本發明涉及三維增強現實顯示技術，更具體地，涉及一種復振幅調制全息超薄波導增強現實顯示系統及方法。

背景技術：

現有三維增強現實顯示系統一般是基于雙目視差，集成成像，復振幅調制等技術。

基于雙目視差原理的三維增強現實顯示系統，由大腦進行合成生成三維信號。其目前的裝置結構主要有兩大類，一類是基于自由曲面波導(或棱鏡)的三維增強現實顯示系統。

如中國專利申請CN104090330A、CN105629478，通過在光波導中引入自由曲面，完成光線的傳輸，以減少裝置體積和質量。也有通過在光波導中引入全息光學元件，以進一步實現系統結構的輕薄化，如美國專利US20140168735A1。

但是，基于雙目視差的的三維增強現實顯示系統需要通過人的大腦完成兩幅二維圖像的融合，由于視角圖像少，聚焦和調焦的不匹配，觀察時間過長會給觀察者帶來視疲勞和眩暈感。

基于集成成像的增強現實顯示系統通過在水平和垂直方向顯示多個視角圖像近似恢復顯示物體光場信息，解決了聚焦和調焦的不匹配的問題，但集成成像算法復雜，對系統要求高。

基于單目復振幅調制技術的真三維增強現實顯示系統，通過虛擬物體復振幅的準確再現，消除了聚焦和調焦的不匹配問題，且算法簡單，易實現實時處理顯示。

但是，為了實現復振幅的準確對準，在系統中不得不加入分束鏡等光學元件實現合束，增大了系統體積和質量。此外，對準精度難以控制。

技術實現要素：

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的體積小、結構簡單的復振幅調制全息超薄波導增強現實顯示系統以及應用該系統的調制方法。

根據本發明的一個方面，提供一種復振幅調制全息超薄波導增強現實顯示系統，其包括：位于波導基板兩側正相對的用于同時加載兩幅相位圖像的光調制器和用于調制耦合復振幅信號的第一衍射光學元件，所述波導基板另一端設置用于耦合輸出復振幅信號的第二衍射光學元件。

由于采用一臺光調制器同時加載兩幅相位圖像，極大的降低了復振幅信號對準過程的難度，極大的提高了產生復振幅信號的質量，同時，系統結構簡單，實現了三維增強現實顯示系統的輕薄化。

根據本發明的另一個方面，提供一種復振幅調制增強現實顯示的方法，其包括以下步驟：

S1、采用一臺光調制器同時加載兩幅相位圖像信號，該兩幅相位圖像信號調制入射光形成兩種不同相位分布的信號；

S2、將兩種相位分布的信號經過第一次調制耦合，產生復振幅信號E′e^iθ′；

S3、經第一次調制耦合后的復振幅信號E′e^iθ′在波導基板內經過一定距離的傳輸，經第二次調制耦合得到復振幅信號Ee^iθ，以輸出疊加于真實場景之上的虛擬圖像。

該方法有效的提高的復振幅信號的質量，減少了產生復振幅信號所需的光學元件，大幅減小了系統的體積，增強了三維增強現實顯示的效果。

本申請提出的一種復振幅調制全息超薄波導增強現實顯示系統及方法，其有益效果主要如下：

(1)由一臺光調制器同時加載兩幅相位圖像，能夠有效的提高產生的復振幅信號的質量，實現三維增強現實顯示系統的超薄化；

(2)第一衍射光學元件和第二衍射光學元件均采用全息光學元件，進一步促進三維增強現實顯示系統的超薄特征；

(3)通過所要得到的三維物體的復振幅信號反推光調制器加載的兩幅相位圖像的相位，以精確控制產生的復振幅信號；

(4)入射到第一衍射光學元件上不同的曝光區域的相位圖像信號的光線，采用不同的調制處理過程，實現復振幅信號的精確對準，形成復振幅信號；

(5)復振幅信號在波導基體中以全內反射的方式傳輸，有效減少復振幅信號傳輸過程中的損失。

附圖說明

圖1為根據本發明實施例的一種復振幅調制全息超薄波導增強現實顯示系統的結構示意圖；

圖2為根據本發明實施例的一種復振幅調制全息超薄波導增強現實顯示系統的結構示意圖；

圖3為根據本發明實施例的一種復振幅調制全息超薄波導增強現實顯示系統的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

參見圖1所示，一種復振幅調制全息超薄波導增強現實顯示系統，包括波導基板3，波導基板3的兩側分別設置有光調制器1和第一衍射光學元件2，光調制器1與第一衍射光學元件2正相對的設置在波導基板3的兩側。

