專利名稱：一種應(yīng)用全息元件的視度型顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全息光學(xué)裝置，具體涉及一種應(yīng)用3塊全息光學(xué)元件(HOEs)的目 視顯示裝置，包括頭盔顯示器或眼鏡式顯示器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，為了不使用復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)也可以觀看像質(zhì)良好的放大虛像，提 出了類似圖1所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)，適宜使用在超薄、易佩戴的頭盔、眼鏡式等顯示器 上。如圖1所示的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)，顯示在圖像顯示裝置11上的圖像光首先入射到內(nèi)設(shè) 有透射全息透鏡13的光波導(dǎo)12上。入射圖像光被透射全息透鏡13變成平行光，且入射圖 像光在光波導(dǎo)12內(nèi)以滿足全反射的角度偏轉(zhuǎn)而傳播。光波導(dǎo)12內(nèi)還設(shè)置一透射全息光柵 14，所述透射全息光柵14與透射全息透鏡13排成行并其間隔一預(yù)定距離。在圖像光通過 光波導(dǎo)12且全反射后，圖像光入射到透射全息光柵14上并且由透射全息光柵14再次衍射 而成平行光投射到光波導(dǎo)12外部，入射到觀看對(duì)象的光瞳15。
但是，圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)使用透射全息光柵14校正透射全息透鏡13出現(xiàn)的色 差(achromatic aberration)，由于入射到透射全息光柵14的光束只在圖1的繪圖平面內(nèi) 的方向上偏轉(zhuǎn)，則無法消除在至少垂直于繪圖平面的方向上出現(xiàn)的像差。并且，大多數(shù)衍射 光學(xué)元件都有很高的色散，對(duì)于由非單色光像源元件輸出的源入射光，色散也給顯示效果 帶來了明顯的不良影響。雖然使用非球面光波代替簡(jiǎn)單球面光波記錄的方式可以減小器件 的幾何像差和色散，但是不能完全解決色散問題；而傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)可以克服嚴(yán)重的 色散問題，卻難以克服體積大、重量高這一明顯缺點(diǎn)，難以用于超薄型的顯示裝置。
隨著近視眼患者的不斷增加，老齡化社會(huì)的程度加深，以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷 普及，對(duì)帶有一定視度的超輕薄顯示系統(tǒng)的技術(shù)需求不斷迫切。目前，一般頭盔顯示器和眼 鏡式顯示器不能達(dá)到適應(yīng)視度的技術(shù)要求，而近視和遠(yuǎn)視人群，還要同時(shí)佩戴校正眼鏡，使 用不方便且影響顯示效果，尚沒有研究出能夠有效的解決視度問題且各項(xiàng)色差在較優(yōu)范圍 內(nèi)的超輕薄顯示系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容
為了突破上述常規(guī)頭盔顯示器和眼鏡式顯示器技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種包 括3個(gè)全息光學(xué)元件的顯示系統(tǒng)，通過對(duì)各全息元件的設(shè)計(jì)和布局而更高效率的衍射光， 獲得具有一定放大率、低色散并適于具有視度人群使用的顯示用光學(xué)系統(tǒng)。由于控制了 3 個(gè)全息光學(xué)元件的排布和尺寸，本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，制作成本低，可以根據(jù)使用 人的視度定制，更便于應(yīng)用到其他光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中。
本發(fā)明一種供具有視度的觀察者使用的光學(xué)系統(tǒng)，包括投射出光學(xué)圖像的像源 元件以及與像源元件相對(duì)設(shè)置的透明基底，所述基底上具有
1、全息透鏡H1，接收由像源元件投射的圖像，并將其轉(zhuǎn)換為角譜平面波(平行光) 以全反射形式在基底內(nèi)向全息光柵H2的方向傳播；
2、全息光柵H2，將經(jīng)全息透鏡Hl而在基底內(nèi)傳播的光衍射，在第一方向上實(shí)現(xiàn)光 束均勻化并擴(kuò)束，以全反射形式在基底內(nèi)朝向全息透鏡H3的方向傳播；
