CN103000191A - 一种动态刷新体全息三维显示的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态刷新体全息三维显示的方法，包括以下步骤：1）设置一体全息三维成像系统，包括记录光路系统、读取光路系统、擦除光路系统和记录介质，所述记录光路系统包括物光光路系统和参考光光路系统；2）采用光致色变材料作为记录介质，对待测物体多个角度的图像进行体全息记录存储；3）关闭物光光路系统，采用参考光光路系统读取三维图像信息；4）关闭记录光路系统，打开擦除光路系统照射记录介质所需要擦除的区域，擦除记录介质上存储的三维图像信息。本发明可以广泛应用于三维物体全息成像中。

Description

一种动态刷新体全息三维显示的方法

技术领域

本发明涉及一种光学信息存储及显示的方法，特别是关于一种动态刷新体全息三维显示的方法。

背景技术

随着信息化时代的到来，人们对于视觉体验的要求越来越高，传统的二维平面显示已经远远不能够满足人们的要求，超高解析度图像显示和高分辨率、高立体感的图像显示已经成为目前显示技术发展的一个重要方向。现有的三维显示技术大都是伪三维技术，当双眼接受到两个角度的图像时，由于双眼的视差而产生空间上的立体感。全息成像技术第一次实现了裸眼真三维显示，体全息技术由于存储密度高、角度复用特性强成为最有潜力实现超高解析度图像显示和高分辨率、高立体感显示的技术。体全息技术在应用时分为记录阶段和再现（显示）阶段：在记录阶段，将物光和参考光两束相干光照射到记录介质上，由于亮条纹会引起记录介质的反应，因而干涉条纹会导致记录介质在折射率、透过率等方面上产生调制，信息就会被记录下来（如图1所示）；再现阶段，撤去物光仅使用参考光，由于衍射的缘故物光会再现出来（如图2所示）。此外，如果是可刷新的显示，另外还需要有一个擦除阶段，擦除阶段需要使用特定的技术擦除记录区域的信息，从而为下一组数据的存贮做准备。

由于体全息材料具有很强的布拉格选择性，体全息可以通过角度复用技术实现三维显示，公式（1）为光栅衍射效率的公式，其中，v为附加相位，ξ为相位失配参量，δ_n为光栅的折射率调制度，d为光栅厚度，λ为真空中的波长，θ_r和θ_s分别为再现光波和衍射光波的入射角度，σ为相位失配因子，Δθ和Δλ分别为相对布拉格角θ和布拉格波长λ的偏移量，K为光栅矢量，n为介质的平均折射率，

为光栅倾斜角（对称入射时为90°）。体全息材料的厚度较大时，对于某一特定的记录波长，读出光和布拉格角偏差很小的角度时，衍射光强就会发生骤减，利用这个原理可以在不同的角度记录不同的图像，从而实现体全息的角度复用特点。

$\mathrm{\η}=\frac{{\sin }^2{(v^2+{\mathrm{\ξ}}^2)}^{\frac{1}{2}}}{1+{(\mathrm{\ξ}/v)}^2}---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\δ}}_{n}d}{\mathrm{\λ}{\left({\cos \mathrm{\θ}}_r{\cos \mathrm{\θ}}_s\right)}^{1/2}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\σd}}{2{\cos \mathrm{\θ}}_s}---\left(3\right)$

美国亚利桑那大学的S.Tay等人在全息三维实时显示领域曾取得突破性进展，他们发明了一种大尺寸可刷新的光致聚合物全息显示材料，可以对真实三维物体进行实时动态刷新显示。记录阶段，首先针对三维图像计算生成物体的一系列二维图像，将其中一幅已经生成的二维图像上载到空间光调制器中，通过物光和参考光的干涉即可将该图像存储到材料上的一个像素点，接着移动材料的位置，上载第二幅到空间光调制器中，在材料的第二个像素点记录这幅图像，反复这个过程将所有图像存储到材料中，读取时使用另一个波长的读出光在布拉格角度上照射材料就可再现出三维物光，而擦除阶段则是使用和读出光同一波长的均匀光斑照射材料实现擦除效果，上述方法虽然实现了可刷新全息显示屏的一次突破，但是由于刷新速度较慢（每幅图大概需要3分钟），且需要在材料上加载上千伏的电压，因而难以满足实际需求。此后，该小组通过使用透镜阵列的方法一次可以记录100个全息像素点，大大缩短了刷新时间（每幅图大约需要2秒钟），然而，由于使用光致聚合物全息显示材料仍然需要加载上千伏的电压，且刷新速度依然缓慢，严重限制了该系统的实用性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用光致色变材料作为记录介质，实现物体图像的快速记录、快速擦除、重复擦写的动态刷新体全息三维显示的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种动态刷新体全息三维显示的方法，包括以下步骤：1）设置一体全息三维成像系统，包括记录光路系统、读取光路系统、擦除光路系统和记录介质，所述记录光路系统包括物光光路系统和参考光光路系统；2）采用光致色变材料作为记录介质，对物体多个角度的图像进行体全息记录存储；3）关闭物光光路系统，采用参考光光路系统读取三维图像信息；4）关闭记录光路系统，打开擦除光路系统照射记录介质所需要擦除的区域，擦除记录介质上存储的三维图像信息。

