一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法，包括位于波导基体两侧正相对的光调制器和第一衍射光学元件，波导基体另一端设置有位于第一衍射光学元件同侧/相对侧的第二衍射光学元件；通过一台光调制器同时加载两幅相位图像，并由第一衍射光学元件不同的曝光区域的不同调制处理，形成待显示物体的复振幅波前，并在波导基板内以全内反射的方式传输。本发明专利技术的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法，实现三维增强现实显示系统的轻薄化，同时，能够有效提高复振幅信号的质量。

Complex amplitude modulation holographic ultrathin waveguide augmented reality display system and method

The invention provides a complex amplitude modulation holographic waveguide thin augmented reality display system and method includes a light modulator and a first diffractive optical element is located on both sides of the waveguide substrate is relative, waveguide matrix is arranged at the other end of the second diffractive optical element having opposing side in the first diffractive optical element with side; through a light modulator and loaded two amplitude and phase image by different modulation processing area of the first exposure to different diffractive optical elements, the formation of complex amplitude of object wavefront to be displayed, and transmitted to the total internal reflection mode in the waveguide substrate. The present invention is a complex amplitude modulated holographic ultra thin waveguide augmented reality display system and method, which realizes the thinning of a three-dimensional augmented reality display system, and can effectively improve the quality of a complex amplitude signal.

【技术实现步骤摘要】
一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法
本专利技术涉及三维增强现实显示技术，更具体地，涉及一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法。
技术介绍
现有三维增强现实显示系统一般是基于双目视差，集成成像，复振幅调制等技术。基于双目视差原理的三维增强现实显示系统，由大脑进行合成生成三维信号。其目前的装置结构主要有两大类，一类是基于自由曲面波导(或棱镜)的三维增强现实显示系统。如中国专利申请CN104090330A、CN105629478，通过在光波导中引入自由曲面，完成光线的传输，以减少装置体积和质量。也有通过在光波导中引入全息光学元件，以进一步实现系统结构的轻薄化，如美国专利US20140168735A1。但是，基于双目视差的的三维增强现实显示系统需要通过人的大脑完成两幅二维图像的融合，由于视角图像少，聚焦和调焦的不匹配，观察时间过长会给观察者带来视疲劳和眩晕感。基于集成成像的增强现实显示系统通过在水平和垂直方向显示多个视角图像近似恢复显示物体光场信息，解决了聚焦和调焦的不匹配的问题，但集成成像算法复杂，对系统要求高。基于单目复振幅调制技术的真三维增强现实显示系统，通过虚拟物体复振幅的准确再现，消除了聚焦和调焦的不匹配问题，且算法简单，易实现实时处理显示。但是，为了实现复振幅的准确对准，在系统中不得不加入分束镜等光学元件实现合束，增大了系统体积和质量。此外，对准精度难以控制。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的体积小、结构简单的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统以及应用该系统的调制方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其包括：位于波导基板两侧正相对的用于同时加载两幅相位图像的光调制器和用于调制耦合复振幅信号的第一衍射光学元件，所述波导基板另一端设置用于耦合输出复振幅信号的第二衍射光学元件。由于采用一台光调制器同时加载两幅相位图像，极大的降低了复振幅信号对准过程的难度，极大的提高了产生复振幅信号的质量，同时，系统结构简单，实现了三维增强现实显示系统的轻薄化。根据本专利技术的另一个方面，提供一种复振幅调制增强现实显示的方法，其包括以下步骤：S1、采用一台光调制器同时加载两幅相位图像信号，该两幅相位图像信号调制入射光形成两种不同相位分布的信号；S2、将两种相位分布的信号经过第一次调制耦合，产生复振幅信号E′eiθ′；S3、经第一次调制耦合后的复振幅信号E′eiθ′在波导基板内经过一定距离的传输，经第二次调制耦合得到复振幅信号Eeiθ，以输出叠加于真实场景之上的虚拟图像。该方法有效的提高的复振幅信号的质量，减少了产生复振幅信号所需的光学元件，大幅减小了系统的体积，增强了三维增强现实显示的效果。本申请提出的一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统及方法，其有益效果主要如下：(1)由一台光调制器同时加载两幅相位图像，能够有效的提高产生的复振幅信号的质量，实现三维增强现实显示系统的超薄化；(2)第一衍射光学元件和第二衍射光学元件均采用全息光学元件，进一步促进三维增强现实显示系统的超薄特征；(3)通过所要得到的三维物体的复振幅信号反推光调制器加载的两幅相位图像的相位，以精确控制产生的复振幅信号；(4)入射到第一衍射光学元件上不同的曝光区域的相位图像信号的光线，采用不同的调制处理过程，实现复振幅信号的精确对准，形成复振幅信号；(5)复振幅信号在波导基体中以全内反射的方式传输，有效减少复振幅信号传输过程中的损失。附图说明图1为根据本专利技术实施例的一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统的结构示意图；图2为根据本专利技术实施例的一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统的结构示意图；图3为根据本专利技术实施例的一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。参见图1所示，一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，包括波导基板3，波导基板3的两侧分别设置有光调制器1和第一衍射光学元件2，光调制器1与第一衍射光学元件2正相对的设置在波导基板3的两侧。光调制器1用于同时加载两幅相位图像。在目前的三维增强现实显示
，对由两幅相位图像产生的信号进行调制时，需要采用两台光调制器1。采用两台光调制器1产生复振幅信号时，由于两台光调制器1上的相位图像难以达到完全对准，这种差别对于重现的复振幅信号质量影响非常明显。同时，采用两台光调制器1产生复振幅信号，增加了三维增强现实显示系统的体积，难以实现三维增强现实显示系统的轻薄化。在波导基板3的另一端设置有第二衍射光学元件4。第二衍射光学元件4紧靠波导基板3，并且位于第一衍射光学元件2所在位置的同一侧或其相对侧。由第一衍射光学元件2调制耦合得到的复振幅信号E′eiθ′在波导基板3中传输至第二衍射光学元件4，第二衍射光学元件4将该复振幅信号输出，以便于人眼观察。参见图2所示，光调制器1设置有第一像素区域101和第二像素区域102，用于同时加载两幅相位图像。将光调制器1的图像加载区域分为两个区域，以加载不同的相位图像。光调制器1的两个相位图像加载区域相对于波导基板3的位置相同，在调制复振幅信号的同时，避免了采用两台光调制器1加载相位图像时，相位图像加载区域与波导基板3的相对位置的不同而导致的不利影响。第一衍射光学元件2采用全息光学元件。全息光学元件质量轻，十分轻薄，有利于三维增强现实显示系统的超薄化。参见图3所示，第一衍射光学元件2设置有单次曝光区域201和二次曝光区域202。单次曝光区域201与第一像素区域101对应设置，二次曝光区域202与第二像素区域102对应设置，并且，二次曝光区域202位于第一曝光区域201与第二衍射光学元件4之间。加载在光调制器1的第一像素区域101的光线，经光调制器1调制后，经由波导基板3，入射到第一衍射光学元件2的单次曝光区域201。入射到单次曝光区域201的光线经单次曝光区域201调制后，在波导基板3内传输。入射到光调制器1的第二像素区域102的光线，经光调制器1调制后，经由波导基板3，入射到第一衍射光学元件2的二次曝光区域202。入射到二次曝光区域202的光线经二次曝光区域202调制后，在波导基板3内传输。第一像素区域101到二次曝光区域202的光路距离，比第二像素区域102到二次曝光区域202的光路距离要远。经单次曝光区域201调制后的光线以一定角度进入波导基板3内传输，并向二次曝光区域202的方向传输。此时，经二次曝光区域202调制后的光线与波导基板3中传输过来的经单次曝光区域201调制的光线重合，完成合束对准，形成复振幅信号E′eiθ′在波导基板3中传输。经第一衍射光学元件调制耦合的复振幅信号E′eiθ′在波导基板3内传输至第二衍射光学元件4，第二衍射光线元件4将传输后的复振幅信号调制耦合后输出。第二衍射光学元件4采用全息光学元件。全息光学元件质量轻，十分轻薄，有利于三维增强现实显示系统的超薄化。一种复振幅调制增强现实显示的方法，包括以下步骤：S1、采用一台光调制器1同时加载两幅相位图像信号，该两幅相位图像信号调制入射光形成两种不同相位分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其特征在于，其包括：位于波导基板(3)两侧正相对的用于同时加载两幅相位图像的光调制器(1)和用于调制耦合复振幅信号的第一衍射光学元件(2)，所述波导基板(3)的另一端用于耦合输出复振幅信号的第二衍射光学元件(4)。

