CN102722031A - 激光真三维显示器的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光真三维显示器的光学系统，包括照明光学系统、空间光调制器系统、合光棱镜、投影光学系统和旋转屏，所述照明光学系统包括激光器系统、激光扩束系统、轴锥镜系统及匀光系统，其中，所述激光器系统发出的激光通过激光扩束系统扩束，再经过轴锥镜系统形成环形光束，所述环形光束通过匀光系统照射到空间光调制器系统上，经空间光调制器系统调制后的激光光束经合光棱镜合光后再经投影光学系统成像到旋转屏上。本发明采用激光作光源，增大了显示色域；采用离轴照明方式，提高了投影系统的分辨率与焦深；加入消散斑衍射元件，消除散斑，提高了图像清晰度。

Description

激光真三维显示器的光学系统
技术领域
本发明涉及三维图像显示技术领域，具体是一种激光真三维显示器的光学系统。
背景技术
真三维显示是计算机立体视觉系统中最新的研究方向。基于真三维显示，可以直接观察到具有物理景深的三维图像，真三维显示图像逼真，具有全视景、多角度、多人同时观察和实时交互等众多优点。
现有的真三维显示器的光学系统包括有照明光学系统、空间光调制器系统、投影光学系统、旋转屏；所述的照明光学系统包括光源和匀光系统；光源一般采用高压卤素灯UHP，或发光二极管LED。这种真三维显示器的光学系统存在的主要问题是：照明光学系统采用的是同轴照明方式，导致投影光学系统分辨率低，焦深小；并且由于光源色域狭窄，导致显示器显示的图像色彩不丰富。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种激光真三维显示器的光学系统。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种激光真三维显示器的光学系统，包括照明光学系统、空间光调制器系统、合光棱镜、投影光学系统和旋转屏，所述照明光学系统包括激光器系统、激光扩束系统、轴锥镜系统及匀光系统，其中，所述激光器系统发出的激光通过激光扩束系统扩束，再经过轴锥镜系统形成环形光束，所述环形光束通过匀光系统照射到空间光调制器系统上，经空间光调制器系统调制后的激光光束经合光棱镜合光后再经投影光学系统成像到旋转屏上。
优选地，所述激光器系统为半导体激光器系统、固体激光器系统、液体激光器系统或气体激光器系统。
优选地，所述激光器系统包括红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器，所述各激光器发出的激光波长分别为λR=671nm，λG=532nm，λB=473nm，其中，所述λR为红光波长，λG为绿光波长，λB为蓝光波长。
优选地，所述激光扩束系统采用双柱面镜系统，包括两个主轴正交放置柱面镜，且与照明光学系统的光轴垂直。
优选地，所述激光扩束系统采用双平行反射镜组、多组元平行反射镜组或带有楔角的双反射镜组。
优选地，所述轴锥镜系统的主轴与照明光学系统的光轴平行。
优选地，所述空间光调制器系统采用液晶光阀、数字微镜芯片或硅基液晶光阀。
优选地，所述合光棱镜采用4个相同棱柱组合的结构形式，所述棱柱的底面为等腰直角三角形，所述4个棱柱的直角顶点相交，并通过镀膜手段实现合光功能。
优选地，所述投影光学系统采用带有中间像面的二次成像系统，中间像面处放置消散斑衍射元件。
优选地，所述投影光学系统的中间像面处设置消散斑衍射元件。
本发明采用轴锥镜系统使扩束后的激光光束变成环形光束，实现离轴照明，环形光束通过匀光系统入射到空间光调制器系统上，为空间调制器提供照明；同时，外部图像处理系统输出的图像信息作为输入信号进入空间光调制器系统，空间光调制器系统上就生成该图像的空间调制信息。空间光调制器系统在对入射的环形光束调制的同时，其上的微结构会使光束发生衍射。由于是离轴照明，导致入射到空间光调制器系统的光束中没有垂直入射的光线，因此经由空间光调制器系统调制而产生的0级衍射光与光轴不平行，作为边缘光线进入投影光学系统，+1级衍射光也作为边缘光线进入投影光学系统，-1级衍射光无法进入投影光学系统。其中+1级衍射光包含空间光调制器系统上的空间调制信息，就能在旋转屏上生成相应的图像；而0级衍射光空间频率低，不包含空间光调制器系统的空间调制信息；在传统的同轴照明条件下，0级衍射光的方向与光轴平行，进入后续光学系统，0级衍射光空间频率低，不包含空间光调制器系统的调制信息；而包含空间光调制器系统调制信息的±1级衍射光无法进入或只有部分进入投影光学系统，因而导致生成的图像分辨率低。并且由于边缘光线±1级衍射光的夹角较大，因而投影光学系统的焦深小，投影光学系统成像在旋转屏上，旋转屏在不停旋转，焦深小会导致旋转屏上的图像模糊。而采用离轴照明方式，由于+1级衍射光能够完全进入投影光学系统，因而提高了生成的图像的分辨率；另外，离轴照明时，进入投影光学系统的0级与+1级衍射光的夹角小于传统同轴照明时±1级衍射光之间的夹角，因此，在图像分辨率要求相同的情况下，离轴照明具有较小的数值孔径（NA），提高了投影系统的焦深，投影光学系统成像在旋转屏上，旋转屏在不停旋转，焦深小会导致旋转屏上的图像模糊。
所述投影光学系统采用带有中间像面的二次成像系统，中间像面处放置消散斑衍射元件。
经投影光学系统投射到旋转屏上的激光光束会被粗糙的旋转屏表面散射，形成多个子波，子波之间发生干涉，进入人眼后就在视网膜上形成多个随机分布明暗不均的强度图样，这就是散斑。为了消除散斑，本发明采用带中间像面的二次成像系统，在中间像面处加入一块消散斑衍射元件。激光光束进入投影光学系统，在消散斑衍射元件上一次成像并产生衍射效应，可以补偿在旋转屏上二次成像时发生的衍射。因此本发明能够消除散斑，显著提高图像清晰度。
本发明提供的激光真三维显示器的光学系统，采用激光作光源，增大了显示色域；采用离轴照明方式，提高了投影系统的分辨率与焦深；加入消散斑衍射元件，消除散斑，提高了图像清晰度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是进行彩色显示的结构示意图；
图3是投影光学系统的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括照明光学系统、空间光调制器系统、投影光学系统及旋转屏，照明光学系统包括激光器系统、激光扩束系统、轴锥镜系统及匀光系统；激光器系统发出的激光通过激光扩束系统扩束，再经轴锥镜系统变成环形光束；环形光束通过匀光系统照射到空间光调制器系统上；经空间光调制器系统调制后的激光光束再经投影光学系统成像到旋转屏上。
具体地，为了使全三维显示器显示彩色图像，就需要多个激光器系统与多套照明设备，如图2所示，激光器系统包括红光激光器11、绿光激光器12与蓝光激光器13，红光激光器11、绿光激光器12与蓝光激光器13发出的光束，先后通过各自的激光扩束系统：红光扩束系统21、绿光扩束系统22及蓝光扩束系统23，各自的轴锥镜系统：红光轴锥镜31、绿光轴锥镜32及蓝光轴锥镜33，各自的匀光系统：红光匀光系统41、绿光匀光系统42及蓝光匀光系统43，各自的空间光调制器系统：红光调制器51、绿光调制器52及蓝光调制器53，并经过一个合光棱镜6将三束激光合成一束，进入投影光学系统7并在旋转屏8上成像。红光、绿光、蓝光叠加后，会产生白光，经各自的空间光调制器系统调制后，经一个合光棱镜将三束激光合成一束后就能产生人眼所见的彩色图像。因为激光的单色性好，所以激光光源实现的彩色图像的色域宽广。
其中：
激光器系统可以采用半导体激光器系统或固体激光器系统，如果对光源的体积与重量无严格要求，也可以采用液体或气体激光器系统，波长可以是λR=671nm，λG=532nm，λB=473nm，其中，λR为红光波长，λG为绿光波长，λB为蓝光波长，也可以选择其它波长，只要能合成白光即可；
激光扩束系统可以采用双柱面镜系统，2个柱面镜主轴正交放置，且与光轴垂直，柱面镜参数由入射的激光光斑形状决定，也可以采用双平行反射镜组、多组元平行反射镜组或带有楔角的双反射镜组；
轴锥镜系统的主轴与光学系统光轴平行；
匀光系统采用传统柯勒照明系统、积分棒、透镜阵列的形式均可，取决于系统对匀光均匀度的要求；
空间光调制器系统可以采用液晶（LCD）光阀、数字微镜芯片（DMD）或硅基液晶（LCOS）光阀；
合光棱镜采用4个相同棱柱组合的结构形式，棱柱的底面是等腰直角三角形，4个棱柱的直角顶点相交，并通过镀膜手段来实现合光功能；
如图3所示，消散斑衍射元件9被放置于投影光学系统7的中间像面处。

