基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)，包括透明基板波導(dǎo)，以及按照光線由發(fā)出到入射的次序設(shè)置的顯示裝置、非周期全息微透鏡陣列、耦合輸出全息光柵以及觀察窗；其中所述非周期全息微透鏡陣列和所述耦合輸出全息光柵位于所述透明基板波導(dǎo)的表面上；所述非周期全息微透鏡陣列用于對(duì)所述顯示裝置發(fā)出的入射光線進(jìn)行調(diào)制成像；所述透明基板波導(dǎo)用于對(duì)經(jīng)所述非周期全息微透鏡陣列調(diào)制成像后的光線進(jìn)行波導(dǎo)傳輸；所述耦合輸出全息光柵用于對(duì)所述透明基板波導(dǎo)傳輸?shù)墓饩€進(jìn)行調(diào)制耦合，并與外界真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行疊加。本發(fā)明采用非周期全息微透鏡陣列、全息光柵和波導(dǎo)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、輕小型和低像差的三維顯示，具有結(jié)構(gòu)緊湊輕薄、佩戴便利的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及集成成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于非周期全息微透鏡陣列的近眼 三維顯示系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 集成成像（Integral Imaging，II)技術(shù)是一種采用微透鏡陣列記錄和再現(xiàn)空間物 體的三維信息的技術(shù)。與其他裸眼三維成像技術(shù)相比，集成成像具有全視差、多視角、真彩 色和無需相干光源等突出優(yōu)勢(shì)，因此被認(rèn)為是未來三維顯示領(lǐng)域內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之 〇
[0003] 近些年來，集成成像技術(shù)得到了較快的發(fā)展，但仍然需要解決一些關(guān)鍵的技術(shù)難 題：
[0004] 如何制備多陣列、同焦距的微透鏡組，以獲取三維場(chǎng)景的深度和多視角信息；如何 突破透鏡成像原理的限制，增大視場(chǎng);如何使集成成像裝置的設(shè)計(jì)更加輕薄化，以突破推廣 使用的障礙。
[0005] 綜上可知，當(dāng)前亟待解決的技術(shù)問題之一是：如何開發(fā)出一種易加工、寬視場(chǎng)的近 眼三維顯示系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維 顯示系統(tǒng)，包括透明基板波導(dǎo)，以及按照光線由發(fā)出到入射的次序設(shè)置的顯示裝置、非周期 全息微透鏡陣列、耦合輸出全息光柵以及觀察窗；
[0007] 其中，所述非周期全息微透鏡陣列和所述耦合輸出全息光柵位于所述透明基板波 導(dǎo)的表面上；
[0008] 所述顯示裝置用于根據(jù)計(jì)算機(jī)生成的多視角集成成像圖像發(fā)出入射光線；
[0009] 所述非周期全息微透鏡陣列用于對(duì)所述顯示裝置發(fā)出的入射光線進(jìn)行調(diào)制成像； [0010]所述透明基板波導(dǎo)用于對(duì)經(jīng)所述非周期全息微透鏡陣列調(diào)制成像后的光線進(jìn)行 波導(dǎo)傳輸；
[0011]所述耦合輸出全息光柵用于對(duì)所述透明基板波導(dǎo)傳輸?shù)墓饩€進(jìn)行調(diào)制耦合，并與 外界真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行疊加，以將疊加后的三維圖像通過所述觀察窗進(jìn)行顯示。
[0012]可選地，所述非周期全息微透鏡陣列包括但不限于軸向排布不同的非周期全息微 透鏡陣列。
[0013]可選地，所述非周期全息微透鏡陣列為反射式非周期全息微透鏡陣列。
[0014] 可選地，所述非周期全息微透鏡陣列為透射式非周期全息微透鏡陣列。
[0015] 可選地，所述親合輸出全息光柵為反射式親合輸出全息光柵。
[0016] 可選地，所述親合輸出全息光柵為透射式親合輸出全息光柵。
[0017] 可選地，所述顯示裝置包括但不限于液晶微顯示器。
[0018] 可選地，所述透明基板波導(dǎo)的材料包括但不限于光學(xué)玻璃以及光學(xué)塑料。
[0019] 可選地，所述耦合輸出全息光柵的材料包括但不限于鹵化銀、重鉻酸鹽明膠、光致 聚合物、光致抗蝕劑、光導(dǎo)熱塑或光折變晶體。
[0020] 可選地，所述耦合輸出全息光柵的光透過率大于50%。
[0021]本發(fā)明的基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)，采用非周期全息微透 鏡陣列、全息光柵和波導(dǎo)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、輕小型和低像差的三維顯示，具有結(jié)構(gòu) 緊湊輕薄、佩戴便利的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明 的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù) 這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一中區(qū)域A的局部放大示意圖；
