CN104614857A - 一种大出瞳全息波导眼镜*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大出瞳全息波导眼镜***，大出瞳全息波导眼镜***包括微型显示部分，准直透镜部分以及全息波导光栅部分，所述微型显示部分为微型显示器，所述准直透镜部分为准直透镜组，准直透镜组由多个透镜组成，所述全息波导光栅部分由耦合输入光栅和耦合输出光栅构成。本发明对通过对微型显示器、准直透镜组和全息波导的结构设计，可以实现高均匀性的大出瞳成像，出瞳范围为耦合输出光栅的面积。将三部分通过机械结构固定，可获得简易的大出瞳全息波导眼镜***。

Description

一种大出瞳全息波导眼镜***
技术领域
本发明涉及一种全息波导眼镜，尤其涉及一种大出瞳全息波导眼镜***，属于全息波导显示成像领域。
背景技术
20 世纪初，为了空军在战斗中瞄准的需要，在飞机上安装一个用于瞄准的带准星的瞄准环，类似于早期步枪上简单的瞄准***，三点成一线就是这种最早期的准平视显示器的工作原理。后来为了减轻飞行员的瞄准负单，就在飞机上安装了其他的瞄准***，包括奥尔蒂斯瞄准具，实际上是使手持单筒望远镜安装在飞机上，可以使飞行员瞄准使用。第二次世界大战初期，陆续开始出现视准反射式瞄准和伺服光环陀螺瞄准具，主要由环板机构光环偏转部分，光学组件和一块组合玻璃组成。到了20 世纪60 年代，开始使用电子管和模拟信息处理方法显示和产生信号，使用阴极射线管（CRT）和数字计算机的电子式平视显示器作为图像源，利用光学***进行显示。传统的头盔显示***都是由复杂的光学折反射透镜，半透明玻璃组成的,将CRT 或者LED 产生的图像投射到眼前的显示装置， 实现人眼观看。这种显示***体积大，重量重，包含元件多，非常不利于佩戴。最近，高度集成的全息衍射光学元件被应用于头盔显示***，极大的集成性使得装置小型，轻便但可以实现全部功能。1989 年开始，以色列的Yamitai 教授等人提出了全息衍射光学元件应用在头盔显示***的思想。2000 年，Yamitai教授成立LUMUS 公司，致力于研究全息波导眼镜，并和美国军方有过合作。2006 年，Yamitai 等人利用微型的准直透镜和全息光栅的装置实现了图像在波导中的传播及投射。2007 年，法国的Optinvent 公司成立，致力于研究平板波导显示眼镜。2008 年，索尼公司研制出全息波导显示眼镜。2009年，英国的 BAE Systems 公司开始研制全息波导显示眼镜，计划在 2012年，装备给 F-35 战斗机。2012 年，Google 公司宣布产品 Google 眼镜有望将在年底上市。
虽然全息波导显示眼镜经历了20 多年的发展，各大高校和研究所对此展开了很多研究，但仍然存在着很多局限性，阻碍着全息波导显示眼镜的实际应用。例如，全息波导显示眼镜中的光栅对光能的利用率，由于全息光栅的衍射效率较低，而耦合输入和耦合输出光波时，都会伴随着能量损失。因此，如何提高全息光栅的衍射效率，使得能量得到合理利用，成为一个问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种大出瞳全息波导眼镜***。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：相较于现有技术，本发明提供的大出瞳全息波导眼镜***包括微型显示部分，准直透镜部分以及全息波导光栅部分，所述微型显示部分为微型显示器，所述准直透镜部分为准直透镜组，准直透镜组由多个透镜组成，所述全息波导光栅部分由耦合输入光栅和耦合输出光栅构成。
所述的大出瞳全息波导眼镜***中，所述大出瞳全息波导眼镜***还包括电脑，所述全息波导光栅部分与准直透镜部分连接，所述准直透镜部分与微型显示部分连接，所述微型显示部分连接所述电脑；
所述微型显示部分为微型OLED 显示器，将微型OLED 显示器连接电脑，通过调整显示输出的分辨率800×600，实现电脑中影像在OLED 显示器的显示，通过在电脑中调节微型OLED显示器的色彩和对比度，实现微型OLED显示器对全息波导色散的部分补偿。
