CN120295076A - 体全息元件的制备方法、体全息元件及增强现实3d显示装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种体全息元件的制备方法、体全息元件及增强现实3D显示装置。该制备方法包括：提供像素化的衍射透镜阵列和与像素化的衍射透镜阵列邻近或邻接设置的体全息材料；其中，像素化的衍射透镜阵列包括阵列分布的目标衍射透镜子单元；实施至少一个记录步骤，记录步骤包括：向像素化的衍射透镜阵列投射记录光束，记录光束经像素化的衍射透镜阵列出射后照射至体全息材料一侧；向体全息材料另一侧投射参考光束，参考光束照射至体全息材料并与记录光束干涉，形成与目标衍射透镜子单元一一对应的全息像素单元。上述制备方法制得的体全息元件具备高衍射效率和高透过率，且呈现的3D图像还具有低串扰、无深度翻转和无自重复像等优点。

Description

体全息元件的制备方法、体全息元件及增强现实3D显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种体全息元件的制备方法、体全息元件及增强现实3D显示装置。

背景技术

增强现实裸眼3D(Three-dimensional)显示是一种无需佩戴任何辅助设备，即可观察到虚拟3D图像与真实场景相融合的新型显示技术。作为“元宇宙”的主要硬件入口之一，传统的增强现实显示技术需要佩戴头盔或眼镜等助视设备，通常只能显示2D图像，或者基于双目视差的3D图像，但存在辐辏调节矛盾，易引起视觉疲劳。

另一方面，裸眼3D显示技术虽然可以重构虚拟3D图像，却受到光学器件透过率与光利用率之间矛盾的限制，难以实现虚实融合的显示效果。例如，微透镜阵列通过控制光束的方向和焦距来重构光场，向观众呈现逼真的3D场景。但基于微透镜阵列的增强现实3D显示需要利用半透半反镜或补偿镜来实现虚实融合功能，导致系统的透过率与光效受限。此外，该方法需要使用微透镜阵列、凸透镜、半透半反镜等多个器件，光路复杂，系统较大。

随着全息技术及激光器的出现和发展，全息光学元件(Holographic opticalelement,HOE)逐渐受到广泛关注。全息光学元件凭借其重量轻、结构薄、易于复制等优点，已被广泛应用于增强现实3D显示中。但目前基于全息光学元件的增强现实3D显示大都采用集成成像方式，即利用透镜阵列全息光学元件作为虚实融合器。然而，该方案存在图像翻转导致错误深度信息以及自重复像等缺点，进而造成不正确的运动视差，成为增强现实3D显示的一个关键性问题。

发明内容

基于此，本发明旨在提供一种改进的体全息元件的制备方法、体全息元件、增强现实3D显示装置，以解决上述问题中的至少之一。

第一方面，本申请提供一种体全息元件的制备方法，所述体全息元件包括基底和设于所述基底的像素化的信息层，所述像素化的信息层包括阵列分布的全息像素单元；

所述方法包括：

提供像素化的衍射透镜阵列和与所述像素化的衍射透镜阵列邻近或邻接设置的体全息材料；其中，所述像素化的衍射透镜阵列包括阵列分布的目标衍射透镜子单元；

实施至少一个记录步骤，所述记录步骤包括：

向所述像素化的衍射透镜阵列投射记录光束；其中，所述记录光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后照射至所述体全息材料一侧；

向所述体全息材料投射参考光束，所述参考光束照射至所述体全息材料另一侧并与所述记录光束干涉，形成与所述目标衍射透镜子单元一一对应的全息像素单元。

上述体全息元件的制备方法，将记录光束投射至像素化的衍射透镜阵列，并经像素化的衍射透镜阵列出射后照射至与像素化的衍射透镜阵列邻近或邻接设置的体全息材料，结合照射至体全息材料的参考光束，通过干涉将从像素化的衍射透镜阵列出射时的光束的波前信息记录到全息像素单元中，如此有利于形成具备像素化的衍射透镜阵列功能的体全息元件，从而具备较高的衍射效率和较高的透过率，并降低增强现实3D显示装置光路的复杂度，减少光学元件使用；同时，全息像素单元与像素化的衍射透镜阵列中的目标衍射透镜子单元一一对应，有利于在后续的再现过程中实现逐像素的光场调控，使显示光路具备较高的调控精度和较大的调控自由度，从而减少3D图像的串扰，并克服集成成像方式中的深度翻转和自重复像等缺点，提升增强现实的3D显示效果。