[0025]圖3本發(fā)明實(shí)施例二的基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0026]圖4為本發(fā)明實(shí)施例三的基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明實(shí)施例四的基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明 一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有 做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0029]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；如圖1所示，該系統(tǒng)包括透明基板波導(dǎo)1，以及按照光線由發(fā)出到入射的次序設(shè)置的 液晶微顯示器2、透射式非周期全息微透鏡陣列103、透射式耦合輸出全息光柵104以及觀察 窗5。其中，6為人眼，7和8分別為顯示出的兩個(gè)三維物體，F(xiàn)0V表示系統(tǒng)的觀察視場(chǎng)角，非周 期全息微透鏡陣列所在區(qū)域A的局部放大示意圖參見圖2。
[0030] 具體來說，本發(fā)明主要包括三個(gè)不同的關(guān)鍵技術(shù):非周期全息微透鏡陣列，全反射 波導(dǎo)傳輸和全息光柵的調(diào)制耦合，以下具體說明：
[0031] (1)非周期全息微透鏡陣列
[0032] 微顯示器的加載信號(hào)是由計(jì)算機(jī)生成的多視角集成成像圖像。該圖像在非周期全 息微透鏡陣列的調(diào)制下，以一定的角度入射至玻璃基板內(nèi)，形成多視角的三維物體信息供 人眼觀察。
[0033] 相對(duì)于傳統(tǒng)周期型的透鏡陣列，非周期全息微透鏡陣列結(jié)合了曲面排布式微透鏡 陣列的特性，因此具有更大的視場(chǎng)角，且可同時(shí)校正成像像差。
[0034] 本發(fā)明所用的全息微透鏡由一束球面光波和一束平面光波在一定離軸角度下干 涉生成，設(shè)振幅為1，則其過程可由下式描述：
[0035] (1)
[0036] 式中的Im即為生成的全息微透鏡，I,、I、元均為波矢，表示干涉條紋峰值強(qiáng)度面 的法線方向，尹為方向向量。該干涉光斑經(jīng)感光材料曝光記錄和后處理形成一個(gè)微透鏡，順 序移動(dòng)感光材料和改變干涉光束類型可得到所需的非周期全息微透鏡陣列。
[0037] 具體來說，曝光材料不同的話，上述后處理方式是不同的，比如若感光材料是銀鹽 干板，則后處理為顯影定影等；若感光材料是光致聚合物，則后處理為紫外固化和烘烤定 形。需要說明的是，該后處理的具體過程為現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明不對(duì)此進(jìn)行限定。
[0038] 耦合輸出全息光柵(衍射光學(xué)元件)的厚度可為1μπι-100μπι，材料為鹵化銀、重鉻酸 鹽明膠、光致聚合物、光致抗蝕劑、光導(dǎo)熱塑或光折變晶體，光透過率大于50%。
[0039] 該非周期全息微透鏡陣列可根據(jù)微顯示器尺寸和放置距離進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，以達(dá)到 最優(yōu)化效果。
[0040] (2)全息光柵的調(diào)制耦合
[0041]非周期全息微透鏡陣列成像后的光線在玻璃基板內(nèi)進(jìn)行波導(dǎo)傳輸，并在輸出耦合 全息光柵的調(diào)制下與外界真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行疊加，達(dá)到視透式的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)佩戴效果。
[0042] 本發(fā)明所用的耦合全息光柵為兩束平面光波按一定角度干涉疊加生成的體全息 光柵。設(shè)振幅為1，兩束干涉平面波的相干疊加為：
[0043]
[0044] 式中的即為生成的體全息光柵，&￡、1均為波矢，表示干涉條紋峰值強(qiáng)度面 的法線方向，。若干涉條紋的空間周期為△，則根據(jù)光柵方程有：
[0045]
(3)
[0046] 其中，λ為光波長(zhǎng)，隊(duì)為兩平面波的夾角。
[0047] 體全息光柵與平面光柵的不同之處在于，兩個(gè)干涉光波位于記錄干涉面的兩側(cè)， 因此當(dāng)體全息光柵使用時(shí)還需滿足布拉格條件：
[0048] 2Δ sin% =/1 (4)
[0049] 其中％為布拉格角。
[0050] (3)全反射波導(dǎo)傳輸
[0051] 經(jīng)微透鏡陣列成像后的光線以一定的角度在玻璃基板內(nèi)形成波導(dǎo)傳輸，復(fù)振幅信 號(hào)的傳播角度需滿足：
[0052]
(5)
[0053] 式中的的為復(fù)振幅信號(hào)傳播角，於為全反射角，η為玻璃基板的折射率。此外，根據(jù) 簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系可得出傳播角與布拉格角滿足：
[0054]
(6)
[0055] 圖3為本友明買施例二的基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；與圖1所示結(jié)構(gòu)不同的是，本實(shí)施例中的非周期全息微透鏡陣列為透射式非周期全 息微透鏡陣列203,親合輸出全息光柵為反射式親合輸出全息光柵204。
