一种快速计算全息波导显示光效的方法技术

本发明专利技术公开了一种快速计算全息波导显示光效的方法，计算各个部分对输入光线能量造成的能量损失，结合微显示像源的图像亮度和光输出计算最终光效，能够快速计算输入单位光通量时输出图像在各个方向上的亮度，为实验过程中光源和波导尺寸的选取提供参考意见，为改善头盔显示技术中成像亮度不均匀的问题提供理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种快速计算全息波导显示光效的方法
本专利技术属于头盔显示领域，具体涉及一种快速计算全息波导显示光效的方法。
技术介绍
头盔显示是以微型显示器作为像源，以透明的全息护目镜为显示屏，通过光学系统将图像投射到人眼上进行成像。在头盔显示领域，相比于传统的离轴光学系统，全息波导系统拥有结构简单，可实现轻薄化设计，光线在波导内折叠传播，可在波导不同位置耦合导出，从而不受拉格朗日光学不定式限制，可实现一定视场范围下的扩瞳输出。现有技术中的基于一维扩瞳全息波导显示的结构包括微显示光源、准直系统、平板波导、入射光栅和出射光栅，如图1所示。该显示装置在工作过程中，微光源向外发射带有图像信息的发散光，发散光经准直透镜后转化为平行光，平行光垂直入射到入射光栅的表面，其中一部分穿过光栅成为透射光，另一部分构成衍射光，进入波导中，以全反射的形式传播，经中间光栅衍射改变传播方向后继续以全反射形式传播，直至被出射光栅衍射输出平行光，进入人眼。然而目前全息波导显示的光效都是使用整体能量利用率进行估算得到，该参数无法表征在不同市场上的系统光效。尤其是在实验初期，在未对成像均匀性进行优化时，各个方向上图的图像亮度存在较大差异，亟需一个可以表征不同方向上系统效率的参数。现有全息波导显示成像效果的仿真软件计算的都是照度数据并且仿真速度较慢，无法快速得到输出的图像亮度。在传统的光线追迹算法中，需要对某一光源进行成千上万甚至百万根光线追迹，此种方法计算量巨大且耗时极长。因此建立一个快速计算输入单位光通量时输出图像在各个方向上的亮度的方法是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种快速计算全息波导显示光效的方法，能够快速计算输入单位光通量时输出图像在各个方向上的亮度，为实验过程中光源和波导尺寸的选取提供参考意见，为改善头盔显示技术中成像亮度不均匀的问题提供理论依据。技术方案：一种快速计算全息波导显示系统光效的方法，包括以下步骤：步骤1：根据准直系统的有效焦距和像源上的像素位置，得到出射准直光的角度；基于入射准直光的角度结合平板波导的厚度计算得到各个角度下光线的传播周期；步骤2：根据入耦合光栅和出耦合光栅的长度，计算得到光线在入耦合光栅和出耦合光栅上的最大衍射次数；步骤3：基于入耦合光栅的最大衍射次数和衍射效率，计算得到出耦合光栅上不同出射位置的光线能量；步骤4：判断是否出耦合光栅上是否连续出瞳，若为连续出瞳，则计算得到连续出瞳下的光线出射位置；否则，计算非连续出瞳下的光线出射位置；将步骤3得到的光线能量与光线出射位置相匹配，得到出耦合光栅上各个位置各个方向上的出射光线能量；步骤5：根据眼睛的位置和瞳孔大小，得到出耦合光栅进入眼睛的光线的位置区间，对同一方向上进入眼睛的光线进行积分，得到视网膜上所成图像的亮度；步骤6：根据视网膜上所成图像的亮度，计算全息波导系统在各个视场下的能量利用率；步骤7：基于能量利用率、像源发出的总能量和像源的亮度，得到全息波导系统在各个视场下的光效。进一步的，所述步骤1中的入射准直光的角度由下式计算得到：式中，f为准直系统的有效焦距，y为像源上的像素位置；各个角度下光线的传播周期T由下式计算得到；T＝2h×tanθ(1)式中，h为平板波导厚度。进一步的，所述步骤2中的光线在入耦合光栅和出耦合光栅上的最大衍射次数由下式计算得到：kin＝fix(l1,T)(3)kom＝fix(l2,T)(4)式中，l1代表入耦合光栅长度，l2出耦合光栅长度，T为各个角度下光线的传播周期，fix()为取整函数。进一步的，所述步骤3具体包括：根据某角度下光线的传播周期，入耦合光栅被划分为非叠加区和叠加区；来自准直系的光线在叠加区的最大衍射次数比非叠加区的最大衍射次数大一次，根据入耦合光栅的长度和该角度下光线的传播周期计算分别计算得到叠加区的输出的亮度光谱和非叠加区的输出的亮度光谱；基于叠加区的输出的亮度光谱和非叠加区的输出的亮度光谱，得到入耦合光栅输出的相对亮度光谱；根据入耦合光栅输出的相对亮度光谱和出耦合光栅的衍射效率，得到出耦合光栅上各个出射位置的光束能量。进一步的，所述叠加区输出的亮度光谱由下式计算得到：式中，Lλ为像源的相对亮度光谱，ξ1为入耦合光栅的衍射效率，kin为入射光线在入射光栅上的最大衍射次数；所述非叠加区输出的亮度光谱的总和由下式计算得到：所述从入耦合光栅输出的相对亮度光谱为L1λ＝L1λ1+L1λ2；所述出耦合光栅上各个出射位置的光束能量由下式计算得到：L2m＝∫L1λ(1-ξ2)m-1ξ2dλ(7)其中，ξ2为出耦合光栅的衍射效率，m为光线与出耦合光栅的作用次数。进一步的，步骤4中，所述的判断是否出耦合光栅上是否连续出瞳，包括：若入耦合光栅长度大于传播周期，则出耦合光栅上出现非连续出瞳；若入耦合光栅长度等于或小于传播周期，则出耦合光栅上出现连续出瞳。进一步的，步骤4中，所述的若为连续出瞳，则计算得到连续出瞳下的光束出射位置，包括：通过对特定位置的光线进行追迹，可以得到入耦合光栅上不同位置的入射光束在出耦合光栅上的出射位置；所述的若为非连续出瞳，则计算得到非连续出瞳下的光束出射位置，包括：根据暗区的位置计算暗区长度；基于出耦合光栅长度、暗区位置和暗区长度，通过对特定位置的光线进行追迹得到入耦合光栅上不同位置的入射光束在出耦合光栅上的出射位置。进一步的，所述步骤5中出耦合光栅进入眼睛的光线的位置区间为(xl，xr)：xl＝x0-le·tanθ-D(10)xr＝x0-le·tanθ+D(11)其中，x0为眼睛的中心位置，D为瞳孔半径，le为出瞳距离，θ为光线的出射方向；视网膜上所成图像的亮度由下式计算得到：式中，L2m为出耦合光栅上各个出射位置的光束能量。进一步的，所述步骤6中的能量利用率由下式计算得到：式中，Lλ为像源的相对亮度光谱，Lθ为视网膜上所成图像的亮度，ηc为准直系统的对入射光造成的能量损失；所述的准直系统的对入射光造成的能量损失由下式计算得到：式中，φin为像源的光通量，Ac为准直系统接收光束的面积，l为像源面到准直系统的距离。进一步的，所述步骤7中的各个视场下的光效由下式计算得到：式中，L0为像源的亮度，ηE为全息波导系统在各个视场下的能量利用率，φin为像源的光通量。有益效果：本专利技术基于全息波导显示的特性，无需对每根光线进行追迹，而是以像素点为单位，一个方向追迹一次即可，计算结果具有快速准确的特点。附图说明图1为一维扩瞳结构下的全息波导显示结构图；图2为全息波导显示中的能量流向示意图；图3为本专利技术的流程图；...