在其中一个实施例中，所述提供像素化的衍射透镜阵列，包括：提供多个衍射透镜；其中，每个所述衍射透镜具有至少一个目标衍射透镜子单元，同一个衍射透镜中的目标衍射透镜子单元具有相同的焦点；将各所述衍射透镜中的目标衍射透镜子单元交错排列，形成所述像素化的衍射透镜阵列。

在其中一个实施例中，所述方法包括：实施至少两个记录步骤，其中，一个记录步骤中的记录光束为沿第一方向传播的第一平行光束；其他记录步骤中的至少一个记录光束为沿第二方向传播的第二平行光束，所述第一平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后会聚于第一组视点，所述第二平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后会聚于第二组视点，所述第二方向与所述第一方向不同，所述第二组视点与所述第一组视点不全相同。

在其中一个实施例中，所述参考光束包括球面波光束或平行光束。

在其中一个实施例中，所述像素化的衍射透镜阵列包括像素化的谐衍射透镜阵列。

在其中一个实施例中，所述方法包括：实施至少两个记录步骤，其中，一个记录步骤中的记录光束为具有第一波长的第三平行光束；其他记录步骤中的至少一个记录光束为具有第二波长的第四平行光束，所述第三平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后会聚的视点与所述第四平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后会聚的视点一致，所述第二波长与所述第一波长不同。

在其中一个实施例中，所述体全息材料为光致聚合物、全息聚合物分散液晶、胆甾型液晶、重铬酸明胶、卤化银材料、光折变玻璃中的任意一种。

第二方面，本申请提供一种体全息元件，包括：基底；像素化的信息层，设于所述基底，包括阵列分布的全息像素单元；其中，所述像素化的信息层包含记录光束经像素化的衍射透镜阵列出射后与参考光束干涉形成的波前的波前信息；并且，所述像素化的衍射透镜阵列包括阵列分布的目标衍射透镜子单元，所述全息像素单元与所述目标衍射透镜子单元一一对应。

上述体全息元件，基于布拉格衍射条件可具备高衍射效率和高透过率，同时通过设置像素化的信息层，并使像素化的信息层中的全息像素单元与目标衍射透镜子单元一一对应，有利于在后续的再现过程中实现逐像素的光场调控，使显示光路具备较高的调控精度和较大的调控自由度，从而减少3D图像的串扰，并克服集成成像方式中的深度翻转和自重复像等缺点，提升增强现实的3D显示效果。

在其中一个实施例中，所述像素化的信息层具有与所述波前信息有关的记录参数，所述记录参数包括所述像素化的信息层的层剖面上的条纹周期和条纹取向、所述全息像素单元的间距、所述全息像素单元的形状中的至少一个。

在其中一个实施例中，所述像素化的信息层的材质为光致聚合物、全息聚合物分散液晶、胆甾型液晶、重铬酸明胶、卤化银材料、光折变玻璃中的任意一种。

第三方面本申请提供一种增强现实3D显示装置，包括：投影模组，被配置为提供携带有3D视差图像信息的再现光束；如前文所述的制备方法制备的体全息元件，设于所述投影模组的出光侧，被配置为与所述再现光束耦合并使所述再现光束会聚至多个视点；其中，所述投影模组还被配置为在再现过程中使照射至所述体全息元件上的3D视差图像的像元与所述体全息元件中的全息像素单元一一对准。

上述增强现实3D显示装置，采用具备衍射透镜阵列功能的体全息元件，可实现较高的衍射效率和较高的透过率，并降低增强显示光路的复杂度，减少元件使用；同时，在再现过程中3D视差图像的像元可与体全息元件中的全息像素单元一一对准，有利于实现逐像素的光场调控，使显示光路具备较高的调控精度和较大的调控自由度，从而减少3D图像的串扰，并克服集成成像方式中的深度翻转和自重复像等缺点，提升增强现实的3D显示效果。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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说明书中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例体全息元件的结构示意图；

