[发明专利]透明显示屏及其制备方法、光学系统和应用

说明书

本发明公开了一种透明显示屏，包括提供虚拟像的图像源，用于传输携带虚拟像光束的平板波导，以及用于对所述的光束微透镜成像并使虚拟像叠加在真实环境中的全息干板。本发明还公开了上述透明显示屏的制备方法和光学系系统，激光通过扩束、分束后，其中一束光作为参考光耦合进入光波导板，以全反射的方式向前传输，到达全息干板处；另一束光经过微透镜阵列调制后，形成信号光，到达全息干板，两光束在全息干板处发生干涉，形成的干涉条纹被全息干板记录下来，微透镜阵列的光学特性被全息干板复制。另外，本发明也公开了具有上述透明显示屏的穿戴显示系统。本发明通过光波导板，增大了可观察角度，同时结构更加紧凑、轻便。

技术领域

本发明涉及显示用光学设备领域，尤其是涉及一种透明显示屏及其制备方法、光学系统和应用。

背景技术

增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息相集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，例如视觉信息、声音、触觉等，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。随着增强现实显示技术的不断发展，越来越多的能够实现增强现实的设备进入到我们的视野中。透明显示屏因其发展较早，且装置的轻便紧凑、原理直观而被广泛应用。相比于沉浸式的虚拟现实设备，不会造成真实世界分辨率降低的问题，同时也避免了长时间使用使用户产生的眩晕问题。它可以应用在平视显示器、头盔显示器甚至做成大面积的透明显示屏幕用于广告。

平视显示器(Head Up Display，简称HUD)是目前普遍运用在航空器上的飞行辅助仪器，是60年代出现的一种由电子组件、显示组件、控制器、高压电源等组成的综合电子显示设备。它能将飞行参数、瞄准攻击、自检测等信息以图像、字符的形式，通过光学部件投射到座舱正前方组合玻璃上的光/电显示装置上。飞行员透过组合玻璃观察舱外景物时，可以同时看到叠加在外景上的字符、图像等信息。过去，飞行员在空战中，需要交替观察舱外目标和舱内仪表，易产生瞬间视觉中断，由此，会导致反应迟缓、操作失误，并有可能贻误战机，采用平视显示器可克服这一缺点。如今平视显式系统快速发展，并已经应用在高端轿车上，作为车载显示。车辆在高速行驶时，特别是夜间高速行车时，驾驶员可能会低头观看仪表显示或观看中控台的音响等显示，此时如果前方遇有紧急情况就有可能因来不及采取有效措施而造成事故。为避免这种情况发生，有些高档车辆上装配了抬头显示HUD系统，它可以将有关信息显示在前风挡玻璃的驾驶员平视范围上，且显示位置、显示亮度可调，这样可以避免低头看仪表，从而缩短眼球对前方的视觉盲区时间。对减少因低头走神引起的交通事故有着重要的价值。

头戴显示器(Head Mounted Display，HMD)较早应用于军用飞机中，通过在头盔内加装袖珍计算机以及显示器件等，将传感器采集到的诸如红外图像以及各种有关飞机飞行的数据等，经过计算机的整合处理过后，合成一幅完美的战场态势图，显示于作战人员面前。头盔显示器的特点是活动视场理论上可达到360°，瞄准线随头盔而转动，几乎不受任何限制。图像随着驾驶员的头部一同转动，图像随时都在其眼前，具有瞄准迅速准确、使用简便、视场大等优点。头盔显示器在提高战斗机的作战性能以及导弹快速截击目标的能力方面都起着十分重要的作用。

传统的折返式平视显示器和头戴显示器因其光学畸变、像差较大，系统出瞳以及视场较小，从而导致了设计难度加大，加工装调周期较长，成本较高，光学系统笨重、结构复杂且占用了大量空间等缺点。较轻的重量是十分必要的，平视显示器可以使装置挪动方便，减少负重；头戴显示器减轻重量可以降低佩戴人员的负荷，良好的结构形式可以保证头部重心的位置，从而减轻佩戴者的疲劳程度，适用于长时间佩戴，同时也可以防止冲击引起颈部扭伤等。为了改变这一现状，适应透明显示器轻量化、小型化、一体化的发展趋势和要求，需要开发出来一种新型的显示技术，从而减轻重量，减少其复杂程度，以满足人们的需要。同时也需要一种简易的、有效的制作方法，从而使该装置能够达到批量生产的目的。

发明内容