一种光学系统的制作方法

1.本发明属于光电子技术领域，特别涉及一种光学系统。


背景技术：

2.利用光学系统呈现目标图像是一种常用的手段。例如，只给用户呈现虚拟图像信息而外界环境光不能通过的虚拟现实的光学系统。又例如，可以将虚拟图像信息和外界环境光同时呈现到用户眼中的增强现实的光学系统。
3.但是，没有将两种不同功用的图像同时呈现的光学系统。


技术实现要素：

4.本申请的实施例首先提供了一种光学系统，包括：第一子系统，其包括：光源，其用于发射光线；第一全息元件，其编码有瞄准图像，第一全息元件接收光源发射的光线后显示瞄准图像；第二子系统，其包括：显示单元，其用于加载待显示图像；第二全息元件，其用于接收并调制显示单元的待显示图像的光线；第一基底层，其用于接收第二全息元件调制的待显示图像的光线并在第一基底层中以大于全反射角的角度传播；第三全息元件，其用于将第一基底层中传播的待显示图像的光线耦合出第一基底层；第二全息元件和第三全息元件贴合在第一基底层的不同位置，第一全息元件与第三全息元件平行设置。
5.本发明的目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
6.附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
7.图1是根据本发明实施例的光学系统的结构示意图。
8.图2是根据本发明另一实施例的光学系统的结构示意图。
9.图3是根据本发明又一实施例的光学系统的结构示意图。
10.图4是根据本发明实施例的光学系统中的第一基底层的结构示意图。
11.图5是根据本发明实施例的光学系统中的第二基底层的结构示意图。
12.图6是根据本发明实施例的光学系统中的第一全息元件的制作方法示意图。
13.图7是根据本发明实施例的光学系统的第四全息元件的第一种制作方法示意图。
14.图8是根据本发明实施例的光学系统的第四全息元件的第二种制作方法示意图。
15.图9是根据本发明另一实施例的光学系统的结构示意图。
16.图10是根据本发明实施例的光学系统的第一种工作模式的示意图。
17.图11是根据本发明实施例的光学系统的第二种工作模式的示意图。
18.图12是根据本发明另一实施例的光学系统的结构示意图。
19.图13是根据本发明实施例的光学系统的第三种工作模式的示意图。
20.图14是根据本发明实施例的光学系统的第四种工作模式的示意图。
21.图15是解释本发明实施例的光学系统的图像偏移的原理图。
22.图16是根据本发明实施例的光学系统的第五种工作模式的示意图。
具体实施方式
23.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
24.一种光学系统，包括第一子系统和第二子系统。第一子系统可以用于呈现一种功用的图像，第二子系统可以用于呈现另一种功用的图像。通过第一子系统和第二子系统，可以同时呈现两种功用的图像。其中，第一子系统包括光源和第一全息元件。光源，其用于发射光线。第一全息元件，其编码有瞄准图像，第一全息元件接收光源发射的光线后显示瞄准图像。第一子系统可以用来呈现瞄准图像。其中，第二子系统包括显示单元、第二全息元件、第一基底层和第三全息元件。显示单元，其用于加载待显示图像。第二全息元件，其用于接收并调制显示单元的待显示图像的光线。第一基底层，其用于接收第二全息元件调制的待显示图像的光线并在第一基底层中以大于全反射角的角度传播。第三全息元件，其用于将第一基底层中传播的待显示图像的光线耦合出第一基底层。第二子系统可以用来呈现待显示图像。第二全息元件和第三全息元件贴合在第一基底层的不同位置，第一全息元件与第三全息元件平行设置。瞄准图像和待显示图像可以通过同样的位置传播出来。第一基底层、第一全息元件和第三全息元件可以由透明光学塑料或光学玻璃制成，当瞄准图像和待显示图像传播到人眼时，人眼可以同时看到外界场景。其中，全息元件可以采用全息制作工艺，为全息光学元件。全息元件可以通过将光敏材料涂布或浸渍在透明光学塑料或光学玻璃上制成。光敏材料可以是银盐材料、光致抗蚀剂、光折变材料、光致聚合物、光致变色材料、光导热塑材料、重铬酸盐明胶(dcg)。
25.参考图1，在实施例一中，第一子系统包括光源11、第一全息元件22和第四全息元件21。光源11，其用于发射光线。第四全息元件21用于接收光源11发射的光线并反射到第一全息元件22，供第一全息元件22接收反射的光线后显示瞄准图像601。第一全息元件22，其编码有瞄准图像601，第一全息元件22接收第四全息元件21发射的光线后显示瞄准图像601。