所述记录光路系统包括第一激光器，依次设置在所述第一激光器出射光路上的第一衰减片、第一针孔滤波器、第一准直透镜、第一拦光光阑、半波片、第一反射镜、偏振分光棱镜、设置在所述偏振分光棱镜透射光路上的物光光路系统和设置在所述偏振分光棱镜反射光路上的参考光光路系统；所述物光光路系统包括反射式空间光调制器、第一透镜、第二透镜、第一快门、装在平移台上的第二反射镜和第一傅里叶变换透镜；所述参考光光路系统包括第二快门、第三反射镜和第二衰减片；所述读取光路系统还包括第二傅里叶变换透镜、第三快门和CCD成像器件；所述擦除光路系统包括第二激光器，依次设置在所述第二激光器出射光路的第三衰减片、第二针孔滤波器、第二准直透镜、第二拦光光阑和第四反射镜。

所述步骤2）采用光致色变材料作为记录介质，对物体多个角度的图像进行体全息记录存储，包括以下步骤：①根据所采用的光致色变材料的吸收谱特性，选择波长较为敏感的激光器作为所述第一激光器；②所述第一激光器发出激光依次分别经第一针孔滤波器、第一准直镜、第一拦光光阑、半波片和第一反射镜，经第一反射镜反射的激光垂直入射到偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜的透射光垂直入射到反射式空间光调制器，经所述反射式空间光调制器反射的光为物光，经所述偏振分光棱镜的反射光经所述第二快门、第三反射镜和第二衰减片的光为参考光；③调节物光和参考光的入射角度和光程差，使物光和参考光分别以某一角度入射到所述记录介质；④通过调整第一衰减片、半波片和第二衰减片分别调节物光和参考光的光强大小，使之大于光致色变材料反应强度且小于光强损伤阈值；⑤将所述反射式空间光调制器上上载物体某一个角度的图像，入射到所述反射式空间光调制器上的光经反射式空间光调制器反射后即成为携带该角度物像信息的物光，物光和参考光在所述记录介质上发生干涉，记录物体此角度的物像信息；⑥将反射式空间光调制器上上载物体另一角度的图像，通过平移台移动所述第二反射镜，物光以另一角度入射到记录介质的同一个记录点上，并和参考光发生干涉，该角度物像信息被复用记录下来，根据实际需要，在反射式空间光调制器上上载物体其它若干角度的图像，重复整个过程，记录物体多个角度物像信息，得到物体完整的三维图像。

所述步骤3）关闭物光光路系统，采用参考光光路系统读取三维图像信息，包括以下步骤：①通过关闭所述第一快门关闭物光光路，参考光光路的光入射到记录介质的记录点上；②通过调整所述第三衰减片降低参考光的光强，从各个角度复用存储到记录介质上的物光被衍射；③衍射光经所述第二傅里叶变换透镜和第三快门照射到CCD成像器件再现物体三维图像，完成三维图像体全息的读取。

所述步骤4）关闭记录光路系统，打开擦除光路系统照射记录介质所需要擦除的区域，擦除记录介质上存储的三维图像信息，包括以下步骤①关闭第一激光器，打开第二激光器；②所述第二激光器发出的激光依次经第三衰减片、第二针孔滤波器、第二准直透镜、第二拦光光阑后发射到第四反射镜，经第四反射镜反射的激光均匀地照射到记录介质的记录点上，通过旋转第三衰减片调整光强擦除记录介质的记录点所存储的数据信息。

