12上，所述第二光栅层12设置在所述第三光栅层13上。
作为一种实施方式，本实用新型所述第一光栅层11、所述第二光栅层12和所述第三光栅层13采用三种不同玻璃。
作为一种实施方式，本实用新型所述微显示屏作为光学系统的物图像，一般地，它可以是OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)，可以是LCOS(LiquidCrystal on Silicon，硅基液晶)，也可以是由其它材料构成的具有发光功能的微显示芯片。
自由曲面棱镜3，是指非对称性，不规则，不适合用统一的光学方程式来描述的光学曲面，属于离轴非球面光学系统，透镜材质可用光学玻璃或光学塑料，光学玻璃有牌号如K9、BK7、ZF52等，光学塑料有PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、PMMA(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)。自由曲面棱镜3003具有小像差，小畸变的特点。全视场范围畸变可小于1％。
本实用新型为了实现小型轻量化，同时增大视场的目的，本实用新型所述自由曲面棱镜3包括：至少一个自由曲面8和入射光平面9；多个所述自由曲面8和入射光平面9构成封闭空间，所述入射光平面9设置在所述微显示器1的输出光路上，一方面提供必要的光焦度，另一方面提供光学设计较多的自由度。如图2所示，本实用新型给出了所述自由曲面棱镜3包括：2个自由曲面8和入射光平面9，但并不限于本图中的具体实施例。
典型的二次曲面函数表达式为
式中，h2＝x2+y2，x和y为曲面上任一点的坐标点位置，c为曲面顶点的曲率，K为二次曲面系数，a4，a6...为高次非球面系数。
基于上式的基础上，确定自由曲面8的复曲面的表达式有以下二种变形方式:
(1)平面对称的复曲面，其方程为：
其中，cx为自由曲面在X-Z平面内的曲率半径，cy是自由曲面在Y-Z平面的曲率半径，Kx为自由曲面在弧矢方向的二次曲面系数，Ky为自由曲面在子午方向的二次曲面系数，Ai为关于Z轴旋转对称的2i+2阶非球面系数，Pi是2i+2阶非旋转对称系数。
(2)XY多项式曲面是在二次曲面的基础上增加了最高幂数不大于p的多个xmyn单项式，其描述方程为：
其中，c是自由曲面曲率，K是二次曲面系数，C(m,n)是单项式xmyn的系数。
本实用新型为方便分析，选择零视场的平行光束10其中1根，命名为平行光束10。
耦合入口7可以是材质为光学玻璃或光学塑料的抛光平面，也可以是一种浮雕光栅，浮雕光栅的种类可以是亚波长的闪耀光栅，或者倾斜光栅，或者沉积TiO2对称光栅，或镀多层膜对称光栅，或者任意结构的非对称亚波长光栅。当耦合入口7为光学玻璃或光学塑料的抛光平面时，光线传播规律按照折射定律n1*sinI＝n2*sinθ。当耦合入口7为浮雕光栅时，光线传播规律按照光栅方程d*(n1*sinI+n2*sinθ)＝m*λ，n1指入射介质的折射率，n2指出射介质的折射率，I是入射角，指入射光与入射面法线的夹角，θ是出射角，指出射光与入射面法线的夹角，d是指对应的光栅常数，m指衍射级次，λ指对应光线波长。
本实用新型所述玻璃基底4材质为光学玻璃或光学塑料，光学玻璃有牌号如K9、BK7、ZF52等，光学塑料有PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，所述玻璃基底4满足的全反射条件为：其中，n1指入射介质的折射率，n2指出射介质的折射率。为方便举例，可设置所述玻璃基底4材质为光学玻璃LaK3，则平行光束10与所述玻璃基底4的底面构成的入射角为45°，大于LaK3全反射角34.8°，满足全反射原理，平行光束10在所述玻璃基底4内进行全反射传播。所述以全视场角对角线40°为例，则水平X垂直角度＝35.2°*20.2°，则水平半角为17.6°。只要a-arcsin(sin(17.6°)/n2)＞arcsin(sin(1/n2))，则全视场光线均满足全反射原理，平行光线可在所述玻璃基底4内部进行有效传播，其中n2为玻璃基底4折射率。
