光学系统及光学设备技术方案

本发明专利技术提供了一种光学系统及光学设备，包括：空间光调制器和光源；所述空间光调制器在未施加调制信号时，所述光源照射所述空间光调制器后输出的光在观测系统上形成具有预设宽度的光斑或光斑阵列；所述空间光调制器在施加调制信号后，所述光源照射所述空间光调制器后输出的被调制的光在观测系统上形成所需调制的像素点图像。本发明专利技术彻底避免了安全隐患，通过引入被动保护机制，在成像器件不工作或无法正常工作的情况下，经过光学系统的光束在观看者眼中或检测系统中将无法聚焦成单个亮点，而只有成像器件能够正常工作时，光束才能在人眼或检测系统中形成像素点，从而成像。从而成像。从而成像。

【技术实现步骤摘要】
光学系统及光学设备


[0001]本专利技术涉及光学领域，具体地，涉及一种光学系统及光学设备。

技术介绍

[0002]激光器特别是半导体激光器作为新型光源具有亮度高，数值孔径小，颜色纯正等等优点。但由于数值孔径小，激光很容易聚成单个高亮度的小点。在显示类应用中，特别是穿戴式的AR/VR类应用中，单个超高亮度的点会带来安全隐患或者无法通过安全测试，限制了激光在这一领域的应用。
[0003]专利文献CN104898285A公开了一种获取光场均匀化激光的装置，激光光束照射全息散光片的第一面，穿透所述全息散光片之后进入所述MEMS变形镜，经由所述MEMS变形镜反射后再次从全息散光片的第二面进入所述全息散光片，有效的实现了激光光场的均匀化。
[0004]现有使用激光光源的显示类应用中，往往使用主动类安全措施，例如激光光源加MEMS振镜的显示系统，单束激光通过MEMS振镜快速扫描改变出射角度，在时间上将能量均分到整个图像上实现显示。若出现激光器仍在工作，但MEMS振镜损坏的情况，系统会触发保护机制，快速关闭激光器，避免出现单束强光长时间进入人眼同一位置造成视网膜损伤。但这一方式有赖于保护机制能够正常工作，若保护机制由于某些原因失效，将会带来很大的安全隐患。
[0005]在使用激光全息成像的方案中，由于空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)本身原因，在图像中间往往存在一个很亮的0级亮点(占总能量的5％～90％，视具体器件而定)。现有做法往往通过光阑遮蔽上述亮点(甚至遮蔽整个半边图像)来实现遮蔽杂光及安全保护。但这一方法在同样存在安全隐患，若上述遮蔽光阑失效(例如碰撞导致位移或遮蔽材料被强光击穿)，则仍然会带来安全问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种光学系统及光学设备。
[0007]根据本专利技术提供的一种光学系统，包括：空间光调制器和光源；
[0008]所述空间光调制器在未施加调制信号时，所述光源照射所述空间光调制器后输出的光在观测系统上形成一个具有预设宽度的光斑或光斑阵列；光斑或光斑阵列的预设大小可以使单位面积内的能量分布满足安全规范(例如<0.5mw/mm2)
[0009]所述空间光调制器在施加调制信号后，所述光源照射所述空间光调制器后输出的被调制的光在观测系统上形成所需调制的图像。所述观测系统可以是人眼，也可以是相机、胶片或CCD、CMOS传感器等电子器件
[0010]优选地，所述空间光调制器使用相位调制。例如采用ECB或VA封装的硅基液晶器件(LCoS)或透射式的LCD，或者采用铁电液晶的LCoS，或者LC透镜。
[0011]优选地，所述光源包括激光。
[0012]优选地，所述光学系统还包括波导器件，所述光源照射所述空间光调制器后输出的光通过所述波导器件传输至所述观测系统。波导器件可以起合路器作用，将外部环境光与空间光调制器输出的图像光合路，实现see through的AR效果
[0013]优选地，所述光学系统还包括透镜、反射镜、棱镜、半透半反镜、二向色镜、偏振片、玻片、滤波片、光阑、Pancharatnam
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Berry相位器件(PBOE,可在器件不同区域制作不同偏振调制特性，之后通过偏振性来对入射到不同区域的光做不同处理)，衍射器件(例如光栅、微结构器件等)的至少其中之一。
[0014]优选地，所述光学系统还包括光阑，未施加调制信号时，所述光源照射所述空间光调制器后输出的光在所述光学系统内一位置聚焦成一个或多个点，所述光阑在设置在所述位置上，并在所述一个或多个点的位置制备(例如采用涂覆工艺，用半导体工艺光刻，镀膜工艺、印刷工艺等)不透光或反光材料，将光汇聚成的一个或多个点吸收或反射出成像光路。
