一种基于多空间光调制器的全息近眼显示系统和方法与流程

1.本发明实施例涉及虚拟显示技术领域，尤其涉及一种基于多空间光调制器的全息近眼显示系统和方法。


背景技术：

2.目前，近眼增强现实(augmented reality，ar)显示技术主要采用有机电致发光(organic electroluminescence display，oled)和液晶覆硅(liquid crystal on silicon，lcos)等屏幕，所提供的像源为二维图像，三维图像显示效果需通过双目视差技术来实现，不可避免的造成双目辐辏调节与视觉屈光调节不匹配，从而产生视觉疲劳。
3.全息三维显示技术作为一种真三维显示技术，能够完整地记录和重建三维物体的光场，提供人眼视觉系统所需的全部信息。由于受半导体工艺所限，当前商用像素化空间光调制器(spatial light modulator，slm)的像素尺寸难以达到可见光波长量级，且空间带宽积严重不足，致使基于单个空间光调制器得到的全息三维再现像的视场角较小，无法达到理想的三维显示效果。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于多空间光调制器的全息近眼显示系统和方法，以实现大视场角的全息三维显示。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种基于多空间光调制器的全息近眼显示系统，包括控制模块、多个空间光调制子系统、第二分光镜、第二透镜组和第三分光镜，每个空间光调制子系统包括光源、偏振片、第一分光镜、空间光调制器、第一透镜组和光阑；
6.所述控制模块将需要显示的三维图像信息计算成二维全息图，同步输出加载到多个所述空间光调制子系统中的所述空间光调制器上进行显示，并同步控制多个空所述间光调制子系统中的所述光源发光；
7.在同一所述空间光调制子系统中，所述光源出射的发散光透过所述偏振片后，由所述第一分光镜反射后，经所述第一透镜组准直为平行光入射到空间光调制器上，由所述空间光调制器反射衍射形成三维成像光束；
8.不同所述空间光调制子系统中形成的所述三维成像光束分别经所述第一透镜组、所述光阑、所述第二分光镜和所述第二透镜组构成的多空间光调制器视场角拼接系统和视场角放大系统后，经所述第三分光镜反射进入人眼。
9.可选地，所述控制模块包括：主控制单元、控制程序界面单元、外部通信接口、全息图计算单元、存储单元、slm驱动单元以及光源驱动单元；
10.所述主控制单元与存储单元、控制程序界面单元、全息图计算单元、外部通信接口、slm驱动单元分别电连接。
11.可选地，在任意一个所述空间光调制子系统中，其中的所述第一透镜组的焦距f1大于所述第二透镜组的焦距f2，所述第一透镜组和所述第二透镜组之间的光程为f1+f2，所
述第一透镜组和所述第二透镜组视场角的放大倍数为f1/f2。
12.可选地，以全息近眼显示系统的成像光轴为基准，多个所述空间光调制子系统中的所述空间光调制器的倾斜角度依次递增，且倾斜角度相邻的两个所述空间光调制器反射出的零级光束的夹角为α，任意一个所述空间光调制器的视场角为θ，其中α≤θ。
13.可选地，所述空间光调制器的数量为n，n为大于或等于2的整数，所述全息近眼显示系统的视场角θ
t
满足：θ
t
＝f1/f2·
[θ+(n-1)α]。
[0014]
可选地，在任意一个所述空间光调制子系统中，所述空间光调制器和所述第一透镜组之间的距离s1小于所述第一透镜组的焦距f1。
[0015]
可选地，在任意一个所述空间光调制子系统中，所述光阑位于所述第一透镜组的傅里叶变换面上。
[0016]
可选地，所述光源采用具有相干性的单色激光光源或彩色激光光源，或者，所述光源采用具有设定相干性的单色led光源或彩色led光源。
[0017]
可选地，所述空间光调制器采用反射式或者透射式空间光调制器，调制方式采用相位调制或者振幅调制方式。
[0018]