光調制器1用于同時加載兩幅相位圖像。在目前的三維增強現實顯示技術領域，對由兩幅相位圖像產生的信號進行調制時，需要采用兩臺光調制器1。采用兩臺光調制器1產生復振幅信號時，由于兩臺光調制器1上的相位圖像難以達到完全對準，這種差別對于重現的復振幅信號質量影響非常明顯。同時，采用兩臺光調制器1產生復振幅信號，增加了三維增強現實顯示系統的體積，難以實現三維增強現實顯示系統的輕薄化。

在波導基板3的另一端設置有第二衍射光學元件4。第二衍射光學元件4緊靠波導基板3，并且位于第一衍射光學元件2所在位置的同一側或其相對側。

由第一衍射光學元件2調制耦合得到的復振幅信號E′e^iθ′在波導基板3中傳輸至第二衍射光學元件4，第二衍射光學元件4將該復振幅信號輸出，以便于人眼觀察。

參見圖2所示，光調制器1設置有第一像素區域101和第二像素區域102，用于同時加載兩幅相位圖像。將光調制器1的圖像加載區域分為兩個區域，以加載不同的相位圖像。光調制器1的兩個相位圖像加載區域相對于波導基板3的位置相同，在調制復振幅信號的同時，避免了采用兩臺光調制器1加載相位圖像時，相位圖像加載區域與波導基板3的相對位置的不同而導致的不利影響。

第一衍射光學元件2采用全息光學元件。全息光學元件質量輕，十分輕薄，有利于三維增強現實顯示系統的超薄化。

參見圖3所示，第一衍射光學元件2設置有單次曝光區域201和二次曝光區域202。單次曝光區域201與第一像素區域101對應設置，二次曝光區域202與第二像素區域102對應設置，并且，二次曝光區域202位于第一曝光區域201與第二衍射光學元件4之間。

加載在光調制器1的第一像素區域101的光線，經光調制器1調制后，經由波導基板3，入射到第一衍射光學元件2的單次曝光區域201。入射到單次曝光區域201的光線經單次曝光區域201調制后，在波導基板3內傳輸。

入射到光調制器1的第二像素區域102的光線，經光調制器1調制后，經由波導基板3，入射到第一衍射光學元件2的二次曝光區域202。入射到二次曝光區域202的光線經二次曝光區域202調制后，在波導基板3內傳輸。

第一像素區域101到二次曝光區域202的光路距離，比第二像素區域102到二次曝光區域202的光路距離要遠。經單次曝光區域201調制后的光線以一定角度進入波導基板3內傳輸，并向二次曝光區域202的方向傳輸。此時，經二次曝光區域202調制后的光線與波導基板3中傳輸過來的經單次曝光區域201調制的光線重合，完成合束對準，形成復振幅信號E′e^iθ′在波導基板3中傳輸。

經第一衍射光學元件調制耦合的復振幅信號E′e^iθ′在波導基板3內傳輸至第二衍射光學元件4，第二衍射光線元件4將傳輸后的復振幅信號調制耦合后輸出。第二衍射光學元件4采用全息光學元件。全息光學元件質量輕，十分輕薄，有利于三維增強現實顯示系統的超薄化。

一種復振幅調制增強現實顯示的方法，包括以下步驟：

S1、采用一臺光調制器1同時加載兩幅相位圖像信號，該兩幅相位圖像信號調制入射光形成兩種不同相位分布的信號；

S2、將兩種相位分布的信號經過第一次調制耦合，產生復振幅信號E′e^iθ′；

S3、經第一次調制耦合后的復振幅信號E′e^iθ′在波導基板3內經過一定距離的傳輸，經第二次調制耦合得到復振幅信號Ee^iθ，以輸出疊加于真實場景之上的虛擬圖像。

采用一臺光調制器1同時加載兩幅相位圖像，不僅能夠有效的減小三維增強現實顯示系統的體積，實現三維增強現實顯示系統的輕薄化，還能夠降低復振幅調制過程的難度，提高所產生的復振幅信號的質量，避免了因兩幅相位圖像的對準誤差影響再現物體的對比度和清晰度。

由光調制器1同時加載的兩幅相位圖像信號經過兩次調制耦合后輸出，以實現三維增強現實顯示，調制方法簡單、易于控制。

上述步驟S1中，采用一臺光調制器1同時加載兩幅相位圖像信號的具體方法為：第一相位圖像加載在光調制器1的第一像素區域101，第二相位圖像加載在光調制器1的第二像素區域102。

