一种紧凑型近眼增强现实全息三维显示装置
技术领域
本发明涉及全息三维显示领域，尤其涉及一种紧凑型全息近眼增强现实三维显示装置。
背景技术
目前近眼增强现实显示是一个重要的研究领域，实现近眼增强现实显示的方式有多种，如使用微显示器和复杂的目镜装置，实现近眼增强现实显示，利用该方案实现的三维显示多为双目视差三维显示，存在辐辏调节冲突，佩戴此种近眼增强现实显示设备会引起眼睛疲劳和眩晕。采用光波导和耦合光栅技术实现近眼增强现实显示，相比于复杂的目镜装置而言，体积和重量大大减少，是目前一个重要的发展方向，然而绝大多数基于光波导的近眼增强现实三维显示仍旧为双目视差三维显示。
计算机与全息相结合，形成计算全息。计算全息相比于传统的光学全息，具有很大的灵活性，如：(1)可实现虚拟物体的全息记录和显示；(2)计算的全息图为数字数据，方便存储、传输并可重复使用；(3)可实现动态全息三维显示和彩色全息三维显示。
动态全息三维显示中，使用空间光调制器实现全息图的显示，零级光是直射到空间光调制器上没有被载入空间光调制器的全息图调制而直接反射出来的光，对于纯相位型空间光调制器而言，主要由照明到空间光调制器的照明光的偏振态与空间光调制器所需要的偏振态不一致，以及像素结构填充率引起的，目前是不可消除的一种现象。采用离轴全息的方式实现的振幅型全息图，再现像包含0激光，正负一级光以及由空间光调制器的像素结构引起的高级像。去除零级光和高级光的影响一般利用4f光学装置进行滤波，之后使用半透半反镜将滤波后的光场导入人眼进行观看。虽然离轴全息显示方案解决了零级光干扰问题，但由于4f光学装置的存在，使得整个全息显示光路变的复杂。通过自由曲面增强现实目镜实现大视角的全息显示时，装置的出瞳较小，不利于直接观看三维再现像的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可消除零级光及高级像的影响，实现大视场大出瞳的紧凑型近眼增强现实全息三维显示装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种紧凑型近眼增强现实全息三维显示装置，其特征在于，包括：
光源，配置为发出发散照明光的光源；
透镜，配置为对所述光源发出的发散照明光进行转换，转换后的光用于照明空间光调制器
空间光调制器，配置为可载入计算全息图，并对照明其上的光场进行调制，发出调制后的光场；
半透半反镜，配置为将所述调制光场部分反射进入人眼的装置。
液晶光阀，配置为对经过半透半反镜后的光场进行滤波的装置。
控制模块，配置为可计算生成全息图，可将所述全息图载入到所述空间光调制器，并且可实现光源模块和空间光调制器载入全息图及液晶光阀的同步控制；
环境光不受干扰地透过所述半透半反镜后通过液晶光阀的开口进入人眼。
零级光是照明到空间光调制器上的未被衍射的光，高级像是由于空间光调制器的像素结构引起的，零级光和高级像会影响全息成像质量，需要采用一定的方式去除。
本发明的紧凑型近眼增强现实全息三维显示装置，光源为点阵激光光源，位于透镜的前焦平面上，发出发散照明光，经过半透半反镜后照到透镜上，经透镜后的光转化为平面波，照明反射式空间光调制器，被调制的光和未被调制的光反向传播，未被调制的光经半透半反镜汇聚到一点，为零级光，而衍射光经半透半反镜汇聚到零级光附近。在该汇聚平面上，放置振幅型像素结构的液晶光阀，与控制模块，通过控制模块控制开孔的位置和尺寸，允许衍射的正一级光进入人眼，而其它零级光和高级光被液晶光阀遮挡，环境光可经过半透半反镜，通过液晶光阀开口进入人眼，实现近眼增强现实全息三维显示。通过时序点亮点阵光源中不同光源，并载入对应视角三维物体的计算全息图，与液晶光阀的开启同步时序控制，可实现大出瞳的近眼增强现实全息三维显示。
优选的，所述的空间光调制器包括振幅型或相位型反射式空间光调制器，如DMD，LCOS；所述的空间光调制器对光场的调制形式为振幅调制或相位调制。
优选的，所述的光源包括LED点阵光源或激光点阵光源，激光点阵光源为耦入多个光纤的激光光源，由光纤头发出发散照明光，所述光源可以是单色或红、绿、蓝三色光源。彩色显示时，通过时序点亮不同颜色的光源，与载入的全息图时序控制，实现彩色近眼增强现实全息三维显示。
优选的，所述的控制模块为由FPGA制作的控制板或计算机等。
优选的，所述的液晶光阀为振幅型的具有像素结构的液晶光阀，其打开(让光通过)的位置和打开的尺寸可以控制，允许衍射的正一级光通过，进入人眼，而阻止其它干扰光的透过。
优选的，所述的点阵光源位于所述的透镜前焦平面上，点阵光源中每个点发出的发散照明光，被透镜转化为不同方向的平面波，用于照明所述空间光调制器。