图2为本申请一实施例体全息元件的制备方法的步骤流程图；

图3为本申请一实施例单视点衍射透镜的正视示意图；

图4为本申请一实施例单视点衍射透镜中的目标衍射透镜子单元的划分示意图；

图5为本申请一实施例像素化的衍射透镜阵列的组成示意图；

图6为图5所示像素化的衍射透镜阵列的工作示意图；

图7为本申请一实施例体全息元件的制备系统示意图；

图8为本申请一实施例体全息元件的制备示意图；

图9为本申请一实施例空间复用型体全息元件的制备示意图；

图10为本申请一实施例波长复用型体全息元件的制备示意图；

图11为本申请一实施例采用平行参考光束的体全息元件的制备示意图；

图12为本申请一实施例的增强现实3D显示装置的工作示意图；

图13为图12所示增强现实3D显示装置的工作效果图；

图14为本申请另一实施例的增强现实3D显示装置的工作示意图。

元件标号说明：

100、体全息元件，110、基底，120、像素化的信息层，121、全息像素单元，100’、空间复用型体全息元件，200、单视点衍射透镜，300、像素化的衍射透镜阵列，310、目标衍射透镜子单元，300’、等效像素化的衍射透镜阵列，400、全息干板，500、投影模组。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

在介绍本申请实施例提供的技术方案之前，首先介绍本申请涉及的基本原理和技术名词。

1、布拉格衍射原理：当电磁辐射或亚原子粒子波的波长，与进入的晶体样本的原子间距长度相近时，就会产生布拉格衍射，入射物会被系统中的原子以镜面形式散射出去，并会按照布拉格定律所示，进行相长干涉。

2、衍射效率：在某一个衍射方向上的光强与入射光强的比值。

3、体全息光栅元件(以下简称为体全息元件)：通过两束相干光(记录光束和参考光束)形成的明暗相间的干涉条纹来对基底上的光刻胶薄膜进行曝光，使得干涉条纹被记录在体全息材料中。其中，干涉条纹包含有光束的波前信息。体全息元件通常工作在布拉格衍射条件下，当入射光束满足布拉格衍射条件时，体全息元件将会有极高的衍射效率。另一方面，布拉格衍射条件对于入射光束的角度和波长有着非常苛刻的要求，一旦无法满足，衍射效率就会迅速下降。

4、波前：光束中各等相位点所形成的面，与光束各点的传播方向垂直，可以用来描述光的相位分布、光强的变化和光的传播方向。如平行光束的波前是平面，点光源发出的光束的波前是球面(也称球面波光束)。一般的，光束经过介质后，波前不再是原始的形状，而将携带许多反映介质特性的信息。

传统的增强现实显示技术需要佩戴头盔或眼镜等助视设备，通常只能显示2D图像或者基于双目视差的3D图像，后者存在辐辏调节矛盾，易引起视觉疲劳。而基于微透镜阵列的增强现实3D显示技术需要利用半透半反镜或补偿镜来实现虚实融合功能，导致系统的透过率与光效受限，并且，该方法需要使用微透镜阵列、凸透镜、半透半反镜等多个器件，光路复杂，系统较大。

除此之外，基于全息光学元件的增强现实3D显示技术大都采用集成成像方式，利用具备微透镜阵列功能的全息光学元件作为虚实融合器，存在因取图与显示光路对称导致的图像翻转以及由微透镜自身结构导致的自重复像等缺点，进而造成不正确的运动视差。

