CN102854630B - 一种基于相长干涉的三维立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相长干涉的三维立体显示装置，包括：相干光源装置，用于产生激光光束；照明光学系统，用于接受激光光束并进行扩束；复振幅空间光调节器，用于接受扩束后的激光光束，并对振幅和位相进行逐像素调节；透镜阵列，用于接受经过复振幅空间光调节器调节后的光波，设计透镜阵列中每个透镜的通光口径，使每个透镜覆盖复振幅空间光调节器的2个以上像素，经过复振幅空间光调节器每个象素调节后的光波，经过透镜阵列中对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被透镜阵列中对应不同透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理形成体元，由众多体元构成离散三维立体图像。

Description

一种基于相长干涉的三维立体显示装置

技术领域

本发明涉及三维立体成像领域，更具体涉及一种基于相长干涉的三维立体显示装置，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，其中振幅反映了物体亮度信息，而位相反映了物体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。近年来Sub-holography通过产生一系列离散体元显著降低了全息图的信息量，为了使得干涉条纹充分稀疏（达到数十微米量级），以便于用液晶显示器代替全息干板动态显示干涉条纹，在Sub-holography成像技术中每个体元发出的光锥仅仅覆盖观察者的眼睛，锥角小于1度，这样必须时刻跟踪观察者眼睛的位置，而且必须为每一只眼睛产生一套立体图像，由于总的立体体元数目有限，观看人越多，每个人分配的体元数目越少，图像清晰度越低。

专利号为201010190482.3的发明和申请号为201210262034.9的发明提出了基于数字光学位相共轭原理的相干立体显示技术，该技术的核心是采用一个绝热锥形光波导束把复杂光波分解为许许多多单模光波导的基模，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基模的共轭光波。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，从而重建出一个个体元，并由这些体元构成一幅立体图像。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，同时由于微透镜阵列板的引入，在实现大尺寸立体图像显示的同时还保证了大观察角。该方法的唯一不足是必须借助绝热锥形光波导束，一个绝热锥形光波导束由成千上万根单模光波导组成，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，借助该绝热锥形光波导束可实现任意复杂光学波前的分解与合成，但绝热锥形光波导束需要采用专业技术进行制作。

专利号为200810046861.8的发明和专利号为200910093002.9的发明提出了基于随机相长干涉原理的相干立体显示技术，该技术的核心是采用微透镜阵列板对经过空间光调制器进行复振幅调制后的光波进行聚焦，产生随机分布的点光源阵列，再通过这些点光源的相长干涉在空间产生体元，由许许多多体元构成离散立体图像。该方法的不足是一个微透镜对应空间光调制器的一个像素，由每个微透镜聚焦产生的点光源发出的光锥覆盖整个立体成像空间，即使仅产生一个体元时也是如此，而发射到该体元以外的光线其实是杂散光，降低了光能利用率，同时也限制了总的体元数目。本发明是对专利号为200810046861.8的发明和专利号为200910093002.9的发明的改进或继续，其最大改进在于让一个微透镜对应空间光调制器的多个像素，这样经过每个像素调制后的光波聚焦后仅发射到三维成像空间的一个小光锥角范围内，提高了产生每一个体元时的光能利用率，同时也有利于提高总的体元数目。本发明也可看作是对专利号为201010190482.3的发明和申请号为201210262034.9的发明的一种简化，因为点光源发出的球面光波经透镜阵列分解后垂直照射空间光调制器，对这种垂直入射的平面光波可以很简单地产生其共轭光波，从而重建出点光源像，即体元，不再需要借助绝热锥形光波导束，从而可大大简化显示装置的结构。

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，提供一种结构简单、光能利用率高的基于相干干涉的三维立体显示装置，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：

一种基于相长干涉的三维立体显示装置，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；

复振幅空间光调节器，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；

透镜阵列，接受经过复振幅空间光调节器调节后的光波，透镜阵列中的每个透镜覆盖复振幅空间光调节器的2个以上像素，使得经过复振幅空间光调节器每个象素调节后的光波，经过透镜阵列中对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被透镜阵列中所对应不同透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理在空中形成体元，由众多体元构成离散三维立体图像。

如上所述的相干光源装置同时产生三基元色激光光束；

照明光学系统，接受相干光源装置发出的三基元色激光光束，并对该激光光束进行扩束和三基元色分离，使得透镜阵列中的透镜依次被不同基元色激光照明。

如上所述的照明光学系统包括二维光栅阵列和第三光学透镜，二维光栅阵列垂直放置在第三光学透镜的焦平面，二维光栅阵列包含三块二维光栅，每块二维光栅接受一种基元色激光，设计每块二维光栅的光栅参数，同时安排每块二维光栅的横向空间位置，使得经每块二维光栅衍射后的光斑阵列与透镜阵列对准，而且不同基元色衍射光斑依次照明透镜阵列中的不同透镜。

如上所述的透镜阵列中每个透镜的位置呈随机排列，使得高阶衍射像可以忽略不计。

如上所述的透镜阵列中每个透镜的位置呈周期排列，设定排列周期的大小，使得高阶衍射像可以忽略不计。

如上所述的复振幅空间光调节器包含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位相调节为主模式，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位相调解为主模式；第一空间光调制器和第二空间光调制器的像素相互对准；同时选择第一空间光调制器和第二空间光调制器的像素间距使得2个以上像素对应透镜阵列中的一个对应透镜。

如上所述的复振幅空间光调节器包括依次叠放的后面板、第一液晶层、中间面板、第二液晶层、前面板和偏振片；后面板、第一液晶层、中间面板、第二液晶层和前面板集成制作为一个整体，偏振片紧贴在前面板上；后面板、第一液晶层与中间面板构成第一块灰度液晶板，中间面板、第二液晶层、前面板和偏振片构成第二块灰度液晶板，第一块灰度液晶板和第二块灰度液晶板上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；第一块灰度液晶板和第二块灰度液晶板的2个以上像素对应透镜阵列中的一个对应透镜；

设置后面板上朝向第一液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向,使其与中间面板上朝向第一液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向平行，使得第一块灰度液晶板工作于纯位相调节模式，设定后面板与中间面板之间的间隔以及第一液晶层的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板的位相调节范围达到0~2π；设定中间面板上朝向第二液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向、前面板上朝向第二液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片的偏振方向，使得第二块灰度液晶板工作于振幅调节为主模式。

