[實用新型]一種基于三維激光全息投影技術的頭戴顯示系統

有效

• 申請號: 201721270514.4
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN207281384U
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 方瑞芳
• 申請（專利權）人: 塔普翊海（上海）智能科技有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B27/00;G02B27/10;G02B27/22
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙)31317
• 代理人: 張寧展

技術領域

本實用新型涉及頭戴顯示領域，特別是一種基于三維激光全息投影技術的頭戴顯示系統。

背景技術

傳統的三維投影技術采用微型顯示器投射出二維圖像，并分別呈現在用戶的左右眼處供用戶觀察。由于兩眼之間存在一定的距離，左右眼與觀察圖像之間便會形成一定的夾角，并且所觀察到的圖像存在一定的差距，稱為人眼視差。傳統的三維投影技術便是利用人眼視差形成圖像，并反映到大腦中產生遠近的立體感覺。現有的頭戴顯示裝置，如Hololens和Google Glass均采用該技術實現三維成像。基于此技術的頭戴顯示系統存在的缺點主要有：

1)采用微型顯示器作為像源，顯示芯片一般為LCOS或OLED，亮度低，功耗大。

2)傳統三維投影技術基于點對點成像原理，成像質量受顯示芯片圖像質量的直接影響。

3)微型顯示器產生的共軛像位于固定焦距處，需采用大景深光學系統實現三維成像。

4)人眼關于觀察像的匯聚點與共軛像的焦點之間存在差距，長期的觀察會引起人眼疲勞，影響用戶體驗。

對比而言，三維全息投影技術是利用干涉和衍射原理，記錄并再現物體真實的三維信息。基于此技術的頭戴顯示系統通過對三維圖像進行計算編碼，將其位相分布輸入到空間光調制器，并利用輸入光的干涉衍射作用，對三維圖像進行實時再現。另外，該技術基于點對面的成像原理，可避免傳統投影技術的遮攔成像，有效地提高了光能利用率。三維全息投影技術實現的圖像顯示效果與觀察者的觀察距離無關，不會引起觀察者的視覺疲勞。該技術使動態三維顯示成為可能，但迄今為止，三維全息投影技術并未能實現工業化應用，在頭戴顯示系統中的應用也鮮有報道。在先技術[1](參見喬文，黃文彬，浦東林等。一種頭戴式增強現實三維顯示裝置，CN106501938A，2017)提出一種可實現無視覺疲勞的頭戴式顯示增強3D顯示方案和顯示裝置，該顯示裝置由圖像生成裝置和透明光場鏡片組成，其中透明光場鏡片采用納米光柵結構的視角放大裝置實現對圖像的匯聚成像和光場視角放大，與圖像生成裝置相匹配在人眼前方投射出匯聚波形成三維虛擬景象。該技術的不足之處在于：

1)圖像生成裝置中采用的光源為LCOS或者OLED屏幕，亮度低，功耗大。

2)透明光場鏡片采用的納米光柵結構加工難度大，加工工藝復雜，成本高。

3)由納米光柵的衍射、干涉作用引起的雜散光和色散很難通過光學系統得以矯正，降低了頭戴顯示裝置的成像質量。

實用新型內容

本實用新型的目的在于克服上述現有技術的不足，提出一種基于三維激光全息投影技術的頭戴顯示系統。該頭戴顯示系統具有結構簡單、成像質量高、亮度高、無壞點等優點，可實現圖像信息的三維立體再現，應用于增強現實的頭戴顯示設備中。

本實用新型的技術解決方案如下：

一種基于三維激光全息投影技術的頭戴顯示系統，其特點在于該系統由準直光源、空間光調制器、分光棱鏡、成像系統、分光鏡、自由曲面半透半反鏡和孔徑光闌組成，其位置關系為：以空間光調制器的表面為物面，沿所述的空間光調制器輸出的光束傳播方向，依次為所述的分光棱鏡、成像系統和分光鏡；在分光棱鏡反射方向上放置所述的準直光源；在分光鏡反射方向上放置所述的自由曲面半透半反鏡，在自由曲面半透半反鏡反射方向上并距離分光鏡左邊一定距離處放置所述的孔徑光闌；所述的孔徑光闌和所述的自由曲面半透半反鏡關于光軸呈軸對稱放置，其中所述的孔徑光闌位置與人眼瞳孔位置重合，所述的分光鏡的法線與光軸所成的角度范圍為35°～45°。

所述的準直光源為激光器和準直透鏡組的組合體，其中激光器可以為半導體激光器或氣體激光器，準直透鏡組由一系列透鏡組成，實現出射光束為平行光束。

所述的空間光調制器基于反射式液晶微顯示屏，為反射型空間光調制器，分辨率為720P或1080P，尺寸范圍為0.22in～0.7in。

所述的分光棱鏡為晶體棱鏡或立方棱鏡。

所述的成像系統由一系列透鏡組組成，可以為球面透鏡、非球面透鏡、菲涅爾透鏡，透鏡材料為玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

所述的成像系統的透鏡前后表面均鍍有抗反膜AR。

所述的分光鏡為鍍分光薄膜的平面分光鏡或立方棱鏡。

所述的自由曲面半透半反鏡面形為自由曲面，其面形矢高由以下公式給出：