一种基于衍射光学元件的动态显示系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于衍射光学元件的动态显示系统及方法，包括图像源、衍射光学元件和衍射面；所述的图像源用于加载动态的二维基元图像，所述的衍射光学元件用于对图像源产生的二维基元图像进行整形，衍射成像到衍射面上，形成动态输出显示；所述的衍射光学元件划分为若干分块区域，该分块区域与衍射面的像素区域一一对应，衍射光学元件的每一分块单独成像在衍射面的某一像素区域，所有分块区域组合作用于整个衍射面。本发明克服了现有的基于标量衍射理论设计的衍射光学元件只能产生单一特定图案，衍射光学元件的相位分布一经确定，其衍射面的图案也随之确定的缺点。
【专利说明】-种基于衍射光学元件的动态显示系统及方法 技术领域 本发明属于光学器件领域，特别设及一种基于衍射光学元件的动态显示系统及方法， 具体说是利用标量衍射理论设及衍射光学元件W实现动态显示。 【背景技术】 衍射光学技术是指:基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成电 路制作工艺，在基片上或传统光学元件表面上刻蚀生成多级台阶状的浮雕结构，形成纯相 位衍射元件的技术。 衍射光学元件具有高衍射效率、独特的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选 择性、体积小、重量轻、易复制、易于实现多功能及多功能集成，对满足AR系统体积小、重量 轻、成像质量高的要求起到了巨大的促进作用。 衍射光学元件设计时，要参考现有的衍射光学元件的理论模型，主要有光线模型、标量 模型和矢量模型。其中光线模型包括全息模型一一进行成像光线的光线追迹，无穷大折射 率模型一一多用于像差计算和结构设计。标量模型能够较容易地分析包括相位量化离散后 的任意衍射光学元件后的光场分布和衍射效率，且能对此分布有效地进行相位优化设计， 其优化算法主要包括迭代算法(GS算法、YG算法）、捜索算法(模拟退火、遗传算法)和局部捜 索。矢量模型最严格，用于处理光栅结构的衍射分析已较为成熟，但用于处理任意形状相位 分布的衍射光学元件就比较困难，且难W进行衍射光学元件的优化设计，矢量计算方法主 要包括积分法(有限元法、扩展边界法)和微分法(禪合波方法、模式法、坐标变换法）。目前 常用的方法有GS算法，此方法编程容易，易实现特定图案的输出，缺点是跳跃太大，不易制 作;还有禪合波法和抑TD方法，在微结构领域有很大的使用量。 衍射光学元件具有独特的负色散特点。在光学系统中引入衍射面，用折/衍单透镜代替 用于消色差的双胶合透镜，可大大的降低系统的重量，运就是折/衍射光学设计，具体过程 选择光学系统中一面为衍射面，给出衍射面的相位分布表达式，用zemax等光学软件进行优 化设计，确定相位表达式中各系数的值，根据衍射面具体的相位分布，事先确定的台阶数 (如八台阶、十六台阶），再对衍射面进行量化处理，得出衍射面的具体结构，最后对衍射光 学元件进行刻蚀和加工。折/衍射光学设计的优点是成像质量接近衍射极限，具有很高的分 辨率，且对更高分辨率的像源也有很好的成像质量。但折/衍射光学设计还只是基于折射光 学基础之上提高成像质量，适当减少透镜个数，并没有发挥出衍射光学元件的强大性能。 现有的基于标量衍射理论设计的衍射光学元件只能产生单一特定图案，衍射光学元件 的相位分布一经确定，其衍射面的图案也随之确定，此设计的衍射光学元件并不能实现动 态显示。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于衍射光学元件的动态显示系统及方法， 避免了现有的衍射光学元件只能产生单一特定图案，衍射光学元件的相位分布一经确定， 其衍射面的图案也随之确定的缺点。 