本发明专利技术涉及一种具有弯曲光学合成器可实现全彩显示的目视光学成像装置和近眼显示系统，本系统由两个镜像对称的目视光学成像装置组合而成，每个目视光学成像装置包括1个图像微显示器、1片自由曲面光学透镜、1片衍射光学元件、1片自由曲面光学棱镜、1片自由体全息光学元件以及一个弯曲光学合成器，图像微显示器发出的图像光信号经过光学系统并最终由自由体全息光学元件衍射进入人眼。自由体全息光学元件可实现大角度非常规折反射，并具有轻薄特性和极高的像差校正能力，而衍射光学元件具有独特的色散特性，协同自由曲面有效地校正了自由体全息光学元件引入系统的色差及单色像差，最终实现了超薄轻型全彩双目近眼显示，此外弯曲的光学合成器更加符合人体工艺。曲的光学合成器更加符合人体工艺。曲的光学合成器更加符合人体工艺。
【技术实现步骤摘要】
一种具有弯曲光学合成器可实现全彩显示的目视光学成像装置和近眼显示系统
[0001]本专利技术涉及目视显示
，尤其涉及一种具有弯曲光学合成器可实现全彩显示的目视光学成像装置和近眼显示系统。
技术介绍
[0002]增强现实(Augmented Reality，以下简称AR)，能够将虚拟信息叠加到现实世界，从而提高人们与现实世界和数字世界的交互体验，在游戏、教育、军事、工业、商业等领域都有着巨大的市场应用价值。
[0003]AR设备的关键在于用户的沉浸式体验。小型化、轻型化、全彩化、大视场、大眼盒和高性能是当前AR设备的发展趋势。现有的近眼显示设备采用多种方案，如Epson的自由曲面波导方案、Lumus阵列波导方案、Google Glass的共轴侧视棱镜方案、Hololens的全息光栅方案以及OPPO Air Glass的衍射光波导方案等。
[0004]体全息光学元件(Volume Holographic Optical elements，VHOE)被运用于轻型AR设备中，其是根据全息术原理制成的光学元件。通常做在感光薄膜材料上，利用平面波、球面波的组合发生干涉，在光敏材料上得到全息图。被光线照射时，光线由于衍射效应，发生非常规的大角度偏折。它是一种遵循布拉格角度条件的衍射元件。而自由体全息光学元件打破传统的平面波、球面波曝光方式，采用调控好的自由曲面波前进行曝光，极大地提高了全息光学元件的像差调控能力。
[0005]衍射光学元件(Diffractive Optical elements，DOE)基于光刻技术，能够将衍射光集中到设定的衍射级次上，从而实现成像、色散、任意设定波前等功能，具有精度高、质量轻、紧凑、设计自由度大、色散特性独特等优点。
[0006]体全息光学元件作为一种全息光学元件，打破了传统的反射定律，可以实现大角度非常规的反射，从而显著减轻整个系统的体积和重量，使小型化、轻型化成为可能，自由曲面对波前的调控显得十分灵活，而衍射光学元件具有独特的色散特性，能够对体全息光学元件的色散进行补偿，从而有效校正系统的色差。除此之外，体全息光学元件还具有可弯曲的特性，从而可以实现弯曲的光学合成器。因此将自由曲面、衍射光学元件和体全息光学元件结合起来，设计一种具有弯曲光学合成器可实现全彩显示的近眼显示系统十分有意义。
[0007]本专利是在CN202110663579.X和CN202210294637.0的基础上进一步的专利技术。早先的两份专利分别通过在近眼显示系统中使用体全息光学元件和自由体全息光学元件，获得了轻小型化同时具有高成像质量的系统，证明了体全息光学元件和自由体全息光学元件在AR近眼显示中的出色表现。然而，这两份专利所描述的近眼显示系统尽管是全彩显示，但都只考虑了红绿蓝三色分别的色差及像差控制，这导致在实际的全彩显示中，红绿蓝三色图像对于人眼来说会有一定的偏移。而在本专利中，通过结合体全息光学元件、衍射光学元件、自由曲面光学元件提出了一种全新的色差控制方法，能够控制包括红绿蓝三色色差在
