CN102768410B - 一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，包括：光学波前发生器，用于在小范围内产生高精度共轭光波，使得所产生的共轭光波基于光路可逆性传播展宽到达第一微透镜阵列板，并被第一微透镜阵列板聚焦散射后在空中大范围内重建出三维立体图像；第一微透镜阵列板，接受光学波前发生器产生的共轭光波，每个微透镜聚焦产生一个光锥，增加上述基于光路可逆性原理重建的三维立体图像的观察角，实现大尺寸、大视角立体显示。

Description

一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置

技术领域

    本发明涉及三维成像和光学波前重构领域，更具体涉及一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，适用于三维立体显示、虚拟现实、计算机人机交换、机器人视觉等领域。

背景技术

用于三维立体显示的光学系统根据其采用的光源是非相干光源还是相干光源可分为非相干三维立体显示系统和相干三维立体显示系统。光波的两个基本特征是振幅和位相，其中振幅反映了亮度信息，而位相反映了空间位置和形状信息，非相干三维立体显示系统和相干三维立体显示系统之间的最大区别在于前者仅仅利用振幅信息，而后者往往同时利用振幅和位相信息，从而使得立体显示更加轻松简洁。非相干三维立体显示系统，最典型的如基于双目视差的立体成像系统，虽然它们取得了很大的商业成功，但由于它们采用各种方法把两幅拍摄视角不同的图像分别传送给观察者的左右眼，使其产生立体幻觉，长时间观看容易引起疲劳。其他非相干成像技术，如集成成像和体成像技术虽然可以生成真实的立体图像，但在视场景深、分辨率、刷新速率等各方面还存在不足，很难大规模推广。相干三维立体显示系统，最典型的如全息技术，它充分利用了激光光源的相干特性，可以把真实立体图像成像在自由空间，重建光波场的光学波前与物体轮廓相吻合，观众可以像观看真实物体一样自然观看。然而由于可见光波长很短，全息干涉条纹的密度远远超过显示器的分辨率，因此需要采用高分辨率全息干板。全息干板的最大缺点是不能进行实时动态显示。而且一幅全息图包含的信息太大，即使数值化后也不便于实时传输和读写存储。为了实现高像质大场景的全息立体显示，一般需要大尺寸全息干板，这使得全息图的信息量进一步加大。

专利号为201010190482.3 的发明提出了“一种实现数字光学位相共轭的装置”，该装置可实时重建出任意复杂光学波前，其核心是把复杂光波分解为离散的简单光波，然后采用现有低分辨率空间光调制器实时数字化产生这些简单离散光波的共轭光波。由于光学波前形状相同但传播方向相反的两个光波其复振幅呈共轭关系，基于光路的可逆性，这些数字化实时产生的共轭光波逆向传播，原路返回，从而重建恢复出初始输入光波。由于该方法充分利用了光路的可逆性，因此不存在传统光学系统的像差，所生成的光学波前的精度可以达到衍射极限精度。但是由于空间光调制器的像素数目有限，采用数字光学位相共轭装置重建的光学波前面积很小，例如，采用具有1百万个像素的空间光调制器时所重建的光学波前横截面面积在1平方毫米量级，这意味着采用该方法直接进行三维立体显示由于尺寸太小并不实用。如果采用传统光学镜头对其进行放大，虽然立体图像可以放大，但角放大倍率与立体图像横向放大倍率成反比。这样虽然立体图像尺寸被放大，但由于观察角变小，观察者只能看到整个立体图像的一小部分，同样不实用。本发明将提出一种新的光学转换系统，它一方面可以把在小范围内精确重建的光学波前转换成大体积范围内的立体图像，一方面可以保持大的观察角。同时本发明还将简化光波复振幅调节器的结构，采用单块空间光调制器实现光波振幅和位相的独立调节。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，实现大尺寸、大视角立体显示。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，包括

光学波前发生器，用于产生共轭光波，使得所产生的共轭光波基于光路可逆性传播展宽到达第一微透镜阵列板，并被第一微透镜阵列板聚焦散射后重建出三维立体图像；

第一微透镜阵列板，接受光学波前发生器产生的共轭光波，每个微透镜聚焦产生一个光锥，增加基于光路可逆性原理重建的三维立体图像的观察角。

如上所述的光学波前发生器为数字光学位相共轭装置，数字光学位相共轭装置包括：

相干光源装置，产生激光光束；

照明光学系统，接受相干光源装置发出的激光光束，并对该激光光束进行扩束；

复振幅调节器，接受照明光学系统发出的扩束后的激光光束，并对扩束后的激光光束的振幅和位相进行逐像素调节；

第二微透镜阵列板，包括若干个微透镜，微透镜个数与复振幅调节器中的像素个数适配，每个微透镜接受经过复振幅调节器对应像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束的粗端的对应的单模光波导的芯层，产生共轭光波；以及