本发明所采用的具体技术方案如下： 一种基于衍射光学元件的动态显示系统，其特征在于，包括图像源、衍射光学元件和衍 射面； 所述的图像源用于加载动态的二维基元图像， 所述的衍射光学元件用于对图像源产生的二维基元图像进行整形，衍射成像到衍射面 上，形成动态输出显示； 所述的衍射光学元件划分为若干分块区域，该分块区域与衍射面的像素区域一一对 应，衍射光学元件的每一分块单独成像在衍射面的某一像素区域，所有分块区域组合作用 于整个衍射面。 本发明中，衍射光学元件可对多波长光源进行相位整形，得到针对不同波长在相同面 成不同像及在相同面成相同像，能实现动态彩色显示。另外，衍射面的位置根据衍射积分公 式确定其范围，在设计衍射光学元件的相位分布中具体确定，一经确定，在一定衍射范围内 成像效果满足要求，超过一定衍射范围成像效果变差。 其中，所述的图像源包括至少一个单色的光源和位于所述光源的光轴向并显示所述二 维基元图像的液晶面板。 在本发明中，图像源包括显示图像的LCD和为图像源提供光源的LD(Semiconductor Laser Diode)光源，确定图像源所发光的强度分布函数，图像源与衍射光学元件的距离很 小，W免光束发散，作用到衍射光学元件其他分块区域。其中，LD光源发出不同颜色的光线 对相应的LCD进行照明，光线颜色的数量应不少于一种，例如红光、绿光或蓝光，可仅适用单 色光。 进一步优选使用红、绿、蓝=色光线，对应设置红色LD光源、绿色LD光源和蓝色LD光源。 各单色光源分别对应一个液晶面板，由各液晶面板出射的光束同轴进入所述的衍射光学元 件。 作为优选的，所述的光源和液晶面板之间设置有准直透镜。图像源需紧靠衍射光学元 件，防止光束发散影响衍射光学元件其他分块区域，为防止发散可用准直透镜对光源进行 准直，准直光经过LCOS后再入射到衍射光学元件上。 在本发明中，衍射系统采用离轴或同轴设计，即所述的衍射面位于所述衍射光学元件 的透射方向或反射方向。 采用离轴设计，倾斜光源及衍射光学元件的位置，使两者不平行，减小系统体积，便于 观察;进一步的，利用可拓展观察范围的反射式衍射光学元件实现离轴；另外，可W采用倾 斜式衍射光学元件，对衍射光学元件分块倾斜设计，使衍射面与衍射光学元件所在平面倾 斜，在配合离轴与反射式衍射光学元件，拓展观察范围。 作为优选的，所述衍射光学元件的光束出射面设置有用于扩大衍射场的透镜。也就是 说，可W在衍射光学元件后加上凸透镜或凹透镜，增大衍射面上的有效衍射尺寸，可W提高 此衍射系统的成像放大率。 本发明还提供了一种利用单一衍射光学元件的动态显示方法，采用至少一束颜色不同 的光线对相应的经过编码的LCD(Liquid化ys化1 Display)图像源进行照明，产生的二维 基元图像通过衍射光学元件在衍射面上产生放大的实像，改变LCD的编码，衍射面上的图像 也随之改变，W达到动态显示的效果。 其中对衍射光学元件进行分块设计并拼接，衍射光学元件的分块区域与衍射面的像素 区域一一对应，衍射光学元件的每一分块单独成像在衍射面的某一像素区域，所有分块区 域组合作用于整个衍射面。 本发明的显示系统，衍射光学元件的分块区域与衍射面的像素区域一一对应，而对应 关系可W根据需求改变，如分块区域在衍射光学元件中的相对位置与其所作用的衍射面的 像素区域的相对位置相同，此时入射图像与衍射图像相同；如两者对应顺序不相同，此时入 射图像与衍射图像不同。由此可运用入射图样与衍射图样不同来实现信息加密传输。 本发明中，所述衍射光学元件的相位分布，是根据输入光源、所设计的分辨率、台阶数、 期望的衍射场光强分布、衍射距离和衍射光学元件采样间隔确定的，用设计算法根据W上 要求确定衍射光学元件的具体相位分布，一经确定，其光源不可变。 图像源的图像分辨率根据衍射光学元件的设计分辨率大小一致，因衍射光学元件的设 计分辨率普遍比图像源的图像分辨率小很多，所W可W将图像源的多个像素点组合成一个 像素点与衍射光学元件的分辨率大小相匹配。 