Claims (10)

1.一种激光真三维显示器的光学系统，包括照明光学系统、空间光调制器系统、合光棱镜、投影光学系统和旋转屏，其特征在于，所述照明光学系统包括激光器系统、激光扩束系统、轴锥镜系统及匀光系统，其中，所述激光器系统发出的激光通过激光扩束系统扩束，再经过轴锥镜系统形成环形光束，所述环形光束通过匀光系统照射到空间光调制器系统上，经空间光调制器系统调制后的激光光束经合光棱镜合光后再经投影光学系统成像到旋转屏上。
2.根据权利要求1所述的激光真三维显示器的光学系统，其特征在于，所述激光器系统为半导体激光器系统、固体激光器系统、液体激光器系统或气体激光器系统。
3.根据权利要求2所述的激光真三维显示器的光学系统，其特征在于，所述激光器系统包括红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器，所述各激光器发出的激光波长分别为λR=671nm，λG=532nm，λB=473nm，其中，所述λR为红光波长，λG为绿光波长，λB为蓝光波长。
4.根据权利要求1所述的激光真三维显示器的光学系统，其特征在于，所述激光扩束系统采用双柱面镜系统，包括两个主轴正交放置柱面镜，且与照明光学系统的光轴垂直。
5.根据权利要求1所述的激光真三维显示器的光学系统，其特征在于，所述激光扩束系统采用双平行反射镜组、多组元平行反射镜组或带有楔角的双反射镜组。
6.根据权利要求1所述的激光真三维显示器的光学系统，其特征在于，所述轴锥镜系统的主轴与照明光学系统的光轴平行。
7.根据权利要求1所述的激光真三维显示器的光学系统，其特征在于，所述空间光调制器系统采用液晶光阀、数字微镜芯片或硅基液晶光阀。
8.根据权利要求1所述的激光真三维显示器的光学系统，其特征在于，所述合光棱镜采用4个相同棱柱组合的结构形式，所述棱柱的底面为等腰直角三角形，所述4个棱柱的直角顶点相交，并通过镀膜手段实现合光功能。
9.根据权利要求1所述的激光真三维显示器的光学系统，其特征在于，所述投影光学系统采用带有中间像面的二次成像系统。
10.根据权利要求9所述的激光真三维显示器的光学系统，其特征在于，所述投影光学系统的中间像面处设置消散斑衍射元件。
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