本实用新型所述全息光栅5是利用全息照相技术制作的光栅，holographicgrating。光全息技术，主要是利用光相干迭加原理，简单讲就是通过对复数项(时间项)的调整，使两束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，达到相干场具有较高的对比度的技术。在光学稳定的所述玻璃基底4上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层。由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光。然后用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像。全息光栅5没有鬼像，杂散光小，可消除机刻光栅的固有缺点，其实际分辨本领可达理论分辨率的80％-100％。因此，我们设计使用反射式的全息光栅5进行光耦合。
本实用新型当入射角一定时，给定的全息光栅5只对满足布拉格条件的一个特定波长的光发生衍射，因此，利用这个理论，在全息记录介质中写入不同方向或不同频率的光栅，使得当一束含有各种不同波长的光束照射介质时，对应于不同波长的光都有不同的光栅是它满足布拉格条件，从而在不同衍射方向出现不同波长的衍射光，如图3所示，设计三层全息光栅5将红蓝绿三色光分别进行衍射，可以使三色光之间不发生串扰，减小像差。当入射光入射到全息光栅5上时，一部分光被反射衍射，另一部分光被透射衍射，但只有所述全息光栅5满足布拉格衍射条件2nΛsinθ＝λ的衍射光才能加强干涉形成衍射光波出射为全息图的再现光波，Λ为光栅周期。
全息光栅5的衍射特性由Kogelnik理论确定，具体假设如下条件：(1)全息光栅5被恒定振幅的平面光形成和再现；(2)折射率和吸收常量的空间调制是按正弦规律变化的；(3)照明光波以布拉格角或在其附近入射，因此介质内仅出现照明光波和衍射光波，而忽略其他所有的衍射级；(4)光波复振幅的变化与其波长相比是很小的，因此，光波振动的二阶微分也可以忽略。
当所述全息光栅5无吸收无反射时，衍射效率为：
而全息光栅5的选择角为：
式中，v和ζ为定义参数，sinh为双曲正弦函数，Δn为全息光栅折射率调制度，d为记录介质的厚度，λ为波长，θr为入射角，δ为入射光波不满足布拉格条件而产生的相位失配，θs为衍射角，n为折射率，λa为空气中的波长；衍射光波的角度可以认为等于记录时物光波的角度，记录时参考光200与物光之间的夹角为
具体的，全息光栅5中的第一光栅层11、第二光栅层12、第三光栅层13分别取K9，F1，ZF3玻璃，其对于红绿蓝三色光源的折射率分别如表1所示：
表1光栅层折射率对照表
| λR＝620nm | λG＝530nm | λB＝480nm | |
| K9 | 1.51554 | 1.51958 | 1.52283 |
| F1 | 1.62323 | 1.63195 | 1.63932 |
| ZF3 | 1.71372 | 1.72576 | 1.73612 |
取ZF3玻璃为例，n1分别为1.71372，1.72576，1.73612，取n2＝1，根据公式d(n1sini±n2sinθ)＝λ算出为了以垂直于光栅表面的方向出射，同时入射角满足全反射条件取n2＝1.71372得i≧35.7°，因此，我们取入射角为45°入射时，对应三色光源的三个全息光栅5的光栅常数d和光栅空间频率ρ＝1/d，如表2所示。
表2光栅层光栅常数和光栅空间频率对照表
| λR＝620nm | λG＝530nm | λB＝480nm | |
| d | 280.3204nm | 238.7099nm | 215.4791nm |
| ρ | 3567.347L/mm | 4189.186L/mm | 4640.82L/mm |