内的色差及单色像差，专利中描述的近眼显示系统基于这种方法设计而成。除此之外，早先的两份专利所描述的近眼显示系统中，体全息光学元件贴附的光学合成器是平板玻璃，而本专利进一步探索了体全息光学元件的可弯曲特性，设计了弯曲的光学合成器，更加符合人体工艺，提高了所描述的AR近眼显示系统的佩戴舒适性。
技术实现思路
[0008]本专利技术旨在提供一种具有弯曲光学合成器可实现全彩显示的目视光学成像装置和近眼显示系统，近眼显示系统由两个镜像对称的目视光学成像装置组合而成，通过自由体全息光学元件、衍射光学元件、自由曲面光学元件协同校正系统色差和单色像差实现轻薄光学透射式双目近眼显示，可适用于RGB彩色AR、VR的应用场景。
[0009]本专利技术首先提供了一种具有弯曲光学合成器可实现全彩显示的目视光学成像装置，其包括图像微显示器、自由曲面光学透镜、衍射光学元件、自由曲面光学棱镜、贴有体全息光学元件的弯曲光学合成器；所述的图像微显示器发出的图像信号光经过自由曲面光学透镜折射，然后经过衍射光学元件衍射，再经过自由曲面光学棱镜折射与反射后入射到弯曲光学合成器上，最后由弯曲光学合成器上贴附的体全息光学元件衍射进入人眼，另一方面环境光经过弯曲光学合成器、体全息光学元件透射后进入人眼；
[0010]所述自由曲面光学透镜、衍射光学元件、自由曲面光学棱镜和体全息光学元件采用如下步骤进行设计：
[0011]步骤一：使用体全息光学元件曝光系数及相位函数多项式构建体全息面，生成体全息光学元件，建立体全息光学元件曝光系数及相位函数多项式与光学波前的对应关系，得到体全息面所产生的色差以及单色像差大小；
[0012]步骤二：基于体全息面所产生的色差以及单色像差大小，按照产生相反色差及单色像差的补偿原则，使用衍射光学元件相位函数多项式构建衍射表面，生成衍射光学元件；
[0013]步骤三：使用自由曲面面型多项式构建自由曲面，生成自由曲面光学透镜以及自由曲面光学棱镜，建立自由曲面面型多项式各项参数与实际面型的对应关系，从而进行光线追迹，得到各个面所产生的色差以及单色像差大小；
[0014]步骤四：考虑到系统的总像差是各个面的像差之和，得到系统总像差与各个面的参数的关系，经过优化求解，获得使系统色差及单色像差最小的参数组合；
[0015]步骤五：采用步骤四得到的参数组合作为自由曲面光学透镜、衍射光学元件、自由曲面光学棱镜和体全息光学元件的加工参数进行加工。
[0016]作为本专利技术的优选方案，所述衍射光学元件包含平面和衍射表面，光线首先在平面上折射进入衍射光学元件，然后在衍射表面上衍射离开衍射光学元件；衍射表面具有一系列衍射单元，每个衍射单元可以对波前相位分布进行调控，其中相位分布函数的各项参数基于校正系统像差同时补偿体全息光学元件所引入的色差的原则进行搭配。
[0017]作为本专利技术的优选方案，所述弯曲光学合成器包含前表面和后表面，前后表面都具有设定的曲率半径；其中靠近人眼的前表面贴有体全息光学元件，体全息光学元件由自由体全息光学膜组成，经过所述自由曲面光学棱镜入射到所述体全息光学元件的光线，满足所述体全息光学元件的布拉格入射关系，从而被衍射进入人眼；环境光经过所述弯曲光学合成器入射，不满足所述体全息光学元件的布拉格入射关系，从而透射进入人眼。所述体
全息光学元件是红、绿、蓝三色在同一层膜内复合曝光的结构，或者是红、绿、蓝三色分为三层膜单独曝光然后堆叠而成的结构，或者是红、绿、蓝三色中的某两种颜色在同一层膜内复合曝光，另一种颜色在另一层膜内单独曝光，然后两层膜堆叠而成的结构。