如上所述的复振幅空间光调节器包括第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第一投影镜头、工作于位相调节为主模式的第一透射式液晶板和工作于位相调节为主模式的第二透射式液晶板；第一透射式液晶板与第二半透半反镜的半透半反面成45度夹角，第一透射式液晶板和第二透射式液晶板相对于第二半透半反镜的半透半反面呈镜像对称放置，第一透射式液晶板和第二透射式液晶板位于第一投影镜头的一倍焦距至两倍焦距之间，使得第一透射式液晶板和第二透射式液晶板的像素被放大成实像投影到透镜阵列上；第一半透半反镜接受照明光学系统发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第一束光和第二束光，设定第一半透半反镜、第一反射镜和第二反射镜的位置，使得第一束光被第一反射镜反射后垂直照射第一透射式液晶板，而第二束光被第二反射镜反射后垂直照射第二透射式液晶板，穿过第一透射式液晶板的第一束光和穿过第二透射式液晶板的第二束光再分别经过第二半透半反镜后被第一投影镜头成像到透镜阵列上，设定第一投影镜头的放大倍数使得第一透射式液晶板和第二透射式液晶板的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列中的一个对应透镜。

如上所述的复振幅空间光调节器包括第三半透半反镜、第二投影镜头、工作于位相调节为主模式的第一LCOS反射式液晶板和工作于位相调节为主模式的第二LCOS反射式液晶板；第一LCOS反射式液晶板与第三半透半反镜的半透半反面呈45度夹角，第一LCOS反射式液晶板和第二LCOS反射式液晶板相对于第三半透半反镜的半透半反面互成镜像对称放置，第一LCOS反射式液晶板和第二LCOS反射式液晶板位于第二投影镜头的一倍焦距至两倍焦距之间，使得第一LCOS反射式液晶板和第二LCOS反射式液晶板的像素被放大成实像投影到透镜阵列上；第三半透半反镜接受照明光学系统发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第三束光和第四束光，设定第三半透半反镜的位置,使得第三束光垂直照射第一LCOS反射式液晶板,而第四束光垂直照射第二LCOS反射式液晶板，被第一LCOS反射式液晶板反射后的第三束光和被第二LCOS反射式液晶板反射的第四束光再次经过第三半透半反镜后被第二投影镜头成像到透镜阵列上，设定第二投影镜头的放大倍数使得第一LCOS反射式液晶板和第二LCOS反射式液晶板的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列中的一个对应透镜。

如上所述的复振幅空间光调节器包括第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器、第三子复振幅空间光调节器、第三投影镜头及具有一个出光面和三个进光面的立方分光棱镜；第三投影镜头放置在立方分光棱镜的出光面前，第三投影镜头的光轴与立方分光棱镜的出光面的中心轴重合；第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器和第三子复振幅空间光调节器分别放置在立方分光棱镜的三个进光面前，第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器和第三子复振幅空间光调节器的中心轴分别与立方分光棱镜的三个进光面的中心轴重合；立方分光棱镜由相同结构的第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜和第四直角棱镜按直角棱相抵的方式粘合而成，第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜和第四直角棱镜的直角面分别蒸镀有针对某一基元色激光的反射膜，使得分别从立方分光棱镜的三个进光面入射的三基元色激光能够透射或反射后穿过立方分光棱镜，并从立方分光棱镜的出光面出射，立方分光棱镜的所有进光面与出光面均蒸镀有宽带增透膜；第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器和第三子复振幅空间光调节器的像素互相一一对准，距离第三投影镜头一倍焦距至两倍焦距之间，使得通过第三投影透镜放大成像后在像面一一互相重叠，设定第三投影镜头的放大倍数使得第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器和第三子复振幅空间光调节器的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列中的一个对应透镜；

所述第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器、第三子复振幅空间光调节器均包括依次叠放的后面板、第一液晶层、中间面板、第二液晶层、前面板和偏振片；后面板、第一液晶层、中间面板、第二液晶层和前面板集成制作为一个整体，偏振片紧贴在前面板上；后面板、第一液晶层与中间面板构成第一块灰度液晶板，中间面板、第二液晶层、前面板和偏振片构成第二块灰度液晶板，第一块灰度液晶板和第二块灰度液晶板上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；其中后面板上朝向第一液晶层一侧的液晶分子定向膜与中间面板上朝向第一液晶层一侧的液晶分子定向膜取向平行，使得第一块灰度液晶板工作于纯位相调节模式，设定后面板与中间面板之间的间隔以及第一液晶层的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板的位相调节范围达到0~2π；同时改变中间面板上朝向第二液晶层一侧的液晶分子定向膜、前面板上朝向第二液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片的偏振方向，使得第二块灰度液晶板工作于振幅调节为主模式。

下面对本发明使用的术语进行说明。

1、透镜位置呈随机分布是指透镜阵列中每个透镜的位置可位于某一空间或平面上的任意位置，或位于任一位置的概率相等，当然需限定在一定范围内且透镜相互不重叠；相对应地，透镜位置呈周期分布指透镜阵列中每个透镜的位置只能位于规则的格点上。

本发明是对专利号为200810046861.8的发明和专利号为200910093002.9的发明的改进或继续，因此它秉承了上述两项专利所提出的基于相长干涉的立体显示原理的核心思想，即通过空间光调制器和透镜阵列聚焦产生复振幅可实时数字调节的点光源阵列，每个点光源发出的光锥在立体成像空间相互交叠，如果调节这些点光源的复振幅使得它们发出的光波到达空间某一点时同位相，则由于相长干涉在该点将产生一个体元，由许许多多体元构成一幅离散立体图像。本发明相对于专利号为200810046861.8的发明和专利号为200910093002.9的发明的最大改进在于让一个透镜覆盖空间光调制器的多个像素，这样经过每个像素调制后的光波聚焦后仅照射三维立体成像空间一个小光锥角范围，提高了产生每一个体元时的光能利用率，同时它还将带来其他一些好处。例如，由于透镜尺寸的增加，它聚焦产生的点光源阵列的周期也相应增大，而高阶衍射与点光源周期成反比，当透镜尺寸增加到一定程度时，由高阶衍射产生的多重像重叠在一起，可以认为是分辨率略有增加的单重像，这意味着透镜阵列可以采取周期排列结构，这将极大地简化透镜阵列的制作难度。当然如果透镜尺寸还不是足够大，由高阶衍射产生的多重像相互分离，形成多重立体图像，此时仍然需要随机排列透镜的位置，这样就可破坏所聚焦产生的点光源的空间排列周期结构，使得高阶立体像无法产生，仅产生单一零阶立体图像。再例如，由于每个像素调制后的光波聚焦后仅照射立体成像空间一个子空间，换句话说，该像素仅负责产生该子空间内的体元，而同一透镜覆盖的其他像素负责产生剩余空间的体元，在每个像素所能产生的体元数目一定的情况下，总的体元数目随着每个透镜所覆盖的像素数目成倍增加。