26.光源11可以是点光源，其发射准单色光的光线，照明到第四全息元件21表面，第四全息元件21对入射到其表面的光线进行折转，光线折转传播至第一全息元件22表面，第一全息元件22上编码有瞄准图像601，第一全息元件22调制入射至其表面的光线，使其折转进入人眼501。其中，第四全息元件21可以省略，只要光源11发射的光线能够照射到第一全息元件22即可。
27.第二子系统包括显示单元101、第二全息元件401、第一基底层301和第三全息元件
402。显示单元101，其用于加载待显示图像602。第二全息元件401，其用于接收并调制显示单元101的待显示图像602的光线。第一基底层301，其用于接收第二全息元件401调制的待显示图像602的光线并在第一基底层301中以大于全反射角的角度传播。第三全息元件402，其用于将第一基底层301中传播的待显示图像602的光线耦合出第一基底层301。
28.显示单元101加载待显示图像602。投影光学系统201将其放大成像并投射到第二全息元件401。显示单元101和投影光学系统201可以与第二全息元件401平行。投影光学系统201可以设置在显示单元101和第二全息元件401之间。投影光学系统201例如可以包括凸透镜。其中，投影光学系统201可以省略，显示单元101发出的待显示图像602的光线可以直接入射到第二全息元件402上。第二全息元件401对其调制并耦合光线进入第一基底层301，光线在第一基底层301内部以大于全反射角的传输角度传播，传播至第三全息元件402时，第三全息元件402将其耦合出射至人眼501。第一全息元件22和第三全息元件402可以通过将光敏材料涂布或浸渍在透明光学塑料或光学玻璃上制成，第一基底层301由透明光学塑料或光学玻璃制成，具有高透过率，因此人眼可以看到外界场景603。人眼501因此可以同时看到外界场景603和虚拟图像的合成场景。
29.第二全息元件401和第三全息元件402贴合在第一基底层301的不同位置，第二全息元件401是用于将待显示图像602的光线导入第一基底层301，第三全息元件402是用于将待显示图像602的光线导出第一基底层301。第二全息元件401和第三全息元件402可以设置于第一基底层301的同侧或异侧。图1中示出的是第二全息元件401和第三全息元件402设置于第一基底层301的同侧。
30.第一全息元件22与第三全息元件402平行设置。第一子系统和第二子系统的出射的图像位于相同的区域，人眼501可以同时看到瞄准图像和待显示图像。
31.其中，第一全息元件22和第三全息元件402可以是存在空气间隙，例如通过在第一基底层301对应第一全息元件22的边缘位置设置隔条，将第一全息元件22与第一基底层301固定连接。
32.在实施例二中，第一子系统可以包括透镜，透镜代替实施例一的第四全息元件21，透镜用于接收光源11发射的光线并反射到第一全息元件22，供第一全息元件22接收反射的光线后显示瞄准图像601。实施例二的其他元件与实施例一相同，在此不再赘述。
33.在实施例三中，参考图2和图3，第一子系统包括第五全息元件23和第二基底层302。与实施例一不同的是，第一子系统包括第五全息元件23代替第二全息元件21，并且在第一子系统中增加了第二基底层302。第五全息元件23用于将光源11发射的光线导入第二基底层302，第二基底层302以大于全反射角的角度传播光线直到在第一全息元件22导出第二基底层302。第二基底层302与第一基底层301平行设置。第五全息元件23和第一全息元件22贴合在第二基底层302的不同位置，其中第五全息元件23用于将光源11的光线导入第二基底层302，第一全息元件22用于将光线导出第二基底层302。第五全息元件23和第二全息元件401位置错开设置。第二全息元件401用于将显示单元101的光线导入第一基底层301，第五全息元件23用于将光源11的光线导入第二基底层302，为了减少两个基底层之间的串扰，第五全息元件23和第二全息元件401在基底层的上下位置上错开不重叠。其中，第五全息元件23和第一全息元件22同样可以设置在第二基底层302的同侧或异侧。图2和图3示出了第五全息元件23和第一全息元件22设置在第二基底层302的同侧。光源11和显示单元101
