一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统及其方法，包括激光器、第一全息光学元件、第二全息光学元件和空间光调制器，激光器用于发出细光束并倾斜照射到第一全息光学元件上；第一全息光学元件用于将激光器发出的细光束进行扩束处理产生一个横截面光斑为椭圆形的光束并倾斜照射到第二全息光学元件上；第二全息光学元件用于将经第一全息光学元件扩束处理后产生的一个横截面光斑为椭圆形的光束再次进行扩束处理后产生一个横截面光斑为圆形的准直粗光束；空间光调制器用于将经第二全息光学元件扩束处理后产生的一个横截面光斑为圆形的准直粗光束作为光源入射并产生全息3D图像光，该全息3D图像光返回第二全息光学元件，被第二全息光学元件放大并偏转到人眼。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统及其方法
本专利技术涉及信息显示
，特别涉及一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统及其方法。
技术介绍
目前，市场上主要的AR(AugmentedReality，增强现实)产品都不具备真3D显示功能，所使用的都只是2D显示技术或者双目视差式3D技术。例如，GoogleGlass和Lumus的显示效果虽好，但不具备3D功能。EpsonMoverio和Pinlight则是使用了双目视差式3D技术，它是利用一些具有双目视差的二维图像，在特定的位置观看到三维图像，此种三维显示由于不能解决眼球聚焦深度和眼球辐辏之间的矛盾，容易使观看者感到视觉眩晕。如需解决这一问题，必须在增强现实中采用真3D显示技术，例如全息显示、体显示、光场显示等等。一些研究者将集成成像技术应用在了增强现实(″H.Huaetal.，Opt.Exp.，22(11)，pp.13484-13491，2014″，″J.Hongetal.，App.Opt.51(18)，pp.4201-4209，2012″，″K.Hongetal.，Opt.Let.39(1)，pp.127-130，2014″)，在实验室中搭建了模型，也可以实现三维效果，不过其固有的问题是三维深度比较小。相比之下，全息技术可以完美再现3D光场，被视为最具前景的3D技术之一。Moon等人采用全息技术(E.Moonetal.，OpticsExpress，22(6)，pp.6526-6534，2014.)解决了眼球聚焦深度和眼球辐辏之间的矛盾，并采用立方体光学分束器作为耦合器，实现了虚实融合的增强现实效果，其主要的缺点是全息显示系统以及立方体分束器的体积较大，不适合头戴式显示。韩国首尔大学采用了一个全息光学元件，取代了立方体光学分束器和一个透镜，将全息光场导入人眼，实现了AR效果(GangLietal.，Opt.Lett.41(11)，pp.2486-2489.2016.)。不过，该系统体积仍然较大，不适合近眼显示和头戴式设备。日本的NICT公司也设计了结构类似的系统(KokiWakunamietal.，NatureCommunication7，pp.12954，2016)，缺点也是类似的。本专利技术的技术方案便是针对上述问题对现有增强现实设备进行的改进。
技术实现思路
为了克服现有增强现实设备的不足，即不具有真三维显示功能，本专利技术提供一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统及其方法，通过特别设计和巧妙安放的两个全息光学元件，能够实现小巧、轻薄的全息真三维图像，并且具有虚实融合的增强现实效果。为了达到上述专利技术目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：本专利技术公开了一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统，包括激光器、第一全息光学元件、第二全息光学元件和空间光调制器，其中：所述激光器，用于发出细光束并倾斜照射到所述第一全息光学元件上；所述第一全息光学元件，用于将所述激光器发出的细光束进行扩束处理产生一个横截面光斑为椭圆形的光束并倾斜照射到所述第二全息光学元件上；所述第二全息光学元件，用于将经所述第一全息光学元件扩束处理后产生的一个横截面光斑为椭圆形的光束再次进行扩束处理后产生一个横截面光斑为圆形的准直粗光束；所述空间光调制器，用于将经所述第二全息光学元件扩束处理后产生的一个横截面光斑为圆形的准直粗光束作为光源入射并产生全息3D图像光，该全息3D图像光返回所述第二全息光学元件，并被所述第二全息光学元件放大并偏转到人眼。