所述的大出瞳全息波导眼镜***中，所述透镜为孔径大小是20mm，焦距是30 mm 或40mm的透镜。
所述的大出瞳全息波导眼镜***中，所述耦合输入光栅大小为20mm×20mm，耦合输出光栅大小为20mm×50mm，耦合输入光栅和耦合输出光栅距离为30mm，整个玻璃波导的尺寸为40mm×110mm，厚度为2.5mm。
所述的大出瞳全息波导眼镜***中，在平面调制出在不同区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，实现光波的均匀衍射出射，制作得到所述耦合输入光栅和耦合输出光栅。
所述的大出瞳全息波导眼镜***中，耦合输出光栅在不同区域有不同的衍射效率，通过公式（1）计算得到在第M 个区域的衍射效率ηM 为
                （1）
其中 M 为衍射输出区域的个数，η1 为第一个区域的衍射效率，若在传输中没有损耗以及在最后一个区域完全耦合输出，得到（2）
              （2）
其中Mtot为总的耦合输出区域的个数；
衍射效率的大小和全息记录材料的折射率调制大小有关，得到公式（3）
       （3）
其中nmo为折射率调制度，d 为全息记录材料的厚度，λ 为波长，CR ,CI 分别为两束入射光对光栅周期的倾斜度；通过公式（1），（2），（3）计算获得折射率调制度。
7、根据权利要求6所述的大出瞳全息波导眼镜***，其特征在于，光强转化为纯相位板计算折射率调制度在其与曝光的光强成正比的区间，则根据公式
，其中， ， 是指求幅角，根据解析得到的和得到，
将光强转变为两块加载到纯位相SLMs 上的相位信息计算出来。
 本发明对通过对微型显示器、准直透镜组和全息波导的结构设计，可以实现高均匀性的大出瞳成像，出瞳范围为耦合输出光栅的面积。将三部分通过机械结构固定，可获得简易的大出瞳全息波导眼镜***。
附图说明
图1 为本发明全息波导眼镜***整体示意图；
图2为准直透镜组二维示意图；
图3为准直透镜镜结构示意图；
图4 为光波导设计结构图；
图5 为不同区域衍射效率图；
图6 为不同区域折射率调度图；
图7 为数值模拟所得位相板图；
图8为数值模拟效果图；
图9 为归一化曝光光强误差分析图和折射率调制度误差分析图；
图10 为光栅成像原理示意图。
具体实施方式
本发明提供一种大出瞳全息波导眼镜***，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例公开的大出瞳全息波导眼镜***，包括微型显示部分，准直透镜部分以及全息波导光栅部分，所述微型显示部分为微型显示器，所述准直透镜部分为准直透镜组，准直透镜组由多个透镜组成，所述全息波导光栅部分由耦合输入光栅和耦合输出光栅构成。
如图1 所示，要想实现全息波导显示成像，总体装置大概可分为三个部分，包括微型显示部分10，准直透镜部分20以及全息波导光栅部分30。从微型显示器发出的光经过准直透镜后成为平行光，进而照射到耦合输入光栅，经过光栅衍射，平行光改变传播方向，耦合基础光波导，在光波导中通过全反射原理实现传播，并在耦合输出光栅衍射输出进入人眼。本实施例中，增加了电脑40，将微型OLED 显示器连接电脑，通过调整显示输出的分辨率800×600，实现电脑中影像在OLED 显示器的显示，通过在电脑中调节OLED显示器的色彩和对比度，实现微型OLED显示器对全息波导色散的部分补偿。
1、微型显示器
由于微型显示器的技术相对已经成熟，实现了工业化生产，直接从市场上购买微型显示器。根据实际需求尤其是对OLED的发光强度要求较高，以及产品的性价比等因素，选择北京华智宝成电子科技有限公司的HZ061MM-SVGA，参数为：
0.61” OLED panel, 800X600pixels, 12.8X9.0 display area Monochromewhite display 550-800cd/m2 luminance Analog SVGA(800x600) signal input DC 5V input <100mA。
