CN111443487B - 基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***和方法 - Google Patents

基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***和方法 Download PDF

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Abstract

提供一种基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***，包括：位相型空间光调制器，其上加载有两个位相型子全息图作为原始三维图像；阿贝滤波成像***，用于再现原始三维图像的三维复振幅信息以及对原始三维图像进行第一次放大成像；以及凹面反射镜，用于接收阿贝滤波成像***第一次放大后的三维图像并对该第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像，该第二次放大后的三维图像与真实世界的场景叠加后入射至眼睛。采用阿贝滤波成像***与曲面反射结构，实现了对复振幅调制型三维近眼显示***视场角的两步放大，同时具有结构紧凑，体积小，重量轻等优点。

Description

基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***和方法
技术领域
本发明涉及一种基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***和方法，属于三维近眼显示领域。
背景技术
三维近眼显示技术是近年来国际显示领域的研究热点，该技术通过在真实世界的场景上叠加人工调制的虚拟三维信号，从而为观察者提供全新的视觉体验。该技术可用于增强现实(AR)、虚拟现实(VR)，在军事、医疗、教育、娱乐等领域具有重要的应用前景。在实现三维近眼显示技术的诸多方案中，复振幅调制技术作为全息三维显示技术的一种，被认为是最有发展潜力的技术之一。复振幅调制技术除了具有全息三维显示可实现连续深度变化三维再现的优点之外，其可以对入射光波的振幅与相位同时进行调制，从而对目标三维图像进行完整的还原，不丢失任何信息，获得更加真实的三维效果。此外，复振幅调制技术不需要对全息图的计算进行迭代，节省了大量的计算时间，具有实现动态三维显示的能力。因此，复振幅调制技术非常适合应用于三维近眼显示***的设计之上。
例如中国专利CN105824128A公开了一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示***，能实现真三维图像与外界真实场景的叠加，该***包括：振幅型空间光调制器、4f透镜***、正弦光栅、相移器和半透半反镜；振幅型空间光调制器和正弦光栅依次放置在4f透镜***的输入焦平面和频谱面上，相移器靠近振幅型空间光调制器放置，半透半反镜置于4f透镜***输出焦平面后一定距离，振幅型空间光调制器的两个分区分别加载两个全息图，在激光的照射下，两全息图于4f透镜***的频域经正弦光栅调制，并在输出面合成为目标复振幅波前，该目标复振幅波前传播至半透半反镜处经半透半反镜耦合叠加至人眼的视野内。
然而，该***由于显示器件限制，观看视场角十分有限。现有复振幅调制型三维近眼显示***的核心器件为空间光调制器。受限于空间光调制器的栅格结构，并且其像素尺寸在数个微米量级，使得调制输出图像的衍射角较小，此外由于空间光调制器面板尺寸较小，使得现有的复振幅调制型三维近眼显示***输出的图像视场角有限，严重影响了观看体验。此外，现有复振幅调制型三维近眼显示***，部分方案采用双空间光调制器，部分方案采用4f***进行滤波，导致***元件数量多，尺寸大，不符合近眼显示***便携、轻便的设计要求。
鉴于上述，本发明旨在提供一种基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***和方法，来解决上述的一个或多个技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，根据本发明一方面，提供一种基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***，其包括：
位相型空间光调制器，其上加载有两个位相型子全息图作为原始三维图像；
阿贝滤波成像***，用于再现原始三维图像的三维复振幅信息以及对原始三维图像进行第一次放大成像；以及
凹面反射镜，用于接收阿贝滤波成像***第一次放大后的三维图像并对该第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像，该第二次放大后的三维图像与真实世界的场景叠加后入射至眼睛。
根据本发明又一方面，阿贝滤波成像***包括凸透镜以及位于该凸透镜的后焦面上的正弦光栅。
根据本发明又一方面，阿贝滤波成像***包括双胶合透镜以及位于该双胶合透镜的后焦面上的正弦光栅。
根据本发明又一方面，所述的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***还包括设置在阿贝滤波成像***与凹面反射镜之间的半透半反镜，用于将凹面反射镜放大后的三维图像反射至眼睛，真实世界的场景直接通过该半透半反镜透射进入眼睛。
根据本发明又一方面，所述凹面反射镜相对于位相型空间光调制器和阿贝滤波成像***的光轴以离轴的方式设置，该凹面反射镜放大后的三维图像与真实世界的场景直接进入眼睛。