进一步的，所述激光器发出的细光束倾斜照射到所述第一全息光学元件上的入射角的角度大于80°且小于90°，以符号表示该夹角，细光束经过第一全息光学元件后光斑会从圆形被拉伸为椭圆形，椭圆形光斑长轴长度a与细光束圆形光斑直径D1，和夹角之间存在均函数关系。进一步的，所述激光器发出的细光束与所述第一全息光学元件表面法线的夹角大于用于准直的粗光束与所述第一全息光学元件表面法线的夹角，所述细光束在所述第一全息光学元件上的照射区域被所述粗光束在所述第一全息光学元件上的照射区域所覆盖。进一步的，所述第一全息光学元件呈条状，其面法线方向和所述第二全息光学元件的面法线方向的夹角大于80°且小于90°，以符号表示该夹角，细光束经过第一全息光学元件后光斑会从圆形被拉伸为椭圆形，椭圆形光斑长轴长度a与细光束圆形光斑直径D1，和夹角之间存在的函数关系。进一步的，所述第一全息光学元件和第二全息光学元件互相紧贴构成类平板结构，该类平板结构三维尺寸中，厚度不超过1cm。进一步的，所述第一全息光学元件产生的横截面光斑为椭圆形的光束入射到所述第二全息光学元件上的入射角的角度大于80°且小于90°。进一步的，所述激光器发出的细光束进行扩束处理后产生的一个横截面光斑为椭圆形的光束与所述第二全息光学元件表面法线的夹角大于用于准直的粗光束与所述第二全息光学元件表面法线的夹角，所述椭圆形的光束在所述第二全息光学元件上的照射区域被所述粗光束在所述第一全息光学元件上的照射区域所覆盖。进一步的，还包括一束聚焦光束和一束准直光束，所述聚焦光束和所述准直光束在所述第二全息光学元件上进行干涉，所述聚焦光束垂直入射，所述准直光束倾斜入射且其入射角度与用于准直的粗光束的入射角相同。本专利技术还公开了一种基于全息光学元件的近眼真三维显示方法，包括以下步骤：步骤1：激光器发出细光束，倾斜照射到第一全息光学元件上，被扩束，产生一个横截面光斑为椭圆形的光束；步骤2：该椭圆形的光束倾斜照射到第二全息光学元件上，再次被扩束，产生一个横截面光斑为圆形的准直粗光束；步骤3：该圆形的准直粗光束作为空间光调制器的光源入射，产生全息3D图像光；步骤4：该全息3D图像光返回第二全息光学元件，被第二全息光学元件放大并偏转到人眼，从而使得人眼观察到全息3D图像。进一步的，步骤1中，在第一全息光学元件中事先记录一个体全息图，激光器发出的细光束倾斜照射到第一全息光学元件上，在第一全息光学元件上产生一个同样为椭圆形的照射区域，该区域覆盖了第一全息光学元件上的全息图，激光器发出的细光束作为照明光对全息图进行再现，产生一个横截面光斑为椭圆形的光束。进一步的，步骤1中，激光器发出的细光束与一束准直的粗光束同时照射到第一全息光元件上进行干涉，两束光的夹角大于80°且小于90°，细光束倾斜照射到第一全息光学元件上，其入射角的角度大于80°且小于90°，两束光的重合区域为椭圆形，再现时产生横截面光斑为椭圆形的光束。进一步的，步骤2中，将第一全息光学元件和第二全息光学元件互相紧贴构成类平板结构，该类平板结构的厚度不超过1cm。进一步的，步骤2中，由第一全息光学元件产生的横截面光斑为椭圆形的光束与一束准直的粗光束同时照射到第二全息光学元件上进行干涉，横截面光斑为椭圆形的光束倾斜照射到第二全息光学元件上，其入射角的角度大于80°且小于90°，以符号φ表示该夹角，用于准直的粗光束以一定的倾斜角度入射，再现时产生准直的粗光束，其横截面为圆形，以符号ξ表示其入射角，椭圆形光斑短轴长度b，粗光束圆形光斑直径D2，和夹角φ、ξ之间存在φ＝arccos(b/(D2/cosξ))的函数关系。