衍射光学元件的相位分布要根据台阶数的大小进行设计，如2台阶、4台阶、8台阶和16 台阶，台阶数越大成像效果越好加工精度要求越高，台阶数越小成像效果相对变差但加工 相对容易，所W要根据设计要求合理选择台阶数大小。其中，单波长的衍射光学元件的设计 过程如下： 确定衍射光学元件分块区域宽度为LI,采样点的个数NXN，分辨率大小MXM，台阶数t， 衍射距离d; 根据分块区域尺寸和采样点个数得采样区域宽度为dxl，其中dxl = Ll/N; 由标量衍射理论模型的适用范围得dxl^lOA，其中A为设计波长，由菲涅尔衍射积分的 快速傅里叶变换及香农取样定理得dxr2《AXd/N; 由菲涅尔衍射积分的快速傅里叶变换得衍射面的宽度L2 = AXd/dxl，衍射面的采样点 个数同衍射光学元件的分块区域采样个数相同。 由分辨率大小M和采样点个数N确定衍射光学元件每块成像于衍射面上的采样点个数 为N/M的正方形区域，此正方形区域外的光强值设计为零。 设定衍射光学元件分块区域的编号分别为(x，y)，其中x=l，2,3…M，y=l，2,3…M，将 衍射面也分为M个正方形区域，每个正方形区域占 INT(N/M)个像素点，其中INTO为取整函 数，将衍射面上每个正方形区域分别编号为(P，q)，P = l，2,3…M;q=l，2,3…M;其中（x，y) 与（p，q)--对应。 当X = P,y = q始终成立时，则输入图样与输出图样相同；当（x，y)与(p，q)的取值完全不 相干时，则输入图样与输出图样完全不同，且无规律可寻，此时可W用于信息的保密传输。 根据衍射光学元件分块区域的编号(x，y)进行衍射光学元件的拼接，拼接后确定一个 坐标系，相应的也确定了衍射面的坐标系。 在同一个坐标系中，根据第(x，y)块衍射光学元件及其所作用的衍射面的第(p，q)块区 域的坐标值，用GS算法进行迭代运算，并用台阶数t对相位分布进行量化取值，确定所有分 块的衍射光学元件的相位分布。 W上是单波长的衍射光学元件的设计过程，如要实现彩色显示的效果，就需进行红绿 蓝=波长的衍射光学元件的设计，=波长的衍射光学元件的设计过程如下： 确定=波长的衍射光学元件分块区域宽度为LI,采样点的个数NXN，分辨率大小MXM， 台阶数t，衍射距离d，S波长M的值，其中i = 1，2，3，其中Al <\2<入3; 根据分块区域尺寸和采样点个数得采样区域宽度为dxl，其中dxl = Ll/N; 由标量衍射理论模型的适用范围得dxl^lOM，其中M为设计波长，由菲涅尔衍射积分 的快速傅里叶变换及香农取样定理得Cbd2^M Xd/N; 由菲涅尔衍射积分的快速傅里叶变换得衍射面的宽度L2 = A1 XdAkl，其中对于波长 为M的衍射面采样点个数为Nl=N;波长为A2的衍射面采样点个数为N2 = N1XA1A2;波长 为A3的衍射面采样点个数为N3 = N1 XA1A3; 由分辨率大小M和采样点个数Ni确定衍射光学元件每块成像于衍射面上的采样点个数 为Ni/M的正方形区域，此正方形区域外的光强值设计为零； 设定衍射光学元件分块区域的编号分别为(x，y)，其中x=l，2,3…M;y=l，2,3…M;将 衍射面也分为M个正方形区域，每个正方形区域占 INT(Ni/M)个像素点，其中INTO为取整函 数，对应波长Al时，将衍射面上每个正方形区域分别编号为(Pl，ql)，对应于波长A2时，将衍 射面上每个正方形区域分别编号为(p2，q2)，对应于波长A3时，将衍射面上每个正方形区域 分别编号为(口3,93);口1 = 1，2,3。'1;91 = 1，2,3。'1;1 = 1，2,3，其中（义，7)与(口1，91)一一对 应。 当x = pi，y = qi始终成立时，则输入图样与输出图样相同；当（x，y)与(pi，qi)的取值完 全不相干时，则输入图样与输出图样完全不同，且无规律可寻，此时可W用于信息的保密传 输。 