本申请实施例提供的增强现实3D显示装置采用具备像素化的衍射透镜阵列功能的体全息元件，基于布拉格衍射条件具备较高的波长选择性和角度选择性，当投影机投射的再现光与参考光同波长同入射角时，可使再现光发生布拉格衍射，以较高的衍射效率会聚至多个视点，从而形成虚拟3D图像，而对于真实物体发出的环境光线则可直接透过，实现增强现实的显示效果；同时，投影机投出的再现光的图像像元可与体全息元件上的全息像素单元一一对准，从而有利于实现逐像素的光场调控，使显示光路具备较高的调控精度和较大的调控自由度，减少3D图像的串扰，克服集成成像方式中的深度翻转和自重复像等缺点，进一步提升增强现实3D显示效果。

下面将依次从体全息元件、体全息元件的制备方法和制备系统以及增强现实3D显示装置来介绍本申请的发明构思。

体全息元件

如图1、图3至图6所示，本申请实施例提供一种体全息元件100，包括基底110；像素化的信息层120，设于基底110，包括阵列分布的全息像素单元121；其中，像素化的信息层120包含记录光束经像素化的衍射透镜阵列300出射后与参考光束干涉形成的波前的波前信息；并且，像素化的衍射透镜阵列300包括阵列分布的目标衍射透镜子单元310，全息像素单元121与目标衍射透镜子单元310一一对应。

示例性的，基底110可选用具有良好透过率的材料制备，例如聚酯薄膜、玻璃等。像素化的信息层120可选用光致聚合物、全息聚合物分散液晶、胆甾型液晶、重铬酸明胶、卤化银材料、光折变玻璃中的任意一种体全息材料制备。其中，光致聚合物具有空间复用和多波长响应特性，全息聚合物分散液晶、胆甾型液晶的折射率调制度更高，可进一步提高衍射效率。

示例性的，记录光束经像素化的衍射透镜阵列300出射后将与参考光束干涉形成新的波前，新的波前的波前信息(例如相位分布、光强变化、传播方向等)将由基底110上的体全息材料同步记录，记录有波前信息的体全息材料经过固化、加热、除泡后便可得到像素化的信息层120。像素化的信息层120具有与波前信息有关的记录参数，记录参数可以包括像素化的信息层120的层剖面上的条纹周期和条纹取向、全息像素单元121的间距、全息像素单元121的形状中的至少一个。可选的，像素化的信息层120的层剖面上的条纹与基底110所在平面的夹角的取值范围为0°～85°，条纹间周期间隔约为记录光束波长的二分之一。

示例性的，如图3至图6所示，像素化的衍射透镜阵列300包括多个目标衍射透镜子单元310，每个目标衍射透镜子单元310又分别取自不同的单视点灰度衍射透镜200(以下简称为衍射透镜200)。

具体而言，为了获得像素化的衍射透镜阵列300，可先设计单视点的衍射透镜200。对球面、非球面折射透镜的相位函数进行2π或者2πP取余，即可得到给定设计的灰度衍射透镜相位图，其中，折射透镜的设计参数可以用光学二次曲面公式表示，将计算过的二次曲面高度H(r)进行塌陷处理，其中r为曲面旋转半径。每次塌陷的相位为2π或者2πP，其中P为正整数，也即谐衍射系数。对应的塌陷高度可用下式表达：其中λ为中心波长，n为介质的折射率。然后，将二次曲面高度H(r)对塌陷高度d取余，并根据视点的位置平移坐标轴，即可设计出如图3所示的衍射透镜200。如图3所示，各衍射透镜200可看作一系列具有不同离轴量的菲涅尔透镜结构，四个衍射透镜200分别具有不同的焦点，焦距均为500mm。

继续参见图4，每个衍射透镜200离散化为多个目标衍射透镜子单元1a、1b、1c、1d、……，同一个衍射透镜200中的目标衍射透镜子单元(如1a、1b、1c、1d、……)具有相同的视点(焦点)。将各衍射透镜200中的目标衍射透镜子单元交错排列，便可形成如图5所示的像素化的衍射透镜阵列300。可选的，每个衍射透镜200的幅面可以为40×40mm²，目标衍射透镜子单元的大小可以为200×200μm²，共有200×200个目标衍射透镜子单元。为保证原相位分布正确，每个衍射透镜200只保留四分之一数量的目标衍射透镜子单元，其余舍弃。例如，对于具有第一个视点的衍射透镜200，可只保留1a、1b、1c、1d、……相应位置上的子单元，其余舍弃，其他衍射透镜200以此类推。从而像素化的衍射透镜阵列300的幅面也应为40×40mm²。图6示出了像素化的衍射透镜阵列300的工作示意图，可以看到，入射光经像素化的衍射透镜阵列300出射后可会聚至4个视点，相邻两个视点的角间隔为3°。

