利用全息波导进行彩色目视显示的方法、光学系统及穿戴设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及显示用光学设备领域，尤其涉及一种利用全息波导进行彩色目视显示 的方法、光学系统及穿戴设备。
【背景技术】
[0002] 随着信息社会飞速发展，头戴显示技术已在诸多领域显示出了巨大的应用价值和 发展潜力，而穿透式头盔显示技术一直都是研宄的重点。头戴显示器（HMD)是一种图像显 示装置，它可用于军事应用、工业生产、模拟训练、显微技术、医疗仪器、游戏娱乐等领域。头 盔显示器能够将外界的景象与显示器的资料整合在一起，使人们不需要进行转头查阅等动 作就可以了解到重要的信息，这对于方便快捷地及时获取信息有着非常重要的意义。
[0003] 头戴显示器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。同 时，头戴显示器迅速发展并且商业化，诸如谷歌眼镜以及索尼推出的游戏用头戴显示器等 都体现了头戴显示器的发展潜力。其对于信息的实时获取以及人机交互、提供的身临其境 的体验都是其他设备所不可比拟的。
[0004] 基于护目镜成像是目前主流的穿透式头盔显示技术，但是其光学畸变、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、结构复杂且占用了头盔的大量空间等缺点。较轻的重量是十分必要的，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 应头盔显示器的轻量化、小型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 而减轻头盔显示器的重量，减少其复杂程度，以满足人们的需要。
[0005] 近年来，英国BAE公司已经将单色全息波导显示技术应用到了头盔显示中去，但 只用到单色会丢失许多图像信息，功能尚不完善。公开号为CN102928981A的专利申请公开 了一种全息光波导头盔显示器光学系统，包括中继准直光学系统、全息光波导组件、显示像 源构成，用户可以看到耦合出全息光波导的图像以投影方式叠加在外部场景上；虽然该技 术解决了光路离轴传输问题，减小了系统的重量和体积，但是仅有一个单一颜色图像源无 法完成彩色图像的输出，从而丢失了图像信息。
[0006] 现有技术中，利用全息波导进行彩色目视显示较为罕见，彩色显示能够完整展现 诸如战场信息以及游戏中身临其境的感觉，对用户的体验将会提升一个档次，有较好的发 展前景。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种利用全息波导进行彩色目视显示的技术，包括利用全息波导进 行彩色目视显示的方法、光学系统及穿戴设备，具体技术方案如下：
[0008] 一种利用全息波导进行彩色目视显示的方法，采用至少两束颜色不同的光线对相 应的LCOS(LiquidCrystalonSilicon)图像源进行照明，携带图像信息的光线親合进全 息波导中进行全反射传输，并以相同的角度出射形成彩色输出，与真实场景图像的光线透 过全息波导后，同时在人眼视网膜上成像，形成输出图像信息与真实场景的叠加。
[0009] 其中，将不同颜色的光线以相应的入射角度耦合进入全息波导中，使携带图像信 息的光线以相同的角度垂直出射波导原件，实现彩色影像输出，并以平行光的方式进入人 眼成像。
[0010] 本发明中，光线的数量应不少于两条，颜色可随机选择，本方法中优选采用红、绿、 蓝三种光束，具备最优的显示效果。
[0011] 一种利用全息波导进行彩色目视的显示系统，包括：
[0012] 用于提供图像的LC0S图像源；
[0013] 为LC0S图像源提供光源的LD(SemiconductorLaserDiode)光源；
[0014] 准直透镜光具组；
[0015] 为产生平行光的凸透镜；
[0016] 将光线耦合进全息波导的全息光栅或棱镜；
[0017] 用于扩展出瞳并实现穿透显示的全息波导原件，其中包括全息光栅与波导介质。
[0018] 本发明的显示系统，LD光源发出不同颜色的光线对相应的LC0S图像源进行照明， 光线颜色的数量应不少于两种，优选使用红、绿、蓝三色光线。
[0019] 红绿蓝三原色LC0S图像源由LD光源经扩束镜扩束后照明，光束通过经微型投影 装置准直输出。将红、绿、蓝光源发射光线经全息光栅衍射后耦合（或棱镜耦合）以不同入 射角度进入平板波导中，使其均满足全反射条件。光线在波导中进行多次全反射向前传输， 后受到透射全息光栅的调制由波导中出射，不同颜色的光线形成平行光束同时成像至无穷 远处，相互叠加，实现彩色输出。其中，平行光线进入到波导中需要满足全反射条件，入射角 需要大于临界角。光线经过波导中的全息光栅原件后，一部分光经过全息光栅衍射形成一 级衍射光，光线垂直于波导表面传播，不满足全反射条件，从波导中出射，进入人眼。另一部 分零级衍射光透过全息光栅按照入射光线的方向传播，仍旧满足全反射条件，继续在光波 导中向前传播，当再次入射到全息光栅原件后，同样产生一级衍射光和零级衍射光，一级衍 射光从波导中垂直出射，零级衍射光按照入射方向继续沿波导向前传播，从而依次进行下 去。利用这样的方法实现了出瞳的扩展，使人眼有了较大的活动范围。最终，光线以平行光 束的形式进入人眼，在视网膜上成像，相当于人眼看到无限远处的图像。同时，外部图像的 光线透过全息波导原件，在视网膜上成像，这样就能够看到显示器中显示的图像叠加在真 实的场景中，实现现实增强AR(Augmentedreality)技术。
[0020] 为了实现虚拟影像的彩色输出，将红绿蓝三种颜色的光源以不同的入射角度耦合 进入波导中，从而使红绿蓝三种颜色的光以相同的角度垂直出射波导原件，实现彩色影像 输出，以平行光的方式进入人眼，成像至无穷远处。
[0021] 为了使红绿蓝三种颜色的光源以不同的入射角度耦合进入波导中，有三种优选的 图像源设置方案：
[0022] (1)图像分别用三个图像源进行输出，分别为红图像源、绿图像源和蓝图像源。为 了使不同颜色的光线有相同的出射角度，即垂直于波导原件出射，则需要在满足全反射条 件的同时，调整三种光源的入射角度，根据公式dO^siniir^sinQ) =A可知，通过调整红 LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组，绿LD光源、LCOS图像源、准直透镜光具组，蓝LD光 源、LCOS图像源、准直透镜光具组的位置和棱镜的位置，调整不同颜色光线的入射角度，最 终可以实现三种颜色的光线具有相同的出射角度，垂直于波导原件平行出射，相互叠加，从 而实现彩色输出，进入人眼。同时，外部图像的光线透过全息波导原件进入人眼，在视网膜 上成像，这样就将虚拟图像叠加在真实图像上，实现了现实增强即AR。其中d为光栅常数， i为入射角度，9为衍射角度，A为衍射波长，ni为入射