可以设置在第一基底层301和第二基底层302的右侧(如图所示)，也可以设置在第一基底层301和第二基底层302的左侧。当光源11和显示单元101设置在右侧时，显示单元101发出的待显示图像的光线通过第二基底层302后再射入第二子系统的第二全息元件401或第一基底层301上。为了减少两个基底层之间的串扰，第二子系统中设置的投影光学系统201与第二全息元件401平行设置，并且与第五全息元件23错开设置。人眼501可以位于光源11和显示单元101的同侧或异侧。图2示出了人眼501位于光源11和显示单元101的同侧，图3示出了人眼501位于光源11和显示单元101的异侧。
34.在实施例三中，显示单元101和光源11可以分别位于第一基底层301和第二基底层302的左右两侧。这样第五全息元件23可以不需要与第二全息元件401错开设置。只要第一全息元件22和第三全息元件402平行设置，人眼501可以在同样的位置同时看到瞄准图像和待显示图像以及外界场景。第一全息元件22、和第三全息元件402可以通过将光敏材料涂布或浸渍在透明光学塑料或光学玻璃上制成，第一基底层301和第二基底层302由透明光学塑料或光学玻璃制成，具有高透过率。
35.第五全息元件23和第一全息元件22位于第二基底层302表面。光源11发射光线，照明到第五全息元件23表面，第五全息元件23对入射到其表面的光线进行折转，光线折转进入第二基底层302中，光线在第二基底层302内部以大于全反射角的传输角度传播，传播至第一全息元件22表面，第一全息元件22上编码有瞄准图像601，第一全息元件22调制入射至其表面的光线，使其折转进入人眼501。显示单元101加载待显示的图像602，投影光学系统201将其放大成像并投射到第二全息元件401，第二全息元件401对其调制并耦合光线进入第一基底层301，光线在第一基底层301内部以大于全反射角的传输角度传播，传播至第三全息元件402时，第三全息元件402将其耦合出射至人眼501。图2示出了第三全息元件402和第一全息元件22为透射式全息元件，图3示出了第三全息元件402和第一全息元件22为反射式全息元件。
36.第三全息元件402和第二全息元件401位于第一基底层301表面，第一全息元件22和第五全息元件23位于第二基底层302表面。第一全息元件22和第三全息元件402共同组成观察窗口，两者位于同一水平线，且相互平行。第一基底层301和第二基底层302相互平行，之间存在空气间隙。
37.利用第二基底层302设置第一全息元件22和第五全息元件23，降低了全息瞄准的体积，降低了光栅装调难度。
38.在一些实施例中，第一基底层301中传播的待显示图像的光线的光束的投射宽度不小于第一基底层301中传播的待显示图像的光线的光束的传输周期；第二基底层302中传播的光线的光束的投射宽度不大于第二基底层302中传播的光线的光束的传输周期。
39.参考图4，对于第一基底层301，其传输显示显示单元101发射的待显示图像，要求第一基底层301中具有光瞳复制，以减小基底层厚度且不会损失图像质量。w1为光束在第一基底层301表面的投射宽度，d1为第一基底层301的厚度，l1为第一基底层301中光束的传输周期，第一基底层301具有折射率n1，光线在第一基底层301中的最小传输角度为θ1min，最大传输角度为θ1max。要求：
40.n1sinθ
1min
≥1
41.w1≥l1＝2d1tanθ
1max
42.参考图5，对于第二基底层302，其显示第一全息元件22所记录的瞄准图像，要求第二基底层302中具有光瞳非复制，以保证基底层中的光波具有完整连续波前，以提高瞄准图像的投射显示质量。w2为光束在第二基底层302表面的投射宽度，d2为第二基底层302的厚度，l2为第二基底层302中光束的传输周期，第二基底层302具有折射率n2，光线在第二基底层302中的最小传输角度为θ2min，最大传输角度为θ2max。要求：
43.n2sinθ
2min
≥1
44.w1≤l1＝2d2tanθ
2max
对于第一全息元件22所编码的瞄准图像601可以预先编码存储。具体地，参考图6，掩膜板801具有第一全息元件22待加载的图案信息，此图案信息与瞄准图像601一致。掩膜板801被光波2200照射，透过掩膜板801的光波经傅里叶透镜802形成物光2202。同时，空间中存在另一束倾斜入射的参考光2201，物光2202和参考光2201在第一全息元件22上相遇，在第一全息元件22处发生光波干涉作用，从而在第一全息元件22的内部形成三维分布的干涉场。第一全息元件22的内部干涉场同时改变了材料特性，形成了与第一全息元件22内部干涉场分布相似的材料特性分布，也即是记录了掩膜板801的频谱信息。通常材料特性改变包括折射率改变，透过率改变等。其中，第一全息元件22为平面结构，通常选择为光致聚合物，银盐等光敏材料。记录条件(包括所用光波波长，光束和物体角度位置)需与实际使用要求一致，实际使用要求决定了记录条件。