示例性的，“全息像素单元121与目标衍射透镜子单元310一一对应”，表示在形成全息像素单元121的过程中，记录光束从一目标衍射透镜子单元310出射时即与参考光束干涉，以对体全息材料进行光刻曝光，形成一全息像素单元121，从而将出射光束的波前信息记录在一全息像素单元121中，而该全息像素单元121便可认为与该目标衍射透镜子单元310是对应的。如此形成的各全息像素单元121便可认为与各目标衍射透镜子单元310是一一对应的。

上述体全息元件100，基于布拉格衍射条件可具备高衍射效率和高透过率，同时通过设置像素化的信息层20，并使像素化的信息层20中的全息像素单元121与目标衍射透镜子单元310一一对应，有利于在后续的再现过程中实现逐像素的光场调控，使显示光路具备较高的调控精度和较大的调控自由度，从而减少3D图像的串扰，克服集成成像方式中的深度翻转和自重复像等缺点，提升增强现实的显示效果。

体全息元件的制备方法及制备系统

如图2和图7所示，本申请实施例提供一种体全息元件的制备方法及制备系统，相关结构仍可参考图1、图3至图6。其中，制备方法包括：

S100、提供像素化的衍射透镜阵列300和与像素化的衍射透镜阵列邻近或邻接设置的体全息材料；其中，像素化的衍射透镜阵列包括阵列分布的目标衍射透镜子单元310。

示例性的，体全息材料可涂敷于透明基底形成全息干板400，并与像素化的衍射透镜阵列300邻近或邻接设置，也就是说，全息干板400涂敷有体全息材料的那一面可以与像素化的衍射透镜阵列300的凹凸结构面相对，二者距离很近或直接接触。可选的，全息干板400与像素化的衍射透镜阵列300紧贴设置，以保证波前信息记录的准确性。需要说明的是，为简化叙述，下文所述的“照射至全息干板400”亦可理解为“照射至体全息材料”。

示例性的，如图3至图6所示，步骤S100可包括：S110、提供多个衍射透镜200；其中，每个衍射透镜200具有至少一个目标衍射透镜子单元310，同一个衍射透镜200中的目标衍射透镜子单元310具有相同的焦点；S120、将各衍射透镜200中的目标衍射透镜子单元310交错排列，形成像素化的衍射透镜阵列300。像素化的衍射透镜阵列300的具体形成方式可参见前文体全息元件中的描述，此处不再赘述。

S200、实施至少一个记录步骤，记录步骤包括：向像素化的衍射透镜阵列300投射记录光束，记录光束经像素化的衍射透镜阵列300出射后照射至体全息材料一侧；向体全息材料另一侧投射参考光束，参考光束照射至体全息材料并与记录光束干涉，形成与目标衍射透镜子单元310一一对应的全息像素单元121。

示例性的，可先基于体全息元件100的衍射效率进行分析，进而得到全息干板400以及记录光束和参考光束的相关参数(如参考光束入射角、体全息材料厚度、折射率调制度等)。

图7示出了本申请制备体全息元件的系统示意图。如图7所示，像素化的衍射透镜阵列300与全息干板400紧密贴合，入射的激光先通过电子快门，后经分光镜分离成两束光束，其中一束光束经针孔滤波器扩束、消除杂光后，由一面准直透镜进行准直，形成平行光束(记录光束)，后垂直入射到像素化的衍射透镜阵列300上，经像素化的衍射透镜阵列300出射后再照射到全息干板400的一侧；另一束光束经针孔滤波器扩束、消除杂光后(形成参考光束)，以球面波形式照射到全息干板400的另一侧，与经过像素化的衍射透镜阵列300的记录光束相互干涉，将经像素化的衍射透镜阵列300出射的光束的波前信息记录在全息干板400上。其中，记录光束与参考光束的光程及强度保持一致，虚线箭头表示已记录的光场的波前信息。图8示出了在利用全息干板400进行记录前，记录光束经像素化的衍射透镜阵列300出射后可会聚至四个原始的会聚视点。

