一种光源装置和头戴显示设备的制作方法

1.本技术涉及照明及显示技术领域，具体涉及一种光源装置、头戴显示设备。


背景技术：

2.随着ar行业的发展，其主要显示光机系统的轻薄化，小型化越来越重要。dlp技术在各种显示和非显示应用中具有许多优势，但该技术的一个更基本的优势是它的光源可以是未知的。由于dlp技术是一种反射技术(每个像素都是一个镜子)，几乎任何类型或波长的多个光源都可以用来照亮设备。基于激光的dlp头戴显示设备因为其在机械体积上可以显著变小，对比度和电效率提高，颜色饱和度非常高。当dlp激光头戴显示设备与新的光学解决方案(波导或全息膜)相结合时，这些组合可以使ar显示具有更大的视场、更大的眼盒和更长的虚拟图像距离，同时减少所需的总机械体积。在传统的dlp投影机显示系统中，从光源到dmd需要经过透镜组对光源进行扩束，导致光学系统体积变大，这制约了光机的小型化。
3.因此本技术实用新型一种光源装置和一种头戴显示设备以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

4.本技术要解决的技术问题是如何提高光源装置的灵活性和实现光源装置的小型化。
5.本技术为解决上述技术问题提供了一种光源装置，包括光源、第一全息光学元件、第二全息光学元件、光调制装置，所述光源用于出射第一光到所述第一全息光学元件上；所述第一全息光学元件对所述第一光进行扩束以形成第一衍射光，并将所述第一衍射光射向所述第二全息光学元件；所述第二全息光学元件对所述第一衍射光进行扩束以形成第二衍射光，并将所述第二衍射光射向所述光调制装置；所述光调制装置用于调制所述第二衍射光为图像光。
6.在一些实施例中，所述第一全息光学元件和所述第二全息光学元件是透射型或反射型。
7.在一些实施例中，所述光源装置还包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一全息光学元件设置于所述第一棱镜的一侧表面，所述第二全息光学元件设置于所述第二棱镜的一侧表面。
8.在一些实施例中，所述第一棱镜和第二棱镜分别是三棱镜。
9.在一些实施例中，所述第一全息光学元件为反射型，所述第二全息光学元件为透射型；所述光源出射所述第一光到所述第一全息光学元件上；所述第一全息光学元件对所述第一光进行扩束以形成第一衍射光，并将所述第一衍射光反射向所述第二全息光学元件；所述第二全息光学元件对所述第一衍射光进行扩束以形成第二衍射光，并将所述第二衍射光透射向所述光调制装置。
10.在一些实施例中，所述第一全息光学元件为反射型，所述第二全息光学元件为反射型；所述光源出射所述第一光到所述第一全息光学元件上；所述第一全息光学元件对所述第一光进行扩束以形成第一衍射光，并将所述第一衍射光反射向所述第二全息光学元件；所述第二全息光学元件对所述第一衍射光进行扩束以形成第二衍射光，并将所述第二衍射光反射向所述光调制装置。
11.在一些实施例中，所述第一全息光学元件为透射型，所述第二全息光学元件为透射型；所述光源出射所述第一光到所述第一全息光学元件上；所述第一全息光学元件对所述第一光进行扩束以形成第一衍射光，并将所述第一衍射光透射向所述第二全息光学元件；所述第二全息光学元件对所述第一衍射光进行扩束以形成第二衍射光，并将所述第二衍射光透射向所述光调制装置。
12.在一些实施例中，所述第一全息光学元件为透射型，所述第二全息光学元件为反射型；所述光源出射所述第一光到所述第一全息光学元件上；所述第一全息光学元件对所述第一光进行扩束以形成第一衍射光，并将所述第一衍射光透射向所述第二全息光学元件；所述第二全息光学元件对所述第一衍射光进行扩束以形成第二衍射光，并将所述第二衍射光反射向所述光调制装置。
13.在一些实施例中，所述第一光的光束沿垂直光传输方向上的横截面光斑为圆形，所述第一衍射光的光束光斑沿垂直光传输方向上的横截面光斑为椭圆形，所述第二衍射光的光束光斑沿垂直光传输方向上的横截面光斑为圆形。
14.此外，本技术还提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括镜头以及上述任一项所述的光源装置；所述镜头对应所述光源装置设置，并用于使所述光源装置射出的所述图像光在预定位置处成像重合。
