一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置及其近眼显示系统

1.本发明涉及目视显示技术领域，尤其涉及一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置及其近眼显示系统。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，以下简称ar)，是一种将虚拟信息叠加到现实世界信息的技术，可以丰富多种感知效果，例如视觉、听觉、嗅觉甚至触觉等，无论在多媒体娱乐还是在军事、工业、医疗等领域都有着巨大的市场应用价值。
3.全息光学元件(holographic optical elements，以下简称hoe)被运用于轻型ar设备中，其是根据全息术原理制成的光学元件。通常做在感光薄膜材料上，利用平面波、球面波的组合发生干涉，在光敏材料上得到全息图。被光线照射时，光线由于衍射效应，发生非常规的大角度偏折。它是一种衍射原件。
4.ar设备的关键在于用户的沉浸式体验。小型化、轻型化、大视场、大眼盒和高性能是当前ar设备的发展趋势。现有的近眼显示设备采用多种方案，如epson的自由曲面波导方案、lumus阵列波导方案、google glass的共轴侧视棱镜方案、hololens的全息光栅方案以及oppo air glass的衍射光波导方案等。体全息光学元件作为一种全息光学元件打破了传统的反射定律，可以实现大角度非常规的反射，从而显著减轻整个系统的体积和重量，使小型化、轻型化成为可能，而自由曲面对波前的调控显得十分灵活，因此将自由曲面和体全息光学元件结合起来，设计一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置及其近眼显示系统十分有意义。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置及其近眼显示系统，近眼显示系统由两个镜像对称的目视光学系统组合而成，通过两片自由体全息光学元件矫正色差和单色像差实现轻薄光学透射式双目近眼显示，可适用于rgb彩色ar、vr的应用场景。
6.本发明首先提供了一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置，其包括第一光学透镜(15)、第一玻璃平板(12)、第二玻璃平板(17)、反射镜(14)、第一体全息光学元件(13)、第二体全息光学元件(16)以及图像显示器(11)；
7.所述的图像显示器(11)发出的图像信号光依次经过第一玻璃平板(12)和第一体全息光学元件(13)，经过反射镜(14)反射到第一体全息光学元件(13)上，然后经过第一体全息光学元件(13)反射到第一光学透镜(15)，再经过第一光学透镜(15)透射到第二体全息光学元件(16)上，最后由第二体全息光学元件(16)反射进入人眼，另一方面环境光经过第二玻璃平板(17)、第二体全息光学元件(16)透射后进入人眼。
8.作为本发明的优选方案，所述第一光学透镜为非球面透镜或自由曲面透镜。
9.作为本发明的优选方案，所述第一体全息光学元件(13)贴在第一玻璃平板的后表面(122)上；图像显示器产生的图像信号光经过第一玻璃平板后入射到第一自由体全息光学元件，不满足第一自由体全息光学元件的布拉格条件；
10.经过反射镜反射到第一自由体全息光学元件上的光线，满足第一自由体全息光学元件的布拉格入射关系。
11.作为本发明的优选方案，所述第二体全息光学元件(16)贴在第二玻璃平板的前后面(171)上
12.第一光学透镜透射到第二自由体全息光学元件上的光线，满足第二自由体全息光学元件的布拉格入射关系；
13.环境光经过第二玻璃平板入射到第二体全息光学元件上，不满足第二体全息光学元件的入射关系。
14.作为本发明的优选方案，所述反射镜为非球面反射镜或自由曲面反射镜。
15.作为本发明的优选方案，图像显示器可以为oled微型显示器、lcos微型显示器、microled微型显示器。
16.作为本发明的优选方案，第一玻璃平板(12的前表面(121)和后表面(122)都是平面，第二玻璃平板(17)的前表面(171)和后表面(172)都是平面。
17.本发明还提供了一种基于自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置的近眼显示系统，其包括两个上述的基于自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置，且所述的两个基于自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置左右镜像对称。
18.本发明还提供了一种上述近眼显示系统的近眼显示方法，其包括如下步骤：