本发明提出的基于上述相长干涉原理的三维立体显示装置，主要包括四个功能模块，即相干光源装置，用于产生相干激光光束；照明光学系统，用于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，用于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；透镜阵列，用于接受经过复振幅调节器调节后的光波，并对其进行聚焦，使得经过复振幅调节器每个象素调节后的光波，经过对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被对应不同透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理形成体元，由众多体元构成三维立体图像，其中应该设计透镜阵列中每个透镜的通光口径，使每个透镜覆盖复振幅调节器的2个以上像素。

为了进行彩色立体显示，相干光源装置需要发出三种基元色激光。三基元色激光可按照时间先后依次发出，此时同步调节复振幅调节器，依次产生三基元色立体图像，基于视觉暂留效应实现彩色立体显示。三基元色激光也可同时发出，此时由照明光学系统对其进行分离，使得透镜阵列中的不同透镜依次被三种基元色激光照明，通过在同一空间位置同时产生三种基元色体元实现彩色立体显示。为了对三基元色进行分离，可以采用专利号为200910093002.9的发明所提出的分束器阵列，也可以采用三块二维光栅，每块二维光栅接受一种基元色激光，设计每块二维光栅的光栅参数，同时安排每块二维光栅的空间位置，使得经每块二维光栅衍射后的光斑阵列与透镜阵列对准，而且不同基元色衍射光斑依次照明透镜阵列中的不同透镜。为了让被二维光栅衍射后的光斑垂直照射复振幅空间光调制器，还应增加一块光学透镜，三块二维光栅垂直放置在该光学透镜的焦平面；或者增加一块微棱镜阵列板，让被二维光栅衍射后的光斑经微棱镜折射后垂直照射复振幅空间光调制器。

单一一块空间光调节器一般只能调节位相或振幅，因此本发明所述复振幅空间光调节器由两块空间光调节器组成。两块空间光调节器可贴合在一起，它们的像素一一互相对准，其中一块空间光调节器主要用于调节位相，另一块空间光调节器主要用于调节振幅，照明光依次通过两块空间光调制器，通过矢量相乘的方式实现复振幅调节；或者两块空间光调节器皆工作于位相调节模式，它们的像素一一互相对准并通过投影方式放大，分别属于两块空间光调制器的像素被放大成像后一一相互重叠，通过矢量相加的方式实现复振幅调节。专利号为200910093002.9的发明提出了很多复振幅空间光调节器的构造，皆可用于本发明，但必须保证透镜阵列中的不同透镜覆盖复振幅空间光调节器的多个像素。

本发明与现有几种典型三维立体显示技术相比，具有以下优点和效果：

第一，通过增加每一个透镜所覆盖的空间光调制器的像素数目，使得每个象素聚焦后产生的光锥所覆盖的子空间更加狭窄集中，提高了产生每个体元的光能利用率，有利于增加总体元数目；第二，不同基元色激光相互分离，依次照明复振幅空间光调制器的不同区域，省去了普通液晶板中每个像素后的彩色滤光膜，增加了光能利用率；第三，通过使用相干光源和复振幅空间光调制器，充分利用光波的位相信息，实现了相干成像，克服了非相干集成成像系统视场纵深范围小、分辨率低的缺陷；第四，通过透镜阵列直接把点光源发出的球面波分解为不同角度的平面波，并直接产生这些平面波的共轭光波，与基于数字光学位相共轭的相干立体显示系统相比，不需要绝热锥形光波导束，简化了结构。第五、在实现大尺寸立体图像显示的同时保证了大的观察角，与Sub-holography技术相比，不需要跟踪观察者的眼睛的位置，可以多人同时观看。

附图说明

图1为本发明采用两块大尺寸空间光调制器构成复振幅空间光调制器时的一种实施方式的示意图。

图2为照明光学系统采用二维光栅阵列时的结构示意图（左侧：三块二维光栅的放大正视图；右侧：照明光学系统侧视图）。

图3为采用空分方式进行彩色立体显示时三基元色激光依次照明透镜阵列中不同透镜的示意图。

图4为透镜阵列中的透镜呈随机分布时的结构示意图。

图5为本发明采用大尺寸集成式复振幅空间光调制器时的一种实施方式的示意图。

图6为本发明采用两块透射式空间光调制器进行投影式三维立体显示时的一种实施方式的示意图。

图7为本发明采用两块反射式空间光调制器进行投影式三维立体显示时的一种实施方式的示意图。

图8为本发明采用三块小尺寸集成式空间光调制器进行投影式彩色三维立体显示时的一种实施方式的示意图。

图中：1-相干光源装置；2-照明光学系统；3-复振幅空间光调节器；4-透镜阵列；5-第一光学透镜；6-第二光学透镜；7-第一偏振片；8-第一空间光调制器；9-第二偏振片；10-第二空间光调制器；11-第三偏振片；12-离散立体图像；V-离散立体图像12的一个体元；13-二维光栅阵列；14-第三光学透镜；15-透镜（透镜阵列4中的一个透镜）；16-像素（复振幅空间光调节器3的一个像素）；17-第一块灰度液晶板；18-第二块灰度液晶板；19-后面板；20-第一液晶层；21-中间面板；22-第二液晶层；23-前面板；24-偏振片；25-第一半透半反镜；26-第二半透半反镜；27-第一透射式液晶板；28-第二透射式液晶板；29-第一反射镜；30-第二反射镜；31-第一投影镜头；32-菲涅尔透镜；33-第三半透半反镜；34-第一LCOS反射式液晶板；35-第二LCOS反射式液晶板；36-第二投影镜头；37-微棱镜阵列板；38-第一子复振幅空间光调节器；39-第二子复振幅空间光调节器；40-第三子复振幅空间光调节器；41-第一基原色；42-第二基原色；43-第三基原色；44-第三投影镜头；45-立方分光棱镜；46-第一直角棱镜；47-第二直角棱镜；48-第三直角棱镜；49-第四直角棱镜；50-集成为一个整体的透镜阵列与微棱镜阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1给出了本发明采用两块大尺寸空间光调制器构成复振幅空间光调制器时的一种实施方式的示意图。图1所示基于相长干涉的相干三维立体显示装置包括相干光源装置1，用于产生激光光束；照明光学系统2，用于接受相干光源装置1发出的激光光束，并对该激光光束进行扩束；复振幅空间光调节器3，用于接受照明光学系统2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；透镜阵列4，用于接受经过复振幅空间光调节器3调节后的光波，设计透镜阵列4中每个透镜的通光口径，让每个透镜覆盖复振幅空间光调节器3的2个以上像素，使得经过复振幅空间光调节器3每个象素调节后的光波，经过对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被对应透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理形成体元，由众多体元构成三维立体图像12。