根据衍射光学元件分块区域的编号(x，y)进行衍射光学元件的拼接，拼接后确定一个 坐标系，相应的也确定了衍射面的坐标系。 在同一个坐标系中，当波长为Al第（x，y)块衍射光学元件及其所作用的衍射面的第 (Pl，ql)块区域的坐标值，用GS算法进行迭代运算，并用台阶数t对相位分布进行量化取值， 确定所有分块的衍射光学元件的相位分布u_l，在得出高度分布hi = u_l X Al/(231 X (nl- 1));同理得到波长为A2时，得到高度分布h2 = u_2XA2/仙X(n2-1))，波长为A3时，得到高 度分布h3 = u_3XA3/(23TX(n3-l))，其中nl为波长Al时，元件的折射率，n2为波长A2时，元 件的折射率，n3为波长A3时，元件的折射率。 接着确定每块衍射光学元件的高度分布，解下式的方程：
(1) 其中Zl、z2和z3为正整数，nl、n2和n3分别表示元件对波长为Al、A2和A3的折射率，S为 评价数值，通过改变S的值，使=波长的抽合累擲郁能化幸Il 一定要求。迭代计算出zl、z2和z3 的值，每块衍射光学元件的高度分布为
确定每块衍射光学元件的高度分布后，根据每块的编号(x，y)进行拼接，得出最终的衍 射光学元件的具体参数。 确定衍射光学元件的高度分布后，根据(x，y)与(p，q)的对应关系，进行信息编码，根据 输出图样反推得出输入图样，再由LCD显示输入图样，经过衍射光学元件后得到输出图样。 衍射光学元件的分块区域与衍射面的像素区域一一对应，而对应关系可W根据需求改 变，如分块区域在衍射光学元件中的相对位置与其所作用的衍射面的像素区域的相对位置 相同，此时入射图像与衍射图像相同；如两者对应顺序不相同，此时入射图像与衍射图像不 同。另外，衍射光学元件的分块区域与衍射面的像素区域的对应顺序不同时，入射图像与衍 射图像不同，可应用于保密领域，对对应关系进行编码，编码完成后由所要输出的衍射图案 逆推得到输入图案，而由输入图案无衍射光学元件的作用是无法得知衍射图案的，此技术 能信息保密。 本发明的动态显示系统可将波导与衍射光学元件结合，用于头盎显示领域。 本发明与现有技术相比的优点在于： (1) 本发明克服了现有的基于标量衍射理论设计的衍射光学元件只能产生单一特定图 案，衍射光学元件的相位分布一经确定，其衍射面的图案也随之确定的缺点，本发明是一种 基于衍射光学元件的动态显示技术。 (2) 本发明设计的基于衍射光学元件的动态显示系统，能实现信息的保密显示，拓宽了 衍射光学元件的应用。 【附图说明】 图1为本发明中动态显示系统的结构示意图； 图2为衍射光学元件分块区域与衍射面上分块区域的对应关系图； 图3为本发明中动态彩色显示系统的结构示意图； 图4为基于反射式衍射光学元件的动态显示系统的结构示意图； 图5为衍射面倾斜的衍射光学元件动态显示系统的结构示意图； 图6为结合凸透镜与衍射光学元件W扩大衍射场的动态显示系统的结构示意图； 图7为结合凹透镜与衍射光学元件W扩大衍射场的动态显示系统的结构示意图； 附图标记：1、图像源模块;2、透射式衍射光学元件;3、衍射面;4、LD光源;5、准直透镜； 6、LCD;7、衍射光学元件上某分块区域;8、衍射面上与衍射光学元件上分块区域相对位置相 同的分块区域;9、衍射面上与衍射光学元件上分块区域相对位置不同的分块区域;10、红光 LD光源；11、绿光LD光源；12、蓝光LD光源；13、反射镜；14、二向色镜；15、反射式衍射光学元 件;16、倾斜式衍射光学元件;17、凸透镜;18、凹透镜。 【具体实施方式】 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。 实施例1: 如图1所示，LD 4用于提供光源，经准直透镜5准直后，照射在LCD 6上，LCD 6用于加载 二维基元图像，二维基元图像经过衍射光学元件2后，衍射成像于衍射面3上，通过编码改变 液晶LCD 6的显示图样，使输入图样改变，进而改变衍射面3上的输出图样，达到动态显示的 效果。 