45.对于第四全息元件21和第五全息元件23可以按照以下两种方式之一进行全息曝光，其为离轴透镜。以下以制作第四全息元件21为例进行说明。参考图7，图7示出了双光束制作方式。第四全息元件21和第一全息元件22的制作方式相似，参考光2101和物光2102，其中，参考光2101是利用点光源3100发射的，记录条件(包括波长，光束和物体角度位置)需与实际使用要求一致，实际使用要求决定了记录条件。一般情况下，参考光2201和物光2102优先为平面波。参考图8，图8示出了另外一种制作方式，单光束曝光方式。通过借助于抛物面镜803，可由点光源3100产生的单光束间接形成双光束，参考光和物光分别为点光源3100发射的光波和发射的光波透过第四全息元件21后由抛物面镜803反射回来的准直平面波，点光源3100位于抛物面镜803的焦点位置。
46.在一些实施例中，参考图9，光学系统还可以包括控制器901，光学系统的其他部分可以参考上面的实施例。控制器901与光源11和显示单元101连接，用以控制光源11和显示单元101的开启和关闭。控制器901可以分别控制光源11和显示单元101的开启和关闭。控制器901可以分别控制第一子系统和第二子系统的开启和关闭，第一子系统和第二子系统的开启和关闭相互独立。
47.例如，参考图10，在一种可以称为“非增强模式”的第一模式下，控制器901可以关闭显示单元101，开启光源11，人眼501可以看到第一子系统显示的瞄准图像601和外界场景603，瞄准图像601可以叠加在外界场景603上得到合成场景s。
48.例如，参考图11，在一种可以称为“光学增强模式”的第二模式下，控制器901可以开启显示单元101，开启光源11，人眼501可以看到第一子系统显示的瞄准图像601、第二子系统显示的待显示图像602和外界场景603，瞄准图像601和待显示图像602可以叠加在外界场景603上得到合成场景s。其中，待显示图像602可以为用户显示更多信息，例如，时间、文字信息、定位信号等辅助内容。其中，控制器901可以对显示单元101的待显示图像602进行亮度调节。
49.在一些实施例中，参考图12，光学系统还可以包括与控制器901连接的成像仪701，控制器901控制成像仪701的开启和关闭。光学系统的其他部件可以参考上面的实施例的描述。成像仪701可以是红外成像仪或微光成像仪，光学系统可以在红外、微光夜视环境下工作。控制器901将成像仪701获取的图像处理后传输到显示单元101，通过第二子系统进行显示。成像仪701对外界场景603进行成像探测，获得外界场景603的红外图像或者微光图像。红外图像或者微光图像经过控制器901的处理，输出到显示单元101，并驱动显示单元101显示外界视频增强场景604(控制器901处理后的红外图像或者微光图像)或者外界视频增强场景604和待显示图像602的混合图像605。投影光学系统201将外界视频增强场景604或者混合图像605放大成像并投射到第二全息元件401，第二全息元件401对其调制并耦合光线进入第一基底层301，光线在第一基底层301内部以大于全反射角的传输角度传播，传播至第三全息元件402时，第三全息元件402将其耦合出射至人眼501。人眼501可以通过第一子系统看到瞄准图像601。第一全息元件22，第一基底层301，第三全息元件402具有高透过率，因此可以看到外界场景603。人眼501因此可以同时看到外界场景603和虚拟图像的合成场景s。第二子系统可以显示成像仪701采集的图像以及其他待显示图像602。
50.例如，参考图13，在一种可以称为“视频增强模式”的第三模式下，控制器901可以开启显示单元101，开启光源11，开启成像仪701，显示单元101无“光学增强模式”下的显示信息，系统处于“视频增强模式”。人眼501可以看到第一子系统显示的瞄准图像601、第二子系统显示的外界视频增强场景604和外界场景603，瞄准图像601和外界视频增强场景604可以叠加在外界场景603上得到合成场景s。在夜视条件下，外界场景603以浅色标记，增强后图像作为外界视频增强场景604以重色标记。其中，控制器901可以对显示单元101的外界视频增强场景604进行亮度调节，对成像仪701采集的图像进行伪彩色增强处理以及视差变换以输出到显示单元101。