根据本发明又一方面，所述凹面反射镜为凹面半透半反镜，用于对所述第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像，该第二次放大后的三维图像直接入射至眼睛，真实世界的场景透过该凹面半透半反镜进入眼睛。
根据本发明又一方面，所述的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***还包括位于阿贝滤波成像***与凹面反射镜之间光路上的半透半反镜，该半透半反镜用于将阿贝滤波成像***第一次放大后的三维图像反射至凹面反射镜，该凹面反射镜为凹面半透半反镜且用于对所述第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像，该第二次放大后的三维图像经所述半透半反镜透射后入射至眼睛，真实世界的场景依次透过该凹面半透半反镜和所述半透半反镜后进入眼睛。
根据本发明又一方面，所述位相型空间光调制器为透射式或反射式。
根据本发明又一方面，两个位相型子全息图以一定间距加载于位相型空间光调制器上。
根据本发明又一方面，还提供一种利用前述的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***进行显示的方法，其特征在于包括以下步骤：
再现原始三维图像的三维复振幅信息，对原始三维图像进行第一次放大成像；
对第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像；
将第二次放大后的三维图像与真实世界的场景叠加后入射至眼睛。
与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：
采用阿贝滤波成像***与曲面反射结构，实现了对复振幅调制型三维近眼显示***视场角的两步(次)放大，同时具有结构紧凑，体积小，重量轻等优点，与4f滤波***相比，减少了光学元件的数量，降低了***的复杂度。
附图说明
为了能够理解本发明的上述特征的细节，可以参照实施例，得到对于简要概括于上的发明更详细的描述。附图涉及本发明的优选实施例，并描述如下：
图1为根据本发明第一种优选实施例的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***结构示意图；
图2为根据本发明第二种优选实施例的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***结构示意图；
图3为根据本发明第三种优选实施例的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***结构示意图；
图4为根据本发明第四种优选实施例的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***结构示意图；
图5为根据本发明第五种优选实施例的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***结构示意图。
具体实施例
现在将对于各种实施例进行详细说明，这些实施例的一个或更多个实例分别绘示于图中。各个实例以解释的方式来提供，而非意味作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而被绘示或描述的特征，能够被使用于或结合任一其他实施例，以产生再一实施例。本发明意在包含这类修改和变化。
在以下对于附图的描述中，相同的参考标记指示相同或类似的结构。一般来说，只会对于个别实施例的不同之处进行描述。除非另有明确指明，否则对于一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用到另一实施例中的对应部分或方面。
实施例1
参见图2，其示出了根据本发明一种优选实施例的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***的结构示意图。该基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***可包括：
位相型空间光调制器1，其上加载有两个位相型子全息图201、202作为原始三维图像；
阿贝滤波成像***，用于再现原始三维图像的三维复振幅信息以及对原始三维图像进行第一次放大成像；以及
凹面反射镜5，用于接收阿贝滤波成像***第一次放大后的三维图像并对该第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像，该第二次放大后的三维图像与真实世界的场景8叠加后入射至眼睛7。可以理解的是，本发明实现了三维近眼显示***的视场角的扩大。
根据本发明一种优选实施方式，参见图1-4，阿贝滤波成像***包括凸透镜3以及位于该凸透镜3的后焦面上的正弦光栅4。通过在透镜后焦面上放置一正弦光栅4，可对空间光调制器上的位相型子全息图201、202进行调制。
根据本发明一种优选实施方式，参见图5，阿贝滤波成像***包括双胶合透镜10以及位于该双胶合透镜10的后焦面上的正弦光栅4。
根据本发明一种优选实施方式，参见图1，所述的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***还包括设置在阿贝滤波成像***与凹面反射镜5之间的半透半反镜6，用于将凹面反射镜5放大后的三维图像反射至眼睛7，真实世界的场景8直接通过该半透半反镜6透射进入眼睛7。