【技术保护点】
1.一种快速计算全息波导显示系统光效的方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1：根据准直系统的有效焦距和像源上的像素位置，得到出射准直光的角度；基于入射准直光的角度结合平板波导的厚度计算得到各个角度下光线的传播周期；/n步骤2：根据入耦合光栅和出耦合光栅的长度，计算得到光线在入耦合光栅和出耦合光栅上的最大衍射次数；/n步骤3：基于入耦合光栅的最大衍射次数和衍射效率，计算得到出耦合光栅上不同出射位置的光线能量；/n步骤4：判断是否出耦合光栅上是否连续出瞳，若为连续出瞳，则计算得到连续出瞳下的光线出射位置；否则，计算非连续出瞳下的光线出射位置；将步骤3得到的光线能量与光线出射位置相匹配，得到出耦合光栅上各个位置各个方向上的出射光线能量；/n步骤5：根据眼睛的位置和瞳孔大小，得到出耦合光栅进入眼睛的光线的位置区间，对同一方向上进入眼睛的光线进行积分，得到视网膜上所成图像的亮度；/n步骤6：根据视网膜上所成图像的亮度，计算全息波导系统在各个视场下的能量利用率；/n步骤7：基于能量利用率、像源发出的总能量和像源的亮度，得到全息波导系统在各个视场下的光效。/n