在图1中，透镜阵列4中的每个透镜的通光口径的宽度等于复振幅空间光调节器3的3个像素间距，也就是说，一个透镜覆盖复振幅空间光调节器3的3×3=9个像素。在图1所示剖面图中，如果把复振幅空间光调节器3的像素和透镜阵列4中的每个透镜从上至下依次编号，则被复振幅空间光调节器3的第1~3个像素调节后的光波被第1个透镜聚焦到焦点F₁，被复振幅空间光调节器的第4~6个像素调节后的光波被第2个透镜聚焦到焦点F₂，而被复振幅空间光调节器3的第7~9个像素调节后的光波被第3个透镜聚焦到焦点F₃。从图1中还可以看出被复振幅空间光调节器3的第1~3个像素调节后的光波被第1个透镜聚焦后，形成以F₁为顶点的子光锥C_1～3，被复振幅空间光调节器3的第4~6个像素调节后的光波被第2个透镜聚焦后，形成以F₂为顶点的子光锥C_4～6，被复振幅空间光调节器3的第7~9个像素调节后的光波被第3个透镜聚焦后，形成以F₃为顶点的子光锥C_7~9。子光锥C_1~3合并起来后照亮从上至下整个三维立体成像空间，同样子光锥C_4～6合并起来后，以及子光锥C_7~9合并起来后都可照亮从上至下整个三维立体成像空间。换句话说，在三维立体成像空间任一点可以接收到来自透镜阵列4中的所有透镜的光线，例如，图1中立体图像12上所标出的体元V，它同时被来自第1个透镜的子光锥C₁、来自第2个透镜的子光锥C₅和来自第3个透镜的子光锥C₉照亮。对应地，分别调节复振幅空间光调节器3的第1、5和9个像素的复振幅，使得来自它们的光锥在到达V点时同位相，则由于相长干涉，在V点可产生出一个体元。类似地许多体元可形成三维立体图像12。假设复振幅空间光调节器3的第i个像素为产生第j个体元所需做出的振幅和位相调节分别为A_i，j和Φ_i，j，且第i个像素总共产生N个体元，则第i个像素所应做出的总复振幅调节量为

$A_i\exp (-i{\mathrm{\Φ}}_i)=\underset{j=1}{\overset{j=N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,j}\exp (-i{\mathrm{\Φ}}_{i,j})---\left(1\right)$

由于一个体元的产生基于许许多多光锥的相长干涉，由此产生的体元有两个显著特点，第一：分辨率高，参与干涉的光锥数目越多，分辨率越高；第二：观察视角广，因为观察视角等于所有参与干涉的光锥所覆盖的总角度。

如果复振幅空间光调节器3由两块8位空间光调节器组成，则振幅和位相调节都可达到256级，相对应地，整个复振幅空间被划分为256×256=65536个网格。一般而言，这意味着，复振幅空间光调节器3的每个像素可参与产生10⁴个以上的体元，或者说对应10⁴个体元的复矢量按照公式（1）叠加后仍然可能落在65536个网格范围内。复矢量和与标量和不同，对标量和，256个1相加即达到一个8位空间光调制器的振幅调制极限256；对矢量和，256个振幅为1的矢量相加，其振幅可能仍然为1，因为它们的位相可能不同。另外空间光调制器所做的振幅调节量只是相对强度调节，一个体元的绝对亮度取决于激光器的总功率。这意味着，为了保持立体图像的整体亮度不变，我们可以优先调整激光器的功率，再把负责振幅调节的空间光调节器的所有像素重新线形化地变换到1至256之间，这样，振幅调节幅度永远不会超过256。如果每个透镜覆盖复振幅空间光调节器3的100×100=10⁴个像素，则总的体元数目可以达到10⁴×10⁴=10⁸个以上，如此多的体元数目足以形成一幅高清离散三维立体图像。另一方面为了保证立体图像的完整性，透镜阵列4应该足够密集，使得在任何时候从一个体元发出的光进入观察者眼睛时都有两根以上光线来自不同透镜。如果透镜阵列4包含100×100=10⁴个透镜，而每个透镜覆盖复振幅空间光调节器3的100×100=10⁴个像素，则复振幅空间光调节器3的总像素将达到10⁸。如此多的像素很难由一块空间光调制器提供，可以采用4×4（或更大规模）复振幅空间光调节器阵列。而且该复振幅空间光调节器阵列可以分布在一个球面上，并使得每块复振幅空间光调节器所产生立体图像的观察角相互衔接，以增加总的观察视角。复振幅空间光调节器阵列也可分布在一个平面上，但从里到外的复振幅空间光调节器的中心轴依次向观察者偏折一定角度，使得每块复振幅空间光调节器所产生立体图像的观察角相互衔接，以增加总的观察视角。如果单块复振幅空间光调节器可以提供30度的水平和垂直观察视角，则一个4×4复振幅空间光调节器阵列可以提供120度的水平和垂直观察视角。另外由于立体像远离复振幅空间光调节器，由复振幅空间光调节器阵列产生的立体图像不会有拼接缝。

为了进行彩色立体显示，一种方法是按时分方式依次产生三基元色立体图像，基于视觉暂留效应实现彩色立体显示。另一种方法是按空分方式在同一位置同时产生三种基元色体元实现彩色立体显示。在时分方式中，如图1所示，透镜阵列4中的所有透镜在同一时刻被同一基原色激光照明，此时照明系统可以简单地采用由第一光学透镜5和第二光学透镜6组成的望远镜系统。而在空分方式中，透镜阵列4中的透镜按空间排列周期性地依次被三种基元色激光照明，因此需要对三基元色进行分离。图2所示照明光学系统采用三块二维光栅构成一个二维光栅阵列13，并通过二维光栅的高阶衍射效应实现三种基元色的分离。为了让被二维光栅衍射后的光斑近似垂直照射复振幅空间光调制器3，图2所示照明光学系统采用第三光学透镜14，并将二维光栅阵列13垂直放置在第三光学透镜14的物方焦平面。从图2右侧的侧视图可以看出，二维光栅阵列13中的三块二维光栅分别接受一种基元色激光λ₁、λ₂、λ₃，同时设计每块二维光栅的光栅参数，并如图2左侧的二维光栅阵列13的放大正视图所示，安排每块二维光栅的横向位置，使得经每块二维光栅衍射后的光斑阵列与透镜阵列对准，并且使得不同基元色衍射光斑依次照明透镜阵列中的不同透镜。图3示例给出了一种不同基元色衍射光斑周期性地依次照明透镜阵列中的不同透镜的方案。在图3中，透镜阵列4中的每个透镜15用圆圈表示，而复振幅空间光调节器3的像素16用小方格表示，小方格中的字符λ₁、λ₂、λ₃表示照明该像素的三基元色激光的波长。在图3中三种基元色激光λ₁、λ₂、λ₃同时沿行和列方向周期排列，轮流照亮每个透镜15。仔细观察图3可以发现，每个透镜15所覆盖的像素16被同一种基原色激光照明，而不像二维平板液晶显示器中那样三基元色子像素紧邻排列。这是因为被每个透镜15所覆盖的像素发出的光聚焦后产生的所有子光锥合并在一起后将照亮整个三维立体成像空间，如图1中的C_1～3，反过来说，三维立体成像空间的任一点都对应每个透镜15所覆盖的所有像素中的一个像素。如果某个透镜15所覆盖的像素16轮流被三种基原色激光照明，则对所有透镜会经常出现这样一种情况：为在空间某一位置产生一个体元，需要某个像素被某种基原色激光照明，而该像素已经被其他种基原色激光照明。相反，如果每个透镜15所覆盖的像素16被同一基原色激光照明，则在空间任意位置产生的同一基原色体元都可接收到被该透镜15所覆盖的某一像素发出的子光锥。换句话说，不同透镜15负责产生不同基原色的体元。这同时也意味着复振幅空间光调制器3可以由灰度液晶板组成，每个像素后的滤色膜可以省掉，从而可以把光能利用率提高近三倍。