照射兩幅相位圖像的光線分別入射到光調制器1的不同的像素區域，第一相位圖像由第一像素區域101加載，第二相位圖像由第二像素區域102加載，實現一臺光調制器1同時加載兩幅相位圖像，相互之間不會產生干擾。

上述步驟S1中，將該兩幅相位圖像信號調制形成兩種不同相位分布的信號的具體方法為：

S11、將所要產生的復振幅信號Ee^iθ分解成兩幅相位圖像信號的疊加公式；

S12、對疊加公式計算得到兩幅相位圖像信號的相位分布θ₁和θ₂；

S13、入射到光調制器1的第一像素區域101的光，經第一相位圖像調制后，形成θ₁的相位分布，入射到光調制器1的第二像素區域102的光，經第二相位圖像調制后，形成θ₂的相位分布。

通過所要得到的復振幅信號Ee^iθ反推入射到第一衍射光學元件2的復振幅分布，并進一步反推得到光調制器1上的相位分布。入射到光調制器1上的光經光調制器1上的相位圖像信號調制后，光線按設定的相位分布入射到第一衍射光學元件2，以準確控制復振幅信號的相位和振幅。

步驟S2中，將兩種不同相位分布的信號經過第一次調制耦合，產生復振幅信號E′e^iθ′具體方法為：

S21、具有θ₁相位分布的光線入射位于波導基板3另一側的第一衍射光學元件2的單次曝光區域201，經單次曝光區域201調制后形成第一信號，在波導基板3內傳輸；

S22、具有θ₂相位分布的光線入射位于波導基板3另一側的第一衍射光學元件2的二次曝光區域202，經調制后形成第二信號；

S23、經二次曝光區域202調制的第二信號與經單次曝光區域201調制、在波導基板3內傳輸的第一信號在二次曝光區域202重合，完成合束對準，形成復振幅信號E′e^iθ′。

加載在光調制器1的第一像素區域101的光線，經光調制器1調制后，以θ₁的相位分布，經由波導基板3，入射到第一衍射光學元件2的單次曝光區域201。入射到單次曝光區域201的光線經單次曝光區域201調制后，在波導基板3內傳輸。

入射到光調制器1的第二像素區域102的光線，經光調制器1調制后，經由波導基板3，入射到第一衍射光學元件2的二次曝光區域202。入射到二次曝光區域202的光線經二次曝光區域202調制后，在波導基板3內傳輸。

第一像素區域101到二次曝光區域202的光路距離，比第二像素區域102到二次曝光區域202的光路距離要遠。經單次曝光區域201調制后的光線以一定角度進入波導基板3內傳輸，并向二次曝光區域202的方向傳輸。此時，經二次曝光區域202調制后的光線與波導基板3中傳輸過來的經單次曝光區域201調制的光線重合，完成合束對準，形成復振幅信號E′e^iθ′在波導基板3中傳輸。

經第一衍射光學元件2第一次調制耦合的復振幅信號E′e^iθ′在波導基板3內傳輸至第二衍射光學元件4，該復振幅信號E′e^iθ′在波導基板3內以全內反射的方式傳輸，并且，其傳輸角度滿足以下條件：

其中，為復振幅信號傳播角度，為全內反射的臨界角，n為波導基板3的材料的折射率。

復振幅信號E′e^iθ′在波導基板3內以全內反射的方式進行傳輸，有效的降低了復振幅信號E′e^iθ′在波導基板3內傳輸時的損耗，以增強傳輸至第二衍射光學元件4的復振幅信號的強度，有效的增強三維增強現實顯示的信號強度和質量。

傳輸至經過單次曝光處理的第二衍射光學元件4的復振幅信號經第二衍射光學元件4第二次調制耦合后，得到復振幅信號Ee^iθ，由第二衍射光學元件4輸出疊加于真實場景之上的虛擬圖像。輸出的信號立體感好，能夠真實再現三維物體的復振幅波前。

復振幅信號Ee^iθ由經光調制器1和第一衍射光學元件2調制耦合得到的復振幅波前E′e^iθ′經過一定距離的衍射傳播而得到。步驟S11中，將所要產生的復振幅信號Ee^iθ分解成兩幅相位圖像信號的疊加公式，根據復振幅調制技術產生物體復振幅的原理，E′e^iθ′可以分解成兩幅純相位圖像的疊加，即：

Ee^iθ＝FrT_λ,d{E′e^iθ′} (2)

