基于单个空间光调制器的大视场角全息显示系统及方法

摘要

本发明提供了一种基于单个空间光调制器的大视场角全息显示系统及方法，包括：控制模块、光源、偏振片、第一分光镜、空间光调制器SLM、第一透镜组、分区快门光阑、第二透镜组以及第二分光镜；本发明通过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；结合4F视场角放大系统和放置于4F系统傅里叶变换面上的分区快门光阑，通过空间光调制器和分区快门光阑的同步时序控制，复用空间光调制器的像区，从而获得大视场角的全息近眼三维显示效果。

说明书

技术领域

本发明涉及AR显示技术领域，具体地，涉及一种基于单个空间光调制器的大视场角全息显示系统及方法。

背景技术

目前，近眼AR显示技术主要采用OLED和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。

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。

专利文献CN201922043259.5公开了一种AR显示装置，包括波导镜片和用于减少反射光经多次折返进入光波导镜片的增透膜，波导镜片包括波导，以及设置在波导同一侧表面的耦入区域和耦出区域，增透膜紧贴在波导上远离耦入区域一侧的表面，且至少遮挡耦入区域，图像光线经增透膜进入波导镜片后全反射输出至人眼。本专利还公开了AR显示系统，包括图像处理装置、投影装置和上述AR显示装置，图像处理装置输出图像光线至投影装置，图像光线经投影装置调节后，入射至AR显示装置，再经AR显示装置全反射输出至人眼。通过增透膜紧贴在波导上远离耦入区域一侧的表面，且至少遮挡耦入区域，减少反射光经多次折返进入波导镜片，从而避免了反射光线带来的视觉问题，极大改善了观看体验。该专利在结构和技术性能上仍然有待提高的空间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于单个空间光调制器的大视场角全息显示系统及方法。

根据本发明提供的一种基于单个空间光调制器的大视场角全息显示系统，其特征在于，包括：控制模块101、光源102、偏振片103、第一分光镜104、空间光调制器SLM105、第一透镜组106、分区快门光阑107、第二透镜组108以及第二分光镜109；所述控制模块101将需要显示的三维图像信息经全息算法计算成二维全息图，同步输出加载到空间光调制器105上进行显示，并同步控制光源102发光；所述光源102出射的发散光透过偏振片103后，由第一分光镜104反射后向上传播，经第一透镜组106准直为平行光，入射到空间光调制器105上；被空间光调制器105调制后，反射衍射出的三维成像光束经过由第一透镜组106、分区快门光阑107、第二透镜组108构成的4F视场角放大系统后；经第二分光镜109反射进入人眼，从而使人眼观察到虚拟的大视场角三维图像信息。同时外部环境的光束可透过第二分光镜109进入人眼。

优选地，所述控制模块101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、快门驱动单元及光源驱动单元；

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、快门驱动单元、外部通信接口、SLM驱动单元分别相连。

优选地，所述光源102采用点光源，出射光束为发散球面光，通过偏振片103，经分光镜104反射后，被第一透镜组106准直为平行光，入射到空间光调制器105上；

所述光源102采用以下任意一种光源：

-具有相干性的单色激光光源；

-具有相干性的彩色激光光源；

-具有相干性的单色或彩色的LED光源。

优选地，所述4F视场角放大系统能够用来进行成像视场放大；

所述4F视场角放大系统由第一透镜组106、分区快门光阑107和第二透镜组108组成。

优选地，所述第一透镜组106的焦距为f

式中，θ＝2·arcsin(λ/2p)为空间光调制器105的显示视场角，λ为光源102的光波长，p为空间光调制器的像素大小。

优选地，所述4F视场角放大系统中，为了扩大近眼显示系统的出瞳距离S

所述第一透镜组106是4F视场角放大系统的前镜组，同时具备将入射发散光准直为平行光的作用。

优选地，所述分区快门光阑107包括：第一光阑区域201、第二光阑区域202；

所述分区快门光阑107位于4F视场角放大系统的傅里叶变换面上；

在空间光调制器105上时序地加载全息图，同时，同步控制分区快门光阑107左右两个光阑区域时序地打开与关闭，复用空间光调制器105的像区，能够时序地获得第一显示视场角和第二显示视场角；

通过人眼的视觉暂留效应，两个视场角可以拼接到一起进一步扩大全息近眼显示系统的视场角，放大后的视场角为θ

优选地，所述分区快门光阑107采用以下任意一种：

-时机械快门；

-也能够是液晶快门。

优选地，所述分区快门光阑107能够滤除多级衍射像以及零级像对成像的干扰；

所述分区快门光阑107左右两个光阑区域的大小相同，宽度均为λf

所述第一视场角的获取方法为：在空间光调制器105上加载第一全息图；

第一全息图计算时，加载数字闪耀光栅，使显示图像向左闪耀半个像区；

同步控制第一光阑区域201打开，第二光阑区域202关闭，所需的左侧第一像区通过分区快门光阑107，最后进入人眼，形成第一视场角；

所述第二视场角的获取方法为：在空间光调制器105上加载第二全息图；第二全息图计算时，加载数字闪耀光栅，使显示图像向右闪耀半个像区；同时，同步控制第一光阑区域201关闭，第二光阑区域202打开；