如上所述，一个体元是由透镜阵列4聚焦产生的点光源阵列基于相长干涉原理产生的，如果透镜阵列4中的透镜呈周期排列，它们聚焦产生的点光源也呈周期排列，此时由于高阶衍射效应将会产生多重立体像。但是高阶衍射效应与点光源的周期成反比，如果每个透镜覆盖的像素较多，导致透镜阵列4中每个透镜尺寸较大，相应地所聚焦产生的点光源的周期也较大，则由高阶衍射效应产生的多重立体像相互重叠在一起，高阶衍射效应可忽略不计。反之，如果每个透镜覆盖的像素较少，导致透镜阵列4中每个透镜尺寸较小，相应地所聚焦产生的点光源的周期也较小，则由高阶衍射效应产生的多重立体像相互分离，形成重影。此时可以如图4所示，使得透镜阵列4中每个透镜15的位置呈随机排列，通过破坏它们所聚焦产生的点光源的空间排列的周期性，抑制高阶衍射像的产生。为了提高光能利用率，透镜阵列4中的透镜可以采用偏心透镜，并设计制作为正方形或其他形状，如六边形，以利于紧密排列。

在图1中复振幅空间光调节器3包含依次放置的第一偏振片7、第一空间光调制器8、第二偏振片9、第二空间光调制器10和第三偏振片11，通过调节第一偏振片7、第二偏振片9和第三偏振片11的偏振方向，使得第一空间光调制器8工作在位相调节为主模式，第二空间光调制器10工作在振幅调解为主模式；或者使得第一空间光调制器8工作在振幅调节为主模式，第二空间光调制器10工作在位相调解为主模式，第一空间光调制器8和第二空间光调制器10的像素相互对准，通过矢量相乘实现振幅和位相的同时独立调节。

图5对复振幅空间光调节器3的结构进行了集成简化，以增加其工作稳定性和精度。在图5中复振幅空间光调节器3包括依次叠放的后面板19、第一液晶层20、中间面板21、第二液晶层22、前面板23和偏振片24；后面板19、第一液晶层20、中间面板21、第二液晶层22和前面板23集成制作为一个整体，偏振片24紧贴在前面板23上；后面板19、第一液晶层20与中间面板21构成第一块灰度液晶板17，中间面板21、第二液晶层22、前面板23和偏振片24构成第二块液晶板18，第一块灰度液晶板17和第二块灰度液晶板18上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；其中后面板19上朝向第一液晶层20一侧的液晶分子定向膜与中间面板21上朝向第一液晶层20一侧的液晶分子定向膜取向平行，使得第一块灰度液晶板显示板17工作于纯位相调节模式，选择后面板19与中间面板21之间的间隔以及第一液晶层20的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板17的位相调节范围达到0~2π；同时设定中间面板21上朝向第二液晶层22一侧的液晶分子定向膜的取向、前面板23上朝向第二液晶层22一侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片24的偏振方向，使得第二块灰度液晶板18工作于振幅调节为主模式，同样通过矢量相乘实现振幅和位相的同时独立调节。专利号为200810046861.8的发明对透射式和反射式纯位相调节液晶板的工作原理与结构进行了详细描述，这里不再赘述。

图1和图5给出了两种采用大尺寸复振幅空间光调制器制作平板式立体显示装置的示意图，图6-8进一步给出了三种采用小尺寸复振幅空间光调制器制作投影式立体显示装置的示意图。

在图6所示的基于相长干涉的三维立体显示装置中，复振幅空间光调节器3包括第一半透半反镜25、第二半透半反镜26、第一反射镜29、第二反射镜30、第一投影镜头31、工作于位相调节为主模式的第一透射式液晶板27和工作于位相调节为主模式的第二透射式液晶板28、；其中第一透射式液晶板27和第二透射式液晶板28可以采用纯位相调节透射式液晶板，此时液晶板前后表面内侧的液晶分子定向膜方向一致，并与入射光偏振方向一致。如果第一透射式液晶板27和第二透射式液晶板28采用普通液晶板，则需要在每块液晶板两侧各增加一片偏振片，并选择偏振片的偏振方向，使得第一透射式液晶板27和第二透射式液晶板28工作于位相调节为主模式。第一半透半反镜25、第二半透半反镜26、第一反射镜29和第二反射镜30按照迈克耳逊干涉器方式放置，第一透射式液晶板27和第二透射式液晶板28分别放置在迈克耳逊干涉器的两个臂中；第一透射式液晶板27与第二半透半反镜26的半透半反面A1-A2成45度夹角，第一透射式液晶板27和第二透射式液晶板28相对于第二半透半反镜26的半透半反面A1-A2互成镜像对称放置，第一透射式液晶板27和第二透射式液晶板28皆位于第一投影镜头31的一倍焦距至两倍焦距之间，第一透射式液晶板27和第二透射式液晶板28的像素被放大成实像投影到透镜阵列4上。相干光源装置1发出的激光光束首先被由第一光学透镜5和第二光学透镜6组成的望远镜式照明光学系统2进行扩束；第一半透半反镜25接受照明光学系统2发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第一束光和第二束光，设定第一半透半反镜25、第一反射镜29和第二反射镜30的位置，使得其中第一束光被第一反射镜29反射后垂直照射第一透射式液晶板27，而第二束光被第二反射镜30反射后垂直照射第二透射式液晶板28，穿过第一透射式液晶板27的第一束光和穿过第二透射式液晶板28的第二束光再次经过第二半透半反镜26后被第一投影镜头31成像到透镜阵列4上，设计第一投影镜头31的放大倍数使得第一透射式液晶板27和第二透射式液晶板28的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列4中的一个对应透镜。具体地说，在图6中，3×3=9个像素的放大实像充填透镜阵列4中的一个对应透镜。紧贴透镜阵列4还放置有一块菲涅尔透镜32，选择菲涅尔透镜32的焦距使来自投影镜头31的光线经过偏折后近似垂直照射透镜阵列4。在图6所示剖面图中如果从上至下对透镜阵列4中的透镜和两块透射式液晶板27、28投影到透镜阵列4表面的像素进行顺序编号，则来自第1~3个像素的光线被第一块透镜聚焦后，形成以焦点F₁为顶点的子光锥C_1～3，子光锥C_1~3合并起来后覆盖从上至下整个立体成像空间；来自第4~5个像素的光线被第一块透镜聚焦后，形成以焦点F₂为顶点的子光锥C_4～5，子光锥C_4~5合并起来后覆盖从上至下整个立体成像空间；以此类推。

