[发明专利]一种快速计算全息波导显示光效的方法

说明书

本发明公开了一种快速计算全息波导显示光效的方法，计算各个部分对输入光线能量造成的能量损失，结合微显示像源的图像亮度和光输出计算最终光效，能够快速计算输入单位光通量时输出图像在各个方向上的亮度，为实验过程中光源和波导尺寸的选取提供参考意见，为改善头盔显示技术中成像亮度不均匀的问题提供理论依据。

技术领域

本发明属于头盔显示领域，具体涉及一种快速计算全息波导显示光效的方法。

背景技术

头盔显示是以微型显示器作为像源，以透明的全息护目镜为显示屏，通过光学系统将图像投射到人眼上进行成像。

在头盔显示领域，相比于传统的离轴光学系统，全息波导系统拥有结构简单，可实现轻薄化设计，光线在波导内折叠传播，可在波导不同位置耦合导出，从而不受拉格朗日光学不定式限制，可实现一定视场范围下的扩瞳输出。现有技术中的基于一维扩瞳全息波导显示的结构包括微显示光源、准直系统、平板波导、入射光栅和出射光栅，如图1所示。该显示装置在工作过程中，微光源向外发射带有图像信息的发散光，发散光经准直透镜后转化为平行光，平行光垂直入射到入射光栅的表面，其中一部分穿过光栅成为透射光，另一部分构成衍射光，进入波导中，以全反射的形式传播，经中间光栅衍射改变传播方向后继续以全反射形式传播，直至被出射光栅衍射输出平行光，进入人眼。

然而目前全息波导显示的光效都是使用整体能量利用率进行估算得到，该参数无法表征在不同市场上的系统光效。尤其是在实验初期，在未对成像均匀性进行优化时，各个方向上图的图像亮度存在较大差异，亟需一个可以表征不同方向上系统效率的参数。现有全息波导显示成像效果的仿真软件计算的都是照度数据并且仿真速度较慢，无法快速得到输出的图像亮度。在传统的光线追迹算法中，需要对某一光源进行成千上万甚至百万根光线追迹，此种方法计算量巨大且耗时极长。因此建立一个快速计算输入单位光通量时输出图像在各个方向上的亮度的方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，本发明提供一种快速计算全息波导显示光效的方法，能够快速计算输入单位光通量时输出图像在各个方向上的亮度，为实验过程中光源和波导尺寸的选取提供参考意见，为改善头盔显示技术中成像亮度不均匀的问题提供理论依据。

技术方案：一种快速计算全息波导显示系统光效的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据准直系统的有效焦距和像源上的像素位置，得到出射准直光的角度；基于入射准直光的角度结合平板波导的厚度计算得到各个角度下光线的传播周期；

步骤2：根据入耦合光栅和出耦合光栅的长度，计算得到光线在入耦合光栅和出耦合光栅上的最大衍射次数；

步骤3：基于入耦合光栅的最大衍射次数和衍射效率，计算得到出耦合光栅上不同出射位置的光线能量；

步骤4：判断是否出耦合光栅上是否连续出瞳，若为连续出瞳，则计算得到连续出瞳下的光线出射位置；否则，计算非连续出瞳下的光线出射位置；将步骤3得到的光线能量与光线出射位置相匹配，得到出耦合光栅上各个位置各个方向上的出射光线能量；

步骤5：根据眼睛的位置和瞳孔大小，得到出耦合光栅进入眼睛的光线的位置区间，对同一方向上进入眼睛的光线进行积分，得到视网膜上所成图像的亮度；

步骤6：根据视网膜上所成图像的亮度，计算全息波导系统在各个视场下的能量利用率；

步骤7：基于能量利用率、像源发出的总能量和像源的亮度，得到全息波导系统在各个视场下的光效。

进一步的，所述步骤1中的入射准直光的角度由下式计算得到：

式中，f为准直系统的有效焦距，y为像源上的像素位置；

各个角度下光线的传播周期T由下式计算得到；

T＝2h×tanθ (1)