具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种光学系统，包括：空间光调制器和光源。空间光调制器在未施加调制信号时，光源照射空间光调制器后输出的光在观测系统上形成一个具有预设宽度的光斑或光斑阵列。空间光调制器在施加调制信号后，光源照射空间光调制器后输出的被调制的光在观测系统上形成所需调制的图像。通过控制系统输出调制信号控制空间光调制器来调制光源发出的光。

施加调制信号时，光源照射空间光调制器输出的光被调制成在观测系统中形成图像。或者，光源照射空间光调制器输出的光被调制成与观测系统具有距离的虚像或实像，距离能够被不同的调制信号所改变。未施加调制信号时，光源照射空间光调制器输出的光在波导器件的入瞳表面为非平行光或者是无法在观测系统聚焦的光。光学系统还包括透镜、反射镜、棱镜、半透半反镜、二向色镜、偏振片、玻片、滤波片、光阑的至少其中之一。未施加调制信号时，光源照射空间光调制器后输出的光在光学系统内某一位置聚焦成一个或多个点，光阑在设置在该位置上，并在一个或多个点的位置制备不透光或反光材料，将光汇聚成的一个或多个点吸收或反射出成像光路，而其余位置的光(光阑上焦点之外的光)则可以透过光阑继续传播。

观测系统可以为人眼，包含晶状体、瞳孔和视网膜(或者CCD、CMOS等等效光学器件或者是camera等设备)，所述光斑或像(像素点)成在视网膜上。

未施加调制信号时，光源照射空间光调制器后输出的光在光学系统内一位置聚焦成一个或多个点，光阑在设置在位置上，并在一个或多个点的位置制备不透光或反光材料，将光汇聚成的一个或多个点吸收或反射出成像光路。未施加调制信号时，光源照射空间光调制器输出的光在波导器件的入瞳表面为非平行光。

施加调制信号时，光源照射空间光调制器输出的光被调制成与观测系统具有距离的虚像或实像，距离能够被不同的调制信号所改变。施加调制信号时，光源照射空间光调制器输出的光被调制成图像，同一图像中包含有与观测系统具有不同距离的子图像，不同距离能够被不同的调制信号所改变。

实施例1

一种穿戴式显示系统/设备，包括空间光调制器，波导(光栅波导或阵列波导)，控制系统，以及透镜系统(如图1所示，控制系统未标出)。其中激光器LD采用80mw 520nm半导体激光器，光束从激光器出射后经扩束镜系统扩束成直径约10mm(50％from peakintensity)的接近平行光的光束照射到SLM上，SLM是采用ECB或VA封装的基于硅基液晶的反射式纯相位调制空间光调制器，其光调制的有效尺寸约12x7mm，长边成45°于入射光束设置，入射光束的有效孔径能够覆盖住整个有效调制区域。当未施加调制信号或SLM不能正常工作时，其作用类似于一块平面反射镜。接近平行光的入射光束经未工作的空间光调制器反射后输入一个近似4f系统的第一片/第一组镜片，被聚焦在其焦点f1附近，在聚焦位置设置一特殊光阑，将光束聚焦的亮点(0级亮点)遮蔽。所述光阑采用透明玻璃或塑料材质，在焦点位置制备有遮光材料(例如黑色涂料，或制备有类似镜面材料可将亮光反射)，在所述光阑的周边(有效图像区域之外)，也可以制备遮光材料，遮蔽其它杂光。其后设置4f系统的第二片透镜/第二组镜片，第二组镜片的后焦点与光阑位置错开(非标准4f系统)，并设置为使得位于光阑面的物点经过第二片透镜后聚焦在后续波导器件的入瞳面上或入瞳面附近(例如距离入瞳面20mm)。

当空间光调制器不能正常工作时，所述亮光将被光阑遮蔽。在极端情况下，激光器正常工作，空间光调制器损坏无法正常工作，同时光阑损坏或位置偏移，导致0级亮点无法被遮蔽，此时第二组透镜将会将此亮点再次聚焦在波导入瞳面上或附近。所述波导采用平行光入射模型设计(每一角度的平行光等效于无穷远的一个视场点，进入波导后被多次扩瞳，从输出后仍为平行光，被人眼聚焦在视网膜上成像)，入瞳面上的0级亮点等效于各个角度入射的不同视场点，且特定角度的光线经波导传输后还会被波导多次扩瞳出射，最终等效于一个亮点成为一系列的光斑，无法被观看者眼睛所聚焦，能量已大大分散，从而避免了单个超高亮点对人眼的损害。