将微型OLED 显示器连接电脑，通过调整显示输出的分辨率800X600，即可实现电脑中影像在微型OLED 显示器 的显示。通过在电脑中通过软件来调节微型OLED 显示器的色彩和对比度，可以实现微型OLED 显示器对全息波导色散的部分补偿，使得人眼观察到的图像更加逼真。
2、准直透镜
准直透镜起到将OLED 微型显示器（也叫微型OLED 显示器）发出的电光源准直为平面波在全息波导眼镜中传播。为了保证准备透镜引入的低像差，低色散，本发明对准备透镜进行了设计。如图2 所示，为准直透镜组，所具有的参数为：焦距为30mm，孔径大小为20mm。
如果设计更复杂的透镜组，或者制作精度更高的透镜组，会提高全息波导眼镜的成像质量，但制作成本将极大的上升。而如果对初级产品的要求不太高时，对透镜引起的像差，畸变以及色散不太敏感的话，可以采用最简单的一个双胶合透镜实现光线的准直，如图3 所示，参数为：直径20mm，焦距40mm。
3、大出瞳全息光栅波导
如图10所示，全息波导光栅利用光栅的衍射原理，将入射光栅G1的衍射光通过全反射原理，使其进入玻璃基底中形成波导进行传播，当遇到另一块光栅G2后，则同样通过光栅的衍射原理，从波导中出射进入人的眼睛E。这样人可以透过玻璃观察到远处的景物，又可以同时观察由波导传输形成的图像。
下面对全息波导光栅的结构进行设计，如图4 所示，耦合输入光栅大小为20mm×20mm 即 d1 = 20mm ，耦合输出光栅大小为20mm×50mm， d2 = 50mm ，耦合输入光栅和耦合输出光栅距离为 l = 30mm ，整个玻璃波导的尺寸约为40mm×110mm，厚度为2.5mm。
要想使得全息波导光栅具有大出瞳的性质，最主要的问题是使多次全反射耦合出射的光强均一，这样就需要每次耦合输出的衍射效率不同，如果利用传统的全息制作方法，很难实现同时制作的光栅在不同处有不同的衍射效率。Leon Eisen 等人在制作全息光栅时，利用了灰度不同的掩模板对光的强度进行调制，从而实现不同的出射区域有不同的衍射效率。但此种方法掩模板的加工会带来一系列误差，尤其是会出现边缘的衍射，而且成本比较高，制作工艺繁琐。本发明提出的利用干涉调制的方法，可以在指定的平面调制出在不同区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，可以实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，从而实现光波的均匀衍射出射。
1. 不同区域不同衍射效率的计算
要想使光波均与出射，则需要使耦合输出光栅在不同区域有不同的衍射效率，可以通过如下公式计算得到在第M 个区域的衍射效率ηM 为
              （1）
其中 M 为衍射输出区域的个数，η1 为第一个区域的衍射效率，如果假设在传输中没有损耗以及在最后一个区域完全耦合输出的话，可以得到（2）
       （2）
其中Mtot 为总的耦合输出区域的个数。整体的耦合输出衍射效率如图5 所示。
根据耦合波理论，衍射效率的大小和全息记录材料的折射率调制大小有关，如下公式:
     （3）
其中nmo为折射率调制度，d 为全息记录材料的厚度，λ 为波长，CR ,CI 分别为两束入射光对光栅周期的倾斜度。通过公式可得到折射率调制度，通过公式（1），（2），（3）可以得到折射率调制度如图6 所示。
光强转化为纯相位板计算假设折射率调制度在其与曝光的光强成正比的区间，则根据公式
，其中， ， 是指求幅角，根据解析得到的和得到，
可以将欲实现的光强转变为两块加载到纯位相SLMs 上的相位信息计算出来。
3. 误差的分析计算
定义了如下公式来分析误差
（4）
其中 I ' ( m, n) 为加入误差之后的强度分布， I ( m, n) 为没有加入强度之后的误差分布。
4. 数值模拟
为了验证此方法的可行性，本发明进行了数值模拟计算，采用的参数为：波长为632.8nm，SLM 和全息干板的距离为200mm，像素尺寸为500×2100，SLMs 的尺寸均为76.8mm×76.8mm。计算可得到加载到空间光调制器上的纯位相分布如图7的(a)和(b)所示。