19.在左侧自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置中，其图像显示器产生的图像信号光经过第一玻璃平板后入射到第一自由体全息光学元件，由于不满足第一自由体全息光学元件的布拉格条件，光线透过第一自由体全息光学元件，之后经过反射镜再一次反射到第一自由体全息光学元件上，由于满足第一自由体全息光学元件的布拉格入射关系，光线入射到第一自由体全息光学元件上并不会发生透射，而是通过第一自由体全息光学元件将图像反射到第一光学透镜，再经过第一光学透镜透射到第二自由体全息光学元件上，由于入射光线依然满足第二自由体全息光学元件的布拉格入射关系，光线入射到第二自由体全息光学元件上时并不会发生透射，而是经过第二自由体全息光学元件反射进入使用者的眼镜并成像；另一方面，环境光经过第二玻璃平板入射到第二体全息光学元件上，由于不满足第二体全息光学元件的入射关系，光线透过第二体全息光学元件后进入左眼，
20.右侧目视光学成像装置由于具有与左侧目视光学成像装置同样的构造和工作方式；因此，通过左右两侧镜像对称的两个目视光学成像装置组成的近眼显示系统可以实现光学透射式的双目近眼显示。
21.本发明的有益效果：根据本发明的目视光学成像装置，通过采用自由曲面光学元件和自由体全息光学元件，在极大地提高系统像差校正自由度的同时，显著减小了系统的体积和重量，实现了近眼显示系统的高性能和轻小型化。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的目视光学成像装置的光路图；
23.图2a、图2b和图2c分别为本发明实施例的系统r、g、b三色mtf曲线图；
24.图3a、图3b和图3c分别为本发明实施例的系统r、g、b三色畸变曲线图；
25.图中，11图像显示器，12第一玻璃平板，121第一玻璃平板前表面，122第一玻璃平板后表面，13第一体全息光学元件，14反射镜，15第一光学透镜，151第一光学透镜前表面，152第一光学透镜后表面，16第二体全息光学元件，17第二玻璃平板，171第二玻璃平板前表面，172第二玻璃平板后表面。
具体实施方式
26.下面将根据附图来具体描述本发明的具体实施方式，本发明可以以多种不同形式来实现且不应解释为限于下述的实施方式，而是，提供这个实施例使得本公开充分和完整，且向本领域技术人员全面的传达本发明的构思。
27.实施例
28.根据本发明的实施例的双目近眼显示系统包括相对人眼的左右两套自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置，在下文中，将以相对人眼为左侧的目视光学成像装置为具体描述对象说明本发明的具体实施方案，本领域技术人员可以理解，右侧的目视光学成像装置具有与左侧同样的构造，只是左右镜像。
29.如图1所述，本发明实施例提供的左侧目视光学系统包括图像显示器11、第一玻璃平板12、第一自由体全息光学元件13、反射镜14、第一光学透镜15、第二自由体全息光学元件16和第二玻璃平板17。由图像显示器11产生的图像信号光经过第一玻璃平板12后入射到第一自由体全息光学元件13，由于不满足第一自由体全息光学元件13的布拉格条件，光线透过第一自由体全息光学元件13，之后经过反射镜14再一次反射到第一自由体全息光学元件13上，由于满足第一自由体全息光学元件13的布拉格入射关系，光线入射到第一自由体全息光学元件13上并不会发生透射，而是通过第一自由体全息光学元件13将图像反射到第一光学透镜15，再经过第一光学透镜透15射到第二自由体全息光学元件16上，由于入射光线依然满足第二自由体全息光学元件16的布拉格入射关系，光线入射到第二自由体全息光学元件16上时并不会发生透射，而是经过第二自由体全息光学元件16反射进入使用者的眼睛并成像。另一方面，环境光经过第二玻璃平板17入射到第二体全息光学元件16上，由于不满足第二体全息光学元件16的入射关系，光线透过第二体全息光学元件16后进入人眼，实现光学透射式的近眼显示。
30.具体的，如图1所示，第一光学透镜15的2个表面151和152，反射镜14的表面均是自由曲面，第一自由体全息光学元件13贴在第一玻璃平板12的后表面122上，第一玻璃平板12的前表面121和后表面122都是平面，第二体全息光学元件16贴在第二玻璃平板17的前表面171上，第二玻璃平板17的前表面171和后表面172都是平面。
31.在本发明实施例中，在沿光行进的方向上经过的第一光学透镜15，作为本实施例的优选方案，第一光学透镜15材料为okp4ht，且第一玻璃平板12的材料为bk9_ohara。
32.根据本发明的目视光学成像装置，自由体全息光学元件不仅打破了传统的折反射定律，可以实现大角度非常规的折反射，而且通过采用调控好的自由曲面波前进行曝光，打破了传统球面波和平面波进行曝光的制备方式，极大地提高了全息光学元件像差校正能力，显著减小了整个系统的体积和重量，而且两片体全息光学元件搭配可以矫正色差实现
全彩显示。同时透射方向的光线还能正常透射进入人眼，从而实现超薄轻型双目近眼显示。为了使系统适用于rgb三色光，针对rgb三色光分别用不同的物光和参考光对自由体全息光学元件进行曝光，在设计时保持其他光学元件的参数不变。
33.根据本发明实施例的各光学表面参数可由下表1表示，这里使用逆向设计的方法，即从眼睛位置开始对实际光的传播进行逆向追踪。表2为第一光学透镜中前表面151，后表面152，反射镜14的xy多项式自由曲面系数。表3a为针对rgb三色光制作第一自由体全息光学元件13时物光、参考光的位置参数，表3b为针对rgb三色光制作第二自由体全息光学元件16时物光、参考光的位置参数。表4a为针对rgb三色光制作第一自由体全息光学元件加入的相位扰动，表4b为针对rgb三色光制作第二自由体全息光学元件加入的相位扰动：