15.本技术的有益效果：本技术的光源装置采用全息光学元件对第一光进行扩束处理，通过设计衍射方向，使得光束以特定角度照射到显示设备上。利用全息光学元件取代传统的透镜棱镜等光学器件实现扩束，提高了光源装置的灵活性，实现了光机的小型化。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本技术提供的反射性全息光学元件的工作示意图；
18.图2是本技术提供的透射型全息光学元件的工作示意图；
19.图3是本技术提供的反射型全息光学元件的工作示意图；
20.图4是本技术提供的光源装置一实施例的结构示意图；
21.图5是本技术提供的光源装置又一实施例的结构示意图；
22.图6是本技术提供的光源装置再一实施例的结构示意图；
23.图7是本技术提供的光源装置后一实施例的结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本实用新型，但不对本实用新型的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本实用新型的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本实用新型的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
26.需要说明的是，本技术实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或组件。
27.请参阅图4至图7，本技术提供一种光源装置100，包括光源105、第一全息光学元件102、第二全息光学元件103、光调制装置109。其中，全息光学元件利用了全息技术，是复制光学元件性能的全息图。与传统的衍射光学元件相比，其具备口径大、重量轻、体积小、可形成重叠的多功能光学元件等优点。平面的全息光学元件在光波的波形整形、光束的扩束、光束的分束和合束、光学扫描器件等方面有重要的应用。另外，全息技术，是一种记录被摄物体反射(或透射)光波中全部信息(振幅、相位)的照相技术，而物体反射或者透射的光线可以透过记录介质完全再现，仿佛物体就在那里一样。透过不同的方位和角度观察照片，可以看到被拍摄的物体的不同的角度，因此记录得到的像可以使人产生立体视觉。
28.在一些实施例中，光源105用于出射第一光106到第一全息光学元件102上；第一全息光学元件102对第一光106进行扩束处理以形成第一衍射光107，并将第一衍射光107射向第二全息光学元件103；第二全息光学元件103对第一衍射光107进行扩束以形成第二衍射光108，并将第二衍射光108以特定角度射向光调制装置109；光调制装置109用于调制第二衍射光108为图像光。本技术的光源装置100采用全息光学元件对第一光106进行扩束，通过设计衍射方向，使得光束以特定角度照射到显示设备上。利用全息光学元件取代传统的透镜棱镜等光学器件实现扩束，提高了光源装置100的灵活性，实现了光机的小型化。其中，光调制装置109可以是dmd(数字微镜器件)，其是一种由多个高速数字式光反射开光组成的阵列。dmd是由许多小型铝制反射镜面构成的,镜片的多少由显示分辨率决定,一个小镜片对应一个像素。相对于tft-lcd(液晶)的透射率低,对比度小,dmd的反射率高,对比度大。将物体成像于dmd器件上,通过dmd器件的像素级可控特性及其高速的翻转频率,再将每个像点依次扫描到探测器上,实现白天对可见光条件下物体的高速被动式点扫描成像。加入适当光源还可实现主动式扫描成像。
29.在一些实施例中，结合图1和图2，第一全息光学元件102和第二全息光学元件103是透射型或反射型。本技术提供的全息光学元件根据由记录全息光学元件时，物体光2和参照光1相对于记录材料的位置可以分为反射型全息光学10和透射型全息光学11元件，其中图1所示为反射型全息光学元件10制作过程，主要分为记录和再现两个过程。记录过程：物体光2从一侧照射到反射型全息光学元件10上，参照光1同时从另一侧以一角度照射到反射
