大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置

技术领域

本发明属于近眼显示技术领域，特别涉及一种大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置。

背景技术

增强现实是一种在真实场景中叠加虚拟图像的新型显示技术。图像源将虚拟图像投影到人眼前方的透明介质上，这些虚拟图像的光线可以通过反射或衍射等方式进入人眼，而现实场景的光线也可不变形地通过透明介质进入人眼。因此，增强现实设备在获得虚拟图像信息的同时，还能实时地获得真实世界的信息，极大地提升了观看者的沉浸感和获取信息的实时性。

全息光波导是实现增强现实显示的一种技术路线，通过体全息光栅或棱镜将图像源光波耦入波导，并利用全反射使光波在波导内传输，最终由瞳孔前方的体全息光栅将光波传入眼睛。体全息光栅实质是一种全息光学元件，可以代替光学系统中的一个或多个元件，减小系统的体积，降低系统的冗余度，易于集成，同时拥有成像和光学透视的双重作用，因而被广泛应用于增强现实显示中。但是传统的全息光波导增强现实装置由于记录的出耦波前只有一个，只能产生一个视点，因此眼盒受到极大的限制。眼盒扩展是目前增强现实显示设备需要突破的一个技术瓶颈。

发明内容

本发明提出大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置，所述装置如附图1所示，包括投影模块(100)、波前复制模块(200)、入耦模块(300)、波导(400)、以及出耦模块(500)五个部分。所述投影模块(100)包含投影机(101)和准直透镜(102)，具有投影图像源并将投影光波准直的功能。所述波前复制模块(200)包括垂直波前复制单元(210)和水平波前复制单元(220)。所述波前复制模块(200)将投影模块(100)输出的光波复制成六束平面光波。所述入耦模块(300)包含聚合物分散液晶(polymer dispersed liquid crystal,PDLC)模块(310)和全息光学元件I(320)，所述入耦模块(300)将波前复制模块(200)产生的六束平面光波耦合进入波导(400)。所述波导(400)为耦合进入的光波提供全反射传输通道，并对环境光具有较好的光学透过率。所述出耦模块(500)包含全息光学元件II(510)和全息光学元件III(520)，所述出耦模块(500)将波导(400)内的光波以一定的衍射角度耦出汇聚，形成九个视点，九个视点呈3×3排布，且每个视点的光轴和对应位置的眼睛视轴重合。

在所述投影模块(100)中，投影机(101)投影待显示的图像源，准直透镜(102)将投影光波准直成平面光波L(700)。

所述波前复制模块(200)包括垂直波前复制单元(210)和水平波前复制单元(220)。其中垂直波前复制单元(210)又包含分光片I(211)、反射镜I(212)、分光片II(213)、反射镜II(214)，如附图2所示；水平波前复制单元(220)又包含分光片III(221)和反射镜III(222)。

为方便叙述装置的组成结构，建立如附图1所示的三维坐标系，x轴为波导的长轴方向，z轴为波导的短轴方向，z轴也是垂直于纸面的方向，y轴为垂直于波导面的方向。

所述垂直波前复制单元(210)中各元件的排布如附图2所示，分光片I(211)与z轴以及y轴都成45°，反射镜I(212)与分光片I(211)沿z轴平行排列；分光片II(213)与y轴成135°角，与分光片I(211)垂直，沿y轴位于分光片I(211)后方；反射镜II(214)与分光片II(213)沿z轴平行排列。分光片I(211)和分光片II(213)对入射光波具有一定比例的反射和透过作用：分光片I(211)的反射率为R

所述水平波前复制单元(220)中各元件的排布如附图2所示，分光片III(221)与x轴和y轴都成45°夹角，反射镜III(222)与分光片III(221)沿x轴平行排列。分光片III(221)对入射光波具有一定比例的反射率和透过率：分光片III(221)的反射率为R

所述入耦模块中，PDLC模块(310)由六个PDLC子单元组成，其中每个PDLC子单元大小相同，长为d，宽为w，在施加电压情况下能透射光线，在不施加电压情况下散射光线。所述PDLC模块(310)包含的6个PDLC子单元的排布如附图3所示，以2×3的阵列在xz面内排列。