当空间光调制器正常工作时，其模拟在空间光调制器前后一定距离的虚拟物体(图像)传播至空间光调制表面的光波前，上述物距使得所述光波前传播至第一片透镜/第一组透镜后将被聚焦到第二片透镜/第二组透镜的后焦点附近(中间像面)，上述中间像面被第二组透镜调制后将成为接近无穷远(或至少距离波导入瞳有一定距离，例如1米之外)的图像光，之后耦合入波导入瞳，从而能够被波导出曈后的观看者正确的观看。所述调制信号由控制系统生成，可以通过中国专利ZL201310431070.8中所描述的使用空间光调制器动态模拟透镜相位后获得(可以通过相关方法获得光场效果，不同帧图像显示在不同距离，以及同一帧图像不同部分显示在不同距离)。图像一般可以通过傅里叶变换获得(等效无穷远图像)，还可以通过中国专利ZL201010595976.X中的方法来提高成像质量。上述计算中还可以考虑空间光调制器45°设置，通过相位补偿来消除45°设置带来的像差或者光学系统存在的球差、彗差等其它像差(例如使用zernike多项式模拟相位来补偿像差，再比如计算光程来获得相位分别，计算时直接计入上述倾斜带来的光程差)。所述调制信号可以是实时计算产生，或者也可以是事先生成的多个调制信号预存在控制系统中，使用时根据需要选择输出。控制系统输出所述调制信号控制所述空间光调制器来调制所述光源发出的光，和/或同步控制光源的输出。

上述实施例中还可以加入Pancharatnam-Berry相位器件(PBOE)，空间光调制器输出的线偏振光可以被等效的视为两个圆偏振的叠加，而PBOE器件对于输入的左右圆偏振光将产生不同相位延迟，换言之通过PBOE器件可以将线偏正光区分成不同左右圆偏振光分别调制。通过将PBOE器件设置在光路内(例如第一第二片透镜之间)及对于PBOE器件的设计(例如使用液晶器件，不同区域配向方向不同)，使得在上述系统中的左右圆偏光被分别调制，此面上不同区域的光也可以被分别调制，实现将一个完整的光学面扩展成多个离散的光学面的功能(离散通光面总的空间带宽积/数值孔径不变，但离散面结合夹在各离散面之中的未通光面的总面积扩大)。如此做的好处是结合整个光学系统可以通过多视点(例如多个Maxwellian View，多个细小光束)来近似实现更大空间带宽积/数值孔径的显示效果(更大的FOV和/或出曈大小)。上述实施例中还可以加入玻片、旋光片、偏振片等器件来调制圆偏振，将其改变为其它偏振态(例如还原为线偏)从而更好的与波导耦合。上述PBOE器件也可以替换为衍射类器件(例如光栅)实现相同的功能，或PBOE结合衍射类器件实现更好的效果。

所述控制系统还同步光源和空间光调制器的输出，根据需要的亮度来控制光源输出的能量(可以通过TTL/PWM调制，或者调制输出电流强弱实现)，所述需要的亮度可以是依据图像内容/总能量的多少，期望的图像亮度(系统内可以安装光强传感器，用以获得环境光亮度，根据环境光亮度计算期望的图像亮度)等参数综合计算而得。

上述实施例中，光阑位置也可以位于波导入瞳表面，采用此种设计时可以考虑使用一凸一凹两片或两组镜片(类似伽利略望远镜)从而缩短光路尺寸，或者只使用一片或组透镜进一步减小体积。

上诉实施例中，入射光也可以是非平行光，结合后续透镜1的设置，在SLM不工作时，使入射光聚焦到光阑位置。

上述实施例中，光源还可以使用彩色激光器合色而成(例如使用X棱镜或二向色镜，或光纤)，使用彩色光源时，可以通过将设置光源距离扩束镜不同的位置来实现所有颜色的光聚焦在相同位置，从而被光阑遮蔽。