【技术特征摘要】
1.一种快速计算全息波导显示系统光效的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据准直系统的有效焦距和像源上的像素位置，得到出射准直光的角度；基于入射准直光的角度结合平板波导的厚度计算得到各个角度下光线的传播周期；
步骤2：根据入耦合光栅和出耦合光栅的长度，计算得到光线在入耦合光栅和出耦合光栅上的最大衍射次数；
步骤3：基于入耦合光栅的最大衍射次数和衍射效率，计算得到出耦合光栅上不同出射位置的光线能量；
步骤4：判断是否出耦合光栅上是否连续出瞳，若为连续出瞳，则计算得到连续出瞳下的光线出射位置；否则，计算非连续出瞳下的光线出射位置；将步骤3得到的光线能量与光线出射位置相匹配，得到出耦合光栅上各个位置各个方向上的出射光线能量；
步骤5：根据眼睛的位置和瞳孔大小，得到出耦合光栅进入眼睛的光线的位置区间，对同一方向上进入眼睛的光线进行积分，得到视网膜上所成图像的亮度；
步骤6：根据视网膜上所成图像的亮度，计算全息波导系统在各个视场下的能量利用率；
步骤7：基于能量利用率、像源发出的总能量和像源的亮度，得到全息波导系统在各个视场下的光效。


2.根据权利要求1所述的一种快速计算全息波导显示系统光效的方法，其特征在于：所述步骤1中的入射准直光的角度由下式计算得到：



式中，f为准直系统的有效焦距，y为像源上的像素位置；
各个角度下光线的传播周期T由下式计算得到；
T＝2h×tanθ(1)
式中，h为平板波导厚度。


3.根据权利要求1所述的一种快速计算全息波导显示系统光效的方法，其特征在于：所述步骤2中的光线在入耦合光栅和出耦合光栅上的最大衍射次数由下式计算得到：
kin＝fix(l1，T)(3)
kom＝fix(l2，T)(4)
式中，l1代表入耦合光栅长度，l2出耦合光栅长度，T为各个角度下光线的传播周期，fix()为取整函数。


4.根据权利要求1所述的一种快速计算全息波导显示系统光效的方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：根据某角度下光线的传播周期，入耦合光栅被划分为非叠加区和叠加区；
来自准直系的光线在叠加区的最大衍射次数比非叠加区的最大衍射次数大一次，根据入耦合光栅的长度和该角度下光线的传播周期计算分别计算得到叠加区的输出的亮度光谱和非叠加区的输出的亮度光谱；
基于叠加区的输出的亮度光谱和非叠加区的输出的亮度光谱，得到入耦合光栅输出的相对亮度光谱；
根据入耦合光栅输出的相对亮度光谱和出耦合光栅的衍射效率，得到出耦合光栅上各个出射位置的光束能量。


5.根据权利要求4所述的一种快速计算全息波导显示系统光效的方法，其特征在于：所述叠加区输出的亮度光谱由下式计算得到：



式中，L...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈忠文，张宇宁，朱秀丽，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32