[发明专利]一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置及其近眼显示系统

说明书

本发明涉及一种自由曲面‑自由体全息型目视光学成像装置，本系统由两个镜像对称的目视光学成像装置组合而成，每个目视光学成像装置包括1片透镜、2片玻璃平板、1个反射镜、2片自由体全息元件以及1个图像微显示器，图像显示器发出的图像光信号经过光学系统并最终由自由体全息光学元件反射进入人眼。自由体全息元件打破了传统折反射定律，可实现大角度非常规折反射，通过采用调控好的自由曲面波前进行曝光，打破了传统球面波和平面波进行曝光的制备方式，极大地提高了全息光学元件像差校正能力，显著减小了系统的体积和重量，而且两片体全息元件搭配可矫正色差实现全彩显示。同时透射方向的光线还能透射进入人眼，实现超薄轻型双目近眼显示。

技术领域

本发明涉及目视显示技术领域，尤其涉及一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置及其近眼显示系统。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，以下简称AR)，是一种将虚拟信息叠加到现实世界信息的技术，可以丰富多种感知效果，例如视觉、听觉、嗅觉甚至触觉等，无论在多媒体娱乐还是在军事、工业、医疗等领域都有着巨大的市场应用价值。

全息光学元件(Holographic Optical elements，以下简称HOE)被运用于轻型AR设备中，其是根据全息术原理制成的光学元件。通常做在感光薄膜材料上，利用平面波、球面波的组合发生干涉，在光敏材料上得到全息图。被光线照射时，光线由于衍射效应，发生非常规的大角度偏折。它是一种衍射原件。

AR设备的关键在于用户的沉浸式体验。小型化、轻型化、大视场、大眼盒和高性能是当前AR设备的发展趋势。现有的近眼显示设备采用多种方案，如Epson的自由曲面波导方案、Lumus阵列波导方案、Google Glass的共轴侧视棱镜方案、Hololens的全息光栅方案以及OPPO Air Glass的衍射光波导方案等。体全息光学元件作为一种全息光学元件打破了传统的反射定律，可以实现大角度非常规的反射，从而显著减轻整个系统的体积和重量，使小型化、轻型化成为可能，而自由曲面对波前的调控显得十分灵活，因此将自由曲面和体全息光学元件结合起来，设计一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置及其近眼显示系统十分有意义。

发明内容

本发明旨在提供一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置及其近眼显示系统，近眼显示系统由两个镜像对称的目视光学系统组合而成，通过两片自由体全息光学元件矫正色差和单色像差实现轻薄光学透射式双目近眼显示，可适用于RGB彩色AR、VR的应用场景。

本发明首先提供了一种自由曲面-自由体全息型目视光学成像装置，其包括第一光学透镜(15)、第一玻璃平板(12)、第二玻璃平板(17)、反射镜(14)、第一体全息光学元件(13)、第二体全息光学元件(16)以及图像显示器(11)；

所述的图像显示器(11)发出的图像信号光依次经过第一玻璃平板(12)和第一体全息光学元件(13)，经过反射镜(14)反射到第一体全息光学元件(13)上，然后经过第一体全息光学元件(13)反射到第一光学透镜(15)，再经过第一光学透镜(15)透射到第二体全息光学元件(16)上，最后由第二体全息光学元件(16)反射进入人眼，另一方面环境光经过第二玻璃平板(17)、第二体全息光学元件(16)透射后进入人眼。

作为本发明的优选方案，所述第一光学透镜为非球面透镜或自由曲面透镜。

作为本发明的优选方案，所述第一体全息光学元件(13)贴在第一玻璃平板的后表面(122)上；图像显示器产生的图像信号光经过第一玻璃平板后入射到第一自由体全息光学元件，不满足第一自由体全息光学元件的布拉格条件；

经过反射镜反射到第一自由体全息光学元件上的光线，满足第一自由体全息光学元件的布拉格入射关系。

作为本发明的优选方案，所述第二体全息光学元件(16)贴在第二玻璃平板的前后面(171)上