所述波前复制模块(200)产生的六组子平面光波与所述PDLC模块(310)中的六个PDLC子单元一一对应入射，即子平面光波L

如附图4所示，所述全息光学元件I(320)包含左右两个子区域，全息光学元件I(320)的左侧子区域长d，宽3w，对应PDLC模块(310)中左侧的三个PDLC子单元，即PDLC-4(314)、PDLC-5(315)、以及PDLC-6(316)。当光波穿过PDLC模块(310)后，在全息光学元件I(320)上被衍射，在xy平面内，以与y轴正方向成β角度的方向传播。全息光学元件I(320)的右侧子区域长d，宽3w，对应PDLC模块(310)中右侧的三个PDLC子单元，即PDLC-1(311)、PDLC-2(312)、以及PDLC-3(313)。当光波穿过PDLC模块(310)后，在全息光学元件I(320)上被衍射，在xy平面，以与y轴成α角度的方向传播。夹角α和β都满足所述波导(400)的全反射条件。

所述出耦模块中的全息光学元件II(510)一共包含六个子区域，如附图5所示，分别为全息光学元件II子区域1(511)、全息光学元件II子区域2(512)、全息光学元件II子区域3(513)、全息光学元件II子区域4(514)、全息光学元件II子区域5(515)和全息光学元件II子区域6(516)。每个全息光学元件II子区域大小与PDLC模块(310)的子单元大小相同，长为d，宽为w。其中全息光学元件I(320)右侧衍射出来的传播角度为α的三束平行光波分别到达全息光学元件II(510)左侧的三个子区域发生衍射，衍射效率为η

所述全息光学元件III(520)包含三个子区域，如附图6所示，分别为全息光学元件III子区域1(521)、全息光学元件III子区域2(522)和全息光学元件III子区域3(523)。每个全息光学元件III子区域大小与全息光学元件II的子区域大小相同，长为d，宽为w，三个子区域排成一列，列的方向与全息光学元件I(320)和全息光学元件II(510)子区域列的方向相同。全息光学元件I(320)左侧衍射出来的传播角度为β的三束平面光波分别到达全息光学元件III(520)的三个子区域，并发生衍射，衍射效率为η

优选地，分光片I(211)的反射率设置为

(1-η

产生的九个视点的光功率相同，都为

所述全息光学元件II(510)通过折射率匹配液与波导粘合，所述全息光学元件III(520)通过折射率匹配液与全息光学元件II(510)粘合。由所述全息光学元件II(510)和全息光学元件III(520)衍射后的光波形成3×3的视点矩阵，各视点的位置关系如附图13所示。

优选地，为了让人眼在各视点处获得的图像都最清晰，图像在人眼视网膜中央凹处成像，需设置各视点与其衍射光波的中心点在人眼视轴上，具体如附图7所示，Dh代表左右两侧视点与中央视点在x轴方向上的距离。Dh为，

Dh＝Rh×sinθ

其中Rh为眼球的水平旋转半径，θ

Dv＝Rv×sinθ

其中Rv为眼球的垂直旋转半径，θ

在xy平面旋转θ

ΔErh＝Rh×(1-sinθ

人眼在yz平面旋转θ

ΔErv＝Rv×(1-sinθ

所述大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置的工作原理如附图1所示，所述投影机(101)投射出包含图像信息的发散球面光波，所述准直透镜(102)将发散球面光波准直成包含原图像信息的平面光波；平面光波(700)传输到波前复制单元(200)，经过垂直波前复制单元(210)和水平波前复制单元(220)的两级波前复制，产生六束包含相同图像信息的平面光波，即子平面光波L

优选地，α-β的绝对值需大于全息光学元件II(510)的半角带宽Δθ

|α-β|>Δθ

|α-β|>Δθ

以避免光波在全息光学元件II(510)和全息光学元件III(520)上产生图像串扰。优选地，控制PDLC模块(310)的六个子单元的电压通断，共有四种电压导通状态：状态①，PDLC-1(311)和PDLC-3(312)的电压导通，其余的PDLC子单元的电压关闭，打开视点1(801)、视点3(803)、视点7(807)和视点9(809)；状态②，PDLC-2(312)的电压导通，其余的PDLC子单元的电压关闭，打开视点2(802)和视点8(808)；状态③，PDLC-4(314)和PDLC-6(316)的电压导通，其余的PDLC子单元的电压关闭，打开视点4(804)和视点6(806)；状态④，PDLC-5(315)的电压导通，其余的PDLC子单元的电压关闭，打开视点5(805)。在前述四种电压导通状态下，分别间隔打开视点，使得相邻视点不在同一时间打开，可以在相邻视点间距小于人眼瞳孔时，也能有效地避免相邻视点间的光线串扰。

