一种单通道轻小型增强现实近眼显示系统

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，尤其涉及一种单通道轻小型增强现实近眼显示系统。

背景技术

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。体全息光学元件(VolumeHolographic Optical elements，以下简称VHOE)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，利用参考光波和物光光波的组合发生干涉，在光敏材料上形成对应的折射率分布。再次被光线照射时，光线由于衍射效应，发生非常规的大角度偏折。它是一种衍射元件。

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。且本课题组之前也有提出一些解决方案，但其中不可避免地用到了多个光学元件，因此各个元件之间的定位就非常关键，其中任意一个元件定位的误差一旦太大，整个系统成像效果就会大大降低；之前的光路折返次数较多，会导致杂散光的影响加重，伴随产生鬼影，影响使用体验；尺寸上在水平方向由于光路折返次数过多，无法将尺寸下压，影响佩戴的美感及舒适度。

发明内容

本发明旨在提供一种单通道轻小型增强现实近眼显示系统，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AR、VR的应用场景。

本发明首先提供了一种单通道轻小型增强现实近眼显示系统，其由两个镜像对称的目视光学成像装置组合而成，每个目视光学成像装置包括图像微显示器、滤光片、自由曲面元件、第一自由体全息光学元件、第一玻璃平板、第二自由体全息光学元件以及第二玻璃平板；其中，第一自由体全息光学元件和第二自由体全息光学元件分别贴附在第一玻璃平板和第二玻璃平板的表面上；

所述的自由曲面元件为棱镜，该棱镜至少包括第一表面、第二表面和第三表面，且第一表面、第二表面和第三表面均为xy多项式型自由曲面；

图像微显示器产生的图像信号光经过滤光片后，入射到自由曲面元件的第一表面，并透过自由曲面元件的第二表面后入射到第一自由体全息光学元件，图像信号光满足第一自由体全息光学元件的布拉格衍射条件，在第一自由体全息光学元件表面发生衍射，衍射后的光线再次透过自由曲面元件的第二表面，从自由曲面元件的第三表面出射，入射到第二自由体全息光学元件，图像信号光满足第二自由体全息光学元件的布拉格衍射条件，在第二自由体全息光学元件表面发生衍射，之后进入人眼。同时，外界环境光由于不满足第二自由体全息光学元件的布拉格条件而直接透射进入人眼成像。

所述自由曲面元件采用如下设计过程进行设计：

1)确定自由曲面元件设计的三项要求：

a)利用折射定律和衍射定律演算出光线在自由曲面元件三个表面上的落点坐标；根据第一表面与第三表面上光线落点互不重叠的原则，通过调整各个表面的面型和相对位置来调整落点坐标；其中，落点坐标与面型的关系为：通过落点坐标可以算出三个表面上出入射光线的方向，再根据折射定律计算出各个表面的法线方向从而得到各个表面的面型；

b)利用成像公式和畸变公式控制在眼瞳目视距离处所成虚像面上的光线落点及大小，在满足成像质量的前提下使得畸变最小；具体为：调整自由曲面元件各个表面的面型和相对位置，使得每个视场的光线在虚像面处所汇聚成的点的大小小于人眼分辨率；利用每个视场在虚像面的落点位置与理想位置的差值作为畸变控制的条件，调整自由曲面各个表面的面型和相对位置，使得畸变最小；

c)调整自由曲面元件各个表面的面型和相对位置，使得入射到自由体全息元件上的每个视场的光线满足其布拉格条件，使得自由体全息元件在全视场下效率最大化及效率均匀化；

2)将自由曲面元件各个表面的面型系数、各个表面的相对位置设置成优化变量，将步骤1)中的三项要求作为三个优化项，每个优化项赋予各自的权重，三个优化项加和构成优化问题；

3)利用最小二乘法求得所述优化问题的最优解，以最优解中自由曲面元件各个表面的面型系数和相对位置设计自由曲面元件。

作为本发明的优选方案，所述自由曲面元件为三面共体的自由曲面棱镜。

作为本发明的优选方案，所述第一自由体全息光学元件贴在第一玻璃平板的前表面上；图像微显示器产生的图像信号光经过滤光片后入射到第一自由体全息光学元件，满足第一自由体全息光学元件的布拉格条件。

作为本发明的优选方案，所述第二自由体全息光学元件贴在第二玻璃平板的前表面上；自由曲面元件的第三个面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条件；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布拉格条件。