绝热锥形光波导束，由若干个单模光波导组成，单模光波导个数与第二微透镜阵列板的微透镜的个数适配，在绝热锥形光波导束的细端，各个单模光波导彼此相互耦合，从细端到粗端，单模光波导之间的间距逐步增加，在绝热锥形光波导束的粗端，单模光波导彼此相互隔离；位于绝热锥形光波导束的粗端的各个单模光波导的芯层分别接受来自第二微透镜阵列板中对应的微透镜聚焦产生的共轭光波，该共轭光波从绝热锥形光波导束的细端出射。

如上所述的复振幅调节器包括依次放置的第一偏振片、第一空间光调制器、第二偏振片、第二空间光调制器和第三偏振片，通过调节第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片的偏振方向，使得第一空间光调制器工作在相位调节为主模式，第二空间光调制器工作在振幅调解为主模式；或者使得第一空间光调制器工作在振幅调节为主模式，第二空间光调制器工作在相位调解为主模式；

第二微透镜阵列板中的每个微透镜接受经过复振幅调节器中对应的一个像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束的粗端的对应的一个单模光波导的芯层，通过矢量相乘产生共轭光波。

如上所述的复振幅调节器包括第三空间光调制器，第三空间光调制器两侧分别放置有第四偏振片和第五偏振片，调节第四偏振片和第五偏振片的偏振方向使得第三空间光调制器工作在位相调节为主模式；

第二微透镜阵列板中的每个微透镜接受经过复振幅调节器中对应的两个或两个以上像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束的粗端的对应的一个单模光波导的芯层，通过矢量相加产生共轭光波。

如上所述的光学波前发生器为全息显示装置，全息显示装置包括：

全息干板或聚合物分散液晶，用于记录全息干涉条纹；以及

相干光源，产生与在全息干板或聚合物分散液晶上记录全息干涉条纹时的参考光相共轭的光波，并照明全息干板或聚合物分散液晶，实现全息再现显示。

如上所述的第一微透镜阵列板与光学波前发生器之间还放置有一块大口径光学透镜，大口径光学透镜的物方焦距位于光学波前发生器的出瞳，使得光学波前发生器产生的共轭光波转换为平行宽光束垂直照射第一微透镜阵列板。

如上所述的大口径光学透镜采用菲涅耳透镜。

如上所述的第一微透镜阵列板与光学波前发生器之间还放置有一块微棱镜阵列板，微棱镜阵列板中的每一个微棱镜对准第一微透镜阵列板中的一个微透镜，微棱镜阵列板中的每一个微棱镜的锥角使得经过光学波前发生器产生的共轭光波经过微棱镜偏折后垂直照射到对应的第一微透镜阵列板中的微透镜。

如上所述的第一微透镜阵列板与微棱镜阵列板集成为一块二元光学元件阵列板，二元光学元件阵列板中的每一个二元光学元件为集成在一起的一个微棱镜和一个微透镜。

本发明中用到的术语：

1、光学波前发生器：用于实现光学波前重建的光学装置，例如本发明人在专利号为201010190482.3的发明专利中提出的数字光学位相共轭装置，再如基于全息再现的光学波前重建装置。

2、像素（Pixel）与体元（Voxel）：对离散二维平面显示，其每个离散像元称为像素；对离散三维立体显示，其每个离散像元称为体元。

本说明书中所用到的其他术语，如绝热锥形光波导束、复振幅空间光调节器等，可参考专利号为201010190482.3的发明专利中的定义。

为了实现大尺寸、大观察角的立体图像显示，本发明由一个高精度光学波前发生器和一个光学变换系统组成。其中光学变换系统由一块微透镜阵列板组成，其功能在于把光学波前发生器产生的小面积高精度共轭光波场变换到一个大体积范围，同时保证大的观察角。为了达到这一目的可以让光学波前发生器产生的高精度共轭光波场传播一段距离展宽后再照射一块微透镜阵列板，由于微透镜阵列的聚焦作用，在微透镜阵列板前方形成一个散射光场，基于光路的可逆性，共轭光波逆向传播在该散射光场中形成大尺寸立体图像，同时由于该散射光场包含来自各个方向的光线，从而保证了大的观察角。一般由光学波前发生器产生的高精度光波场在传播时会向四周发散展宽，它们照射到上述微透镜阵列板时入射角不垂直，被微透镜聚焦后的光锥中心轴也向四周散开，偏离观察者，使观察者只能看到整个立体图像的一小部分。为了矫正这种情况，可以在微透镜板前方再加一个大口径光学透镜，并将光学波前发生器放置在其物方焦点，这样光学波前发生器产生的光波场传播展宽后被大口径光学透镜转换为非均匀近似平行宽光束，并近似垂直照射微透镜阵列板。被每一个微透镜聚焦产生的光锥，它们的中心轴都相互平行，并指向正前方的观察者，而不再偏离观察者。当光学透镜口径很大时，为了减轻重量可以采用菲涅耳透镜，当然也可用一块微棱镜阵列板来代替大口径光学透镜，通过微棱镜对光线的偏折作用使入射光线近似垂直照射微透镜。进一步为了增加稳定性，减少加工和组装难度，还可采用二元光学工艺把微透镜阵列板和微棱镜阵列板集成为一个整体，一次加工成型。

