[發明專利]一種自由曲面-自由體全息型目視光學成像裝置及其近眼顯示系統

在審

• 申請號: 202210294637.0
• 申請日: 2022-03-22
• 公開（公告）號: CN114647088A
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 吳仍茂;胡廣銀;舒天;裴春洋;李海峰;劉旭
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明涉及一種自由曲面?自由體全息型目視光學成像裝置，本系統由兩個鏡像對稱的目視光學成像裝置組合而成，每個目視光學成像裝置包括1片透鏡、2片玻璃平板、1個反射鏡、2片自由體全息元件以及1個圖像微顯示器，圖像顯示器發出的圖像光信號經過光學系統并最終由自由體全息光學元件反射進入人眼。自由體全息元件打破了傳統折反射定律，可實現大角度非常規折反射，通過采用調控好的自由曲面波前進行曝光，打破了傳統球面波和平面波進行曝光的制備方式，極大地提高了全息光學元件像差校正能力，顯著減小了系統的體積和重量，而且兩片體全息元件搭配可矯正色差實現全彩顯示。同時透射方向的光線還能透射進入人眼，實現超薄輕型雙目近眼顯示。

技術領域

本發明涉及目視顯示技術領域，尤其涉及一種自由曲面-自由體全息型目視光學成像裝置及其近眼顯示系統。

背景技術

增強現實(Augmented Reality，以下簡稱AR)，是一種將虛擬信息疊加到現實世界信息的技術，可以豐富多種感知效果，例如視覺、聽覺、嗅覺甚至觸覺等，無論在多媒體娛樂還是在軍事、工業、醫療等領域都有著巨大的市場應用價值。

全息光學元件(Holographic Optical elements，以下簡稱HOE)被運用于輕型AR設備中，其是根據全息術原理制成的光學元件。通常做在感光薄膜材料上，利用平面波、球面波的組合發生干涉，在光敏材料上得到全息圖。被光線照射時，光線由于衍射效應，發生非常規的大角度偏折。它是一種衍射原件。

AR設備的關鍵在于用戶的沉浸式體驗。小型化、輕型化、大視場、大眼盒和高性能是當前AR設備的發展趨勢。現有的近眼顯示設備采用多種方案，如Epson的自由曲面波導方案、Lumus陣列波導方案、Google Glass的共軸側視棱鏡方案、Hololens的全息光柵方案以及OPPO Air Glass的衍射光波導方案等。體全息光學元件作為一種全息光學元件打破了傳統的反射定律，可以實現大角度非常規的反射，從而顯著減輕整個系統的體積和重量，使小型化、輕型化成為可能，而自由曲面對波前的調控顯得十分靈活，因此將自由曲面和體全息光學元件結合起來，設計一種自由曲面-自由體全息型目視光學成像裝置及其近眼顯示系統十分有意義。

發明內容

本發明旨在提供一種自由曲面-自由體全息型目視光學成像裝置及其近眼顯示系統，近眼顯示系統由兩個鏡像對稱的目視光學系統組合而成，通過兩片自由體全息光學元件矯正色差和單色像差實現輕薄光學透射式雙目近眼顯示，可適用于RGB彩色AR、VR的應用場景。

本發明首先提供了一種自由曲面-自由體全息型目視光學成像裝置，其包括第一光學透鏡(15)、第一玻璃平板(12)、第二玻璃平板(17)、反射鏡(14)、第一體全息光學元件(13)、第二體全息光學元件(16)以及圖像顯示器(11)；

所述的圖像顯示器(11)發出的圖像信號光依次經過第一玻璃平板(12)和第一體全息光學元件(13)，經過反射鏡(14)反射到第一體全息光學元件(13)上，然后經過第一體全息光學元件(13)反射到第一光學透鏡(15)，再經過第一光學透鏡(15)透射到第二體全息光學元件(16)上，最后由第二體全息光學元件(16)反射進入人眼，另一方面環境光經過第二玻璃平板(17)、第二體全息光學元件(16)透射后進入人眼。

作為本發明的優選方案，所述第一光學透鏡為非球面透鏡或自由曲面透鏡。

作為本發明的優選方案，所述第一體全息光學元件(13)貼在第一玻璃平板的后表面(122)上；圖像顯示器產生的圖像信號光經過第一玻璃平板后入射到第一自由體全息光學元件，不滿足第一自由體全息光學元件的布拉格條件；

經過反射鏡反射到第一自由體全息光學元件上的光線，滿足第一自由體全息光學元件的布拉格入射關系。

作為本發明的優選方案，所述第二體全息光學元件(16)貼在第二玻璃平板的前后面(171)上