作为本发明的优选方案，图像微显示器可以为OLED微型显示器、LCOS微型显示器、MicroLED微型显示器。

作为本发明的优选方案，第一玻璃平板的前表面和后表面都是平面，第二玻璃平板的前表面和后表面都是平面。

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：

在左侧单通道轻小型增强现实近眼显示系统中，其图像微显示器产生的图像信号光经过滤光片后，入射到自由曲面元件的第一表面，透过第二表面后入射到第一自由体全息光学元件，由于满足第一自由体全息光学元件的布拉格衍射条件，在第一自由体全息光学元件表面发生衍射，反射的光线再次透过自由曲面元件的第二表面，从第三表面出射，入射到第二自由体全息光学元件，由于满足第二自由体全息光学元件的布拉格衍射条件，在第二自由体全息光学元件表面发生衍射，反射进入左眼，环境光由于不满足第二自由体全息光学元件的布拉格条件而直接透射进入人眼成像；

右侧近眼显示系统由于具有与左侧近眼显示系统同样的构造和工作方式；因此，通过左右两侧镜像对称可以实现光学透射式的双目近眼显示。

本发明的有益效果包括：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，更重要的是自由曲面光学元件的三面共体的棱镜设计大大地减少了光路中光学元件的数量，使得定位难度大大降低，系统稳定性能提升；同时减少了光路的折返次数，降低了杂散光对系统的影响，提高了系统的使用效果。

本发明自由曲面元件的三个表面不仅要兼顾两片自由体全息光学元件的布拉格条件，在满足特定的光路走向的同时，使得全视场效率最高，还要将因衍射导致光线大角度偏折进而引起的巨大畸变以及离轴像差矫正至符合条件，并保持整体结构简洁紧凑。图像微显示器上的光线发射之后，后续经过折射、衍射最终能有相应的光路走向，但这只是诸多可行光路中的其中一个，之中会存在全视场下平均效率不高、效率均匀性不好的情况，所以，在此基础上本设计还需要满足自由体全息元件的布拉格条件，达到最高的衍射效率，由于本设计的视场角较大，不可能将每个视场的效率都调至最高，其中必有相互制约的情况，需要不断权衡，达到一个平衡点。同时，利用一块三面共体的自由曲面元件去同时满足两块自由体全息元件的需求，且受限于其本身只有3个面以及折射定律的制约，入射在这三个面上的光线角度和范围不能太大，又给整个光路的光线增添了不少约束。以上条件互相制约的同时，又要不断取交集，本发明为此创造性地提出了一种适用于本发明近眼显示系统的自由曲面元件的设计方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的目视光学成像装置的光路图；

图2为本发明实施例的MTF曲线图；

图3为本发明实施例的畸变曲线图；

图中，11图像微显示器、12滤波片、13自由曲面元件、131自由曲面元件第一个面、132自由曲面元件第二个面、133自由曲面元件第三个面、14第一自由体全息元件、15第一玻璃平板、151第一玻璃平板前表面、152第一玻璃平板后表面、16第二自由体全息元件、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

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。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的左侧目视光学系统包括图像微显示器11、滤波片12、自由曲面元件13、第一自由体全息元件14、第一玻璃平板15、第二自由体全息元件16、第二玻璃平板17。由图像微显示器11产生的图像信号光经过滤波片12以及自由曲面元件13的第一个面131和第二个面132后入射到第一自由体全息光学元件14，由于满足第一自由体全息光学元件14的布拉格条件，光线在第一自由体全息光学元件表面发生衍射，将光线反射到自由曲面元件13的第二个面132，再经过第三个面133透射到第二自由体全息光学元件16上，由于满足第二自由体全息光学元件16的布拉格条件，光线在其表面发生衍射，衍射后的光线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入射到第二自由体全息光学元件16上，由于不满足第二自由体全息光学元件16的布拉格条件，光线不发生衍射，直接透过第二自由体全息光学元件16后，进入人眼，实现光学透射式的近眼显示。

具体的，如图1所示，自由曲面元件13的3个表面131、132和133均是自由曲面，第一自由体全息光学元件14贴在第一玻璃平板15的前表面151上，第一玻璃平板15的前表面151和后表面152都是平面，第二自由体全息光学元件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。