所需的右侧第二像区通过分区快门光阑107，最后进入人眼，形成第二视场角。

根据本发明提供的一种基于单个空间光调制器的大视场角全息显示方法，采用基于单个空间光调制器的大视场角全息显示系统，进行基于单个空间光调制器的大视场角全息显示。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提出一种基于单个空间光调制器的大视场角全息近眼显示系统，通过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；

2、本发明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；

3、本发明结合4F视场角放大系统和放置于4F系统傅里叶变换面上的分区快门光阑，通过空间光调制器和分区快门光阑的同步时序控制，复用空间光调制器的像区，从而获得大视场角的全息近眼三维显示效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供了基于单个空间光调制器的大视场角全息显示系统的示意图。

图2为本发明实施例的控制模块的示意图。

图3为本发明提供的4F视场角放大系统的示意图。

图4为本发明实施例中的分区快门光阑位于4F视场角放大系统的傅里叶变换面上的示意图。

图5为本发明实施例中的第一同步控制分区快门光阑原理示意图。

图6为本发明实施例中的第一视场角形成原理示意图。

图7为本发明实施例中的第二同步控制分区快门光阑原理示意图。

图8为本发明实施例中的第二视场角形成原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于单个空间光调制器的大视场角全息显示系统包括控制模块101、点光源102、偏振片103、第一分光镜104、空间光调制器SLM 105、第一透镜组106、分区快门光阑107、第二透镜组108、第二分光镜109。

首先控制模块101将需要显示的三维图像信息经全息算法计算成二维全息图，同步输出加载到空间光调制器105上进行显示，并同步控制点光源102发光。点光源102出射的发散光透过偏振片103后，由第一分光镜104反射后向上传播，经第一透镜组106准直为平行光，入射到空间光调制器105上。被空间光调制器105调制后，反射衍射出的三维成像光束经过由第一透镜组106、分区快门光阑107、第二透镜组108构成的4F视场角放大系统后，经第二分光镜109反射进入人眼，从而使人眼观察到虚拟的大视场角三维图像信息。同时外部环境的光束可透过第二分光镜109进入人眼。

所述控制模块101主要完成图像信息的全息图计算、加载以及空间光调制、分区快门光阑和光源的同步控制工作。如图2所示，控制模块主要包括主控制单元、控制程序界面、外部通信接口、全息图计算单元、存储单元、SLM驱动单元、快门驱动单元和光源驱动单元。主控制单元完成整个系统的控制工作；控制程序界面主要提供人机接口界面；外部通信接口主要包括视频、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；主控制单元还可以通过内部或者外部的存储单元事先存储的全息图输出显示到空间光调制器上；主控制单元可以实现对空间光调制器和分区快门光阑的同步驱动控制；主控制单元可以实现对空间光调制器和光源的同步驱动控制。

所述光源102为点光源，出射光束为发散球面光，通过偏振片103，经分光镜104反射后，被第一透镜组106准直为平行光，入射到空间光调制器105上。点光源102为具有相干性的一个单色激光光源或彩色激光光源，也可以是单色或彩色的LED光源。

所述4F视场角放大系统主要用来进行成像视场放大，如图3所示，由第一透镜组106、分区快门光阑107和第二透镜组108组成。

所述第一透镜组106的焦距为f

所述4F视场角放大系统中，为了扩大近眼显示系统的出瞳距离S

所述第一透镜组106是4F视场角放大系统的前镜组，同时具备将入射发散光准直为平行光的作用。

所述分区快门光阑107位于4F视场角放大系统的傅里叶变换面上。如图4所示，分区快门光阑可以分为左右两个光阑区域，第一光阑区域201和第二光阑区域202。在空间光调制器105上时序地加载全息图，同时，同步控制分区快门光阑107左右两个光阑区域时序地打开与关闭，复用空间光调制器105的像区，可以时序地获得第一显示视场角和第二显示视场角。通过人眼的视觉暂留效应，两个视场角可以拼接到一起进一步扩大全息近眼显示系统的视场角，放大后的视场角为θ

所述分区快门光阑107能够时机械快门，也能够是液晶快门。

所述分区快门光阑107能够滤除多级衍射像以及零级像对成像的干扰。

所述分区快门光阑107左右两个光阑区域的大小相同，宽度均为λf

所述第一视场角的获取方法为：在空间光调制器105上加载第一全息图；

第一全息图计算时，加载数字闪耀光栅，使显示图像向左闪耀半个像区；

同步控制分区快门光阑107的第一光阑区域201打开，第二光阑区域202关闭，如图5所示。此时，所需的左侧第一像区通过分区快门光阑107，最后进入人眼，形成第一视场角，如图6所示。

所述第二视场角的获取方法为：在空间光调制器105上加载第二全息图第二全息图计算时，加载数字闪耀光栅，使显示图像向右闪耀半个像区；同时，同步控制分区快门光阑107的第一光阑区域201关闭，第二光阑区域202打开，如图7所示。此时，所需的右侧第二像区通过分区快门光阑107，最后进入人眼，形成第二视场角，如图8所示。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。