所述第一激光器采用波长为532nm、输出强度为500mw的连续激光器，所述第二激光器采用波长为266nm、输出强度为400mw的紫外光激光器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的记录介质采用光致色变材料，由于光致色变材料在不同波长光的照射下可以实现分子的开环、闭环状态之间的相互转化，此两种状态下材料的折射率和吸收率都是不同的，因此可以通过上述特点实现具备快速记录、显示以及擦除功能的动态体全息三维显示。2、本发明的记录介质采用光致色变材料，由于其分子转化速度很快，因而具有快速记录的功能，与现有技术相比，克服了光致聚合物等材料需要较长时间才能达到较高的衍射光强的弱点，缩短了记录时间，加快了刷新速度。3、本发明采用光致色变材料较为敏感的紫外激光器照射记录介质所要擦除的区域，因此可以实现快速擦除，相比于前述的光致聚合物，在合适的光功率下，擦除速度可以降低到1秒钟以内，大大缩短了擦除时间，加快了刷新速度。4、本发明的光致色变材料不需要外加电压，与现有的需要加载上千伏电压的记录介质相比，不仅降低了成像系统的耗电量、简化了成像系统，而且增加了成像系统实用性，使得其在各种场合的普及成为可能。5、本发明的记录光路系统、读取光路系统和擦除光路系统均设置有衰减片，不仅能够满足人眼对于光强的要求，而且可以避免对于记录信息的误擦除。本发明可以广泛应用于三维物体全息成像中。

附图说明

图1为体全息三维显示记录阶段原理示意图；

图2为体全息三维显示读取阶段原理示意图；

图3为本发明的光致色变材料的开环态和闭环态的吸收谱示意图，横坐标表示波长，纵坐标表示吸收度；

图4为本发明所使用的基于光致色变材料的记录、读取和擦除的体全息三维成像系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

进行体全息三维显示需要满足以下条件：1）在采用记录光和擦除光时，其光强要低于记录介质的光损伤阈值，但是要高于能使记录介质的材料分子发生转变的最低光强；2）进行三维图像再现的时候，使用的参考光光强不宜过强，否则会导致参考光对于记录信息的擦除。

光致色变材料具有在不同波长下实现分子的开环和闭环状态之间的相互转化的特性，如图3所示，曲线1和曲线2分别为光致色变材料在闭环和开环状态下的吸收曲线，λ₁，λ₂分别为记录光和擦除光所采用的波长。记录阶段，采用波长为λ₁的物光和参考光对处于闭环状态下的光致色变材料进行记录，使得亮条纹处的分子逐渐变到开环状态，由于亮、暗条纹处光致色变材料的折射率和吸收度不同形成位相型布拉格光栅，记录干涉条纹则完成体全息三维图像的存储记录；擦除阶段，采用波长为λ₂的均匀光斑照射记录介质的记录点使得分子从开环状态变成闭环状态，擦除已经记录的体全息三维图像，以便进行下一次记录。

本发明采用光致色变材料作为记录介质，并基于上述记录介质的特点，通过角度复用、一个波长记录、另一个波长擦除的方法实现体全息三维图像的快速记录、擦除和动态显示，包括以下步骤：

1、设置一体全息三维成像系统，包括一记录光路系统、一读取光路系统、一擦除光路系统、第一傅里叶变换透镜1、记录介质2、第二傅里叶变换透镜3和CCD成像器件4，其中，第一傅里叶变换透镜1、第二傅里叶变换透镜3和CCD成像器件4同轴设置。记录光路系统包括第一激光器51，依次设置在第一激光器51出射光路上的第一衰减片52、第一针孔滤波器53、第一准直透镜54、第一拦光光阑55、半波片56、第一反射镜57、偏振分光棱镜58、设置在偏振分光棱镜58透射光路的物光光路系统和设置在偏振分光棱镜58反射光路的参考光光路系统；物光光路系统包括反射式空间光调制器61、第一透镜62和第二透镜63组成的4f系统、第一快门64和装设在平移台上的第二反射镜65；参考光光路系统包括第二快门71、第三反射镜72和第二衰减片73。读取光路系统通过人工或自动方式旋转第一衰减片52衰减光强，关闭物光光路系统，采用记参考光路系统作为读出光系统使用；擦除光路系统包括第二激光器81，依次设置在第二激光器81出射光路的第三衰减片82、第二针孔滤波器83、第二准直透镜84、第二拦光光阑85和第四反射镜86。其中，第一傅立叶变换透镜1、记录介质2、第二傅立叶变换透镜3、CCD成像器件4实现傅立叶谱全息记录和物光的读出。

2、采用光致色变材料作为记录介质，对待测物体多个角度的图像进行体全息记录存储，包括以下步骤：

1）根据记录介质所采用的光致色变材料的吸收谱特性，针对该材料选择波长较为敏感的激光器作为记录光光源，本发明实施例采用波长为532nm、输出强度为500mw的连续激光器作为第一激光器51；