上述实施例中，也可以没有光阑，而使用角度过滤的方法滤除杂光，例如通过特殊的棱镜，通过光波导的设计使得特定角度的光无法耦合入波导等。

实施例2

在另一个实施例中(如图2所示)，可以通过棱镜来缩小光路尺寸，激光器输出线偏振光后通过BS，一部分光被BS反射到达偏振片，由于偏振方向与偏振片允许通过的偏振方向垂直，上述部分光将被偏振片吸收。另一部分光透过BS入射到曲面反射镜，对光焦度进行调制，使其聚焦在第一透镜/第一透镜组的焦点附近，同时反射镜背面为特殊的反射镀膜(如光栅结构)，可使入射的线偏振光发射后偏振方向旋转90°，上述反射光再次经过BS时一部分将透过BS无法进入成像光路，另一部分将被BS反射至第一透镜，被第一透镜调制成接近平行光后入射到SLM上被SLM调制。之后SLM将入射光反射至第一透镜，光再次进入第一透镜，被第一透镜调制后入射至BS，同样的一部分光被再次反射至曲面反射镜(由于偏振方向再次被改变，这部分光线的大部分后续经历多次折反射后无法进入成像光路)，另一部分将透过BS进入成像光路，由于偏振方向已被旋转90°，因而这次将能透过偏振片。

当SLM未正常工作时，入射SLM的准平行光反射后将被第一透镜聚焦在偏振片上，偏振片在上述平行光焦点(0级亮点)位置镀有遮蔽材料，将遮蔽掉SLM未调制或调制错误的光，若偏振片/遮蔽片出现问题(例如位置移动或遮蔽材料破损)而无法屏蔽所述0级亮点，上述光将被第二透镜/第二透镜组调制观看者眼睛之后的实像(无法被人眼晶状体聚焦在视网膜上)，从而在视网膜上只能成一个较大的光斑，从而避免能量集中在单个亮点损伤视网膜。

SLM正常工作时将光调制成等效于在SLM表面之后300mm至2000mm之间任意位置上的像，所述像的位置可以由SLM变换调制参数调节，经过第一透镜之后，上述光将被聚焦到第二透镜/第二透镜组的焦点附近(第一透镜后焦与第二透镜前焦点不重合)，从而被调制成从无穷远到人眼前20cm处的任意像。

上述实施例中还可以如实施例1中一样加入波导(光栅波导，阵列波导等)实现更大的EYEBOX。

上述实施例中还可以通过X棱镜(或者多片2项色镜，或者光纤)将多种不同波长(例如RGB三色)的激光器合路，从而实现彩色显示。当使用彩色显示时，可以将不同激光器距离准直镜的距离设置为不同值，从而使不同激光器的0级亮斑能够共同聚焦在偏振片/遮挡片上。

如图3所示，在这一实施例的一个变形例中，可以实现最简系统，只包含合路用的BS/PBS，激光器，空间光调制器，以及遮蔽片，透镜的功能完全由空间光调制器通过相位调制实现。

如图4所示，在另一个实施例中，还可以使用透射式的空间光调制器替换反射式空间光调制器，而光路将做相应改变/简化(例如光源透射过SLM，无需BS/PBS等合路器件)与前述实施例相同的是，通过空间光调制器模拟透镜可以使SLM正常工作时的中间像点与SLM未工作时光源被聚焦的空间位置不同，系统中加入遮蔽器件遮蔽未被调制的0级亮斑，即使遮蔽片和空间光调制器同时损坏，未被调制的光在观测系统(例如人眼)中将无法聚焦成单个亮点，在根本上避免激光造成损害的风险。

上述实施例中还可以将BS替换为PBS，同时将空间光调制器替换为调至相位的同时能够改变入射光偏振方向的器件(例如二元相位调制的空间光调制器，使用铁电液晶，输入输出偏振方向旋转90°)。此时激光器发出的线偏振光透过PBS入射到曲面反射镜，被反射镜涂覆的改变偏振方向的反射膜将偏振方向旋转90°后返回PBS，并被反射至第一透镜(也可以没有曲面反射镜，激光器发出的光直接反射至第一透镜)，被第一透镜调制成准平行光后输入空间光调制器，被空间光调制器进行相位调制后偏振方向旋转90°，经第一透镜再次调制后可以透过BS出射至成像光路。此变形例中可以没有偏振片而只加入遮蔽片。其0级亮光遮蔽及防止进入人眼的原理与原实施例相同。这一方案的好处是在减小系统体积的同时，不会因为BS多次同时透射反射部分光线造成光能的浪费。

本发明的光学系统可以应用于光学设备，如显示设备等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。