观察者观察到空中有一个物点是因为该物点向四面八方发射出光波，或者说该物点发出的光波在空中形成一个光锥，锥顶所在位置即为物点所在位置。如果我们采用上述系统在空中形成光锥，站在该光锥内的观察者同样会认为锥顶所在位置存在一个物点，只要观察者不亲手触摸锥顶，该观察者就无法分辨在锥顶位置是一个真实物点，还是一个体元，这意味着观察者观看由上述体元构成的立体图像就像观察一个真实物体一样，自然逼真，无须佩带任何辅助眼镜。如果采用数字光学位相共轭装置作为精密光学波前发生器，利用上述系统在空中形成一个体元，可分为两步。第一步，把一个真实相干点光源放置在体元预定成像位置，该相干点光源发出的光投向光学转换系统，其中一部分光波会进入数字光学位相共轭装置的绝热锥形光波导束的细端，测量并记录从绝热锥形光波导束的粗端的每根单模光波导芯层出射的光波场的振幅和位相，测量完毕后，拿走上述真实相干点光源。第二步，利用复振幅空间光调节器在绝热锥形光波导束的粗端的每根单模光波导的芯层内建立一个光波场，该光波场与第一步中记录的光波场成共轭关系，由于光路的可逆性，该共轭光波场沿绝热锥形光波导束逆向返回，从其细端出射，再经光学转换系统，原路返回，在预定成像位置形成一个体元。同时由于到达该体元的光线来自许许多多不同位置的微透镜的焦点，它们覆盖一个很大的角度范围内，因此具有很大的观察角。许许多多体元即可组成一幅离散三维立体图像。

如果只需要静态或低速大面积三维立体显示，也可以用小面积的全息干板或聚合物分散液晶代替上述数字光学位相共轭装置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、通过光学转换系统把在小范围内精确重建的光学波前转换成大体积范围内的立体图像，在实现大尺寸立体图像显示的同时保证了大的观察角。

2、采用单块空间光调制器通过矢量相加实现光波的复振幅调节，简化了光波复振幅调节器的结构，增加了系统的稳定性，同时降低了生产组装难度。

附图说明

图1 为本发明采用单块微透镜阵列板作为光学转换系统时的一种实施方式的示意图；

图2 为本发明采用一块微透镜阵列板和一块大口径光学透镜作为光学转换系统时的一种实施方式的示意图；

图3 为本发明采用一块微透镜阵列板和一块微棱镜阵列板作为光学转换系统时的一种实施方式的示意图；

图4为具有微透镜和微棱镜功能的二元光学元件形成过程示意图；

图5为本发明的光学波前发生器采用数字光学位相共轭装置时的一种实施方式的示意图；

图6为本发明的光学波前发生器采用数字光学位相共轭装置时的另一种实施方式的示意图；

图7为本发明采用小面积全息干板作为光学波前发生器时进行全息记录的示意图；

图8为本发明采用小面积全息干板作为光学波前发生器时的一种实施方式的示意图；

图9为本发明的三维成像区域示意图；

图10为本发明的三维图像观察区域示意图。

图中：1-光学波前发生器； 2-第一微透镜阵列板；2a-微透镜；3-大口径光学透镜；4-辅助光学透镜；5-微棱镜阵列板；5a-微棱镜；6-微透镜阵列板2和微棱镜阵列板5的共同基片；7-二元光学元件阵列板或单个二元光学元件；8-相干光源装置；9-照明光学系统；10-复振幅调节器；11-第二微透镜阵列板；12-绝热锥形光波导束；13-共轭光波场；14-第一透镜；15-第二透镜；16-第一偏振片；17-第一空间光调制器；18-第二偏振片；19-第二空间光调制器；20-第三偏振片；21-第四偏振片；22-第三空间光调制器；23-第五偏振片；24-菲涅耳透镜；25-全息干板或聚合物分散液晶；26-反射镜；27-物体；28-相干光源；29-立体图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，包括