两者通过干涉，可以在干涉的平面生成光强如图8的(a)和(b) 的结果。在没有考虑误差的情况下，与设计的光强完全吻合。如果考虑到实验中遇到的误差，例如，如果5%的随机波动被加入到原始的纯位相中，可以得到光强分布和折射率调制度，如图9的(a)和(b)所示。利用公式（1）所计算的误差为 1.4%。经过多次模拟，误差大概落在了1.1%-4.2%之间。这意味这在实验中遇到的小量位相的波动所带来的误差基本可以忽略。关于实验中对准引起的误差也进行了模拟，如果对准便宜量为0.1%的话，误差可以达到 19.7%，这说明此实验对两个空间光调制器的对准要求非常高，这也是光学实验中的一个难题。最后也模拟了两个空间光调制器的倾斜角对误差的影响，当倾斜角为0.5%时，误差可达到11.4%，也可知道，这种方法对SLMs 的倾斜度的要求也很高。所以在实际进行光学实验时，可以采用两次曝光的技术。
本发明对通过对微型显示器、准直透镜组和全息波导的结构设计，可以实现高均匀性的大出瞳成像，出瞳范围为耦合输出光栅的面积。将三部分通过机械结构固定，可获得简易的大出瞳全息波导眼镜***。
本发明对全息波导眼镜***的整体结构加以设计和分析，通过对微型显示器、准直透镜组和全息波导的结构设计，可以实现高均匀性的大出瞳成像，出瞳范围为耦合输出光栅的面积。将三部分通过机械结构固定，可获得简易的大出瞳全息波导眼镜***原理的样机。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种大出瞳全息波导眼镜***，其特征在于，包括微型显示部分，准直透镜部分以及全息波导光栅部分，所述微型显示部分为微型显示器，所述准直透镜部分为准直透镜组，准直透镜组由多个透镜组成，所述全息波导光栅部分由耦合输入光栅和耦合输出光栅构成。
2.根据权利要求1所述的大出瞳全息波导眼镜***，其特征在于，所述大出瞳全息波导眼镜***还包括电脑，所述全息波导光栅部分与准直透镜部分连接，所述准直透镜部分与微型显示部分连接，所述微型显示部分连接所述电脑；
所述微型显示部分为微型OLED 显示器，将微型OLED 显示器连接电脑，通过调整显示输出的分辨率800×600，实现电脑中影像在OLED 显示器的显示，通过在电脑中调节微型OLED显示器的色彩和对比度，实现微型OLED显示器对全息波导色散的部分补偿。
3.根据权利要求2所述的大出瞳全息波导眼镜***，其特征在于，所述透镜为孔径大小是20mm，焦距是30 mm 或40mm的透镜。
4.根据权利要求3所述的大出瞳全息波导眼镜***，其特征在于，所述耦合输入光栅大小为20mm×20mm，耦合输出光栅大小为20mm×50mm，耦合输入光栅和耦合输出光栅距离为30mm，整个玻璃波导的尺寸为40mm×110mm，厚度为2.5mm。
5.根据权利要求4所述的大出瞳全息波导眼镜***，其特征在于，在平面调制出在不同区域有不同光强的光波，与另一束平面波干涉，实现同时制作衍射效率不同的同一块光栅，实现光波的均匀衍射出射，制作得到所述耦合输入光栅和耦合输出光栅。
6.根据权利要求4所述的大出瞳全息波导眼镜***，其特征在于，耦合输出光栅在不同区域有不同的衍射效率，通过公式（1）计算得到在第M 个区域的衍射效率ηM 为
                （1）
其中 M 为衍射输出区域的个数，η1 为第一个区域的衍射效率，若在传输中没有损耗以及在最后一个区域完全耦合输出，得到（2）
              （2）
其中Mtot 为总的耦合输出区域的个数；
衍射效率的大小和全息记录材料的折射率调制大小有关，得到公式（3）
       （3）
其中nmo为折射率调制度，d 为全息记录材料的厚度，λ 为波长，CR ,CI 分别为两束入射光对光栅周期的倾斜度；通过公式（1），（2），（3）计算获得折射率调制度。
7.根据权利要求6所述的大出瞳全息波导眼镜***，其特征在于，光强转化为纯相位板计算折射率调制度在其与曝光的光强成正比的区间，则根据公式
，其中， ， 是指求幅角，根据解析得到的和得到，
将光强转变为两块加载到纯位相SLMs 上的相位信息计算出来。
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