所述大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置，一方面，通过波前复制和全息光学元件衍射，产生3×3的视点阵列排布，实现了眼盒扩展；另一方面，通过PDLC模块的不同电压导通状态，实现视点的分时打开，有效避免相邻视点的光线串扰。

附图说明

附图1为大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置结构示意图。

附图2为平行光经过波前复制模块的三维光路图。

附图3为PDLC模块。

附图4为全息光学元件I子单元组成示意图。

附图5为全息光学元件II子单元组成示意图。

附图6为全息光学元件III子单元组成示意图

附图7为全息光学元件II和全息光学元件III所形成的视点与人眼的位置关系。

附图8为全息光学元件II所形成的视点。

附图9为全息光学元件III所形成的视点。

附图10为全息光学元件I的曝光光路示意图。

附图11为全息光学元件II的曝光光路示意图。

附图12为全息光学元件III的曝光装置示意图。

附图13为所述装置生成的3×3视点排列图。

附图14为PDLC模块处于状态①时对应打开的视点。

附图15为PDLC模块处于状态②时对应打开的视点。

附图16为PDLC模块处于状态③时对应打开的视点。

附图17为PDLC模块处于状态④时对应打开的视点。

上述附图中的图示标号为：100投影模块，101投影机，102准直透镜，200波前复制模块210垂直波前复制单元，211分光片I，212反射镜I，213分光片II，214反射镜II，220水平波前复制单元，221分光片III，222反射镜III，300入耦模块，310PDLC模块，311PDLC-1，312PDLC-2，313PDLC-3，314PDLC-4，315PDLC-5，316PDLC-6，320全息光学元件I，400波导，500出耦模块，510全息光学元件II，511全息光学元件II子区域1，512全息光学元件II子区域2，513全息光学元件II子区域3，514全息光学元件II子区域4，515全息光学元件II子区域5，516全息光学元件II子区域6，520全息光学元件III，521全息光学元件III子区域1，522全息光学元件III子区域2，523全息光学元件III子区域3，600人眼，700平面光波L，701子平面光波L

具体实施方式

下面详细说明本发明的大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明提出大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置，所述装置如附图1所示，包括投影模块(100)、波前复制模块(200)、入耦模块(300)、波导(400)、以及出耦模块(500)五个部分。所述投影模块(100)包含投影机(101)和准直透镜(102)，具有投影图像源并将投影光波准直的功能。所述波前复制模块(200)包括垂直波前复制单元(210)和水平波前复制单元(220)。所述波前复制模块(200)将投影模块(100)输出的光波复制成六束平面光波。所述入耦模块(300)包含聚合物分散液晶(polymer dispersed liquid crystal,PDLC)模块(310)和全息光学元件I(320)，所述入耦模块(300)将波前复制模块(200)产生的六束平面光波耦合进入波导(400)。所述波导(400)为耦合进入的光波提供全反射传输通道，并对环境光具有较好的光学透过率。所述出耦模块(500)包含全息光学元件II(510)和全息光学元件III(520)，所述出耦模块(500)将波导(400)内的光波以一定的衍射角度耦出汇聚，形成九个视点，九个视点呈3×3排布，且每个视点的光轴和对应位置的眼睛视轴重合。

在所述投影模块(100)中，投影机(101)投影待显示的图像源，准直透镜(102)将投影光波准直成平面光波L(700)。

所述波前复制模块(200)包括垂直波前复制单元(210)和水平波前复制单元(220)。其中垂直波前复制单元(210)又包含分光片I(211)、反射镜I(212)、分光片II(213)、反射镜II(214)，如附图2所示；水平波前复制单元(220)又包含分光片III(221)和反射镜III(222)。

为方便叙述装置的组成结构，建立如附图1所示的三维坐标系，x轴为波导的长轴方向，z轴为波导的短轴方向，z轴也是垂直于纸面的方向，y轴为垂直于波导面的方向。

所述垂直波前复制单元(210)中各元件的排布如附图2所示，分光片I(211)与z轴和y轴都成45°，反射镜I(212)与分光片I(211)沿z轴平行排列；分光片II(213)与y轴成135°角，与分光片I(211)垂直，沿y轴位于分光片I(211)后方；反射镜II(214)与分光片II(213)沿z轴平行排列。分光片I(211)和分光片II(213)对入射光波具有一定比例的反射和透过作用：分光片I(211)的反射率为30％，透过率为70％；分光片II(213)的反射率为50％，透过率为50％。投影模块输出的平面光波L(700)强度为I，通过分光片I(211)后，反射光强为0.3I，透射光强为0.7I，其中，被分光片I(211)反射的光波沿z轴传播到达反射镜I(212)，被进一步反射产生子平面光波L