光学波前发生器1，用于产生共轭光波，使得所产生的共轭光波基于光路可逆性传播展宽到达第一微透镜阵列板2，并被第一微透镜阵列板2聚焦散射后重建出三维立体图像；

第一微透镜阵列板2，接受光学波前发生器1产生的共轭光波，每个微透镜聚焦产生一个光锥，增加基于光路可逆性原理重建的三维立体图像的观察角。

光学波前发生器1为数字光学位相共轭装置，数字光学位相共轭装置包括：

相干光源装置8，产生激光光束；

照明光学系统9，接受相干光源装置8发出的激光光束，并对该激光光束进行扩束；

复振幅调节器10，接受照明光学系统9发出的扩束后的激光光束，并对扩束后的激光光束的振幅和位相进行逐像素调节；

第二微透镜阵列板11，包括若干个微透镜，微透镜个数与复振幅调节器10中的像素个数适配，每个微透镜接受经过复振幅调节器10对应像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束12的粗端的对应的单模光波导的芯层，产生共轭光波；以及

绝热锥形光波导束12，由若干个单模光波导组成，单模光波导个数与第二微透镜阵列板11的微透镜的个数适配，在绝热锥形光波导束12的细端，各个单模光波导彼此相互耦合，从细端到粗端，单模光波导之间的间距逐步增加，在绝热锥形光波导束12的粗端，单模光波导彼此相互隔离；位于绝热锥形光波导束12的粗端的各个单模光波导的芯层分别接受来自第二微透镜阵列板11中对应的微透镜聚焦产生的共轭光波，该共轭光波从绝热锥形光波导束12的细端出射。

复振幅调节器10包括依次放置的第一偏振片16、第一空间光调制器17、第二偏振片18、第二空间光调制器19和第三偏振片20，通过调节第一偏振片16、第二偏振片18和第三偏振片20的偏振方向，使得第一空间光调制器17工作在相位调节为主模式，第二空间光调制器19工作在振幅调解为主模式；或者使得第一空间光调制器17工作在振幅调节为主模式，第二空间光调制器19工作在相位调解为主模式；

第二微透镜阵列板11中的每个微透镜接受经过复振幅调节器10中对应的一个像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束12的粗端的对应的一个单模光波导的芯层，通过矢量相乘产生共轭光波。

复振幅调节器10包括第三空间光调制器22，第三空间光调制器22两侧分别放置有第四偏振片21和第五偏振片23，调节第四偏振片21和第五偏振片23的偏振方向使得第三空间光调制器22工作在位相调节为主模式；

第二微透镜阵列板11中的每个微透镜接受经过复振幅调节器10中对应的两个或两个以上像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束12的粗端的对应的一个单模光波导的芯层，通过矢量相加产生共轭光波。

光学波前发生器1为全息显示装置，全息显示装置包括：

全息干板或聚合物分散液晶，用于记录全息干涉条纹；以及

相干光源28，产生与在全息干板或聚合物分散液晶上记录全息干涉条纹时的参考光相共轭的光波，并照明全息干板或聚合物分散液晶，实现全息再现显示。

第一微透镜阵列板2与光学波前发生器1之间还放置有一块大口径光学透镜3，大口径光学透镜3的物方焦距位于光学波前发生器1的出瞳，使得光学波前发生器1产生的共轭光波转换为平行宽光束垂直照射第一微透镜阵列板2。

大口径光学透镜3采用菲涅耳透镜24。

第一微透镜阵列板2与光学波前发生器1之间还放置有一块微棱镜阵列板5，微棱镜阵列板5中的每一个微棱镜对准第一微透镜阵列板2中的一个微透镜，微棱镜阵列板5中的每一个微棱镜的锥角使得经过光学波前发生器1产生的共轭光波经过微棱镜偏折后垂直照射到对应的第一微透镜阵列板2中的微透镜。