本实施例中，单波长衍射光学元件2的设计过程如下： 步骤I:衍射光学元件设计波长为A = 500nm，分块区域宽度Ll = 2mm，采样点数为400X 400，分辨率大小为50 X 50，台阶数为t = 16台阶，此时设衍射光学元件的采样区域宽度dxl = 5um，衍射光学元件每块成像于衍射面的采样点个数为8X8的正方形区域，此正方形区域 外的设计光强为零，如使成像放大倍率也为8,则此时的衍射距离为d = 8m; 步骤2:确定衍射光学元件分块区域的编号(x，y)与衍射面上每个正方形区域编号(P, q)的 对应关系，用两个矩阵Q和P表不两者关系； 步骤3:根据衍射光学元件分块区域的编号(x，y)进行衍射光学元件的拼接，拼接后确 定一个坐标系，相应的也确定了衍射面的坐标系. 步骤4:根据矩阵Q和矩阵P，分别得出衍射光学元件分块区域编号(x，y)的衍射面的振 幅分布； 步骤5:用GS迭代算法计算出50X50块的衍射光学元件的相位分布，并对相位进行16台 阶的量化，得出每块衍射光学元件量化后的相位分布； 步骤6:根据衍射光学元件分块区域编号(x，y)对总体衍射光学元件进行拼接，得出最 终的衍射光学元件的相位分布。 如图2所示，当衍射光学元件上某分块区域7与衍射面上的相对位置分块区域8(与衍射 光学元件上分块区域7相对位置相同）一一对应时，即X = P, y = q始终成立时，则输入图样与 输出图样相同；当衍射光学元件上某分块区域7与衍射面上的分块区域9(与衍射光学元件 上分块区域7相对位置不同）一一对应时，即（x，y)与（p，q)的取值完全不相干时，则输入图 样与输出图样完全不同，且无规律可寻，此时可W用于信息的保密传输。 实施例2: 如图3所示，是一种基于衍射光学元件的动态彩色显示系统的结构示意图，红光LD 10、 绿光LD 11与蓝光LD12分别用于提供红绿蓝S色光源，分别经准直透镜5准直后，照射在LCD 6上，LCD 6用于加载二维基元图像，红光二维基元图像经过反射镜13反射和两个二向色镜 14透射，照射在衍射光学元件2上，衍射成像于衍射面3上，形成红色的衍射图案;绿光二维 基元图像经过一个二向色镜14反射和一个二向色镜14透射，照射在衍射光学元件2上，衍射 成像于衍射面3上，形成绿色的衍射图案；蓝光二维基元图像经过一个二向色镜14反射，照 射在衍射光学元件2上，衍射成像于衍射面3上，形成蓝色的衍射图案，通过编码改变液晶 LCD 6的显示图样，使红绿蓝S色输入图样改变，进而改变衍射面3上的红绿蓝S色输出图 样，达到彩色动态显示的效果。 本实施例中，红绿蓝=波长的衍射光学元件2的设计过程如下： 步骤1:红绿蓝衍射光学元件设计波长为M = 473皿、A2 = 532皿和A3 = 635皿，分块区域 宽度Ll = 2mm，采样点数为250 X 250，分辨率大小为25 X 25，台阶数为t = 16台阶，此时设衍 射光学元件的采样区域宽度dxl = 8um，则此时的衍射距离为d = 8m，每块衍射光学元件中红 光成像于衍射面的采样点个数为7X7的正方形区域，绿光成像于衍射面的采样点个数为9 X 9的正方形区域，蓝光成像于衍射面的采样点个数为10 X 10的正方形区域； 步骤2:如实例1中的单波长衍射光学元件2的设计过程中的步骤2~步骤5，分别对红绿 蓝=色激光做迭代运算，得出每块衍射光学元件对应红绿蓝=色量化后的相位分布，其中 蓝光的衍射光学元件的相位分布为u_l，绿光的衍射光学元件相位分布为u_2,红光的衍射 光学元件的相位分布为11_3; 步骤3:得出蓝光的衍射光学元件的高度分布hl = u_lXAl/(23iX(nl-l));同理得到波 长为^时，得到高度分布h2 = u_2 X A2/(231 X (n2-l))，波长为A3时，得到高度分布h3 = u_3 XA3/(化X(n3-1))，接着确定每块衍射光学元件的高度分布，解下式的方程：