可选的，本实施例中，激光的波长可以是442nm，参考光束的入射角度α大于或等于65°，例如可以是69.86°，体全息材料的厚度约为15μm，折射率调制度为0.015，记录光束的曝光量为30mJ/cm²，用汞灯以1kW的功率对曝光后的全息干板400进行3min的紫外固化，最后放置于100℃的烘箱中进行15min的加热，去除气泡，最终可得到体全息元件100。

可选的，激光器为具有一定相干长度的单色光源，需要满足全息曝光的条件。这一类激光器的类型一般有氩离子气体激光器、氦镉激光器、单纵模半导体激光器等。

可选的，体全息材料为光致聚合物、全息聚合物分散液晶、胆甾型液晶、重铬酸明胶、卤化银材料、光折变玻璃中的任意一种。其中，光致聚合物具有空间复用和多波长响应特性，全息聚合物分散液晶、胆甾型液晶的折射率调制度更高，可进一步提高衍射效率。

上述体全息元件的制备方法，可形成具备像素化的衍射透镜阵列功能的体全息元件100，从而具备较高的衍射效率和较高的透过率，并降低增强显示光路的复杂度，减少元件使用；同时，全息像素单元121与像素化的衍射透镜阵列300中的目标衍射透镜子单元310一一对应，有利于在后续的再现过程中实现逐像素的光场调控，使显示光路具备较高的调控精度和较大的调控自由度，从而减少3D图像的串扰，克服集成成像方式中的深度翻转和自重复像等缺点，提升增强现实的显示效果。

在本申请的一些实施例中，对于具有复用特性的体全息材料(如光致聚合物)，还可以不同的记录形式重复进行上述记录步骤，将多个全息图记录到体全息材料上，使体全息元件满足不同场景的应用需求。

可选的，沿第一方向传播的第一平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后可会聚于第一组视点，沿第二方向传播的第二平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后可会聚于第二组视点，第二方向与第一方向不同，第二组视点与第一组视点不全相同；从而制备方法可包括：实施至少两个记录步骤；其中，一个记录步骤中的记录光束为第一平行光束；其他记录步骤中的至少一个记录光束为第二平行光束。如图9所示，在利用全息干板400进行记录前，垂直入射的第一平行光束在出射可后形成四个会聚视点，斜入射的第二平行光束在出射后可形成另外四个不同的会聚视点，共形成八个空间复用的会聚视点，通过连续两次记录垂直入射和斜入射场景下的波前信息，可形成空间复用型体全息元件，该空间复用型体全息元件具备更多的会聚视点，有利于提高角分辨率。

可选的，像素化的衍射透镜阵列300包括像素化的谐衍射透镜阵列。采用像素化的谐衍射透镜阵列可克服传统衍射透镜中的色差问题，从而有利于制备多波长响应的波长复用型体全息元件。

可选的，具有第一波长的第三平行光束经像素化的衍射透镜阵列出射后会聚的视点与具有第二波长的第四平行光束经像素化的衍射透镜阵列出射后会聚的视点一致，第二波长与第一波长不同；从而制备方法包括：实施至少两个记录步骤；其中，一个记录步骤中的记录光束为第三平行光束，其他记录步骤中的至少一个记录光束为第四平行光束。如图10所示，在利用全息干板400进行记录前，红光平行光束、绿光平行光束、蓝光平行光束经像素化的衍射透镜阵列300出射后可分别形成四个相同的波长复用的会聚视点，通过连续三次记录红光平行光束、绿光平行光束、蓝光平行光束入射场景下的波前信息，可形成波长复用型体全息元件，该波长复用型体全息元件可对红光波长、绿光波长、蓝光波长进行响应。