[0018]本专利技术还提供了一种具有弯曲光学合成器可实现全彩显示的近眼显示系统，其包括两个所述的目视光学成像装置，且所述的两个目视光学成像装置左右镜像对称。
[0019]本专利技术还提供了一种所述近眼显示系统的色差控制方法，其包括四个步骤：
[0020]步骤一：为近眼显示系统选择包括衍射光学元本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有弯曲光学合成器可实现全彩显示的目视光学成像装置，其特征在于，包括图像微显示器(11)、自由曲面光学透镜(12)、衍射光学元件(13)、自由曲面光学棱镜(14)、贴有体全息光学元件(15)的弯曲光学合成器(16)；所述的图像微显示器(11)发出的图像信号光经过自由曲面光学透镜(12)折射，然后经过衍射光学元件(13)衍射，再经过自由曲面光学棱镜(14)折射与反射后入射到弯曲光学合成器(16)上，最后由弯曲光学合成器上贴附的体全息光学元件(15)衍射进入人眼，另一方面环境光经过弯曲光学合成器(16)、体全息光学元件(15)透射后进入人眼；所述自由曲面光学透镜(12)、衍射光学元件(13)、自由曲面光学棱镜(14)和体全息光学元件(15)采用如下步骤进行设计：步骤一：使用体全息光学元件曝光系数及相位函数多项式构建体全息面，生成体全息光学元件(15)，建立体全息光学元件曝光系数及相位函数多项式与光学波前的对应关系，得到体全息面所产生的色差以及单色像差大小；步骤二：基于体全息面所产生的色差以及单色像差大小，按照产生相反色差及单色像差的补偿原则，使用衍射光学元件相位函数多项式构建衍射表面，生成衍射光学元件(13)；步骤三：使用自由曲面面型多项式构建自由曲面，生成自由曲面光学透镜(12)以及自由曲面光学棱镜(14)，建立自由曲面面型多项式各项参数与实际面型的对应关系，从而进行光线追迹，得到各个面所产生的色差以及单色像差大小；步骤四：考虑到系统的总像差是各个面的像差之和，得到系统总像差与各个面的参数的关系，经过优化求解，获得使系统色差及单色像差最小的参数组合；步骤五：采用步骤四得到的参数组合作为自由曲面光学透镜(12)、衍射光学元件(13)、自由曲面光学棱镜(14)和体全息光学元件(15)的加工参数进行加工。2.如权利要求1所述的目视光学成像装置，其特征在于，所述图像微显示器(11)为自发光型微型显示器，包括但不限于OLED微型显示器、MicroLED微型显示器。3.如权利要求1所述的目视光学成像装置，其特征在于，所述自由曲面光学透镜(12)包含第一透射面(121)和第二透射面(122)，这两个面中至少一个面为自由曲面，另一个为非球面或自由曲面。4.如权利要求1所述的目视光学成像装置，其特征在于，所述衍射光学元件(13)包含平面(131)和衍射表面(132)，光线首先在平面(131)上折射进入衍射光学元件(13)，然后在衍射表面(132)上衍射离开衍射光学元件(13)；衍射表面(132)具有一系列衍射单元，每个衍射单元可以对波前相位分布进行调控，其中相位分布函数的各项参数基于校正系统像差同时补偿体全息光学元件(15)所引入的色差的原则进行搭配。5.如权利要求1所述的目视光学成像装置...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏，陈泓佐，吴仍茂，胡广银，裴春洋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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