在本发明实施例中，自由曲面元件13采用如下方法进行设计：

1)确定自由曲面元件设计的三项要求：

a)利用折射定律和衍射定律演算出光线在自由曲面元件三个表面上的落点坐标；根据第一表面与第三表面上光线落点互不重叠的原则，通过调整各个表面的面型和相对位置来调整落点坐标；其中，落点坐标与面型的关系为：通过落点坐标可以算出三个表面上出入射光线的方向，再根据折射定律计算出各个表面的法线方向从而得到各个表面的面型；

b)利用成像公式和畸变公式控制在眼瞳目视距离处所成虚像面上的光线落点及大小，在满足成像质量的前提下使得畸变最小；具体为：调整自由曲面元件各个表面的面型和相对位置，使得每个视场的光线在虚像面处所汇聚成的点的大小小于人眼分辨率；利用每个视场在虚像面的落点位置与理想位置的差值作为畸变控制的条件，调整自由曲面各个表面的面型和相对位置，使得畸变最小；

c)调整自由曲面元件各个表面的面型和相对位置，使得入射到自由体全息元件上的每个视场的光线满足其布拉格条件，使得自由体全息元件在全视场下效率最大化及效率均匀化；

2)将自由曲面元件各个表面的面型系数、各个表面的相对位置设置成优化变量，将步骤1)中的三项要求作为三个优化项，每个优化项赋予各自的权重，三个优化项加和构成优化问题；本发明中，每个优化项均是一个关于优化变量的函数，优化项的值代表当优化变量选择为对应面型系数和各个表面的相对位置时，该项的分值，优化问题的求解目标是寻找使总分最低的最优解。

3)利用最小二乘法求得所述优化问题的最优解，以最优解中自由曲面元件各个表面的面型系数和相对位置设计自由曲面元件。

在本发明实施例中，自由曲面元件13作为本实施例的优选方案，其材料为OKP4HT，且滤光片12的材料为HK9_NHG。

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，极大地提高了体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，而且两片自由体全息光学元件搭配可以矫正色差实现一定谱宽范围内的成像，实现了近眼显示系统的高性能和轻小型化。更重要的是自由曲面光学元件的三面共体的棱镜设计大大地减少了光路中光学元件的数量，使得定位难度大大降低，系统稳定性能提升；同时减少了光路的折返次数，降低了杂散光对系统的影响，提高了系统的使用效果。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。

根据本发明实施例的各光学表面参数可由下表1表示，以人眼瞳孔为光阑进行设计。表2为自由曲面元件中第一表面131，第二表面132，第二表面133。表3为第一自由体全息光学元件13和第二自由体全息光学元件16的相关参数：

表1

表2

描述自由曲面的XY多项式自由曲面方程为：

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

表3

描述自由体全息数学模型的方程为：

其中d是衍射级次，

全视场(15个视场)条件下，根据耦合波理论计算得到各个视场的衍射效率如表4所示。全视场平均效率为30.2％，均匀度(RMS)为6.3％。

表4

第二体全息光学元件16正对人眼设置，其出瞳为5mm*5mm的矩形，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。本发明的视场角达到了对角线20°，工作中心波长为532nm，谱宽8nm。

本发明成像系统的MTF曲线图见附图2；在像面均达到60线对20％以上，而且子午与弧矢分离小。

本发明的成像系统的畸变图见附图3；颜色更深的直线构成的均匀网格部分为像面上的理想位置，颜色更浅的曲线构成的非均匀网格为模拟的实际系统的畸变图形示意；由于视场较大，存在一定的梯形畸变，但基本成像质量要求。

本发明中的作为像源元件的图像微显示器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。

并且进一步的，所述的自由曲面元件的三个表面都为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，或者使用更多片光学透镜以实现更高像质。

使用本发明时，在左侧单通道轻小型增强现实近眼显示系统中，其图像微显示器产生的图像信号光经过滤光片后，入射到自由曲面元件的第一表面，透过第二表面后入射到第一自由体全息光学元件，由于满足第一自由体全息光学元件的布拉格衍射条件，在第一自由体全息光学元件表面发生衍射，反射的光线再次透过自由曲面元件的第二表面，从第三表面出射，入射到第二自由体全息光学元件，由于满足第二自由体全息光学元件的布拉格衍射条件，在第二自由体全息光学元件表面发生衍射，反射进入左眼，环境光由于不满足第二自由体全息光学元件的布拉格条件而直接透射进入人眼成像；右侧近眼显示系统由于具有与左侧近眼显示系统同样的构造和工作方式；因此，通过左右两侧镜像对称可以实现光学透射式的双目近眼显示。

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。