透明显示屏及其制备方法、光学系统和应用
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 头戴显示器（Head Mounted Display，HMD)较早应用于军用飞机中，通过在头蓝 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。
[0005] 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】
[0006] 本发明提供了一种透明显示屏及其制备方法、光学系统和应用，具体技术方案如 下：
[0007] -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。
[0008] -种制备透明显不屏的光学系统，包括：
[0009] 能够产生相干光束的激光光源；
[0010] 用于调整光线偏振方向的半波片；
[0011] 用于降低输出功率的衰减片；
[0012] 用于将不同颜色的激光束合成一束的平面镜和二向色镜；
[0013] 用于将激光光束扩束的扩束镜；
[0014] 用于过滤高频噪声的小孔滤波器；
[0015] 用于产生平行光束的准直透镜；
[0016] 用于将激光束分束，产生参考光和信号光的分束棱镜；
[0017] 用于改变光线传播路径的反射镜；
[0018] 将参考光親合进平板波导的親合棱镜（或光栅）；
[0019] 用于传播参考光的平板波导；
[0020] 用于产生信号光的微透镜阵列，微透镜阵列的焦点在全息干板附近；
[0021] 用于记录参考光和信号光的干涉条纹的全息干板。
[0022] 其中，激光光源的数量应不少于一种，颜色可随机选择，优选采用红、绿、蓝三种颜 色的激光，具备最优的显示效果。
[0023] 红绿蓝三色激光光源先经过半波片调整其偏振方向，然后经过衰减片对输出光束 的功率进行控制，用小孔滤波器对进入扩束镜扩束后的光束进行滤波，最后经过准直透镜 使输出光束为平行光。使用分束棱镜将平行的激光光束分为两束光，一束作为参考光，其经 过一平面镜反射后到达耦合棱镜（或光栅）处，耦合进入平板波导中去，在平板波导中以全 反射的方式向前传输，最终到达全息干板处。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。另一光经过平面镜反射经过微透镜阵列调制，出射后作为信 号光同样到达全息干板处，与参考光发生干涉，形成干涉条纹，记录在全息干板上。
[0024] -种透明显示屏的制备方法，采用至少一种不同波长的激光作为光源，先通过扩 束器进行扩束，后经过分束器，其中一束光作为参考光耦合进入平板波导，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下来，使全息板有微透镜阵列的作用。
[0025] 本发明中，采用全彩投影仪作为图像源，经过中继光学系统后可以将图像以平行 光束的方式耦合进入平板波导中，入射方向需要和制作过程中的参考光的入射方向保持一 致，在平板波导中进行全反射传输后到达全息干板处，满足布拉格条件的光束经过衍射从 波导中出射在全息干板附近成像，成像的特征相当于微透镜阵列成像，被人眼观察。同时真 实环境中的不满足布拉格条件的光线会透过全息干板与波导元件，传播到人眼中，从而使 投影出的光线叠加在真实环境中，达到现实增强。其中，投影仪的像素大小需要和微透镜阵 列的透镜单元的大小近似或略大于透镜单元的大小。
[0026] 其中，投影仪透射的入射光的方向应当和制备时的参考光方向相同，以满足布拉 格条件，投影仪每个像素点的大小应当和制备时微透镜阵列相匹配。
[0027] -种穿戴显示系统，包括镜架，所述镜架上设有提供图像源的光学显示系统以及 位于人眼正前方的平板波导和全息干板。
[0028] 光学显示系统发射的光线入射平板波导和全息干板，同时真实环境中的不满足布 拉格条件的光线会透过全息干板与平板波导，传播到人眼中，，从而使投影出的光线叠加在 真实环境中，达到现实增强。
[0029] 与现有技术相比，本发明有如下优点：
[0030] 1.相对于其他透明显示屏的制作方法，本发明的制作方法更加简易、有效，减少制 作程序的复杂性，从而使该装置更加有利于进行批量生产。
[0031] 2.本系统结构更加简单、紧凑、一体化，装置更加轻便，便于移动和装配。
[0032] 3.本系统由于增加了平板波导，该装置不会因为投影仪的摆放位置而遮挡视线。
[0033] 4.本系统由于增加了平板波导，观察角度会因为产生一次折射而变得比没有波导 时候更大，使观察者能够更方便地观察到虚拟图像。
【附图说明】
[0034] 图1为微透镜阵列成像原理示意图；
[0035] 图2为一种制备透明显示屏的光路图；
[0036] 图3为另一种制备透明显示屏的光路图；
[0037] 图4为制备过程中，微透镜阵列的透镜单元经过平行光照射所成光路示意图；
[0038] 图5为成像过程中微透镜阵列的透镜单元大小和投影机的像素大小匹配示意图；
[0039] 图6为透明显示屏