其中zl、z2和z3为正整数，nl、n2和n3分别表示元件对波长为A1、A2和A3的折射率。S为 评价数值，通过改变S的值，使=波长的抽合累擲郁能化幸Il 一巧要求。迭代计算出zl、z2和z3 的值，每块衍射光学元件的高度分布女
[0067]步骤4:根据衍射光学元件分块区域编号(x，y)对总体衍射光学元件进行拼接，得 出最终的衍射光学元件的高度分布。 实施例3: 为拓宽衍射光学元件的应用范围，采用离轴的衍射光学元件设计，如图4所示，激光光 源LD 4、准直透镜5和液晶LCD6与反射式衍射光学元件15的光轴不重合，输入图样经过衍射 光学元件15衍射成像于衍射面上，此离轴设计使此显示系统的尺寸减小，为应用于可穿戴 设备中提供了思路;如图5所示也可使用倾斜式衍射光学元件，直接使衍射面倾斜，充分利 用了衍射光学元件对任性光束进行整形的优点。 实施例4: 为扩大此系统的成像放大倍率，可W采用在衍射光学元件2后加上透镜的方案，如图6 所示，在衍射光学元件2后加上凸透镜17,如图7所示在衍射光学元件2后加上凹透镜18,此 两方案均能有效扩大衍射场的尺寸，达到增大系统成像放大倍率的目的。 W上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进 行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改 或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范 围当中。
【主权项】
1. 一种基于衍射光学元件的动态显示系统，其特征在于，包括图像源、衍射光学元件和 衍射面； 所述的图像源用于加载动态的二维基元图像； 所述的衍射光学元件用于对图像源产生的二维基元图像进行整形，衍射成像到衍射面 上，形成动态输出显示； 所述的衍射光学元件划分为若干分块区域，该分块区域与衍射面的像素区域一一对 应，衍射光学元件的每一分块单独成像在衍射面的某一像素区域，所有分块区域组合作用 于整个衍射面。2. 如权利要求1所述的动态显示系统，其特征在于，所述的图像源包括至少一个单色的 光源和位于所述光源的光轴向并显示所述二维基元图像的液晶面板。3. 如权利要求2所述的动态显示系统，其特征在于，所述的光源为红色LD光源、绿色LD 光源和/或蓝色LD光源。4. 如权利要求2或3所述的动态显示系统，其特征在于，所述的光源和液晶面板之间设 置有准直透镜。5. 如权利要求3所述的动态显示系统，其特征在于，各单色光源分别对应一个液晶面 板，由各液晶面板出射的光束同轴进入所述的衍射光学元件。6. 如权利要求1~5任一项所述的动态显示系统，其特征在于，所述的衍射面位于所述 衍射光学元件的透射方向或反射方向。7. 如权利要求6所述的动态显示系统，其特征在于，所述的衍射光学元件为倾斜式衍射 光学元件。8. 如权利要求6所述的动态显示系统，其特征在于，所述的衍射光学元件为反射式衍射 光学元件。9. 如权利要求6所述的动态显示系统，其特征在于，所述衍射光学元件的光束出射面设 置有用于扩大衍射场的透镜。10. -种基于权利要求1~9任一项所述动态显示系统的动态显示方法，其特征在于，采 用至少一束颜色不同的光线对相应的经过编码的图像源进行照明，产生的二维基元图像通 过衍射光学元件在衍射面上产生放大的实像，改变图像源所显示的图像，衍射面上的图像 也随之改变，形成动态显示。
【文档编号】G02B27/42GK106019619SQ201610607594
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月26日
【发明人】郑臻荣, 袁飞, 刘思奇, 陈安秋, 刘静, 常胜倩, 周欣鑫, 朱林靖, 孙鹏, 谢婷, 张思曼, 李华烨
【申请人】浙江大学