[0056]圖4為本發(fā)明實(shí)施例三的基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；與圖1、圖2所示結(jié)構(gòu)不同的是，本實(shí)施例中的非周期全息微透鏡陣列為反射式非周 期全息微透鏡陣列303,親合輸出全息光柵為透射式親合輸出全息光柵304。
[0057]圖5為本發(fā)明實(shí)施例四的基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；與圖1、圖2、圖3所示結(jié)構(gòu)不同的是，本實(shí)施例中的非周期全息微透鏡陣列為反射式 非周期全息微透鏡陣列303,親合輸出全息光柵為反射式親合輸出全息光柵304。
[0058]特別說明的是，實(shí)施例一至實(shí)施例四中的非周期全息微透鏡陣列為球面光波和平 面光波離軸干涉形成的復(fù)雜光柵，即軸向排布不同的非周期全息微透鏡陣列，可根據(jù)公式 (1)進(jìn)行制作。輸出耦合全息光柵為兩個(gè)平面光波干涉形成的體全息光柵，可根據(jù)公式(2) 進(jìn)行制作。波導(dǎo)傳輸滿足玻璃基板的全反射條件，即公式(4)，耦合滿足布拉格條件，即公式 (5)。
[0059]本發(fā)明提出的基于非周期陣列的三維近眼顯示系統(tǒng)，采用全息干涉方法加工制作 非周期微透鏡陣列，通過全息光柵和波導(dǎo)傳輸實(shí)現(xiàn)三維深度圖像和人眼觀察到的外界場(chǎng)景 的耦合，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示效果，一方面非周期微透鏡陣列具有曲面排布的特性，可有效 增加物體觀察的視場(chǎng)角；另一方面全息干涉易于加工制作大面陣的微透鏡陣列，系統(tǒng)的視 場(chǎng)范圍能夠得到進(jìn)一步地增加，并且全息光柵和波導(dǎo)傳輸也利于進(jìn)行輕薄化的系統(tǒng)集成。 [0060]以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例 對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施 例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換;而這些修改或替 換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于非周期全息微透鏡陣列的近眼三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括透明基板 波導(dǎo)，以及按照光線由發(fā)出到入射的次序設(shè)置的顯示裝置、非周期全息微透鏡陣列、耦合輸 出全息光柵以及觀察窗； 其中，所述非周期全息微透鏡陣列和所述耦合輸出全息光柵位于所述透明基板波導(dǎo)的 表面上； 所述顯示裝置用于根據(jù)計(jì)算機(jī)生成的多視角集成成像圖像發(fā)出入射光線； 所述非周期全息微透鏡陣列用于對(duì)所述顯示裝置發(fā)出的入射光線進(jìn)行調(diào)制成像； 所述透明基板波導(dǎo)用于對(duì)經(jīng)所述非周期全息微透鏡陣列調(diào)制成像后的光線進(jìn)行波導(dǎo) 傳輸； 所述耦合輸出全息光柵用于對(duì)所述透明基板波導(dǎo)傳輸?shù)墓饩€進(jìn)行調(diào)制耦合，并與外界 真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行疊加，以將疊加后的三維圖像通過所述觀察窗進(jìn)行顯示。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非周期全息微透鏡陣列包括但不限于 軸向排布不同的非周期全息微透鏡陣列。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非周期全息微透鏡陣列為反射式非周 期全息微透鏡陣列。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非周期全息微透鏡陣列為透射式非周 期全息微透鏡陣列。5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合輸出全息光柵為反射式耦合 輸出全息光柵。6. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合輸出全息光柵為透射式耦合 輸出全息光柵。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述顯示裝置包括但不限于液晶微顯示 器。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透明基板波導(dǎo)的材料包括但不限于光 學(xué)玻璃以及光學(xué)塑料。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合輸出全息光柵的材料包括但不限 于鹵化銀、重鉻酸鹽明膠、光致聚合物、光致抗蝕劑、光導(dǎo)熱塑或光折變晶體。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合輸出全息光柵的光透過率大于 50% 〇
【文檔編號(hào)】H04N13/04GK105898276SQ201610305900
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】劉娟, 高乾坤, 韓劍
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)