第一微透镜阵列板2与微棱镜阵列板5集成为一块二元光学元件阵列板，二元光学元件阵列板中的每一个二元光学元件为集成在一起的一个微棱镜和一个微透镜。

图1给出了本发明采用单块微透镜阵列板作为光学转换系统时的一种实施例示意图。图1所示基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，包括光学波前发生器1，用于产生共轭光波，使得所产生的共轭光波基于光路可逆性传播展宽到达第一微透镜阵列板2，并被第一微透镜阵列板2聚焦散射后重建出三维立体图像；第一微透镜阵列板2，接受光学波前发生器1产生的共轭光波，每个微透镜聚焦产生一个光锥，增加基于光路可逆性原理重建的三维立体图像的观察角。第一微透镜阵列板2上不同位置的微透镜聚焦产生的光锥的中心光轴是向四周发散的，如位于顶部和底部的微透镜聚焦产生的光锥分别向上和向下发散，这是因为光学波前发生器1的出瞳中心与每个微透镜的中心的连线是倾斜的，也就是说除了微透镜板中央附近，光波不是垂直照射在微透镜板上，那些向四周发散的光线会远离观察者。

图2 给出了本发明采用一块微透镜阵列板和一块大口径光学透镜作为光学转换系统时的一种实施例示意图。与图1相比，第一微透镜阵列板2前还放置有一块大口径光学透镜3，大口径光学透镜3的物方焦距位于光学波前发生器1的出瞳，使得光学波前发生器1产生的共轭光波转换为平行宽光束垂直照射第一微透镜阵列板2。这样被每一个微透镜聚焦产生的光锥，它们的中心轴都相互平行，并指向正前方的观察者，而不再偏离观察者。当光学透镜口径很大时，为了减轻重量可以采用菲涅耳透镜，如图9和图10中的菲涅耳透镜24。

图3 给出了本发明采用一块微透镜阵列板和一块微棱镜阵列板作为光学转换系统时的一种实施例示意图。与图1相比，在第一微透镜阵列板2前还制作有一块微棱镜阵列板5，每一个微棱镜对准一个微透镜，同时设计每一个微棱镜的锥角使得经过光学波前发生器1产生的共轭光波经过其偏折后近似垂直照射它所对应的微透镜。在图3中第一微透镜阵列板2和微棱镜阵列板5制作在同一基片6上，这样可以增加系统的稳定性。进一步，还可采用二元光学原理把微透镜阵列板2和微棱镜阵列板5集成为一个整体，即集成为一块二元光学元件阵列板，其每一个二元光学元件同时具有一个微棱镜和一个微透镜的功能，如图4所示。如果要制作一个功能等效于一个微透镜2a和一个微棱镜5a的二元光学元件7，在设计时可分为两步。第一步，减薄系统厚度：一个光学波前在通过一个微透镜2a和一个微棱镜5a后，其位相会随光学波前经历的光程差发生变化，由于在不同的地方微透镜2a和微棱镜5a的厚度不同，因此光学波前的形状发生改变，产生聚焦和偏折效应。但是任何2π整数倍的位相变化都可以忽略不计，根据这一原理可把微透镜2a和微棱镜5a的厚度减薄至仅产生2π以内的位相变化。第二步，二值化：减薄以后的微透镜和微棱镜表现为分段式的光滑曲面，如图4右侧的虚线所示，由于光滑曲面难以制作，可以把这些光滑曲面用二值化的台阶来近似，例如可用16级台阶来近似。台阶级数越多，越逼近原始光滑曲线，但加工难度越大。这些台阶可以用大规模集成电路工艺通过多步曝光刻蚀进行加工。

在图1和图2中，光学波前发生器1仅用一个梯形图标表示，图5和图6给出了当光学波前发生器采用数值光学位相共轭装置时的两种实施例示意图，而图7和图8给出了当光学波前发生器采用全息显示装置时的实施例示意图。

在图5中光学波前发生器采用数值光学位相共轭装置，该数字光学位相装置包括：相干光源装置8，它产生细激光光束；照明光学系统9，其中照明光学系统9由第一透镜14和第二透镜15组成，第一透镜14的像方焦点和第二透镜15的物方焦点重合，构成一个望远镜扩束系统，它接受相干光源装置8发出的细激光束，并将其扩束转换成宽光束；复振幅调节器10，接受照明光学系统9发出的宽光束，并对其振幅和位相进行逐像素调节；第二微透镜阵列板11，由若干个微透镜组成，微透镜个数与复振幅调节器10中的像素个数相等，每个微透镜接受经过复振幅调节器10对应像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束12的粗端的对应的单模光波导的芯层，产生共轭光波；绝热锥形光波导束12，由若干个单模光波导组成，单模光波导个数与第二微透镜阵列板11的微透镜的个数相等，在绝热锥形光波导束12的细端，各个单模光波导彼此相互耦合，从细端到粗端，单模光波导之间的间距逐步增加，在绝热锥形光波导束12的粗端，单模光波导彼此相互隔离；位于绝热锥形光波导束12的粗端的各个单模光波导的芯层分别接受来自第二微透镜阵列板11中对应的微透镜聚焦产生的共轭光波，该共轭光波从绝热锥形光波导束12的细端出射，在一个小范围内重建出一个高精度共轭光波场13，共轭光波场13进一步传播展宽，再经过由第一微透镜阵列板2组成的光学转换，基于光路可逆性原理形成大尺寸、大观察角的立体图像。