在图6中由于第一透射式液晶板27和第二透射式液晶板28上的每个像素已经互相对准，且位于第一投影镜头31的一倍焦距至两倍焦距之间，它们被放大成实像投影到相干子光源发生器阵列4，而且一一相互重叠，通过复矢量叠加实现对每个像素所聚焦形成的子光锥的振幅和位相的同时独立调节，由于来自透镜阵列4的不同透镜的子光锥相互交汇，基于相长干涉在空中形成体元，由众多体元构成离散立体图像12。

在图7所示的基于相长干涉的三维立体显示装置中，复振幅调节器3包括第三半透半反镜33，工作于位相调节为主模式的第一LCOS反射式液晶板34、工作于位相调节为主模式的第二LCOS反射式液晶板35和第二投影镜头36；其中第一LCOS反射式液晶板34和第二LCOS反射式液晶板35可以采用反射式LCOS纯位相调节液晶板，此时液晶层两侧的液晶分子定向膜的取向平行，入射光线的偏振方向平行于液晶分子定向膜的取向，使得它们工作在纯位相调节模式。如果第一LCOS反射式液晶板34和第二LCOS反射式液晶板35采用普通LCOS液晶板，则需要在LCOS液晶板前增加一片偏振片，并选择偏振片的偏振方向，使得第一LCOS反射式液晶板34和第二LCOS反射式液晶板35工作于位相调节为主模式。第一LCOS反射式液晶板34、第二LCOS反射式液晶板35和第三半透半反镜33按照迈克耳逊干涉器方式放置，第一LCOS反射式液晶板34和第二LCOS反射式液晶板35分别作为迈克耳逊干涉器的两个臂中的反射镜；第一LCOS反射式液晶板34与第三半透半反镜33的半透半反面A1-A2成45度夹角，第一LCOS反射式液晶板34和第二LCOS反射式液晶板35相对于第三半透半反镜33的半透半反面A1-A2互成镜像对称放置，且位于第二投影镜头36的一倍焦距至两倍焦距之间，它们的像素被放大成实像投影到透镜阵列4上；第三半透半反镜33接受照明光学系统2发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第三束光和第四束光，设定第三半透半反镜33的位置,使得第三束光垂直照射第一LCOS反射式液晶板34,而第四束光垂直照射第二LCOS反射式液晶板35，被第一LCOS反射式液晶板34反射后的第三束光和被第二LCOS反射式液晶板35反射的第四束光再次经过第三半透半反镜33后被第二投影镜头36成像到透镜阵列4上，设计第二投影镜头36的放大倍数使得第一LCOS反射式液晶板34和第二LCOS反射式液晶板35的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列4中的一个对应透镜。具体地说在图7中，3×3=9个像素的放大实像充填透镜阵列4中的一个对应透镜。紧贴透镜阵列4还放置有一块微棱镜阵列板37，设计微棱镜阵列板37中每块微棱镜的参数使来自第二投影镜头36的光线经过偏折后近似垂直照射透镜阵列4。在图7所示剖面图中如果从上至下对透镜阵列4中的透镜和第一、二LCOS反射式液晶板34、35投影到透镜阵列4表面的像素进行顺序编号，则来自第1~3个像素的光线被第一块透镜聚焦后，形成以焦点F₁为顶点的子光锥C_1～3，子光锥C_1~3合并起来后覆盖从上至下整个立体成像空间；来自第4~5个像素的光线被第一块透镜聚焦后，形成以焦点F₂为顶点的子光锥C_4～5，子光锥C_4~5合并起来后覆盖从上至下整个立体成像空间；以此类推。

在图7中相干光源装置1发出的激光光束首先被由第一光学透镜5和第二光学透镜6组成的望远镜式照明光学系统2进行扩束；然后第三半透半反镜33接受照明光学系统2发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第三束光和第四束光，由于第三束和第四束光分别被第一LCOS反射式液晶板34和第二LCOS反射式液晶板35反射后再次经过第三半透半反镜33，被第二投影镜头36成像到透镜阵列4上，由于第一和第二LCOS反射式液晶板34、35相互对准，且位于第二投影镜头36的一倍焦距至两倍焦距之间，它们的像素被放大成实像投影到相干子光源发生器阵列4，而且一一相互重叠，通过复矢量叠加实现对每个像素所聚焦形成的子光锥的振幅和位相的同时独立调节，由于来自透镜阵列4的不同透镜的子光锥相互交汇，基于相长干涉在空中形成体元，由众多体元构成离散立体图像12。

在图6-7中由于采用同一波长进行照明，未对三基原色进行分离，因此进行彩色立体显示时需要按照时分方式。图8采用了三块集成式子复振幅空间光调节器，每块用于一种基元色的立体成像，按照空分方式实现彩色立体显示。