3、全息透鏡H3，將經(jīng)全息光柵H2衍射而在基底內(nèi)傳播的光在第二方向上實(shí)現(xiàn)均 勻化并擴(kuò)束，并將光以離軸球面波的形式輸出到基底外，從而實(shí)現(xiàn)具有一定視度的顯示。
本發(fā)明使用設(shè)計(jì)和記錄全息光柵和全息透鏡的方式實(shí)現(xiàn)超輕薄顯示裝置，顯示裝 置的光學(xué)系統(tǒng)像差和色散都明顯的減小，并且結(jié)構(gòu)緊湊，可以適應(yīng)使用者的視度要求，同時(shí) 也可以非常方便的應(yīng)用到其他光學(xué)系統(tǒng)中。


圖1是常規(guī)的虛像觀看光學(xué)系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖2是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)三維視圖。
圖3是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的光線傳輸示意圖。
圖4是光通過全息透鏡Hl時(shí)，逆向光路示意圖。
圖5是無透鏡傅立葉變換全息圖記錄示意圖。
圖6是全息透鏡H3的局部光路圖。具體實(shí)施例
圖2為本發(fā)明的光學(xué)結(jié)構(gòu)的三維視圖，圖3是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的光線傳輸示意圖。 本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)包括了全息透鏡HI、全息光柵H2、全息透鏡H3這三個(gè)全息元件，以下內(nèi) 容中，為與其他標(biāo)記統(tǒng)一，以不同的附圖標(biāo)記區(qū)分三個(gè)元件，即分別為全息透鏡103、全息光 柵106、全息透鏡107。如圖2和3所示，全息透鏡103的照明光來自正對(duì)它的像源元件101。 照明光直接照射到全息透鏡103上，全息透鏡103起到一個(gè)準(zhǔn)直透鏡的作用，把入射的球面 波準(zhǔn)直為角譜平面波(平行光)，并且把準(zhǔn)直后的光線在χ方向引入傾斜相位。這樣全息透 鏡103將有限遠(yuǎn)處的像源元件101發(fā)出的不同光線，耦合進(jìn)入基底102，衍射后的光線在基 底102內(nèi)沿χ方向進(jìn)行全反射傳播。
經(jīng)過多次全反射之后，衍射光線入射到全息光柵106上，全息光柵106消除χ方向 的相位傾斜，并引入y方向相位傾斜。在y方向，全息光柵106與全息透鏡103具有相同的 長(zhǎng)度W1，在χ方向，全息光柵106的長(zhǎng)度為W2，并且W2 > W1。全息光柵106對(duì)入射來的光 進(jìn)行衍射，在χ軸方向使衍射光均勻化并擴(kuò)束后，偏轉(zhuǎn)到y(tǒng)方向上向全息透鏡107方向傳 播；光沿y方向經(jīng)過多次全反射入射到全息透鏡107，全息透鏡107在χ和y方向的長(zhǎng)度都 是W2，使出射的光束直徑得到擴(kuò)束，從而經(jīng)過上述三個(gè)全息元件實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)束倍率為
光束經(jīng)過全息透鏡107后消除y方向相位傾斜，最終輸出一離軸球面波到基底外， 以實(shí)現(xiàn)有視度的顯示。全息透鏡107和全息透鏡103的作用原理相反，全息透鏡107把入 射的角譜平面波出射為合適人眼105視度的發(fā)散或匯聚球面波。
以下，參考圖4和圖5詳細(xì)描述全息透鏡103的工作原理。
以ΦΜ這種表示，即一個(gè)參數(shù)的腳標(biāo)有兩個(gè)參量ρ和q，其中ρ的值可為1-3，分別 代表涉及全息透鏡103、全息光柵106或全息透鏡107的參量，q的值可為c、o、r或i，分別4代表再現(xiàn)光、物光、參考光、像光。物光、參考光為制作全息透鏡的光源；再現(xiàn)光是用于重現(xiàn) 物體(物光)的光源，像光即最終產(chǎn)生的像。在下面的描述中將延續(xù)這種參數(shù)表示方法。
通常的目視光學(xué)系統(tǒng)都是對(duì)稱系統(tǒng)，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)也一樣，以全息透鏡103、 全息光柵106、全息透鏡107的幾何中心為其原點(diǎn)，光軸即是ζ軸。對(duì)光學(xué)元件而言，子午平 面是光軸和主光線構(gòu)成的平面，則對(duì)于全息透鏡103來說，子午平面是XZ平面，對(duì)于全息透 鏡107來說，子午平面是yz平面。以后的全息透鏡如果不做特殊說明，都是在子午平面內(nèi) 分析。