其中，E為復振幅信號的振幅，為虛數單位，θ為復振幅信號的相位，FrT為菲涅爾變換運算符，λ為光波長，d為加載的相位圖像的衍射距離，E′、θ′分別為兩幅純相位圖像疊加后的信號的振幅和相位。

由于第一像素區域101到二次曝光區域202的光路距離，比第二像素區域102到二次曝光區域202的光路距離要遠，為了得到復振幅信號，實現兩幅相位圖像的光線的合束對準，兩幅相位圖像的光線在波導基板3內的傳輸需要滿足一定的條件，即，兩幅相位圖像的光線合束后形成的復振幅波前E′e^iθ′是經光調制器1調制后的兩幅相位圖像的光線的疊加，采用函數關系表示為方程式(3)：

其中，FrT為菲涅爾變換運算符，λ為光波長，d₁為第一相位圖像的衍射距離，d₂為第二相位圖像的衍射距離，θ₁為第一相位圖像的相位，θ₂為第二相位圖像的相位，為虛數單位。

步驟S12中，對疊加公式計算得到兩幅相位圖像信號的相位分布θ₁和θ₂的具體方法為，求解方程式(3)，分別令方程式(3)兩邊的振幅和相位相等，得到關于θ₁、θ₂的方程組：

其中，Amp、Pha分別為取振幅、取相位操作，f₁為復振幅信號E′e^iθ′的振幅關于θ₁和θ₂的函數表達式，f₂為復振幅信號E′e^iθ′的相位關于θ₁和θ₂的函數表達式。

根據方程式(4)即可計算得到第一相位圖像的相位θ₁和第二相位圖像的相位θ₂：

其中，g₁、g₂分別為θ₁、θ₂的解表達式。

由所要得到的復振幅信號Ee^iθ的振幅和相位，反推加載的兩幅相位圖像的光線進入波導基板3中的相位分布，以準確控制復振幅信號的振幅和相位分布。處理的計算量小，處理速度快。

用于第一次調制耦合的第一衍射光學元件2的單次曝光區域201和二次曝光區域202分別經過不同的曝光處理。單次曝光區域201經過一次曝光處理，以實現調制功能；二次曝光區域202經過兩次曝光處理，以實現調制合束功能。

步驟S21中，單次曝光區域201采用單次曝光處理時，其單次曝光參考光和物光的波矢角度為β₁：

式中，為復振幅信號在波導基板中的傳播角度。

步驟S22中，二次曝光區域202采用兩次曝光處理時，其兩次曝光中，參考光和物光的波矢角度不同，第一次曝光角度與單次曝光區域201的曝光角度相同，為β₁：

式中，為復振幅信號在波導基板中的傳播角度。

二次曝光區域202的第二曝光角度為β₂：

式中，為復振幅信號在波導基板中的傳播角度。步驟S3中，用于第二次調制耦合的第二衍射光學元件4經過單次曝光處理，以實現反射功能，其單次曝光參考光和物光的波矢角度與第一衍射光學元件2單次曝光區域201和二次曝光區域202的第一次曝光處理時的曝光角度相同，為β₁：

式中，為復振幅信號在波導基板3內的傳播角度。

本發明的一種復振幅調制全息超薄波導增強現實顯示系統，包括位于波導基板3兩側正相對的光調制器1和第一衍射光學元件2，以及設置于波導基板3另一端、與第一衍射光學元件2處于同側/相對側的第二衍射光學元件4。

由于采用一臺光調制器1同時加載兩幅相位圖像，極大的降低了復振幅信號調制過程的難度，提高了產生復振幅信號的質量，同時，實現了三維增強現實顯示系統的輕薄化。

本發明的一種復振幅調制增強現實顯示的方法，通過在一臺光調制器1上同時加載具有不同相位的兩幅相位圖像，入射到該兩幅相位圖像的光線經光調制器1調制后由第一衍射光學元件2不同的曝光區域分別經第一次調制耦合后，形成復振幅波前E′e^iθ′，在波導基板3內以全內反射的方式傳輸至第二衍射光學元件4，經由第二衍射光學元件4第二次調制耦合后形成復振幅信號Ee^iθ輸出，并輸出疊加于真實場景之上的虛擬圖像。

該方法有效的降低了復振幅調制中兩幅相位圖像的對準難度，提高了再現復振幅信號的質量，極大地減小了復振幅調制技術三維增強現實系統的尺寸，增強了三維增強現實顯示的效果。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。