[发明专利]基于全息光学元件的集成成像头盔3D显示装置

说明书

技术领域

本发明涉及3D显示技术，特别涉及基于全息光学元件的集成成像头盔3D显示装置。

背景技术

头盔显示技术随着全息光学元件成像技术的成熟而发展起来。全息光波导技术为头盔显示技术提供了全新的解决方案，该技术摒弃了传统头盔显示系统中复杂的光学系统，利用全息光波导完成图像传导和显像功能。全息光波导头盔显示系统具有小尺寸和重量轻的优点，但是大多数全息光波导头盔显示系统只能显示2D图像或有视疲劳的3D图像。集成成像3D显示技术具有连续的视点、全视差、无视疲劳和无需辅助设备等优点。具有微透镜阵列功能的全息光学元件是根据透射式体全息的原理制作出的光学元件。

发明内容

本发明提出一种基于全息光学元件的集成成像头盔3D显示装置，该装置主要包括微显示器、微准直透镜、全息光波导、入射光栅和具有微透镜阵列功能的全息光学元件。

如附图1所示，微显示器位于微准直透镜的物方焦平上，微准直透镜位于微显示器与全息光波导的中间，入射光栅的光栅面与全息光波导紧密耦合，具有微透镜阵列功能的全息光学元件与全息光波导紧密耦合。微显示器投射出带有微图像阵列的图像信息，经过微准直透镜的准直形成平行光波I，平行光波I由入射光栅的衍射效应改变传输方向并沿光波导方向向前无损传播，当平行光波I传播到具有微透镜阵列功能的全息光学元件时，平行光波I与具有微透镜阵列功能的全息光学元件的倾斜夹角为θ，带有微图像阵列的图像信息经过具有微透镜阵列功能的全息光学元件的调制后重建出3D图像，观看者透过全息光波导和具有微透镜阵列功能的全息光学元件观看到3D图像。

具有微透镜阵列功能的全息光学元件的制作方法如附图2所示，平行光波II垂直入射微透镜阵列形成球面波阵列I，透镜I和透镜II组合形成一个4F系统，4F系统将球面波阵列I向前搬移形成球面波阵列II，全息材料位于球面波阵列II的焦平面上，平行光波III以倾斜角度θ入射全息材料层，平行光波III和球面波阵列II具有相同的波长和偏振态，球面波阵列II和平行光波III从全息材料层的同侧入射并发生干涉，干涉条纹被记录在全息材附图说明

附图1为集成成像头盔3D显示装置示意图

附图2为具有微透镜阵列功能的全息光学元件制作方法示意图

上述附图中的图示标号为：

1 微显示器，2 微准直透镜，3 全息光波导，4 入射光栅，5 具有微透镜阵列功能的全息光学元件，6 平行光波I，7 3D图像，8 观看者，9 平行光波II，10 微透镜阵列，11 球面波阵列I，12 透镜I，13 透镜II，14 球面波阵列II，15，全息材料层，16，平行光波III。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明本发明基于全息光学元件的集成成像头盔3D显示装置的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明提出一种基于全息光学元件的集成成像头盔3D显示装置，该装置主要包括微显示器、微准直透镜、全息光波导、入射光栅和具有微透镜阵列功能的全息光学元件。

如附图1所示，微显示器位于微准直透镜的物方焦平上，微准直透镜的焦距为15mm，微准直透镜位于微显示器与全息光波导的中间，入射光栅的光栅面与全息光波导紧密耦合，具有微透镜阵列功能的全息光学元件与全息光波导紧密耦合。微显示器投射出带有微图像阵列的图像信息，经过微准直透镜的准直形成平行光波I，平行光波I由入射光栅的衍射效应改变传输方向并沿光波导方向向前无损传播，当平行光波I传播到具有微透镜阵列功能的全息光学元件时，平行光波I与具有微透镜阵列功能的全息光学元件的倾斜夹角为θ，θ=30°，带有微图像阵列的图像信息经过具有微透镜阵列功能的全息光学元件的调制后重建出3D图像，观看者透过全息光波导和具有微透镜阵列功能的全息光学元件观看到3D图像。

具有微透镜阵列功能的全息光学元件的制作方法如附图2所示，平行光波II垂直入射微透镜阵列形成球面波阵列I，微透镜阵列透镜元的焦距f₀=3.3mm，节距为1mm，透镜I和透镜II组合形成一个4F系统，透镜I和透镜II的焦距和节距完全相同，焦距f=150mm，节距为70mm，4F系统将球面波阵列I向前搬移形成球面波阵列II，全息材料层位于球面波阵列II的焦平面上，平行光波III以倾斜角度θ入射全息材料层，θ=30°，平行光波III和球面波阵列II具有相同的波长和偏振态，波长为632nm，偏振态为垂直偏振，球面波阵列II和平行光波III从全息材料的同侧入射并发生干涉，干涉条纹被记录在全息材料层上，经过后期处理就得到了具有微透镜阵列功能的全息光学元件。