2）第一激光器51发出波长为532nm的激光依次分别经第一针孔滤波器53、第一准直镜54、第一拦光光阑55和半波片56发射到第一反射镜57，经第一反射镜57反射的激光垂直入射到偏振分光棱镜58，经偏振分光棱镜58的透射光垂直入射到反射式空间光调制器61，经反射式空间光调制器61反射的光为物光，经偏振分光棱镜58的反射光经过第二快门71、第三反射镜72和第二衰减片73的光为参考光；

3）调节物光和参考光的入射角度，使物光和参考光分别以某一角度入射到记录介质2，并调节两束光的光程差，以便使得光程差在干涉长度之内，其中，上述某一角度与反射式空间光调制器61上上载物体的角度相对应；

4）通过第一衰减片52、半波片56和第二衰减片73分别调节物光和参考光的光强大小，使之大于光致色变材料反应强度且小于光强损伤阈值，本发明实施例中通过调整第一衰减片52、半波片56和第二衰减片73使得物光和参考光的强度分别为20mw/cm²和40mw/cm²；

5）将反射式空间光调制器61上上载物体某一个角度的图像，入射到反射式空间光调制器61上的光束经反射式空间光调制器61反射后即成为携带该角度物像信息的物光，物光和参考光在记录介质上发生干涉，物体在该角度物像信息即被记录下来；

6）将反射式空间光调制器61上载物体另一角度的图像，通过平移台移动第二反射镜65，通过反射镜65配合第一透镜62与第二透镜63组成的4f系统及第一傅里叶变换透镜1可以使反射式空间光调制器61所上载物体的不同角度物光以另一角度入射到记录介质2的同一个记录点上，并和参考光发生干涉，该角度物像即可被复用记录下来，根据实际需要，反射式空间光调制器61上载物体其它若干角度的图像，重复此过程，记录物体多个角度物像信息，由于一个记录点通过角度复用的形式存储了一个物体的多个角度图像，该点便实现了一个完整的三维图像的记录存储。

3、关闭物光光路系统，采用参考光光路系统读取三维图像信息，包括以下步骤：

1）通过关闭第一快门64关闭物光光路，保留参考光光路，即：第一激光器51发出的激光依次经第一衰减片52、第一针孔滤波器53、第一准直透镜54和第一拦光光阑55发射到半波片56，半波片56调整激光的偏振方向后将其发射到第一反射镜57，经第一反射镜57反射的激光垂直入射到偏振分光棱镜58，经偏振分光棱镜58的反射光依次经第二快门71、第三反射镜72和第二衰减片73入射到记录介质的记录点上；

2）为了防止参考光光强过强对记录信息造成破坏，通过调整第三衰减片73降低参考光的光强，该参考光通过衍射再现出从各个角度复用存储到记录介质上物象，本发明实施例中通过调整第三衰减片73使得参考光的光强变为1mw/cm²，由于该强度较低，因而不会破坏已经存储的图像；

3）衍射光经第二傅里叶变换透镜3、第三快门74照射到CCD成像器件4上，从而再现出物体三维图像，完成三维图像体全息的读取。

4、关闭记录光路系统，打开擦除光路系统照射记录介质所需要擦除的区域，擦除记录介质上存储的三维图像信息，包括以下步骤：

1）关闭第一激光器51，打开第二激光器52，第二激光器52采用波长为266nm、输出强度为400mw的紫外光激光器；

2）第二激光器52的紫外激光依次经第三衰减片82、第二针孔滤波器83、第二准直透镜84、第二拦光光阑85后发射到第四反射镜86，经第四反射镜86反射的紫外激光均匀地照射到记录介质的记录点上，通过旋转第三衰减片82调整光强（本实施例调整后的光强为10mw/cm²）可以迅速擦除该位置所存储的数据信息，实现了三维图像体全息信息的擦除。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法实施的步骤都是可以有所变化的，另外本发明的所有光学器件的位置可以根据实际需要进行调节，只要满足相应的光路条件即可，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种动态刷新体全息三维显示的方法，包括以下步骤：