型全息光学元件10的同样位置上。如此，在反射型全息光学元件10上发生干涉产生干涉条纹，反射型全息光学元件10上存在全息胶片可以将干涉条纹记录下来。为了能够产生干涉现象，需要保证物体光2和参照光1的相干性很高。再现过程:当参照光1再次照射到反射型全息光学元件10上时，产生的衍射光3再现了物体光2的成像。同理，图2所示透射型全息光学元件11的制作过程也分为记录和再现两个过程。记录过程：物体光2从一侧照射到透射型全息光学元件11上，参照光1同时从相同一侧以一角度照射到透射型全息光学元件11的同样位置上。如此，在透射型全息光学元件11上发生干涉产生干涉条纹，透射型全息光学元件11上存在全息胶片可以将干涉条纹记录下来。为了能够产生干涉现象，需要保证物体光2和参照光1的相干性很高。再现过程:当参照光1再次照射到透射型全息光学元件11上时，产生的衍射光3再现了物体光2的成像。
30.在一些实施例中，结合图3，图3示出了光束4入射全息光学元件进行扩束的原理。其中，虚线部分表示为光斑，光束4为第一光的衍射光。第一光的光束4沿垂直光传输方向上的横截面光斑为圆形，第一衍射光5的光束光斑沿垂直光传输方向上的横截面光斑为椭圆形。一般地，结合图4至图7，第二衍射光108的光束光斑沿垂直光传输方向上的横截面光斑为圆形。在一些具体的实施例中，第一全息光学元件102可以是反射型全息光学元件10，在光束4直径为d1的光束以偏转角β掠入射到全息光学元件时，光束扩束的比例与此偏转角β有关，其可以表示为扩束比例m＝d1/d2＝tanβ。光束4的圆形光束光斑直径d1和第一衍射光5的椭圆形光斑长轴d2满足以下公式：d1/d2＝cotβ。在一些具体的实施例中，光束4出射到第一全息光学元件102上的入射角β大于80
°
且小于90
°
。如此，可以保证扩束比例增大。
31.在一些实施例中，结合图4-图7，光源装置100还包括第一棱镜101和第二棱镜104，第一全息光学元件102设置于第一棱镜101的一侧表面，第二全息光学元件103设置于第二棱镜104的一侧表面。棱镜的设置可以保证光源装置的稳定性。
32.在一些具体的实施例中，第一棱镜101和第二棱镜104分别是三棱镜。棱镜，一种由两两相交但彼此均不平行的平面围成的透明物体，用以分光或使光束发生色散。棱镜是透明材料(如玻璃、水晶等)做成的多面体，在光学仪器中应用很广。棱镜按其性质和用途可分为若干种。例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的“色散棱镜”，较常用的是等边三棱镜。棱镜中常涉及一个常数概念，即棱镜常数：光在反射棱镜中传播所用的超量时间会使所测距离增大某一数值，也就是说光在玻璃中的传播速度要比空气中慢，通常我们称这增大的数值为棱镜常数。在利用反射棱镜(或者反射片)作为反射物进行测距时，反射棱镜接收全站仪发出的光信号，并将其反射回去。全站仪发出光信号，并接收从反射棱镜反射回来的光信号，计算光信号的相位移等，从而间接求得光通过的时间，最后测出全站仪到反射棱镜的距离。
33.结合图4，101为三棱镜，材质可以为玻璃，树脂等材料，或以角度的方式替代，102是反射型全息光学元件，103为透射型全息光学元件，104为三棱镜，材质可以为玻璃，树脂等材料，或以角度的方式替代。光源105出射第一光106到第一全息光学元件102上；第一全息光学元件102对第一光106进行扩束以形成第一衍射光107，并将第一衍射光107反射向第二全息光学元件103；第二全息光学元件103对第一衍射光107进行扩束以形成第二衍射光108，并将第二衍射光108以特定角度透射向光调制装置109。光束经过三棱镜101，在反射型全息光学元件102表面一次扩束后，在反射型全息光学元件102发生衍射，衍射光照射到透
射型全息光学元件103，在透射型全息光学元件103表面发生二次扩束，在透射型全息光学元件103发生衍射，衍射光以特定设计角度入射光调制装置，使光调制装置的衍射效率最高。在一些具体的实施例中，第二衍射光可以以光调制装置的2倍翻转角角度射入光调制装置。其中，光调制装置可以是dmd。