所述水平波前复制单元(220)中各元件的排布如附图2所示，分光片III(221)与x轴和y轴都成45°夹角，反射镜III(222)与分光片III(221)沿x轴平行排列。分光片III(221)对入射光波具有一定比例的反射率和透过率：分光片III(221)的反射率为70％，透过率为30％。由垂直波前复制单元产生的在z轴方向具有一定移位的三束子平面光波L

所述入耦模块中，PDLC模块(310)由六个PDLC子单元组成，其中每个PDLC子单元大小相同，长为15mm，宽为7.5mm，在施加电压情况下能透射光线，在不施加电压情况下散射光线。所述PDLC模块(310)包含的6个PDLC子单元的排布如附图3所示，以2×3的阵列在xz面内排列。

所述波前复制模块(200)产生的六组子平面光波与所述PDLC模块(310)中的六个PDLC子单元一一对应入射，即子平面光波L

如附图4所示，所述全息光学元件I(320)包含左右两个子区域，全息光学元件I(320)的左侧子区域长15mm，宽30mm，对应PDLC模块(310)中左侧的三个PDLC子单元，即PDLC-4(314)、PDLC-5(315)、以及PDLC-6(316)。当光波穿过PDLC模块(310)后，在全息光学元件I(320)上被衍射，在xy平面内，以与y轴正方向成β角度的方向传播。全息光学元件I(320)的右侧子区域长15mm，宽30mm，对应PDLC模块(310)中右侧的三个PDLC子单元，即PDLC-1(311)、PDLC-2(312)、以及PDLC-3(313)。当光波穿过PDLC模块(310)后，在全息光学元件I(320)上被衍射，在xy平面，以与y轴成α角度的方向传播。夹角α和β都满足所述波导(400)的全反射条件。

α和β之差需要大于全息光学元件II(510)的半角带宽Δθ

|α-β|>Δθ

|α-β|>Δθ

避免了光波在全息光学元件II(510)和全息光学元件III(520)上产生图像串扰。在本实施例中，α取值为45°，β取值为60°，满足上述要求。

所述出耦模块中的全息光学元件II(510)一共包含六个子区域，如附图5所示，分别为全息光学元件II子区域1(511)、全息光学元件II子区域2(512)、全息光学元件II子区域3(513)、全息光学元件II子区域4(514)、全息光学元件II子区域5(515)和全息光学元件II子区域6(516)。每个全息光学元件II子区域大小与PDLC模块(310)的子单元大小相同，长为15mm，宽为7.5mm。其中全息光学元件I(320)右侧衍射出来的传播角度为α角度的三束平行光波分别到达全息光学元件II(510)左侧的三个子区域发生衍射，产生左侧的三个视点，即视点1(801)、视点2(802)和视点3(803)。未衍射的光强继续在波导(400)内全反射，传播到全息光学元件II(510)的子区域4、5到6，并发生衍射，产生右侧的三个视点，即视点7(807)、视点8(808)和视点9(809)，全息光学元件II(510)产生的视点排布如附图8所示。

所述全息光学元件III(520)包含三个子区域，如附图6所示，分别为全息光学元件III子区域1(521)、全息光学元件III子区域2(522)和全息光学元件III子区域3(523)。每个全息光学元件III子区域大小与全息光学元件II的子区域大小相同，长为15mm，宽为7.5mm，三个子区域排成一列，列的方向与全息光学元件I(320)和全息光学元件II(510)子区域列的方向相同。全息光学元件I(320)左侧衍射出来的传播角度为β的三束平面光波分别到达全息光学元件III(520)的三个子区域，并发生衍射，产生中间的三个视点，即视点4(804)、视点5(805)和视点6(806)，全息光学元件III(520)产生的视点排布如附图9所示。

所述全息光学元件II(510)通过折射率匹配液与波导粘合，所述全息光学元件III(520)通过折射率匹配液与全息光学元件II(510)粘合。由所述全息光学元件II(510)和全息光学元件III(520)衍射后的光波形成3×3的视点矩阵，各视点的位置关系如附图13所示。

优选地，为了让人眼在各视点处获得的图像都最清晰，图像在人眼视网膜中央凹处成像，需设置各视点与其衍射光波的中心点在人眼视轴上，具体如附图9所示，Dh代表左右两侧视点与中央视点在x轴方向上的距离。Dh为，