51.例如，参考图14，在一种可以称为“混合模式”的第四模式下，控制器901可以开启显示单元101，开启光源11，开启成像仪701，显示单元101含有“光学增强模式”下的显示信息，系统处于“混合模式”。人眼501可以看到第一子系统显示的瞄准图像601、第二子系统显示的混合图像605和外界场景603，瞄准图像601和混合图像605可以叠加在外界场景603上得到合成场景s。在夜视条件下，外界场景603以浅色标记，增强后图像作为外界视频增强场景604以重色标记。其中，控制器901可以对显示单元101的混合图像605进行亮度调节，对外界视频增强场景604和待显示图像602进行信息叠加得到混合图像605，对成像仪701采集的图像进行伪彩色增强处理以及视差变换以输出到显示单元101。
52.通过进行伪彩色增强处理可以增加图像细节的可分辨性。
53.在一些实施例中，控制器901将成像仪701获取的图像进行图像视差变换以使701成像仪的接收面得到的图像和环境光直接透射全息元件和基底层在人眼的视网膜得到的图像一致。
54.成像仪701的cmos成像面702和用户眼睛501的视网膜502位置不一致会引起图像偏移问题。参考图15，对于外界场景603，人眼501的视网膜502与成像仪701的cmos成像面702之间存在横向位移差δy和纵向位移差δx，位移差导致同一外界场景603在成像仪701的cmos成像面702得到的图像和人眼501的视网膜502上的图像不一致。视差变换需要根据cmos成像面702得到的图像、位移差、成像仪701焦距等信息变换得到人眼501的视网膜502
上的图像，变换得到人眼501的视网膜502上的图像用于加载至显示单元101。
55.当外界场景603对于成像仪701和用户眼睛501的最大张角低于5度时，视差变换可以整体平移像素得到。当外界场景603对于成像仪701和用户眼睛501的最大张角大5度时，cmos成像面702得到的图像要逐像素以不同平移量变换的得到视网膜502上的图像，以提高“视频增强模式”或者“混合模式”下的精度。在某些情况下，用户只能依靠外界视频增强场景604或者混合图像605进行瞄准，而人眼无法看见外界场景603，例如照度极低的夜晚瞄准，因而需要外界视频增强场景604或者混合图像605中显示的增强物体图像和真实物体尽可能重合。
56.在一些实施例中，控制器901关闭光源11并开启显示单元101和成像仪701，控制器901执行：
57.s11，对成像仪701获取的图像进行为彩色处理得到初步伪彩色图像；
58.s22，对显示场景606进行二值化反转操作得到二值化图像；
59.s33，将初步伪彩色图像和二值化图像相乘得到伪彩色背景609；
60.s44，将显示场景606和伪彩色背景609相加得到最终伪彩色图像610；
61.控制器901将最终伪彩色图像传输到显示单元101。
62.成像仪701对外界场景603实时捕获，并将捕获数据传输至控制器901，同时显示场景606传输至控制器901，对外界场景603和显示场景606混合处理，得到最终伪彩色图像610，将最终伪彩色图像610传输至显示单元101，显示单元101发射光线，投影光学系统201将最终伪彩色图像610放大成像并投射到第二全息元件401，第二全息元件401对其调制并耦合光线进入第一基底层301，光线在第一基底层301内部以大于全反射角的传输角度传播，传播至第三全息元件402时，第三全息元件402将其耦合出射至人眼501。显示单元101为彩色微型显示面板，以显示伪彩色图像。
63.参考图16，控制器901中对外界场景603和显示场景606混合处理主要包括以下流程。对外界场景603进行伪彩色处理，得到初步伪彩色图像，同时对显示场景606进行二值化反转操作得到二值化图像，将初步伪彩色图像和二值化图像相乘得到伪彩色背景609，进一步，将显示场景606和得到的伪彩色背景609相加得到最终伪彩色图像610。二值化反转具体操作为显示场景606中像素灰度不为0的地方重新赋值为1，显示场景606中像素灰度为0的地方重新赋值为0。
64.通过在不同模式工作，可以扩展光学系统的功能，扩展全息瞄准的需求，极大地扩展了全息瞄准的应用场景，提高了其性能。
65.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。