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于多空间光调制器的全息近眼显示方法，采用第一方面任意一项所述的基于多空间光调制器的全息近眼显示系统，进行基于多空间光调制器的全息近眼显示。
[0019]
本发明实施例提供的基于多个空间光调制器的大视场角全息近眼显示系统，通过设置多个空间光调制子系统以及构成视场角拼接系统和视场角放大系统，利用全息算法将三维图像的强度信息和深度信息计算到普通的二维全息图中，并加载到液晶空间光调制器上，利用空间光调制器的相位调制能力，能够投射出具备真实景深信息的三维图像，从而消除人眼的视觉疲劳；并且，通过多个空间光调制器的视场角无缝拼接和视场角放大系统的共同作用，可以扩大整个全息近眼显示系统的视场角，获得大视场角的三维显示效果。
附图说明
[0020]
图1是本发明实施例提供的一种基于多空间光调制器的全息近眼显示系统的结构示意图；
[0021]
图2是本发明实施例提供的控制模块的结构示意图；
[0022]
图3是图1所示全息近眼显示系统的拼接等效原理图；
[0023]
图4是本发明实施例提供的多空间光调制器的排布等效示意图；
[0024]
图5是图1所示全息近眼显示系统的放大示意图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0026]
图1是本发明实施例提供的一种基于多空间光调制器的全息近眼显示系统的结构示意图，参考图1，该全息近眼显示系统包括控制模块101、多个空间光调制子系统、第二分光镜114、第二透镜组115和第三分光镜116，每个空间光调制子系统包括光源、偏振片、第一
分光镜、空间光调制器、第一透镜组和光阑。图中以两个空间光调制子系统为例进行示意，其中包括第一空间光调制子系统和第二空间光调制子系统，第一空间光调制子系统包括第一光源102、第一偏振片103、第一子分光镜104、第一空间光调制器105、第一子透镜组106和第一光阑107。第二空间光调制子系统包括第二光源108、第二偏振片109、第二子分光镜110、第二空间光调制器111、第二子透镜组112和第二光阑113。
[0027]
在第一空间光调制子系统中，第一分光镜即为第一子分光镜104，第一透镜组即为第一子透镜组106。在第二空间光调制子系统中，第一分光镜即为第二子分光镜110，第一透镜组即为第二子透镜组112。
[0028]
控制模块101将需要显示的三维图像信息计算成二维全息图，同步输出加载到多个空间光调制子系统中的空间光调制器上进行显示，并同步控制多个空间光调制子系统中的光源发光；在同一空间光调制子系统中，光源出射的发散光透过偏振片后，由第一分光镜反射后，经第一透镜组准直为平行光入射到空间光调制器上，由空间光调制器反射衍射形成三维成像光束；不同空间光调制子系统中形成的三维成像光束分别经第一透镜组、光阑、第二分光镜和第二透镜组构成的多空间光调制器视场角拼接系统和视场角放大系统后，经第三分光镜反射进入人眼。
[0029]
其中，对于第一空间光调制子系统，控制模块101将需要显示的三维图像信息计算成二维全息图，同步输出加载到第一空间光调制器105上进行显示，并同步控制第一光源102发光；在该空间光调制子系统中，第一光源102出射的发散光透过第一偏振片103后，由第一子分光镜104反射后，经第一子透镜组106准直为平行光入射到第一空间光调制器105上，由第一空间光调制器105反射衍射形成三维成像光束。对于第二空间光调制子系统，控制模块101将需要显示的三维图像信息计算成二维全息图，同步输出加载到第二空间光调制器111上进行显示，并同步控制第二光源108发光；在该空间光调制子系统中，第二光源108出射的发散光透过第二偏振片109后，由第二子分光镜110反射后，经第二子透镜组112准直为平行光入射到第二空间光调制器111上，由第二空间光调制器111反射衍射形成三维成像光束。
[0030]
