本发明专利技术涉及一种包括３块全息元件的光学系统，可应用于头盔显示器或眼镜式显示器。该光学显示用系统将像源元件投影出的图像，经过３块全息元件后，实现扩束并转换为发散或汇聚球面波发出，以方便具有一定视度的使用者佩戴使用。由于采用了全息元件而不是透镜实现显示，本发明专利技术的光学系统特别适宜在超薄型的显示器件中使用，制作成本低，亦可根据使用者需求定制。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种全息光学装置，具体涉及一种应用3块全息光学元件(HOEs)的目 视显示装置，包括头盔显示器或眼镜式显示器。
技术介绍
在现有技术中，为了不使用复杂的透镜系统也可以观看像质良好的放大虚像，提 出了类似图1所示的虚像观看光学系统，适宜使用在超薄、易佩戴的头盔、眼镜式等显示器 上。如图1所示的虚像观看光学系统，显示在图像显示装置11上的图像光首先入射到内设 有透射全息透镜13的光波导12上。入射图像光被透射全息透镜13变成平行光，且入射图 像光在光波导12内以满足全反射的角度偏转而传播。光波导12内还设置一透射全息光栅 14，所述透射全息光栅14与透射全息透镜13排成行并其间隔一预定距离。在图像光通过 光波导12且全反射后，图像光入射到透射全息光栅14上并且由透射全息光栅14再次衍射 而成平行光投射到光波导12外部，入射到观看对象的光瞳15。但是，图1所示的光学系统使用透射全息光栅14校正透射全息透镜13出现的色 差(achromatic aberration)，由于入射到透射全息光栅14的光束只在图1的绘图平面内 的方向上偏转，则无法消除在至少垂直于绘图平面的方向上出现的像差。并且，大多数衍射 光学元件都有很高的色散，对于由非单色光像源元件输出的源入射光，色散也给显示效果 带来了明显的不良影响。虽然使用非球面光波代替简单球面光波记录的方式可以减小器件 的几何像差和色散，但是不能完全解决色散问题；而传统的光学透镜系统可以克服严重的 色散问题，却难以克服体积大、重量高这一明显缺点，难以用于超薄型的显示装置。随着近视眼患者的不断增加，老龄化社会的程度加深，以及虚拟现实技术的不断 普及，对带有一定视度的超轻薄显示系统的技术需求不断迫切。目前，一般头盔显示器和眼 镜式显示器不能达到适应视度的技术要求，而近视和远视人群，还要同时佩戴校正眼镜，使 用不方便且影响显示效果，尚没有研究出能够有效的解决视度问题且各项色差在较优范围 内的超轻薄显示系统。
技术实现思路
为了突破上述常规头盔显示器和眼镜式显示器技术中的缺陷，本专利技术提供一种包 括3个全息光学元件的显示系统，通过对各全息元件的设计和布局而更高效率的衍射光， 获得具有一定放大率、低色散并适于具有视度人群使用的显示用光学系统。由于控制了 3 个全息光学元件的排布和尺寸，本专利技术中的光学系统结构紧凑，制作成本低，可以根据使用 人的视度定制，更便于应用到其他光学系统当中。本专利技术一种供具有视度的观察者使用的光学系统，包括投射出光学图像的像源 元件以及与像源元件相对设置的透明基底，所述基底上具有1、全息透镜H1，接收由像源元件投射的图像，并将其转换为角谱平面波(平行光) 以全反射形式在基底内向全息光栅H2的方向传播；2、全息光栅H2，将经全息透镜Hl而在基底内传播的光衍射，在第一方向上实现光 束均勻化并扩束，以全反射形式在基底内朝向全息透镜H3的方向传播；3、全息透镜H3，将经全息光栅H2衍射而在基底内传播的光在第二方向上实现均 勻化并扩束，并将光以离轴球面波的形式输出到基底外，从而实现具有一定视度的显示。本专利技术使用设计和记录全息光栅和全息透镜的方式实现超轻薄显示装置，显示装 置的光学系统像差和色散都明显的减小，并且结构紧凑，可以适应使用者的视度要求，同时 也可以非常方便的应用到其他光学系统中。附图说明图1是常规的虚像观看光学系统的侧视图。图2是本专利技术光学系统的结构三维视图。图3是本专利技术光学系统的光线传输示意图。图4是光通过全息透镜Hl时，逆向光路示意图。图5是无透镜傅立叶变换全息图记录示意图。图6是全息透镜H3的局部光路图。具体实施例图2为本专利技术的光学结构的三维视图，图3是本专利技术光学系统的光线传输示意图。 本专利技术的光学系统包括了全息透镜HI、全息光栅H2、全息透镜H3这三个全息元件，以下内 容中，为与其他标记统一，以不同的附图标记区分三个元件，即分别为全息透镜103、全息光 栅106、全息透镜107。如图2和3所示，全息透镜103的照明光来自正对它的像源元件101。 照明光直接照射到全息透镜103上，全息透镜103起到一个准直透镜的作用，把入射的球面 波准直为角谱平面波(平行光)，并且把准直后的光线在χ方向引入倾斜相位。这样全息透 镜103将有限远处的像源元件101发出的不同光线，耦合进入基底102，衍射后的光线在基 底102内沿χ方向进行全反射传播。经过多次全反射之后，衍射光线入射到全息光栅106上，全息光栅106消除χ方向 的相位倾斜，并引入y方向相位倾斜。