根据本发明一种优选实施方式，参见图2，所述凹面反射镜5相对于位相型空间光调制器1和阿贝滤波成像***的光轴以离轴的方式设置，该凹面反射镜5放大后的三维图像与真实世界的场景8直接进入眼睛7。
根据本发明一种优选实施方式，参见图3，所述凹面反射镜为凹面半透半反镜9，用于对所述第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像，该第二次放大后的三维图像直接入射至眼睛7，真实世界的场景8透过该凹面半透半反镜9进入眼睛7。
根据本发明一种优选实施方式，参见图4，所述的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***还包括位于阿贝滤波成像***与凹面反射镜之间光路上的半透半反镜6，该半透半反镜6用于将阿贝滤波成像***第一次放大后的三维图像反射至凹面反射镜，该凹面反射镜为凹面半透半反镜9且用于对所述第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像，该第二次放大后的三维图像经所述半透半反镜6透射后入射至眼睛7，真实世界的场景8依次透过该凹面半透半反镜9和所述半透半反镜6后进入眼睛7。
根据本发明一种优选实施方式，所述位相型空间光调制器1为透射式或反射式。
根据本发明一种优选实施方式，两个位相型子全息图201、202以一定间距加载于位相型空间光调制器1上。
根据本发明一种优选实施方式，假设一待显示三维物体的复全息图表达式为H＝Aexp(iθ)
其中A和θ分别代表复全息图的振幅和相位，
Figure BDA0002428135380000061
是虚数单位；该复全息图能够分解为两个位相型子全息图相加的形式：
exp(iθ1)+exp(iθ2)＝Aexp(iθ)
其中θ1和θ2分别代表两个位相型子全息图，经过推导，可以得到：
Figure BDA0002428135380000062
当两个子全息图分开的距离d与正弦光栅周期常数Λ满足公式：
Figure BDA0002428135380000063
时，在阿贝滤波成像***的成像面上会再现原始三维图像的三维复振幅信息，式中λ为照明光波长，f为凸透镜的焦距；
对于两个位相型子全息图，设置其衍射距离为负值，使原始三维图像衍射成为虚像。
根据本发明一种优选实施方式，还提供一种利用前述的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***进行显示的方法，其包括以下步骤：
再现原始三维图像的三维复振幅信息，对原始三维图像进行第一次放大成像；
对第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像；
将第二次放大后的三维图像与真实世界的场景8叠加后入射至眼睛7。
本发明的主要技术原理在于：本发明中所使用的阿贝滤波成像***，一方面可以实现三维信号的复振幅再现，提高了图像质量；另一方面可以实现对原始三维图像的放大成像。曲面反射结构(凹面反射镜)一方面可以实现凸透镜的光学特性，对输入图像进行放大成像，另一方面反射式结构可以折叠光路，进一步减小了***的尺寸，使***更加紧凑轻便。
根据本发明一种优选实施方式，再次参见图1，该基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***包括位相型空间光调制器1、两个位相型子全息图201，201、凸透镜3、正弦光栅4、凹面反射镜5和半反半透镜6。空间光调制器可选用透射式或反射式。位相型空间光调制器1上加载两个位相型子全息图，作为三维图像源。假设一待显示三维物体的复全息图表达式为H＝Aexp(iθ)
其中A和θ分别代表复全息图的振幅和相位，
Figure BDA0002428135380000071
是虚数单位。该复振幅信号能够分解为两个位相型子全息图相加的形式：
exp(iθ1)+exp(iθ2)＝Aexp(iθ)
其中θ1和θ2分别代表两个位相型子全息图。经过推导，可以得到：
Figure BDA0002428135380000072
两个位相型子全息图以一定的距离间隔d加载于位相型空间光调制器上。空间光调制器之后放置一阿贝滤波成像***。阿贝滤波成像***例如包括一个凸透镜3和一个正弦光栅4。正弦光栅4放置于凸透镜3的后焦面上。当两个子全息图分开的距离d与正弦光栅周期常数Λ满足公式：
Figure BDA0002428135380000073
时，在阿贝滤波成像***的成像面上会再现出待显示信号的三维复振幅信息。式中λ为照明光波长，f为凸透镜的焦距。
对于两个位相型子全息图，可设置其衍射距离为负值，使其原始三维图像衍射成为虚像(图1空间光调制器左侧)。调整凸透镜的位置，使原始三维图像位于凸透镜的一倍焦距之外，靠近一倍焦距，根据透镜成像原理，原始图像会在凸透镜两倍焦距之外成一个倒立放大的实像，实现了三维图像的第一步(次)放大。通过阿贝成像***的光线照射于凹面反射镜5，通过调整凹面反射镜的位置，使得经过第一步放大的图像位于凹面反射镜的一倍焦距之内。根据凹面反射镜成像原理，会在凹面反射镜像方(图1右侧)成正立放大的虚像，实现三维图像的第二步(次)放大。半反半透镜6紧贴凹面反射镜放置，将凹面反射镜所成的虚像反射至人眼7，使人眼观察到放大的虚拟图像。同时，真实世界场景的场景8直接通过半反半透镜透射进入人眼，使人眼能够观察到叠加的效果。