在图5中复振幅调节器10包括依次放置的第一偏振片16、第一空间光调制器17、第二偏振片18、第二空间光调制器19和第三偏振片20，通过调节第一偏振片16、第二偏振片18和第三偏振片20的偏振方向，使得第一空间光调制器17和第二空间光调制器19分别工作在相位和振幅调节为主模式，如第一空间光调制器17工作在相位调节为主模式，而第二空间光调制器19工作在振幅调节为主模式。或者相反，如第一空间光调制器17工作在振幅调节为主模式，而第二空间光调制器19工作在相位调节为主模式。第二微透镜阵列板11中的每个微透镜接受经过复振幅调节器10中对应的一个像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束12的粗端的对应的一个单模光波导的芯层，通过矢量相乘产生共轭光波。

在图5中复振幅调节器10需要用到两块空间光调制器，为了简化结构，在图6中复振幅调节器10仅包括第三空间光调制器22，第三空间光调制器22两侧分别放置有第四偏振片21和第五偏振片23，调节第四偏振片21和第五偏振片23的偏振方向使得第三空间光调制器22工作在位相调节为主模式。同时第二微透镜阵列11中的每个微透镜接受经过复振幅调节器10中对应的2×2=4个像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束12的粗端的对应的一个单模光波导的芯层，通过矢量相加产生共轭光波。这是因为四个振幅相同而位相不同的矢量相加后，最后所得总矢量的振幅和位相可以在很大范围内任意变化。反之亦然，振幅和位相在很大范围内任意变化的一个矢量可以分解为四个振幅相同而位相不同的矢量的相加。如果复振幅调节器10的像素尺寸进一步减小，同时总的像素数目比例增加，则每个微透镜还可覆盖复振幅调节器10的更多个像素，但必须保证持第二微透镜阵列板11的每个微透镜的周期间隔和总的数目与绝热锥形光波导束12的粗端的单模光波导的芯层的周期间隔和总的数目一致，因为绝热锥形光波导束12的粗端的每个单模光波导的芯层内都必须按照要求产生特定位相共轭光波，如果某些单模光波导的芯层内没有按照要求产生特定位相共轭光波，则在绝热锥形光波导束12的细端就无法精确重建恢复出初始输入光波。

如果只需要静态或低速大面积三维立体显示，光学波前发生器也可以采用小面积的全息干板或聚合物分散液晶(polymer-dispersed liquid crystal，PDLC)，如图7和图8所示，其中图7给出了全息记录过程，而图8给出了显示过程。在图7和图8中，光学转换系统由菲涅耳透镜24和第一微透镜阵列板2组成。如图7所示，在进行全息记录时将一块高分辨全息干板25垂直放置在菲涅耳透镜24的物方焦点处，由激光器28发出的相干光通过反射镜26反射，从右侧垂直照射到全息干板25，作为参考光R，参考光R与来自物体27的物光O在全息干板25上发生干涉，全息干板记录的光强I₁可以写为：

                                                                                          （1）

（1）式中上标*表示取共轭。如图8所示，在进行全息记录再现时，由激光器28发出的相干光从左侧直接垂直照射到全息干板25，作为共轭参考光R*，再现光强I₂可以写为：

                                                       （2）

（2）式右端第三项为物光的共轭光O*，由于光路的可逆性，它逆向传播即可再现出立体图像29。与普通全息显示系统相比，由于引入大口径菲涅耳透镜24和第一微透镜阵列板2，只需要在菲涅耳透镜24物方焦点附近很小一个区域内记录全息干涉条纹，这样用很小尺寸的全息干版就可以实现大尺寸、大观察角的全息立体显示。为了实现动态立体显示，可以采用聚合物分散液晶代替全息干板25。聚合物分散液晶是一种功能材料，可反复擦写，实现动态全息显示。