Dh＝Rh×sinθ

其中Rh为眼球的水平旋转半径，θ

Dv＝Rv×sinθ

其中Rv为眼球的垂直旋转半径，θ

在xy平面旋转θ

ΔErh＝Rh×(1-cosθ

人眼在yz平面旋转θ

ΔErv＝Rv×(1-cosθ

在本实施例中，Rh＝13mm，Rv＝13mm，θ

所述全息光学元件I(320)为反射式体全息光栅，通过全息曝光制备而成，曝光装置包含梯形棱镜I(11)和梯形棱镜II(12)、全息材料I(13)、折射率匹配液(14)。所述梯形棱镜I(11)和梯形棱镜II(12)的棱角都为45°，折射率与光波导折射率相同为1.5。两个梯形棱镜通过折射率匹配液(14)精密贴合全息材料I(13)的两侧。其中全息材料I(13)的长为30mm，宽为22.5mm。

所述全息材料I(13)的曝光过程，如附图10所示。信号光(14)垂直入射到全息材料I(13)平面。参考光I(16)通过梯形棱镜I(11)的斜边以α入射到全息材料I(13)的左侧。参考光II(17)通过梯形棱镜I(11)的斜边以β入射到全息材料I(13)表面的右侧。

所述全息光学元件II(510)为反射式体全息光栅，由全息曝光制备而成，曝光装置包含全息材料II(20)、等腰直角棱镜(18)、凸透镜(19)和折射率匹配液(14)。所述等腰直角棱镜(18)的折射率与波导(400)的折射率相同为1.5。等腰直角棱镜(18)通过折射率匹配液(14)精密贴合全息全息材料II(20)，其中全息材料II(20)的有效曝光区域长为30mm，宽为22.5mm。

所述全息材料II(20)的曝光过程，如附图11所示，全息材料II(20)的曝光区域分为六个子区域，划分方式与全息光学元件II(510)子区域的划分方式相同，对全息材料II(20)的六个子区域逐一曝光，每次曝光一个子区域，信号光(21)通过等腰直角棱镜(18)斜边以α入射到全息材料II(20)表面上，全息材料II的参考光(22)通过透镜后以入射到全息材料II(20)表面。

所述全息光学元件III(520)为反射式体全息光栅，由全息曝光制备而成，曝光装置包含等腰直角棱镜(18)、凸透镜(19)、全息材料III(23)和折射率匹配液(14)。等腰直角棱镜(18)通过匹配液(14)精密贴合全息材料III(23)的表面，全息材料III(23)的有效曝光区域长为15mm，宽为22.5mm。

所述全息材料III(23)的曝光过程，如附图12所示，全息材料III(25)的曝光区域分为三个子区域，划分方式与全息光学元件III(520)子区域的划分方式相同，对全息材料III(25)的三个子区域逐一曝光，每次曝光一个子区域，信号光(24)通过等腰直角棱镜(18)以β入射到全息材料III(23)表面上，全息材料III的参考光(25)通过凸透镜(19)后入射到全息材料III(23)的表面。

所述大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置的工作原理如附图1所示，所述投影机(101)投射出包含图像信息的发散球面光波，所述准直透镜(102)将发散球面光波准直成包含原图像信息的平面光波；平面光波(700)传输到波前复制单元(200)，经过垂直波前复制单元(210)和水平波前复制单元(220)的两级波前复制，产生六束包含相同图像信息的平面光波，即子平面光波L

优选地，控制PDLC模块(310)的六个子区域的电压通断，共有四种电压导通状态：状态①，PDLC-1(311)和PDLC-3(312)的电压导通，其余的PDLC子单元的电压关闭，打开视点1(801)、视点3(803)、视点7(807)和视点9(809)；状态②，PDLC-2(312)的电压导通，其余的PDLC子单元的电压关闭，打开视点2(802)和视点8(808)；状态③，PDLC-4(314)和PDLC-6(316)的电压导通，其余的PDLC子单元的电压关闭，打开视点4(804)和视点6(806)；状态④，PDLC-5(315)的电压导通，其余的PDLC子单元的电压关闭，打开视点5(805)。在前述四种电压导通状态下，分别间隔打开视点，使得相邻视点不在同一时间打开，可以在相邻视点间距小于人眼瞳孔时，也能有效地避免相邻视点间的光线串扰。

所述大眼盒无串扰全息光波导增强现实显示装置，一方面，通过波前复制和全息光学元件衍射，产生3×3的视点阵列排布，实现了眼盒扩展；另一方面，通过PDLC模块的不同电压导通状态，实现视点的分时打开，有效避免相邻视点的光线串扰。