在本申请的一些实施例中，参考光束包括球面波光束或平行光束。如图11所示，可利用一个准直透镜将图7中的球面波参考光束调制为平行光束照射至全息干板400，进而与记录光束进行干涉。如此，有利于增加后续再现过程中的投射光类型。

增强现实3D显示装置

如图12所示，本申请实施例提供一种增强现实3D显示装置，包括：投影模组500，被配置为提供携带有3D视差图像信息的再现光束；根据前文所述的制备方法制备的体全息元件100，设于投影模组500的出光侧，被配置为与再现光束耦合并使再现光束会聚至多个视点；其中，投影模组500还被配置为在再现过程中使照射至所述体全息元件上的3D视差图像的像元与所述体全息元件中的全息像素单元一一对准。

示例性的，再现光束的波长与参考光束的波长一致；以及，再现光束照射至体全息元件100的入射角与参考光束照射至体全息材料的入射角一致。如此，有利于保证再现光束更好地满足布拉格衍射条件，从而保证衍射效率。其中，入射角可表示为入射光束与体全息元件100的表面法线所成的夹角。

示例性的，投影模组包括投影机和调节投影机位姿的位姿调节机构，通过位姿调节机构可以调整投影机的投影角度。示例性的，投影模组内部也可设置相应的图像像素调节机构，以在再现过程中调整图像像素与全息像素单元的相对位置。示例性的，投影模组内部还可预设相应的程序，以在图像像素与全息像素单元偏离时自动纠偏，从而保证图像像素与全息像素单元一一对准。

如图12所示，再现光束经体全息元件100散射至观察者一侧并会聚至四个视点(再现光束的会聚视点1)，等效于经过了像素化的衍射透镜阵列300，也就是说，体全息元件100可相当于等效的像素化的衍射透镜阵列300’。通过将多视点图像像素与全息像素单元一一对准，有利于实现逐像素的光场调控，使显示光路具备较高的调控精度和较大的调控自由度，从而减少3D图像的串扰，克服集成成像方式中的深度翻转和自重复像等缺点，提升增强现实的3D显示效果。

可选的，再现光束会聚的多个视点中相邻视点的角间隔的取值范围为2°～4°，例如可以是2°、2.5°、3°、3.5°、4°。角间隔过大，观看3D图像时会有暗区，不连续；角间隔过小，观看3D图像时会有串扰，视点之间相互重叠。通过设置合适的角间隔，可以保证观看3D图像时的连续性同时避免3D图像间的串扰。

图13示出了利用体全息元件100的增强现实3D显示装置的工作效果图，可以看到，投影出的“36km/h”(虚拟3D图像)及右转箭头与后方的实际玩具车(真实物体)有良好的虚实融合效果，并且随着观察角度变化，3D虚拟图像提供了自然的运动视差，无自重复像及深度翻转的问题。

在本申请的一些实施例中，再现光束包括球面波光束或平行光束。如图14所示，可在投影模组500的出光侧增设一个准直透镜，从而增加再现光束的投射类型。继续参考图14，当平行的再现光束以与参考光束相同波长、相同入射角照射至空间复用型体全息元件100’时，可以在观察者一侧形成八个会聚视点(再现光束的会聚视点2)，也就是说，空间复用型体全息元件100’同样可相当于等效的像素化的衍射透镜阵列300’，从而实现高角分辨率的增强现实3D显示效果。

综上，本申请提出的增强现实3D显示装置，具有高衍射效率、高透过率、无深度翻转和无自重复像等优点，能够提供正确的深度信息。此外，由于本申请的体全息元件对光场的调控自由度大，精度高，因此所呈现的3D图像还具有低串扰的特点。本申请的增强现实3D显示装置光路简单，所需器件较少，可应用于车载显示、展览、教育等领域。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种体全息元件的制备方法，其特征在于，所述体全息元件包括基底和设于所述基底的像素化的信息层，所述像素化的信息层包括阵列分布的全息像素单元；