在y方向，全息光栅106与全息透镜103具有相同的 长度W1，在χ方向，全息光栅106的长度为W2，并且W2 > W1。全息光栅106对入射来的光 进行衍射，在χ轴方向使衍射光均勻化并扩束后，偏转到y方向上向全息透镜107方向传 播；光沿y方向经过多次全反射入射到全息透镜107，全息透镜107在χ和y方向的长度都 是W2，使出射的光束直径得到扩束，从而经过上述三个全息元件实现的扩束倍率为光束经过全息透镜107后消除y方向相位倾斜，最终输出一离轴球面波到基底外， 以实现有视度的显示。全息透镜107和全息透镜103的作用原理相反，全息透镜107把入 射的角谱平面波出射为合适人眼105视度的发散或汇聚球面波。以下，参考图4和图5详细描述全息透镜103的工作原理。以ΦΜ这种表示，即一个参数的脚标有两个参量ρ和q，其中ρ的值可为1-3，分别 代表涉及全息透镜103、全息光栅106或全息透镜107的参量，q的值可为c、o、r或i，分别4代表再现光、物光、参考光、像光。物光、参考光为制作全息透镜的光源；再现光是用于重现 物体(物光)的光源，像光即最终产生的像。在下面的描述中将延续这种参数表示方法。通常的目视光学系统都是对称系统，本专利技术的光学系统也一样，以全息透镜103、 全息光栅106、全息透镜107的几何中心为其原点，光轴即是ζ轴。对光学元件而言，子午平 面是光轴和主光线构成的平面，则对于全息透镜103来说，子午平面是XZ平面，对于全息透 镜107来说，子午平面是yz平面。以后的全息透镜如果不做特殊说明，都是在子午平面内 分析。由于此系统中全息光栅106起到的作用是扩束和补偿相位倾斜，因此其并没有参 与准直和视度调节。当分析系统的视度与准直功能时，可认为全息光栅106对所有光束的 作用是一致的，因此只分析全息透镜103与全息透镜107对光线的作用。如图4所示，根据 本专利技术，距离为Rltj(X)的像源元件101的各个像素发出的球面波，经过全息透镜103后，转 换为平面波后入射到全息透镜107处。以全息透镜107的局部104为示例，按逆光路分析， 设从全息透镜的局部104发出的各种角谱平面波通过全息透镜103后成像在像源元件101 上。垂直方向为χ方向，任意入射在χ方向上偏离原点距离为X1的角谱平面波(平行光) 所成的像(离轴球面波球心)的离轴角度应该满足公式sin β (Χι) 0其中β π (X1)是 在子午平面内，X1点及出射汇聚球心的连线与光轴(ζ轴)的夹角。图5是无透镜傅立叶变换全息图记录示意图，利用一个轴上点源109和平面波的 参考光108实现记录。假设记录时点源位于轴上，β是入射或出射光线本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种供具有视度的观察者使用的光学系统，包括：投射出光学图像的像源元件以及与像源元件相对设置的透明基底，所述基底上具有：（１）全息透镜Ｈ１，接收由像源元件投射的图像，并将其转换为角谱平面波以全反射形式在基底内向全息光栅Ｈ２的方向传播；（２）全息光栅Ｈ２，将经全息透镜Ｈ１而在基底内传播的光衍射，在第一方向上实现光束均匀化并扩束，以全反射形式在基底内朝向全息透镜Ｈ３的方向传播；（３）全息透镜Ｈ３，将经全息光栅Ｈ２衍射而在基底内传播的光在第二方向上实现均匀化并扩束，并将光以离轴球面波的形式输出到基底外，从而实现具有一定视度的显示；所述视度ＳＤ满足Ｒ↓［ｄ］＝ｃｏｓ↑［２］β↓［３ｒ］／（１／Ｒ↓［ｅｙｅ］－ＳＤ）×ｃｏｓ↑［２］β↓［１ｒ］，其中Ｒ↓［ｄ］为像源元件和全息透镜Ｈ１之间的距离，β↓［１ｒ］为全息透镜Ｈ１的参考光和光轴的夹角，β↓［３ｒ］为全息透镜Ｈ３的参考光和光轴的夹角，Ｒｅｙｅ为出瞳距离。
【技术特征摘要】
1.一种供具有视度的观察者使用的光学系统，包括投射出光学图像的像源元件以及 与像源元件相对设置的透明基底，所述基底上具有(1)全息透镜H1，接收由像源元件投射的图像，并将其转换为角谱平面波以全反射形 式在基底内向全息光栅H2的方向传播；(2)全息光栅H2，将经全息透镜Hl而在基底内传播的光衍射，在第一方向上实现光束 均勻化并扩束，以全反射形式在基底内朝向全息透镜H3的方向传播；(3)全息透镜H3，将经全息光栅H2衍射而在基底内传播的光在第二方向上实现均勻化 并扩束，并将光以离轴球面波的形式输出到基底外，从而实现具有一定视度的显示；所述视 度SD满足R = COS2“—(JL-SD)XCos2 Pxr其中&为像源元件和全息透镜Hl之间的距离，β lr为全息 KcXr，透镜Hl的参考光和光轴的夹角，β 3r为全息透镜...
【专利技术属性】
技术研发人员：王涌天，潘奕捷，刘娟，刘冬梅，史瑞，谢敬辉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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