[0015]优选地，未施加调制信号时，所述光源照射所述空间光调制器输出的光在波导器件的入瞳表面为非平行光。由于波导一般情况下按平行光模型设计，起合路和扩瞳作用。不同角度的平行光对应无穷远的视场点，同一角度的平行光进入人眼后将被晶状体聚焦在视网膜上成一个点，所以当所述输出光在波导入瞳处为非平行光时(例如在入瞳表面附近聚焦成一个点，这个点的位置设置在人眼无法聚焦的距离上)，则这一点的光线进入波导后发散角度很大，被波导扩瞳后能量将分散到很大范围内，从波导出射后人眼无法将这些光线聚焦成一个点，从而避免了安全隐患。
[0016]优选地，施加调制信号时，所述光源照射所述空间光调制器输出的光被调制成在观测系统中形成图像。优选地，施加调制信号时，所述光源照射所述空间光调制器输出的光被调制成与观测系统具有距离的虚像或实像，所述距离能够被不同的调制信号所改变。例如，前一帧图像为距离人眼5米的虚像，后一帧图像被调整成距离人眼1米的虚像，也可以通过时间上快速迭代利用视觉残留效应使多帧图像被观察者感觉为同一帧图像。或者也可以是利用全息算法或者模拟复杂的波前，在同一时刻，调制出一帧图像内存在多个不同距离的子图像(物体)的效果。
[0017]优选地，施加调制信号时，所述光源照射所述空间光调制器输出的光被调制成图像，同一图像中包含有与所述观测系统具有不同距的离子图像，所述不同距离能够被不同的调制信号所改变。
[0018]优选地，所述光学系统还包括控制系统。
[0019]优选地，所述控制系统输出所述调制信号控制所述空间光调制器来调制所述光源发出的光，和/或同步控制光源的输出。所述控制系统还起到同步空间光调制器和光源的作用，例如光源包含RGB三色激光，每一时刻只有一个颜色的激光器输出，同时同步空间光调制器显示对应颜色的图像(全息图)。还可以在不同时刻根据对应全息图所需的总亮度(全息图的亮度与显示内容多少直接相关，为保证不同内容的图像亮度相同，需要控制光源的输出功率)控制激光器输出不同的功率，满足亮度需求。
[0020]根据本专利技术提供的一种光学设备，包括所述的光学系统。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0022]本专利技术彻底避免了安全隐患，通过引入被动保护机制，即在成像器件(一般为电子
器件)不工作或无法正常工作的情况下，经过光学系统的光束在观看者眼中或检测系统中将无法聚焦成单个亮点(是一个具有一定大小的光斑或阵列，从而使能量分散，无安全风险)，而只有成像器件能够正常工作时，光束才能在人眼或检测系统中形成像素点，从而成像。
附图说明
[0023]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，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0024]图1为本专利技术的一个实施例的示意图，采用反射式SLM；
[0025]图2为本专利技术的一个实施例的示意图，采用反射式SLM及棱镜系统；
[0026]图3为本专利技术的一个实施例的示意图，采用反射式SLM，通过SLM实现透镜功能，简化了光学系统设计；
[0027]图4为本专利技术的一个采用透射式SLM的实施例的示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学系统，其特征在于，包括：空间光调制器和光源；所述空间光调制器在未施加调制信号时，所述光源照射所述空间光调制器后输出的光在观测系统上形成具有预设宽度的光斑或光斑阵列；所述空间光调制器在施加调制信号后，所述光源照射所述空间光调制器后输出的被调制的光在观测系统上形成所需调制的图像。2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述空间光调制器使用相位调制。3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光源包括激光。4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括波导器件，所述光源照射所述空间光调制器后输出的光通过所述波导器件传输至所述观测系统。5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括透镜、反射镜、棱镜、半透半反镜、二向色镜、偏振片、玻片、滤波片、光阑、Pancharactnam
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Berry相位器件和衍射器件的至少其中之一。6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括光阑，未施加调制信号时，所述光源照射所述空间光调制器后输出的光在所述光学系统内一位置聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈顺毅，
申请(专利权)人：上海慧希电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：