所述方法包括：

提供像素化的衍射透镜阵列和与所述像素化的衍射透镜阵列邻近或邻接设置的体全息材料；其中，所述像素化的衍射透镜阵列包括阵列分布的目标衍射透镜子单元；

实施至少一个记录步骤，所述记录步骤包括：

向所述像素化的衍射透镜阵列投射记录光束，所述记录光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后照射至所述体全息材料一侧；

向所述体全息材料投射参考光束，所述参考光束照射至所述体全息材料另一侧并与所述记录光束干涉，形成与所述目标衍射透镜子单元一一对应的全息像素单元。

2.根据权利要求1所述的体全息元件的制备方法，其特征在于，所述提供像素化的衍射透镜阵列，包括：

提供多个衍射透镜；其中，每个所述衍射透镜具有至少一个目标衍射透镜子单元，同一个衍射透镜中的目标衍射透镜子单元具有相同的焦点；

将各所述衍射透镜中的目标衍射透镜子单元交错排列，形成所述像素化的衍射透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的体全息元件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

实施至少两个记录步骤，其中，一个记录步骤中的记录光束为沿第一方向传播的第一平行光束；其他记录步骤中的至少一个记录光束为沿第二方向传播的第二平行光束，所述第一平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后会聚于第一组视点，所述第二平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后会聚于第二组视点，所述第二方向与所述第一方向不同，所述第二组视点与所述第一组视点不全相同。

4.根据权利要求1所述的体全息元件的制备方法，其特征在于，所述参考光束包括球面波光束或平行光束。

5.根据权利要求1所述的体全息元件的制备方法，其特征在于，所述像素化的衍射透镜阵列包括像素化的谐衍射透镜阵列。

6.根据权利要求1所述的体全息元件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

实施至少两个记录步骤，其中，一个记录步骤中的记录光束为具有第一波长的第三平行光束；其他记录步骤中的至少一个记录光束为具有第二波长的第四平行光束，所述第三平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后会聚的视点与所述第四平行光束经所述像素化的衍射透镜阵列出射后会聚的视点一致，所述第二波长与所述第一波长不同。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的体全息元件的制备方法，其特征在于，所述体全息材料为光致聚合物、全息聚合物分散液晶、胆甾型液晶、重铬酸明胶、卤化银材料、光折变玻璃中的任意一种。

8.一种体全息元件，其特征在于，包括：

基底；

像素化的信息层，设于所述基底，包括阵列分布的全息像素单元；

其中，所述像素化的信息层包含记录光束经像素化的衍射透镜阵列出射后与参考光束干涉形成的波前的波前信息；

并且，所述像素化的衍射透镜阵列包括阵列分布的目标衍射透镜子单元，所述全息像素单元与所述目标衍射透镜子单元一一对应。

9.根据权利要求8所述的体全息元件，其特征在于，所述像素化的信息层具有与所述波前信息有关的记录参数，所述记录参数包括所述像素化的信息层的层剖面上的条纹周期和条纹取向、所述全息像素单元的间距、所述全息像素单元的形状中的至少一个。

10.根据权利要求8所述的体全息元件，其特征在于，所述像素化的信息层的材质为光致聚合物、全息聚合物分散液晶、胆甾型液晶、重铬酸明胶、卤化银材料、光折变玻璃中的任意一种。

11.一种增强现实3D显示装置，其特征在于，包括：

投影模组，被配置为提供携带有3D视差图像信息的再现光束；

根据权利要求1～8中任一项所述的制备方法制备的体全息元件，设于所述投影模组的出光侧，被配置为与所述再现光束耦合并使所述再现光束会聚至多个视点；

其中，

所述投影模组还被配置为在再现过程中使照射至所述体全息元件上的3D视差图像的像元与所述体全息元件中的全息像素单元一一对准。

12.根据权利要求11所述的增强现实3D显示装置，其特征在于，

所述再现光束的波长与所述参考光束的波长一致；以及，

所述再现光束照射至所述体全息元件的入射角与所述参考光束照射至所述体全息材料的入射角一致。

13.根据权利要求11所述的增强现实3D显示装置，其特征在于，所述再现光束包括球面波光束或平行光束。