本发明实施例提供的基于多个空间光调制器的大视场角全息近眼显示系统，通过设置多个空间光调制子系统以及构成视场角拼接系统和视场角放大系统，利用全息算法将三维图像的强度信息和深度信息计算到普通的二维全息图中，并加载到液晶空间光调制器上，利用空间光调制器的相位调制能力，能够投射出具备真实景深信息的三维图像，从而消除人眼的视觉疲劳；并且，通过多个空间光调制器的视场角无缝拼接和视场角放大系统的共同作用，可以扩大整个全息近眼显示系统的视场角，获得大视场角的三维显示效果。
[0031]
控制模块101主要完成图像信息的全息图计算、加载以及空间光调制和光源的同步控制工作。图2是本发明实施例提供的控制模块的结构示意图，参考图2，具体地，本实施例中的控制模块101可包括：主控制单元201、控制程序界面单元202、外部通信接口203、全息图计算单元204、存储单元205、slm驱动单元206以及光源驱动单元207；主控制单元201与控制程序界面单元202、外部通信接口203、全息图计算单元204、存储单元205、slm驱动单元206分别电连接。
[0032]
主控制单元201完成整个系统的控制工作；控制程序界面单元202主要提供人机接口界面；外部通信接口203主要包括视频、数据等有线接口，或无线、蓝牙、红外等无线接口
接收外部数据；全息图计算单元204将对应的三维图像信息或者数据通过全息图算法生成全息图，并通过主控制单元输出到空间光调制器驱动单元上，从而驱动空间光调制对入射到其上的光束进行调制从而输出对应的三维图像信息；主控制单元201还可以通过内部或者外部的存储单元205事先存储的全息图输出显示到空间光调制器上；主控制单元201可以实现对多个空间光调制器和光源的同步驱动。
[0033]
本发明实施例中，光源可采用具有相干性的单色激光光源或彩色激光光源，也可采用具有设定相干性的单色led光源或彩色led光源。此外，空间光调制器采用反射式空间光调制器。
[0034]
图3是图1所示全息近眼显示系统的拼接等效原理图，参考图1和图3，第一空间光调制子系统中的第一子透镜组106和第一光阑107与第二空间光调制子系统中的第二子透镜组112和第二光阑113以及第二分光镜114和第二透镜组115可构成多空间光调制器视场拼接系统。第二空间光调制器111关于第二分光镜114的镜像对称像为第二虚拟空间光调制器111’，第二虚拟空间光调制器111’和第一空间光调制器105的显示视场无缝拼接在一起。
[0035]
此外，第一空间光调制子系统中的第一子透镜组106、第一光阑107和第二透镜组115可以形成视场角放大系统，第二空间光调制子系统中的第二子透镜组112、第二光阑113和第二透镜组115也可形成视场角放大系统。第一空间光调制器105和第二空间光调制器111分别形成的三维成像光束，经过上述的多空间光调制器视场拼接系统和视场角放大系统，由第三分光镜116进入人眼，则可形成扩大视角的三维立体像。同时，外部环境的光束也可透过第三分光镜116进入人眼，在人眼端即可呈现ar图像。
[0036]
需要说明的是，本发明实施例提供的全息近眼显示系统中，任意一个空间光调制子系统中的第一透镜组，即第一子透镜组106和第二子透镜组112，应不仅是成像放大系统的前镜组，同时具备将入射发散光准直为平行光的作用。此外，任意两个空间光调制子系统中的光源、偏振片、第一分光镜、空间光调制器和第一透镜组对应具有相同的光学参数。例如，第一空间光调制器105和第二空间光调制器111呈镜像对称关系放置，具有相同的视场角；第一子透镜组106和第二子透镜组112呈镜像对称关系放置，具有相同的焦距。此外，对于两个子系统中，第一光阑107和第二光阑113尽管相对于第二分光镜114呈镜像对称关系放置，其具有不同的通过孔径位置，分别通过第一空间光调制器105和第二空间光调制器111不同的成像区域。
[0037]
在本发明提供的全息近眼显示系统中，以全息近眼显示系统的成像光轴为基准，多个空间光调制子系统中的空间光调制器的倾斜角度依次递增，且倾斜角度相邻的两个空间光调制器反射出的零级光束的夹角为α，任意一个空间光调制器的视场角为θ，其中α≤θ。
[0038]
继续以图1所示全息近眼显示系统为例，第二分光镜114与水平方向呈45