根据本发明一种优选实施方式，参见图2，与图1中方案相比，不同之处在于：该方案使用了凹面反射镜5的离轴反射方案。人眼观察处取消了方案一中的半反半透镜，通过调整凹面反射镜的角度，使得凹面反射镜所反射的图像能够直接进入人眼。前段光路与图1中的方案相同，在此不再赘述。
根据本发明一种优选实施方式，参见图3，与图1中方案相比，不同之处在于：将人眼观察处的半反半透镜与曲面反射镜组合替换成为凹面半反半透镜9，其反射表面为曲面(凹面)，可以实现与凹面反射镜相同的光学性能，对三维图像进行第二次放大。同时，前方外部世界的场景可以透过凹面半反半透镜9进入到人眼，实现虚拟三维图像叠加于真实场景的近眼显示。凹面半反半透镜9使用了45°入射的离轴反射方案，前段光路与图1中的方案相同，在此不再赘述。
根据本发明一种优选实施方式，参见图4，与图1中方案相比，不同之处在于：该方案使用了与图3方案中相同的凹面半反半透镜9，凹面半反半透镜9置于人眼之前，透过阿贝成像***的光线首先被半反半透镜6反射至凹面半反半透镜9前表面，其前表面为曲面(凹面)反射表面，可以实现与凹面反射镜相同的光学性能，对三维图像进行第二次放大。放大后的图像经过半反半透镜6透射进入人眼。同时，前方外部世界的场景8可以透过凹面半反半透镜9和半反半透镜6进入到人眼，实现虚拟三维图像叠加于真实场景的近眼显示。该方案中凹面半反半透镜9使用了正入射的同轴反射方案，前段光路与图1中的方案相同，在此不再赘述。
根据本发明一种优选实施方式，参见图5，与图1中方案相比，不同之处在于：使用了双胶合透镜10。当***显示的图像为彩色三维图像时，双胶合透镜10可以很好的校正色差，使***实现更好的彩色三维显示效果。***其它光路与图1中的方案相同，在此不再赘述。
与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：
采用阿贝滤波成像***与曲面反射结构，实现了对复振幅调制型三维近眼显示***视场角的两步(次)放大，同时具有结构紧凑，体积小，重量轻等优点，与4f滤波***相比，减少了光学元件的数量，降低了***的复杂度。
虽然前述内容是关于本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的情况下，设计出本发明其他和更进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书确定。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，这些实施例中不互相违背的技术特征可彼此结合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***，其特征在于由以下部件构成：
位相型空间光调制器，其上加载有两个位相型子全息图作为原始三维图像；
阿贝滤波成像***，用于再现原始三维图像的三维复振幅信息以及对原始三维图像进行第一次放大成像；
凹面反射镜，用于接收阿贝滤波成像***第一次放大后的三维图像并对该第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像，该第二次放大后的三维图像与真实世界的场景叠加后入射至眼睛；以及
半透半反镜，设置在阿贝滤波成像***与凹面反射镜之间，用于将凹面反射镜放大后的三维图像反射至眼睛，真实世界的场景直接通过该半透半反镜透射进入眼睛；
其中，所述阿贝滤波成像***由一个凸透镜以及位于该凸透镜的后焦面上的一个正弦光栅组成，或者，所述阿贝滤波成像***由一个双胶合透镜以及位于该双胶合透镜的后焦面上的一个正弦光栅组成；
其中，两个位相型子全息图以一定间距加载于位相型空间光调制器上，假设一待显示三维物体的复全息图表达式为
H＝Aexp(iθ)
其中A和θ分别代表复全息图的振幅和相位，
Figure FDF0000017363440000011
是虚数单位；该复全息图能够分解为两个位相型子全息图相加的形式：
exp(iθ1)+exp(iθ2)＝Aexp(iθ)
其中θ1和θ2分别代表两个位相型子全息图，经过推导，可以得到：
Figure FDF0000017363440000012
当两个子全息图分开的距离d与正弦光栅周期常数Λ满足公式：
Figure FDF0000017363440000013
时，在阿贝滤波成像***的成像面上会再现原始三维图像的三维复振幅信息，式中λ为照明光波长，f为凸透镜的焦距；设置两个位相型子全息图的衍射距离为负值，使原始三维图像衍射成为虚像；
其中，所述位相型空间光调制器、凸透镜、正弦光栅、半透半反镜和凹面反射镜沿着光轴依次布置，所述真实世界的场景和眼睛分别位于所述光轴的两侧；或者，所述位相型空间光调制器、双胶合透镜、正弦光栅、半透半反镜和凹面反射镜沿着光轴依次布置，所述真实世界的场景和眼睛分别位于所述光轴的两侧。
2.根据权利要求1所述的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***，其特征在于所述位相型空间光调制器为透射式或反射式。
3.一种利用权利要求1-2任一项所述的基于复振幅调制的轻便型大视角三维近眼显示***进行显示的方法，其特征在于包括以下步骤：
再现原始三维图像的三维复振幅信息，对原始三维图像进行第一次放大成像；
对第一次放大后的三维图像进行第二次放大成像；
将第二次放大后的三维图像与真实世界的场景叠加后入射至眼睛。
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