在图8所示的基于相长干涉的三维立体显示装置中，复振幅调节器3包括第一子复振幅空间光调节器38、第二子复振幅空间光调节器39、第三子复振幅空间光调节器40、一个具有一个出光面和三个进光面的立方分光棱镜45和第三投影镜头44；第一、第二和第三个子振幅位相调节器38、39、40采用与图5所示相同结构的集成式振幅位相调节器，只是尺寸小得多。第三投影镜头44放置在立方分光棱镜45的出光面B1-B4前，第三投影镜头44的光轴与立方分光棱镜45的出光面B1-B4的中心轴重合；第一子复振幅空间光调节器38、第二子复振幅空间光调节器39、第三子复振幅空间光调节器40分别放置在立方分光棱镜45的三个进光面B1-B2、B2-B3和B3-B4前，第一子复振幅空间光调节器38、第二子复振幅空间光调节器39、第三子复振幅空间光调节器40的中心轴分别与立方分光棱镜45的三个进光面B1-B2、B2-B3和B3-B4的中心轴重合；立方分光棱镜45由相同结构的第一直角棱镜46、第二直角棱镜47、第三直角棱镜48和第四直角棱镜49按直角棱相抵的方式粘合而成，第一直角棱镜46、第二直角棱镜47、第三直角棱镜48和第四直角棱镜49的直角面分别蒸镀有针对某一基元色激光的窄带反射膜，例如沿立方分光棱镜45的对角线B2-B4的表面蒸镀针对第一种基元色λ₁的窄带反射膜，而沿立方分光棱镜45的对角线B1-B3的表面蒸镀针对第三种基元色λ₃的窄带反射膜，这样从进光面B1-B2入射的第一种基元色λ₁沿对角线B2-B4反射后从出光面B1-B4出射，从进光面B3-B4入射的第三种基元色λ₃沿对角线B1-B3反射后从出光面B1-B4出射，而从进光面B2-B3入射的第二种基元色λ₂直接穿过立方分光棱镜45从其出光面B1-B4出射，立方分光棱镜45的所有进光面B1-B2、B2-B3和B3-B4与出光面B1-B4皆蒸镀有宽带增透膜。第一子复振幅空间光调节器38、第二子复振幅空间光调节器39、第三子复振幅空间光调节器40的像素互相一一对准，距离第三投影镜头44一倍焦距至两倍焦距之间，使得通过第三投影透镜44放大成像到透镜阵列50表面后在像面一一互相重叠，设计第三投影镜头44的放大倍数使得第一子复振幅空间光调节器38、第二子复振幅空间光调节器39和第三子复振幅空间光调节器40的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列50中的一个对应透镜。

所述第一子复振幅空间光调节器38、第二子复振幅空间光调节器39、第三子复振幅空间光调节器40均包括依次叠放的后面板19、第一液晶层20、中间面板21、第二液晶层22、前面板23和偏振片24；后面板19、第一液晶层20、中间面板21、第二液晶层22和前面板23集成制作为一个整体，偏振片24紧贴在前面板23上；后面板19、第一液晶层20与中间面板21构成第一块灰度液晶板17，中间面板21、第二液晶层22、前面板23和偏振片24构成第二块灰度液晶板18，第一块灰度液晶板17和第二块灰度液晶板18上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；其中后面板19上朝向第一液晶层20一侧的液晶分子定向膜与中间面板21上朝向第一液晶层20一侧的液晶分子定向膜取向平行，使得第一块灰度液晶板显示板17工作于纯位相调节模式，选择后面板19与中间面板21之间的间隔以及第一液晶层20的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板17的位相调节范围达到0~2π；同时设定中间面板21上朝向第二液晶层22一侧的液晶分子定向膜的取向、前面板23上朝向第二液晶层22一侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片24的偏振方向，使得第二块灰度液晶板18工作于振幅调节为主模式。

在图8中，为了进一步简化结构，增加系统稳定性，把图7中的透镜阵列4与微棱镜阵列板37集成制作为一个整体，作为新的透镜阵列50。设计每块微棱镜的参数可以使来自第三投影镜头44的光线经过偏折后近似垂直照射透镜阵列50。

Claims (10)

1.一种基于相长干涉的三维立体显示装置，包括：

相干光源装置(1)，产生激光光束；

照明光学系统(2)，接受相干光源装置(1)发出的激光光束，并对该激光光束进行扩束；复振幅空间光调节器(3)，接受照明光学系统(2)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；

透镜阵列(4)，接受经过复振幅空间光调节器(3)调节后的光波，使得经过复振幅空间光调节器(3)每个象素调节后的光波，经过透镜阵列(4)中对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被透镜阵列(4)中所对应不同透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理在空中形成体元，由众多体元构成离散三维立体图像，

其特征在于，透镜阵列(4)中的每个透镜(15)覆盖复振幅空间光调节器(3)的2个以上像素(16)。

2.根据权利要求1所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其中，相干光源装置(1)同时产生三基元色激光光束；

照明光学系统(2)，接受相干光源装置(1)发出的三基元色激光光束，并对该激光光束进行扩束和三基元色分离，使得透镜阵列(4)中的透镜(15)依次被不同基元色激光照明。

3.根据权利要求1所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其中，照明光学系统(2)包括二维光栅阵列(13)和第三光学透镜(14)，二维光栅阵列(13)垂直放置在第三光学透镜(14)的焦平面，二维光栅阵列(13)包含三块二维光栅，每块二维光栅接受一种基元色激光，设计每块二维光栅的光栅参数，同时安排每块二维光栅的横向空间位置，使得经每块二维光栅衍射后的光斑阵列与透镜阵列(4)对准，而且不同基元色衍射光斑依次照明透镜阵列(4)中的不同透镜(15)。

4.根据权利要求1所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的透镜阵列(4)中每个透镜(15)的位置呈随机排列，使得高阶衍射像可以忽略不计。

5.根据权利要求1所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的透镜阵列(4)中每个透镜(15)的位置呈周期排列，设定排列周期的大小，使得高阶衍射像可以忽略不计。

6.根据权利要求1所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包含依次放置的第一偏振片(7)、第一空间光调制器(8)、第二偏振片(9)、第二空间光调制器(10)和第三偏振片(11)，通过调节第一偏振片(7)、第二偏振片(9)和第三偏振片(11)的偏振方向，使得第一空间光调制器(8)工作在位相调节为主模式，第二空间光调制器(10)工作在振幅调解为主模式；或者使得第一空间光调制器(8)工作在振幅调节为主模式，第二空间光调制器(10)工作在位相调解为主模式；第一空间光调制器(8)和第二空间光调制器(10)的像素相互对准；同时选择第一空间光调制器(8)和第二空间光调制器(10)的像素间距使得2个以上像素对应透镜阵列(4)中的一个对应透镜。

7.根据权利要求1所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包括依次叠放的后面板(19)、第一液晶层(20)、中间面板(21)、第二液晶层(22)、前面板(23)和偏振片(24)；后面板(19)、第一液晶层(20)、中间面板(21)、第二液晶层(22)和前面板(23)集成制作为一个整体，偏振片(24)紧贴在前面板(23)上；后面板(19)、第一液晶层(20)与中间面板(21)构成第一块灰度液晶板(17)，中间面板(21)、第二液晶层(22)、前面板(23)和偏振片(24)构成第二块灰度液晶板(18)，第一块灰度液晶板(17)和第二块灰度液晶板(18)上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；第一块灰度液晶板(17)和第二块灰度液晶板(18)的2个以上像素对应透镜阵列(4)中的一个对应透镜；