优选的，所述的半透半反镜，位于透镜与点阵光源之间，点阵光源中的一个点发出的发散照明光，可部分透过半透半反镜到达所述透镜，被透镜调制后形成特定方向的平面波照明反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器载入全息图，对所述照射其上的平面波进行调制，调制后的反向传播的光场，经过所述透镜后，被半透半反镜部分反射汇聚。
优选的，所述的像素结构的液晶光阀为振幅型透射式液晶光阀，由透射式液晶屏和位于前后偏振态正交的偏振片组合而成，位于经半透半反镜反射的汇聚点所在的平面，与计算机相连，可控制透过光的位置和尺寸，允许衍射的正一级光通过，进入人眼。
优选的，所述的点阵光源点亮时序与载入的全息图以及振幅型透射式液晶光阀的开孔位置同步，时序刷新，当人眼在不同位置观看时，可通过对应的开孔看到三维物体不同视角的再现信息，而环境光可透过半透半反镜后通过液晶光阀的开孔进入人眼实现增强现实显示的目的。
优选的，所述的的显示装置可包含反射镜、偏振片、波片、衰减片等用于光路的折返，光的偏振态亮度等控制。
更进一步的，所述装置可制作为两套，分别为人的左眼和右眼显示对应视差的全息三维再现像，实现双目的近眼增强现实全息三维显示装置。
相比于现有技术，本发明的优点在于：该装置不需要4f光学系统进行滤波，是一种紧凑型的，且具有实际应用价值，可消除零级光及高级像的影响，实现大视场大出瞳，可实现无辐辏冲突的增强现实全息三维近眼显示、装置结构简单，实用性强。
附图说明
图1-图3为近眼增强现实全息三维显示装置的示意图；
图4为双目近眼增强现实全息三维显示装置结构图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例以光源模块中包含三个LED光源为例说明所述紧凑型近眼增强现实全息三维显示装置原理，其中图1-3分别为三个光源分时点亮时的显示情况。
图1中，101、102和103分别为三个LED光源，104为半透半反镜，105为透镜，光源101、102和103位于透镜105的前焦平面上。106为反射式空间光调制器，107为像素结构的液晶光阀。其中反射式空间光调制器，光源以及液晶光阀与计算机控制模块(如计算机)相连，图中未给出。在图1中，点光源102和103关闭，点光源101开启，其发出发散照明光，部分经过半透半反镜104后通过透镜105后转化为平面波，以一定方向照明反射式空间光调制器，空间光调制器载入与该视角对应的三维物体的全息图，全息图对照明光进行调制，反向传播，未被衍射的零级光经半透半反镜部分反射汇聚，在汇聚点所在位置放置像素结构振幅型液晶光阀，其开孔位置和尺寸由计算机控制，将零级光及衍射产生的高级像遮挡，仅让正一级物光通过，进入人眼，而环境光可部分经过半透半反镜，通过振幅型液晶光阀的开孔位置进入人眼，即可实现增强现实全息三维显示。图2和图3中的器件与图1相同，不同之处在于，图2中光源102点亮，其它两个光源101和103关闭，图3中光源103点亮，其它两个光源101和102关闭。不同点光源点亮照明反射式空间光调制器的平面波方向不同，在出瞳处具有不同位置。通过时序快速切换，人眼在出瞳范围内，可看到增强现实全息三维显示的虚拟三维图像和真实环境中的图像，实现大出瞳的全息三维显示。三维物体不同视角全息图的计算为现有技术，不再赘述。
彩色显示时，所述点阵光源为红、绿、蓝的三色光源，通过分时显示，与载入全息图及液晶光阀同步控制实现彩色近眼增强现实全息三维显示。
实施例2
如图4所示，201、202和203以及212、213和214分别为6个LED光源，204和211为半透半反镜，205和210为透镜，光源201、202和203位于透镜205的前焦平面上，光源212、 213和214位于透镜210的前焦平面上。206和209为反射式空间光调制器，207和208为像素结构的液晶光阀。本实施例为将实施例1中的显示装置做成两套装置，实现双目近眼增强现实全息三维显示装置，其器件与实施例1一致不再赘述。以现有的某反射式空间光调制器 LCOoS来说明其装置的紧凑性，所述LCOS的分辨率1920×1080，像素尺寸6.4um，物理尺寸为12.28mm×6.91mm。因此处于眼前的显示装置，厚度最少可做到12.28mm。可见本发明的近眼增强现实全息三维显示装置是一种非常紧凑的显示装置。
另外，使用将激光偶入光线阵列中形成的阵列结构的单色或点阵激光光源，通过控制开关实现时序的照明与所述LED点阵光源时序控制照明的原理相同，亦属于本发明的保护范围之内。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