上述基于光学波前重建的相干三维立体成像系统，其工作过程可分为两步，第一步，逐点标定；第二步，逐点累加。以图2所示系统为例，在第一步中，把整个三维立体成像空间划分成许多离散网格，把一个点光源依次分别放置在每个格点，例如图2中A₂点。从A₂点光源发出的光线（图中虚线）从右向左传播，分别经过第一微透镜阵列2和大口径光学透镜3，其中一部分光波进入放置在大口径光学透镜3物方焦点处的绝热锥形光波导束12的细端。进入绝热锥形光波导束12的细端的光波在向粗端传播的过程中被逐步分离引导到每根单模光波导的芯层，最后从粗端出射。测量并记录从绝热锥形光波导束12的粗端出射的光波场的复振幅。在第二步中，如果仅需在A₂点产生一个体元，把第一步中记录的对应A₂点的光波场复振幅取共轭，然后通过复振幅调节器10在绝热锥形光波导束12的粗端的单模光波导的芯层内产生该共轭光波，由于光路的可逆性，该共轭光波逆向通过绝热锥形光波导束12，从其细端出射，进一步沿路返回，依次穿过大口径光学透镜3和第一微透镜阵列板2，在A₂点重建一个光锥（图2中实线），这样在空中就形成了一个体元。类似地由许许多多体元就可形成一幅离散立体图像，当然此时在第二步中需要把对应各个格点处记录的光波场复振幅，根据每个体元的亮度，逐点比例相加，最后再把总光场取共轭。然后通过复振幅调节器10产生该总光场的共轭光波，由于光路的可逆性，就可在预定格点位置同时重建出许许多多预定亮度的体元。

利用上述原理，不仅可以在第一微透镜阵列2前方产生立体实像，也可以在第一微透镜阵列2后方产生立体虚像。为了产生立体虚像，或者说虚体元，可以在第一步逐点标定中，借助一个辅助光学透镜4把A’₃点处的点光源投射到第一微透镜阵列2背后的A₃点，如图1中虚线所示。如果保持辅助光学透镜4的位置不变，经过重建，由于光路的可逆性可以在A’₃点产生一个实光点，但是如果拿走辅助光学透镜4，所有重建光线看上去都象是从第一微透镜阵列2背后的A₃点发出的（图2中实线），这样就可在第一微透镜阵列2后方产生立体虚像。立体虚像的产生大大扩展了三维立体成像范围。

对上述基于光学波前重建的相干立体成像系统，可以根据其工作原理分析其成像特点，例如其三维成像区域和观察区域。下面以图2所示系统为例，首先分析其三维成像区域。在图2中，由波形发生器1 产生的光波经透镜大口径光学透镜3转换成一个非均匀平行光束，该平行光束经图1中的第一微透镜阵列板2再聚焦，在每一个微透镜的焦点处形成一个光锥，该光锥锥角取决于微透镜的焦距与口径之比，记为2α。采用现代加工工艺，2α可大于90度。如图9所示，在第一微透镜阵列板2前方任一点，到达该点的来自不同微透镜的焦点处的光线组成的夹角最大为2α。以第一微透镜阵列板2的上下边缘为中心，分别作与水平线夹角为±α的射线（图中虚线），该射线把整个垂直平面划分为九个区域，这九个区域根据其性质可分为I、II、III三类。同时在每一个成像点，以该点为中心分别作与水平线夹角为±α的射线（图中实线），如果该射线超过第一微透镜阵列板2的边缘，则放弃该射线，直接连接该点与第一微透镜阵列板2的边缘，最后所得两条实线之间的夹角就代表了到达该点的光线所能组成的最大夹角，或者说在该点重建产生的体元所发出的光锥的锥角。仔细观察图9可以发现，在I类区域内的每一点F₁、B₁，重建产生的光锥锥角α₁=2α，β₁=2α。在II类区域内的每一点F₂、B₂，重建产生的光锥锥角α₂≤α，β₂≤α。而在III类区域内的每一点F₃、B₃，重建产生的光锥锥角α₃≤2α， β₃≤2α。

进一步可分析图2所示立体成像系统的观察区域。通过上述分析可知，重建后所产生的体元发出的光锥锥角在不同的地方是不同的，而观察者只有站立在该锥角内才能接收到该体元发出的光，才能看到该体元。这意味着在不同的观察位置，所能看到的体元是不同的。如图10所示，类似图9，把垂直平面划分为三类区域。以观察者的站立位置E₁、E₂、E₃为中心分别作与水平线夹角为±α的射线（图中实线），如果该射线超过第一微透镜阵列板2的边缘，则放弃该射线，并连接观察者的站立位置与第一微透镜阵列板2的边 SHAPE  \* MERGEFORMAT 缘，最后所得两条实线围成一个区域，位于该区域内的所有体元对站在该区域顶点位置的观察者来说是可见的，因为在此区域内重建的体元，无论是在第一微透镜阵列板2前方重建的实体元，还是在第一微透镜阵列板2后方重建的虚体元，它们发出的光线都可以到达观察者的眼睛。观察图10不难发现，如果观察者站在不同区域，它所能看见的体元是不同的。为了观察到尽可能多的体元，观察者站在第一微透镜阵列板2前的III区比较好，也就是说，该区是最佳观看区域。