34.结合图5，101为三棱镜，材质可以为玻璃，树脂等材料，或以角度的方式替代，102为反射型全息光学元件，103为反射型全息光学元件，104为三棱镜，材质可以为玻璃，树脂等材料，或以角度的方式替代。光源105出射第一光106到第一全息光学元件102上；第一全息光学元件102对第一光106进行扩束以形成第一衍射光107，并将第一衍射光107反射向第二全息光学元件103；第二全息光学元件103对第一衍射光107进行扩束以形成第二衍射光108，并将第二衍射光108以特定角度反射向光调制装置109。光束经过三棱镜101，在反射型全息光学元件102表面一次扩束后，在反射型全息光学元件102发生衍射，衍射光照射到反射型全息光学元件103，在反射型全息光学元件103表面发生二次扩束，在反射型全息光学元件103发生衍射，衍射光以特定设计角度入射光调制装置，使光调制装置的衍射效率最高。在一些具体的实施例中，第二衍射光可以以光调制装置的2倍翻转角角度射入光调制装置。其中，光调制装置可以是dmd。
35.结合图6，101为三棱镜，材质可以为玻璃，树脂等材料，或以角度的方式替代，102为透射型全息光学元件，103为透射型全息光学元件，104为三棱镜，材质可以为玻璃，树脂等材料，或以角度的方式替代。光源105出射第一光106到第一全息光学元件102上；第一全息光学元件102对第一光106进行扩束以形成第一衍射光107，并将第一衍射光107透射向第二全息光学元件103；第二全息光学元件103对第一衍射光107进行扩束以形成第二衍射光108，并将第二衍射光108以特定角度透射向光调制装置109。光束经过三棱镜101，在透射型全息光学元件102表面一次扩束后，在透射型全息光学元件102发生衍射，衍射光照射到透射型全息光学元件103，在透射型全息光学元件103表面发生二次扩束，在透射型全息光学元件103发生衍射，衍射光以特定设计角度入射光调制装置，使光调制装置的衍射效率最高。在一些具体的实施例中，第二衍射光可以以光调制装置的2倍翻转角角度射入光调制装置。其中，光调制装置可以是dmd。
36.结合图7，101为三棱镜，材质可以为玻璃，树脂等材料，或以角度的方式替代，102为透射型全息光学元件，103为反射型全息光学元件，104为三棱镜，材质可以为玻璃，树脂等材料，或以角度的方式替代。光源105出射第一光106到第一全息光学元件102上；第一全息光学元件102对第一光106进行扩束以形成第一衍射光107，并将第一衍射光107透射向第二全息光学元件103；第二全息光学元件103对第一衍射光107进行扩束以形成第二衍射光108，并将第二衍射光108以特定角度反射向光调制装置109。光束经过三棱镜101，在透射型全息光学元件102表面一次扩束后，在透射型全息光学元件102发生衍射，衍射光照射到反射型全息光学元件103，在反射型全息光学元件103表面发生二次扩束，在反射型全息光学元件103发生衍射，衍射光以特定设计角度入射光调制装置，使光调制装置的衍射效率最高。在一些具体的实施例中，第二衍射光可以以光调制装置的2倍翻转角角度射入光调制装置。其中，光调制装置可以是dmd。
37.此外，本技术还提供了一种头戴显示设备，头戴显示设备包括镜头以及上述的光源装置；镜头对应光源装置设置，并用于使光源装置射出的图像光在预定位置处成像重合。
38.需要说明的是，本技术实施例中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
39.此外，本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、内、外
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
40.需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个器件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
41.以上所述仅为本实用新型的部分实施例，并非因此限制本实用新型的保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。