34.表1
[0035][0036][0037]
表2
[0038]
参数面152面151面14r-41.7854352111.23862548-42.17085588k-0.358393562-1.53218127-0.221145551c
10
000c
01
000c
20-0.020787581-0.022088090.0060722921c
11
000c
02-0.013722499-0.015473410.0021012934c
30
000c
21
0.00098552530.0006618660.0012996549c12
000c
03-0.0003205302-1.23794e-050.0001253151c
40-3.959974e-04-1.91317e-062.7684823e-05c
31
000c
22-3.660477e-053.399838e-056.2437645e-05c
13
000c
04
3.0874660e-061.497886e-063.7426847e-06c
50
000c
41-1.167535e-05-9.158602e-065.9489223e-07c
32
000c
23
8.9920211e-06-8.915053e-072.0412688e-08c
14
000c
05
2.3006840e-07-1.846116e-076.7295220e-08
[0039]
描述自由曲面的xy多项式自由曲面方程为：
[0040][0041]
其中r为各个面的曲率半径，x、y、z为曲面上点的坐标，k为曲面的二次系数，p为最高阶系数，c
(m,n)
为对应多项式项xmyn的系数，m为x的指数，n为y的指数。
[0042]
表3a
[0043][0044][0045]
表3b
[0046][0047]
表4a
[0048]
参数红光绿光蓝光衍射级次-1-1-1曝光波长639532473c10
000c
01
000c
20
0.00965828470.00908025290.0097391931c
11
000c
02
0.00471107010.00440952500.0048136544c
30
000c
21-0.000462173-0.000448310-0.000460811c
12
000c
03
2.0778838e-041.439767e-047.0071092e-05c
40
3.9872056e-053.816556e-053.8929149e-05c
31
000c
22
1.5159716e-061.566369e-06-2.944331e-06c
13
000c
04
2.0325661e-071.980596e-072.0314876e-08c
50
000c
41
2.0314876e-07-2.406224e-07-2.173315e-07c
32
000c
23
6.5540114e-076.3762059e-077.2268314e-07c
14
000c
05
6.3679955e-087.3412331e-089.1294135e-08
[0049]
表4b
[0050]
[0051][0052]
描述自由体全息数学模型的方程为：
[0053][0054][0055]
其中d是衍射级次，是自由体全息面上的相位分布，是参考光在自由体全息上的相位分布，是物光在自由体全息上的相位分布，是由多项式表征的相位扰动，λ是记录时的光波长，p为最高阶系数，c
(m,n)
为对应多项式项xmyn的系数，m为x的指数，n为y的指数。
[0056]
第二体全息光学元件16正对人眼设置，其出瞳直径为12mm，出瞳较大，提升了用户的沉浸感；且本发明中的双目近眼显示系统的有效出瞳距离可达到30mm。
[0057]
本发明实施例的视场相当于2m处大小为350mm
×
608mm的物面所产生的视场；系统的视场大小、出瞳直径和出瞳距离可以由表5表示。
[0058]
表5
[0059]
视场大小(2m处)出瞳直径出瞳距离350mm
×
608mm12mm30mm
[0060]
本发明成像系统关于rgb三色的mtf曲线图见附图2a、图2b和图2c；在像面均达到40线对20％以上，而且子午与弧矢分离小。
[0061]
本发明的成像系统关于rgb三色的畸变图见附图3a、图3b和图3c；直线构成的网格部分为像面上的理想位置，带星号交叉点的位置为模拟的实际系统的畸变图形示意；由于视场较大，存在一定的枕形畸变，但基本成像质量要求。
[0062]
本发明中的作为像源元件的图像显示器11可以适配oled微型显示器、lcos微型显示器、microled微型显示器等，高ppi的微型显示元件。
[0063]
并且进一步的，所述的第一透镜的前后两表面、反射镜表面都为xy多项式自由曲
面。但本发明的光学结构不限于此，本领域技术人员可以理解的，使用其他结构形式也可以满足本发明的需要，例如，使用其他面型，或者使用更多偏光学透镜以实现更高像质。
[0064]
以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是以本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。