由于此系統(tǒng)中全息光柵106起到的作用是擴(kuò)束和補(bǔ)償相位傾斜，因此其并沒有參 與準(zhǔn)直和視度調(diào)節(jié)。當(dāng)分析系統(tǒng)的視度與準(zhǔn)直功能時(shí)，可認(rèn)為全息光柵106對(duì)所有光束的 作用是一致的，因此只分析全息透鏡103與全息透鏡107對(duì)光線的作用。如圖4所示，根據(jù) 本發(fā)明，距離為Rltj(X)的像源元件101的各個(gè)像素發(fā)出的球面波，經(jīng)過全息透鏡103后，轉(zhuǎn) 換為平面波后入射到全息透鏡107處。以全息透鏡107的局部104為示例，按逆光路分析， 設(shè)從全息透鏡的局部104發(fā)出的各種角譜平面波通過全息透鏡103后成像在像源元件101 上。垂直方向?yàn)棣址较?，任意入射在χ方向上偏離原點(diǎn)距離為X1的角譜平面波(平行光) 所成的像(離軸球面波球心)的離軸角度應(yīng)該滿足公式sin β (Χι) 0其中β π (X1)是 在子午平面內(nèi)，X1點(diǎn)及出射匯聚球心的連線與光軸(ζ軸)的夾角。
圖5是無透鏡傅立葉變換全息圖記錄示意圖，利用一個(gè)軸上點(diǎn)源109和平面波的 參考光108實(shí)現(xiàn)記錄。假設(shè)記錄時(shí)點(diǎn)源位于軸上，β是入射或出射光線與光軸在子午平面 的夾角，依據(jù)軸外點(diǎn)正弦值近似
權(quán)利要求
1.一種供具有視度的觀察者使用的光學(xué)系統(tǒng)，包括投射出光學(xué)圖像的像源元件以及 與像源元件相對(duì)設(shè)置的透明基底，所述基底上具有(1)全息透鏡H1，接收由像源元件投射的圖像，并將其轉(zhuǎn)換為角譜平面波以全反射形 式在基底內(nèi)向全息光柵H2的方向傳播；(2)全息光柵H2，將經(jīng)全息透鏡Hl而在基底內(nèi)傳播的光衍射，在第一方向上實(shí)現(xiàn)光束 均勻化并擴(kuò)束，以全反射形式在基底內(nèi)朝向全息透鏡H3的方向傳播；(3)全息透鏡H3，將經(jīng)全息光柵H2衍射而在基底內(nèi)傳播的光在第二方向上實(shí)現(xiàn)均勻化 并擴(kuò)束，并將光以離軸球面波的形式輸出到基底外，從而實(shí)現(xiàn)具有一定視度的顯示；所述視 度SD滿足R = COS2“—(JL-SD)XCos2 Pxr其中&為像源元件和全息透鏡Hl之間的距離，β lr為全息 KcXr，透鏡Hl的參考光和光軸的夾角，β 3r為全息透鏡H3的參考光和光軸的夾角，Reye為出瞳 距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中全息光柵H2由兩束夾角為aarcsint.sii^.l的平面波干涉而記錄，兩平面波在全息光柵H2平面上的交線位于前述第一方向和第二方 向的角平分線上，θ diff為垂直入射到全息透鏡Hl的光線經(jīng)全息透鏡Hl衍射的一級(jí)衍射 角，所述衍射角大于光線在基底內(nèi)進(jìn)行全反射的臨界角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)系統(tǒng)，全息透鏡H3以反射式全息記錄制作，輸出到 基底外的離軸球面波是發(fā)散球面波，視度SD為負(fù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)系統(tǒng)，全息透鏡H3以透射式全息記錄制作，輸出到 基底外的離軸球面波是匯聚球面波，視度SD為正。
5.一種頭盔顯示器，包括如權(quán)利要求1-4之一所述的光學(xué)系統(tǒng)。
6.一種眼鏡式顯示器，包括如權(quán)利要求1-4之一所述的光學(xué)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括3塊全息元件的光學(xué)系統(tǒng)，可應(yīng)用于頭盔顯示器或眼鏡式顯示器。該光學(xué)顯示用系統(tǒng)將像源元件投影出的圖像，經(jīng)過3塊全息元件后，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束并轉(zhuǎn)換為發(fā)散或匯聚球面波發(fā)出，以方便具有一定視度的使用者佩戴使用。由于采用了全息元件而不是透鏡實(shí)現(xiàn)顯示，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)特別適宜在超薄型的顯示器件中使用，制作成本低，亦可根據(jù)使用者需求定制。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102033319SQ20101052387
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者劉冬梅, 劉娟, 史瑞, 潘奕捷, 王涌天, 謝敬輝 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)