设置后面板(19)上朝向第一液晶层(20)一侧的液晶分子定向膜的取向,使其与中间面板(21)上朝向第一液晶层(20)一侧的液晶分子定向膜的取向平行，使得第一块灰度液晶板(17)工作于纯位相调节模式，设定后面板(19)与中间面板(21)之间的间隔以及第一液晶层(20)的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板(17)的位相调节范围达到0～2π；设定中间面板(21)上朝向第二液晶层(22)一侧的液晶分子定向膜的取向、前面板(23)上朝向第二液晶层(22)一侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片(24)的偏振方向，使得第二块灰度液晶板(18)工作于振幅调节为主模式。

8.根据权利要求1所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包括第一半透半反镜(25)、第二半透半反镜(26)、第一反射镜(29)、第二反射镜(30)、第一投影镜头(31)、工作于位相调节为主模式的第一透射式液晶板(27)和工作于位相调节为主模式的第二透射式液晶板(28)；第一透射式液晶板(27)与第二半透半反镜(26)的半透半反面(A1-A2)成45度夹角，第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)相对于第二半透半反镜(26)的半透半反面(A1-A2)呈镜像对称放置，第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)位于第一投影镜头(31)的一倍焦距至两倍焦距之间，使得第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)的像素被放大成实像投影到透镜阵列(4)上；第一半透半反镜(25)接受照明光学系统(2)发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第一束光和第二束光，设定第一半透半反镜(25)、第一反射镜(29)和第二反射镜(30)的位置，使得第一束光被第一反射镜(29)反射后垂直照射第一透射式液晶板(27)，而第二束光被第二反射镜(30)反射后垂直照射第二透射式液晶板(28)，穿过第一透射式液晶板(27)的第一束光和穿过第二透射式液晶板(28)的第二束光再分别经过第二半透半反镜(26)后被第一投影镜头(31)成像到透镜阵列(4)上，设定第一投影镜头(31)的放大倍数使得第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列(4)中的一个对应透镜。

9.根据权利要求1的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包括第三半透半反镜(33)、第二投影镜头(36)、工作于位相调节为主模式的第一LCOS反射式液晶板(34)和工作于位相调节为主模式的第二LCOS反射式液晶板(35)；第一LCOS反射式液晶板(34)与第三半透半反镜(33)的半透半反面(A1-A2)呈45度夹角，第一LCOS反射式液晶板(34)和第二LCOS反射式液晶板(35)相对于第三半透半反镜(33)的半透半反面(A1-A2)互成镜像对称放置，第一LCOS反射式液晶板(34)和第二LCOS反射式液晶板(35)位于第二投影镜头(36)的一倍焦距至两倍焦距之间，使得第一LCOS反射式液晶板(34)和第二LCOS反射式液晶板(35)的像素被放大成实像投影到透镜阵列(4)上；第三半透半反镜(33)接受照明光学系统(2)发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第三束光和第四束光，设定第三半透半反镜(33)的位置,使得第三束光垂直照射第一LCOS反射式液晶板(34),而第四束光垂直照射第二LCOS反射式液晶板(35)，被第一LCOS反射式液晶板(34)反射后的第三束光和被第二LCOS反射式液晶板(35)反射的第四束光再次经过第三半透半反镜(33)后被第二投影镜头(36)成像到透镜阵列(4)上，设定第二投影镜头(36)的放大倍数使得第一LCOS反射式液晶板(34)和第二LCOS反射式液晶板(35)的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列(4)中的一个对应透镜。

10.根据权利要求1所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包括第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)、第三子复振幅空间光调节器(40)、第三投影镜头(44)及具有一个出光面和三个进光面的立方分光棱镜(45)；第三投影镜头(44)放置在立方分光棱镜(45)的出光面前，第三投影镜头(44)的光轴与立方分光棱镜(45)的出光面的中心轴重合；第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)和第三子复振幅空间光调节器(40)分别放置在立方分光棱镜(45)的三个进光面前，第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)和第三子复振幅空间光调节器(40)的中心轴分别与立方分光棱镜(45)的三个进光面的中心轴重合；立方分光棱镜(45)由相同结构的第一直角棱镜(46)、第二直角棱镜(47)、第三直角棱镜(48)和第四直角棱镜(49)按直角棱相抵的方式粘合而成，第一直角棱镜(46)、第二直角棱镜(47)、第三直角棱镜(48)和第四直角棱镜(49)的直角面分别蒸镀有针对某一基元色激光的窄带反射膜，使得分别从立方分光棱镜(45)的三个进光面入射的三基元色激光能够透射或反射后穿过立方分光棱镜(45)，并从立方分光棱镜(45)的出光面出射，立方分光棱镜(45)的所有进光面与出光面均蒸镀有宽带增透膜；第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)和第三子复振幅空间光调节器(40)的像素互相一一对准，距离第三投影镜头(44)一倍焦距至两倍焦距之间，使得通过第三投影透镜(44)放大成像后在像面一一互相重叠，设定第三投影镜头(44)的放大倍数使得第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)和第三子复振幅空间光调节器(40)的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列(4)中的一个对应透镜；

所述第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)、第三子复振幅空间光调节器(40)均包括依次叠放的后面板(19)、第一液晶层(20)、中间面板(21)、第二液晶层(22)、前面板(23)和偏振片(24)；后面板(19)、第一液晶层(20)、中间面板(21)、第二液晶层(22)和前面板(23)集成制作为一个整体，偏振片(24)紧贴在前面板(23)上；后面板(19)、第一液晶层(20)与中间面板(21)构成第一块灰度液晶板，中间面板(21)、第二液晶层(22)、前面板(23)和偏振片(24)构成第二块灰度液晶板，第一块灰度液晶板和第二块灰度液晶板上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；其中后面板(19)上朝向第一液晶层(20)一侧的液晶分子定向膜与中间面板(21)上朝向第一液晶层(20)一侧的液晶分子定向膜取向平行，使得第一块灰度液晶板(17)工作于纯位相调节模式，设定后面板(19)与中间面板(21)之间的间隔以及第一液晶层(20)的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板的位相调节范围达到0～2π；同时改变中间面板(21)上朝向第二液晶层(22)一侧的液晶分子定向膜、前面板(23)上朝向第二液晶层(22)一侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片(24)的偏振方向，使得第二块灰度液晶板工作于振幅调节为主模式。