一种基于衍射光学的超多视点近眼显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于衍射光学的超多视点近眼显示装置。该基于衍射光学的超多视点近眼显示装置包括准直光源、透射式空间光调制器和位相调制器；所述准直光源用于提供近眼显示系统的入射光源；所述透射式空间光调制器用于加载多幅二维视差合成图像；所述位相调制器的出光面上设有多组纳米光栅像素阵列，所述位相调制器用于将二维视差图像进行空间分离、会聚在近眼观察区域，形成超多视点分布。通过所述位相调制器的像素与所述透射式空间光调制器的像素匹配对准，以在近眼视区会聚多个紧密视点，且视点间距小于人眼瞳孔尺寸，形成超多视点近眼显示。本发明专利技术能够解决近眼显示技术中3D显示效果的辐辏调节矛盾的问题，降低观察者的视觉疲劳。

An ultra multi view near eye display device based on diffractive optics

【技术实现步骤摘要】
一种基于衍射光学的超多视点近眼显示装置
本专利技术涉及增强显示设备
，特别是涉及一种基于衍射光学的超多视点近眼显示装置。
技术介绍
近眼显示(near-eyedisplay，NED)装置是增强显示(AugmentedReality，AR)技术的关键部件，它能够将真实物体与虚拟世界进行叠加、融合，被广泛应用在医疗、军事、娱乐的领域，被认为是下一代移动显示平台，也因此成为科研工作者的研究热点。相关技术中公开了一种波导式近眼显示装置，其中的波导元件包括入射面、出光面、反射倾斜面和多个分光元件。显示器提供的图像信息经过倾斜面耦合进入波导元件中传输，多个分光元件在不同的波导位置进行反射，耦合出图像进入人眼，通过这种方式能够解决近眼显示中二次反射杂散光所造成的鬼像问题。但是在三维显示效果上面，这种近眼显示装置采用的是双眼视差原理，产生的辐辏调节矛盾问题难以解决，容易导致视觉疲劳，影响长时间观看效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于衍射光学的超多视点近眼显示装置，以解决辐辏调节矛盾的问题，降低视觉疲劳。一种基于衍射光学的超多视点近眼显示装置，包括准直光源、透射式空间光调制器和位相调制器；所述准直光源用于提供近眼显示系统的入射光源；所述透射式空间光调制器用于加载多幅二维视差合成图像；所述位相调制器的出光面上设有多组纳米光栅像素阵列，所述位相调制器用于将二维视差图像进行空间分离、会聚在近眼观察区域，形成超多视点分布。通过所述位相调制器的像素与所述透射式空间光调制器的像素匹配对准，以在近眼视区会聚多个紧密视点，且视点间距小于人眼瞳孔尺寸，形成超多视点近眼显示。相比现有技术，根据本专利技术提出的基于衍射光学的超多视点近眼显示装置，具有以下有益效果：第一，位相调制器中的纳米光栅结构能够对透射式空间光调制上的每个像素进行高精度、高自由度的调控，能够形成会聚式视点，相对于几何光学调制方式，能够明显降低串扰和像差的影响；第二，调制形成的会聚视点排列成超多视点分布，视点间距小于人眼瞳孔尺寸，能够使单眼观察到两个以上的视角，形成单眼多焦面的调节效果，解决了近眼显示技术中三维显示效果的辐辏调节矛盾问题，降低了观察者的视觉疲劳；第三，图像只需刷新多幅视差图合成的视角图像，相比全息显示，能够大幅的降低图像数据量，能够形成动态三维显示效果。因此本专利技术采用纳米光栅像素组成的位相型调制器对图像进行空间投射、分离和融合，降低了图像串扰，减小了辐辏调节矛盾，增加了近眼显示技术的三维体验效果。另外，根据本专利技术提供的基于衍射光学的超多视点近眼显示装置，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述纳米光栅像素阵列之间以有序或无序的方式彼此互相嵌合，并均匀分布在所述位相调制器的出光面上。进一步地，所述位相调制器中的同一组纳米光栅像素阵列发出的光会聚到相同视角，不同组的纳米光栅像素阵列会聚成不同的视角，且视角之间距离小于人眼瞳孔尺寸。进一步地，所述位相调制器中的像素单元由纳米光栅结构填充，纳米光栅结构的周期和取向满足全息记录和再现原理，纳米光栅的出射方式为透射或反射。进一步地，所述位相型调制器采用具有预设透过率的材料制作，以应用于增强现实技术中，或者，所述位相型调制器采用不透明的材料制作，以应用于虚拟现实技术中。进一步地，所述准直光源用于提供光入射矢量方向相互平行的平面光源。进一步地，所述准直光源为激光或LED光源。进一步地，所述准直光源由光学模组集成形成或者由点光源经过扩束、准直过程搭建形成。进一步地，所述准直光源的光源入射角度、波长、出射角度与所述位相调制器中纳米光栅的周期、取向满足光栅衍射方程。进一步地，所述位相调制器中纳米光栅像素形状可以为矩形、圆形，或者其他形状，但不限于此；纳米光栅的周期处于100nm到2000nm之间，取向角度处于0°到360°之间。