Claims (4)

1.一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，其特征在于，包括

光学波前发生器(1)，用于产生共轭光波，使得所产生的共轭光波基于光路可逆性传播展宽到达第一微透镜阵列板(2)，并被第一微透镜阵列板(2)聚焦散射后重建出三维立体图像；

第一微透镜阵列板(2)，接受光学波前发生器(1)产生的共轭光波，每个微透镜聚焦产生一个光锥，增加基于光路可逆性原理重建的三维立体图像的观察角，

第一微透镜阵列板(2)与光学波前发生器(1)之间还放置有一块大口径光学透镜(3)或微棱镜阵列板(5)，大口径光学透镜(3)的物方焦距位于光学波前发生器(1)的出瞳，使得光学波前发生器(1)产生的共轭光波转换为平行宽光束垂直照射第一微透镜阵列板(2)；

所述的光学波前发生器(1)为数字光学位相共轭装置，数字光学位相共轭装置包括：

相干光源装置(8)，产生激光光束；

照明光学系统(9)，接受相干光源装置(8)发出的激光光束，并对该激光光束进行扩束；复振幅调节器(10)，接受照明光学系统(9)发出的扩束后的激光光束，并对扩束后的激光光束的振幅和位相进行逐像素调节；

第二微透镜阵列板(11)，包括若干个微透镜，微透镜个数与复振幅调节器(10)中的像素个数适配，每个微透镜接受经过复振幅调节器(10)对应像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束(12)的粗端的对应的单模光波导的芯层，产生共轭光波；以及

绝热锥形光波导束(12)，由若干个单模光波导组成，单模光波导个数与第二微透镜阵列板(11)的微透镜的个数适配，在绝热锥形光波导束(12)的细端，各个单模光波导彼此相互耦合，从细端到粗端，单模光波导之间的间距逐步增加，在绝热锥形光波导束(12)的粗端，单模光波导彼此相互隔离；位于绝热锥形光波导束(12)的粗端的各个单模光波导的芯层分别接受来自第二微透镜阵列板(11)中对应的微透镜聚焦产生的共轭光波，该共轭光波从绝热锥形光波导束(12)的细端出射；

或者所述的光学波前发生器(1)为全息显示装置，全息显示装置包括：

全息干板或聚合物分散液晶，用于记录全息干涉条纹；以及

相干光源(28)，产生与在全息干板或聚合物分散液晶上记录全息干涉条纹时的参考光相共轭的光波，并照明全息干板或聚合物分散液晶，实现全息再现显示，

所述的复振幅调节器(10)包括依次放置的第一偏振片(16)、第一空间光调制器(17)、第二偏振片(18)、第二空间光调制器(19)和第三偏振片(20)，通过调节第一偏振片(16)、第二偏振片(18)和第三偏振片(20)的偏振方向，使得第一空间光调制器(17)工作在相位调节为主模式，第二空间光调制器(19)工作在振幅调解为主模式；或者使得第一空间光调制器(17)工作在振幅调节为主模式，第二空间光调制器(19)工作在相位调解为主模式；

第二微透镜阵列板(11)中的每个微透镜接受经过复振幅调节器(10)中对应的一个像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束(12)的粗端的对应的一个单模光波导的芯层，通过矢量相乘产生共轭光波；

或者所述的复振幅调节器(10)包括第三空间光调制器(22)，第三空间光调制器(22)两侧分别放置有第四偏振片(21)和第五偏振片(23)，调节第四偏振片(21)和第五偏振片(23)的偏振方向使得第三空间光调制器(22)工作在位相调节为主模式；

第二微透镜阵列板(11)中的每个微透镜接受经过复振幅调节器(10)中对应的两个或两个以上像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束(12)的粗端的对应的一个单模光波导的芯层，通过矢量相加产生共轭光波。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，其特征在于，所述的大口径光学透镜(3)采用菲涅耳透镜(24)。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，其特征在于，所述微棱镜阵列板(5)中的每一个微棱镜对准第一微透镜阵列板(2)中的一个微透镜，微棱镜阵列板(5)中的每一个微棱镜的锥角使得经过光学波前发生器(1)产生的共轭光波经过微棱镜偏折后垂直照射到对应的第一微透镜阵列板(2)中的微透镜。

4.根据权利要求3所述的一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，其特征在于，所述的第一微透镜阵列板(2)与微棱镜阵列板(5)集成为一块二元光学元件阵列板，二元光学元件阵列板中的每一个二元光学元件为集成在一起的一个微棱镜和一个微透镜。