本实用新型微显示器1作为图像源，即属于成像光学系统里的物面，由物面任意一视场点发出的光线，经过偏振片2后进入自由曲面棱镜3，被准直成平行光出射，此平行光束10继续向前传播，耦合进入玻璃基底4，在玻璃基底4内，光线遵从折反射定律，在波导基底内部进行传输，然后从玻璃基板耦合进入全息光栅5，经多个光栅斜面反射，最终，进入人眼眼瞳6，聚焦在视网膜上成微显示器1的虚拟像，也即完成了虚拟现实。
本实用新型设置的基于全息光栅5的近眼显示光学装置，不仅可将虚拟显示画面实时与现实世界景物重叠在一起，同时存在于同一空间中，使用者既能观看到虚拟画面的信息，也能看到现实世界的各类景物信息，还可以实现降低整体体积和重量，实现紧凑小巧，解决目前波导头戴显示器体积庞大且厚重造成用户无法长时间佩戴的弊端。更具体地，本实用新型近眼显示光学装置中采用一个自由曲面棱镜3取代传统由多片光学棱镜构成的共轴目镜系统，具有轻型、紧凑、像差校正良好和光能利用率高等优点。另外，本实用新型将所述全息光栅5设置成第一光栅层11、第二光栅层12、第三光栅层13结构进行光传输，避免红蓝绿三色光发生串扰，能够保证观察者在大视场范围内看到清晰的图像，并且显示的图像没有明显的亮度衰减，不容易导致观察者视觉疲劳且重量轻巧能满足长时间佩戴。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (9)
1.一种基于全息光栅的近眼显示光学装置，其特征在于，所述近眼显示光学装置包括：
微显示器，用于输出与虚拟图像对应的光束；
偏振片，设置在所述微显示器的输出光路上，用于将所述与虚拟图像对应的光束进行偏振，获得偏振光束；
自由曲面棱镜，设置在所述偏振片的输出光路上，用于准直所述偏振光束，获得平行光束；
玻璃基底，设置在所述自由曲面棱镜的输出光路上，用于对所述平行光束进行全反射后输出；
全息光栅，与所述玻璃基底相连，用于对全反射后的所述平行光束进行光栅斜面反射后，进入人眼眼瞳。
2.根据权利要求1所述的近眼显示光学装置，其特征在于，所述自由曲面棱镜包括：至少一个自由曲面和入射光平面；多个所述自由曲面和入射光平面构成封闭空间，所述入射光平面设置在所述微显示器的输出光路上。
3.根据权利要求1所述的近眼显示光学装置，其特征在于，在所述玻璃基底上设置耦合入口，所述耦合入口设置在所述自由曲面棱镜的输出光路上，用于将所述平行光束入射至所述玻璃基底内部。
4.根据权利要求3所述的近眼显示光学装置，其特征在于，所述耦合入口的材质为光学玻璃的抛光平面或光学塑料的抛光平面或浮雕光栅。
5.根据权利要求4所述的近眼显示光学装置，其特征在于，所述浮雕光栅包括亚波长的闪耀光栅、倾斜光栅、沉积TiO2对称光栅、镀多层膜对称光栅、非对称亚波长光栅中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的近眼显示光学装置，其特征在于，所述微显示器为有机发光二极管或硅基液晶。
7.根据权利要求1所述的近眼显示光学装置，其特征在于，所述玻璃基底的材质为光学玻璃或光学塑料。
8.根据权利要求1所述的近眼显示光学装置，其特征在于，所述全息光栅包括第一光栅层、第二光栅层和第三光栅层；所述第一光栅层设置在所述第二光栅层上，所述第二光栅层设置在所述第三光栅层上。
9.根据权利要求8所述的近眼显示光学装置，其特征在于，所述第一光栅层、所述第二光栅层和所述第三光栅层采用三种不同玻璃。
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2018
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| CN110989174B (zh) * | 2019-12-27 | 2021-07-13 | 南京工程学院 | 基于新型偏振体全息光栅的近眼光场显示器 |
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