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是纳米光栅在XY平面下的结构图；图2是图1中的纳米光栅在XZ平面下的结构图；图3是本专利技术实施方式下单个会聚视点的光栅像素结构分布示意图；图4是本专利技术实施方式下的第一种近眼显示装置原理图；图5是本专利技术实施方式下的第二种近眼显示装置原理图；图6是本专利技术实施方式下的第三种近眼显示装置原理图；图7是位相调制器和透射式空间光调制器中的亚像素匹配对准原理示意图；图8是本专利技术近眼显示系统中一种准直平面波光源的形成方式；图9是本专利技术近眼显示系统中另一种准直平面波光源的形成方式。具体实施方式为使本专利技术的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本专利技术的若干实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容更加透彻全面。需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，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专利技术的限制。在本专利技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在实现近眼显示多种手段中，纳米光栅组成的位相调制器能够形成超多视角的光场调控，实现无视觉疲劳的3D显示效果，是未来最有可能大规模应用在近眼显示中的技术之一。请先参见图1和图2，图1和图2是一个特征尺寸在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。根据光栅衍射方程，纳米光栅101的周期和取向角、入射光的入射角、衍射光的衍射角满足以下关系：其中，光线沿x轴正方向传输，α1和β1依次表示入射光201与x轴和y轴的夹角；α2和β2依次表示衍射光202与x轴和y轴的角；n和λ依次表示纳米光栅101介质的折射率和入射光201的波长；Λx和Λy依次表示纳米光栅101的周期Λ在x轴和y轴的分量；表示纳米光栅101的取向角(槽型方向与y轴正方向夹角)。换言之，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线角度之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米衍射光栅的周期和取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于衍射光学的超多视点近眼显示装置，其特征在于，包括准直光源、透射式空间光调制器和位相调制器；/n所述准直光源用于提供近眼显示系统的入射光源；/n所述透射式空间光调制器用于加载多幅二维视差合成图像；/n所述位相调制器的出光面上设有多组纳米光栅像素阵列，所述位相调制器用于将二维视差图像进行空间分离、会聚在近眼观察区域，形成超多视点分布。/n通过所述位相调制器的像素与所述透射式空间光调制器的像素匹配对准，以在近眼视区会聚多个紧密视点，且视点间距小于人眼瞳孔尺寸，形成超多视点近眼显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于衍射光学的超多视点近眼显示装置，其特征在于，包括准直光源、透射式空间光调制器和位相调制器；
所述准直光源用于提供近眼显示系统的入射光源；
所述透射式空间光调制器用于加载多幅二维视差合成图像；
所述位相调制器的出光面上设有多组纳米光栅像素阵列，所述位相调制器用于将二维视差图像进行空间分离、会聚在近眼观察区域，形成超多视点分布。
通过所述位相调制器的像素与所述透射式空间光调制器的像素匹配对准，以在近眼视区会聚多个紧密视点，且视点间距小于人眼瞳孔尺寸，形成超多视点近眼显示。


2.根据权利要求1所述的基于衍射光学的超多视点近眼显示装置，其特征在于，所述纳米光栅像素阵列之间以有序或无序的方式彼此互相嵌合，并均匀分布在所述位相调制器的出光面上。


3.根据权利要求1所述的基于衍射光学的超多视点近眼显示装置，其特征在于，所述位相调制器中的同一组纳米光栅像素阵列发出的光会聚到相同视角，不同组的纳米光栅像素阵列会聚成不同的视角，且视角之间距离小于人眼瞳孔距离。


4.根据权利要求1所述的基于衍射光学的超多视点近眼显示装置，其特征在于，所述位相调制器中的像素单元由纳米光栅结构填充，纳米光栅结构的周期和取向满足全息记录...

【专利技术属性】
技术研发人员：万文强，刘志敏，罗昕，程自强，彭玲娜，林立庄，黄克林，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36