【技术特征摘要】
1.一种复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其特征在于，其包括：位于波导基板(3)两侧正相对的用于同时加载两幅相位图像的光调制器(1)和用于调制耦合复振幅信号的第一衍射光学元件(2)，所述波导基板(3)的另一端用于耦合输出复振幅信号的第二衍射光学元件(4)。2.如权利要求1的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其特征在于：所述第二衍射光学元件(4)位于波导基板(3)上与第一衍射光学元件(2)的同侧/相对侧。3.如权利要求1的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其特征在于：所述光调制器(1)设置有第一像素区域(101)和第二像素区域(102)，用于同时加载两幅相位图像，以生成复振幅信号。4.如权利要求1的复振幅调制全息超薄波导增强现实显示系统，其特征在于：所述第一衍射光学元件(2)设置有与所述第一像素区域(101)对应的单次曝光区域(201)、与所述第二像素区域(102)对应的二次曝光区域(202)，所述二次曝光区域(202)位于所述单次曝光区域(201)和第二衍射光学元件(4)之间。5.一种复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1、采用一台光调制器(1)同时加载两幅相位图像信号，该两幅相位图像信号调制入射光形成两种不同相位分布的信号；S2、将两种相位分布的信号经过第一次调制耦合，产生复振幅信号E′eiθ′；S3、经第一次调制耦合后的复振幅信号E′eiθ′在波导基板(3)内经过一定距离的传输，经第二次调制耦合得到复振幅信号Eeiθ，以输出叠加于真实场景之上的虚拟图像。6.如权利要求5的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，上述步骤S1中，所述同时加载两幅相位图像信号的具体方法为：第一相位图像加载在光调制器(1)的第一像素区域(101)，第二相位图像加载在光调制器(1)的第二像素区域(102)。7.如权利要求6的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，所述步骤S1中，该两幅相位图像信号调制入射光形成两种相位分布的信号的具体方法为：S11、将所要产生的复振幅信号Eeiθ分解成两幅相位图像信号的叠加公式；S12、对叠加公式计算得到两幅相位图像信号的相位分布θ1和θ2；S13、入射到光调制器(1)的第一像素区域(101)的光，经第一相位图像调制后，形成θ1的相位分布，入射到光调制器(1)的第二像素区域(102)的光，经第二相位图像调制后，形成θ2的相位分布。8.权利要求7的复振幅调制增强现实显示的方法，其特征在于，所述步骤S2中，将两种相位分布的信号经过第一次调制耦合，产生复振幅信号E′eiθ′的具体方法为：S21、具有θ1相位分布的光线入射位于波导基板(3)另一侧的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娟，肖家胜，高乾坤，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11