进一步的，步骤4中，一束聚焦光束和一束准直光束在第二全息光学元件上进行干涉，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统，其特征在于，包括激光器、第一全息光学元件、第二全息光学元件和空间光调制器，其中：所述激光器，用于发出细光束并倾斜照射到所述第一全息光学元件上；所述第一全息光学元件，用于将所述激光器发出的细光束进行扩束处理产生一个横截面光斑为椭圆形的光束并倾斜照射到所述第二全息光学元件上；所述第二全息光学元件，用于将经所述第一全息光学元件扩束处理后产生的一个横截面光斑为椭圆形的光束再次进行扩束处理后产生一个横截面光斑为圆形的准直粗光束；所述空间光调制器，用于将经所述第二全息光学元件扩束处理后产生的一个横截面光斑为圆形的准直粗光束作为光源入射并产生全息3D图像光，该全息3D图像光返回所述第二全息光学元件，并被所述第二全息光学元件放大并偏转到人眼。

【技术特征摘要】
1.一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统，其特征在于，包括激光器、第一全息光学元件、第二全息光学元件和空间光调制器，其中：所述激光器，用于发出细光束并倾斜照射到所述第一全息光学元件上；所述第一全息光学元件，用于将所述激光器发出的细光束进行扩束处理产生一个横截面光斑为椭圆形的光束并倾斜照射到所述第二全息光学元件上；所述第二全息光学元件，用于将经所述第一全息光学元件扩束处理后产生的一个横截面光斑为椭圆形的光束再次进行扩束处理后产生一个横截面光斑为圆形的准直粗光束；所述空间光调制器，用于将经所述第二全息光学元件扩束处理后产生的一个横截面光斑为圆形的准直粗光束作为光源入射并产生全息3D图像光，该全息3D图像光返回所述第二全息光学元件，并被所述第二全息光学元件放大并偏转到人眼。2.根据权利要求1所述的一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统，其特征在于，所述激光器发出的细光束倾斜照射到所述第一全息光学元件上的入射角的角度大于80°且小于90°，以符号表示该夹角，细光束经过第一全息光学元件后光斑会从圆形被拉伸为椭圆形，椭圆形光斑长轴长度a与细光束圆形光斑直径D1，和夹角之间存在的函数关系。3.根据权利要求1所述的一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统，其特征在于，所述激光器发出的细光束与所述第一全息光学元件表面法线的夹角大于用于准直的粗光束与所述第一全息光学元件表面法线的夹角，所述细光束在所述第一全息光学元件上的照射区域被所述粗光束在所述第一全息光学元件上的照射区域所覆盖。4.根据权利要求1所述的一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统，其特征在于，所述第一全息光学元件呈条状，其面法线方向和所述第二全息光学元件的面法线方向的夹角大于80°且小于90°，以符号表示该夹角，细光束经过第一全息光学元件后光斑会从圆形被拉伸为椭圆形，椭圆形光斑长轴长度a与细光束圆形光斑直径D1，和夹角之间存在的函数关系。5.根据权利要求1所述的一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统，其特征在于，所述第一全息光学元件和第二全息光学元件互相紧贴构成类平板结构，该类平板结构三维尺寸中，厚度不超过1cm。6.根据权利要求1所述的一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统，其特征在于，所述第一全息光学元件产生的横截面光斑为椭圆形的光束入射到所述第二全息光学元件上的入射角的角度大于80°且小于90°。7.根据权利要求1所述的一种基于全息光学元件的近眼真三维显示系统，其特征在于，所述激光器发出的细光束进行扩束处理后产生的一个横截面光斑为椭圆形的光束与所述第二全息光学元件表面法线的夹角大于用于准直的粗光束与所述第二全息光学元件表面法线的夹角，所述椭圆形的光束在所述第二全息光学元件上的照射区域被所述粗光束在所述第一全息光学元件上的照射区域所覆盖。8.根据权利要求7所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周鹏程，李燕，刘澍鑫，陈全明，王云凤，李斯达，刘跃达，苏翼凯，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31