°
夹角，在此基础上，第一空间光调制器105与水平方向的夹角为α/4，第二空间光调制器111与竖直方向的夹角也为α/4。此时，因此，第一空间光调制器105和第二虚拟空间光调制器111’的夹角为α/2，两个空间光调制器反射出的零级光束的夹角为α，参考图3，定义第一空间光调制器105和第二虚拟空间光调制器111’的夹角α为拼接角度。为保证人眼观察时不出现图像串扰，拼接角度需满足α≤θ，可以理解，当两个空间光调制器反射出的零级光束的夹角α大于单个空间光调制器的视场角时，则表示两个空间光调制器的视场相互无交叠，也即无法实现无缝拼接。
[0039]
对于图1所示全息近眼显示，其中第一空间光调制器105和第二空间光调制器111反射出的零级光束的夹角为α，视场拼接后得到的视场则为θ+α。图4是本发明实施例提供的多空间光调制器的排布等效示意图，参考图4，当全息近眼显示系统中设置多个空间光调制器时，需设置多个空间光调制器以整个显示系统的成像光轴为基准依次倾斜，且倾斜角度递增，此时多个空间光调制器反射出的零级光束分别入射在视场的不同位置，即有效扩大视场。可以理解，当倾斜角度相邻的两个空间光调制器反射出的零级光束的夹角为α时，则最外侧的两个空间光调制器反射出的零级光束的夹角应为(n-1)α，n为空间光调制器的个数，n为大于等于2的自然数。基于每个空间光调制器的视场角为θ，则可知所有空间光调制器形成的视场拼接角度则为θ+(n-1)α。
[0040]
此外，本发明实施例中，在任意一个空间光调制子系统中，其中的第一透镜组的焦距f1大于第二透镜组的焦距f2，第一透镜组和第二透镜组之间的光程为f1+f2，第一透镜组和第二透镜组视场角的放大倍数为f1/f2。进一步地，空间光调制器的数量为n，n为大于或等于2的整数，全息近眼显示系统的视场角θ
t
满足：θ
t
＝f1/f2·
[θ+(n-1)α]。进一步可选地，在任意一个空间光调制子系统中，空间光调制器和第一透镜组之间的距离s1小于第一透镜组的焦距f1。
[0041]
图5是图1所示全息近眼显示系统的放大示意图，参考图1和图5，该全息近眼显示的视场角放大系统主要用来进行成像视场放大，如上所述，第一空间光调制子系统中的第一子透镜组106、第一光阑107和第二透镜组115可以形成视场角放大系统，第二空间光调制子系统中的第二子透镜组112、第二光阑113和第二透镜组115也可形成视场角放大系统。
[0042]
第一子透镜组106和第二子透镜组112的焦距均为f1，第二透镜组115的焦距为f2，有f1＞f2，第一子透镜组106和第二透镜组115之间的距离为f1+f2，视场角的放大倍数为f1/f2，整个系统的视场角为θ
t
＝f1/f2·
[θ+(n-1)α]。
[0043]
视场角放大系统中，为了扩大显示系统的出瞳距离s2，第一空间光调制器105和第一子透镜组106之间的距离以及第二空间光调制器111和第二子透镜组112之间的距离均为s1，有s1＜f1，出瞳距离s2可表示为s2＝f2+f2·
(f2/f1)-(f2/f1)2·
s1。
[0044]
此外，在任意一个空间光调制子系统中，光阑应设置位于第一透镜组的傅里叶变换面上。如图1所示，第一光阑107位于第一子透镜组106的傅里叶变换面上，第二光阑113位于第二子透镜组112的傅里叶变换面上。通过设计相应的孔径光阑，可以滤除多级衍射像以及零级像对成像的干扰。
[0045]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种基于多空间光调制器的全息近眼显示方法，该全息近眼显示方法采用上述任意一种基于多空间光调制器的全息近眼显示系统，进行基于多空间光调制器的全息近眼显示。可以理解，由于该全息近眼显示方法采用上述实施例提供的全息近眼显示系统执行，因此，具体上述全息近眼显示系统相同或相似的有益效果，此处不再赘述。
[0046]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。