1）设置一体全息三维成像系统，包括记录光路系统、读取光路系统、擦除光路系统和记录介质，所述记录光路系统包括物光光路系统和参考光光路系统；

2）采用光致色变材料作为记录介质，对物体多个角度的图像进行体全息记录存储；

3）关闭物光光路系统，采用参考光光路系统读取三维图像信息；

4）关闭记录光路系统，打开擦除光路系统照射记录介质所需要擦除的区域，擦除记录介质上存储的三维图像信息。

2.如权利要求1所述的一种动态刷新体全息三维显示的方法，其特征在于：所述记录光路系统包括第一激光器，依次设置在所述第一激光器出射光路上的第一衰减片、第一针孔滤波器、第一准直透镜、第一拦光光阑、半波片、第一反射镜、偏振分光棱镜、设置在所述偏振分光棱镜透射光路上的物光光路系统和设置在所述偏振分光棱镜反射光路上的参考光光路系统；所述物光光路系统包括反射式空间光调制器、第一透镜、第二透镜、第一快门、装在平移台上的第二反射镜和第一傅里叶变换透镜；所述参考光光路系统包括第二快门、第三反射镜和第二衰减片；所述读取光路系统还包括第二傅里叶变换透镜、第三快门和CCD成像器件；所述擦除光路系统包括第二激光器，依次设置在所述第二激光器出射光路的第三衰减片、第二针孔滤波器、第二准直透镜、第二拦光光阑和第四反射镜。

3.如权利要求2所述的一种动态刷新体全息三维显示的方法，其特征在于：所述步骤2）采用光致色变材料作为记录介质，对物体多个角度的图像进行体全息记录存储，包括以下步骤：

①根据所采用的光致色变材料的吸收谱特性，选择波长较为敏感的激光器作为所述第一激光器；

②所述第一激光器发出激光依次分别经第一针孔滤波器、第一准直镜、第一拦光光阑、半波片和第一反射镜，经第一反射镜反射的激光垂直入射到偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜的透射光垂直入射到反射式空间光调制器，经所述反射式空间光调制器反射的光为物光，经所述偏振分光棱镜的反射光经所述第二快门、第三反射镜和第二衰减片的光为参考光；

③调节物光和参考光的入射角度和光程差，使物光和参考光分别以某一角度入射到所述记录介质；

④通过调整第一衰减片、半波片和第二衰减片分别调节物光和参考光的光强大小，使之大于光致色变材料反应强度且小于光强损伤阈值；

⑤将所述反射式空间光调制器上上载物体某一个角度的图像，入射到所述反射式空间光调制器上的光经反射式空间光调制器反射后即成为携带该角度物像信息的物光，物光和参考光在所述记录介质上发生干涉，记录物体此角度的物像信息；

⑥将反射式空间光调制器上上载物体另一角度的图像，通过平移台移动所述第二反射镜，物光以另一角度入射到记录介质的同一个记录点上，并和参考光发生干涉，该角度物像信息被复用记录下来，根据实际需要，在反射式空间光调制器上上载物体其它若干角度的图像，重复整个过程，记录物体多个角度物像信息，得到物体完整的三维图像。

4.如权利要求2或3所述的一种动态刷新体全息三维显示的方法，其特征在于：所述步骤3）关闭物光光路系统，采用参考光光路系统读取三维图像信息，包括以下步骤：

①通过关闭所述第一快门关闭物光光路，参考光光路的光入射到记录介质的记录点上；

②通过调整所述第三衰减片降低参考光的光强，从各个角度复用存储到记录介质上的物光被衍射；

③衍射光经所述第二傅里叶变换透镜和第三快门照射到CCD成像器件再现物体三维图像，完成三维图像体全息的读取。

5.如权利要求2或3所述的一种动态刷新体全息三维显示的方法，其特征在于：所述步骤4）关闭记录光路系统，打开擦除光路系统照射记录介质所需要擦除的区域，擦除记录介质上存储的三维图像信息，包括以下步骤：

①关闭第一激光器，打开第二激光器；

②所述第二激光器发出的激光依次经第三衰减片、第二针孔滤波器、第二准直透镜、第二拦光光阑后发射到第四反射镜，经第四反射镜反射的激光均匀地照射到记录介质的记录点上，通过旋转第三衰减片调整光强擦除记录介质的记录点所存储的数据信息。

6.如权利要求4所述的一种动态刷新体全息三维显示的方法，其特征在于：所述步骤4）关闭记录光路系统，打开擦除光路系统照射记录介质所需要擦除的区域，擦除记录介质上存储的三维图像信息，包括以下步骤：

①关闭第一激光器，打开第二激光器；

②所述第二激光器发出的激光依次经第三衰减片、第二针孔滤波器、第二准直透镜、第二拦光光阑后发射到第四反射镜，经第四反射镜反射的激光均匀地照射到记录介质的记录点上，通过旋转第三衰减片调整光强擦除记录介质的记录点所存储的数据信息。

7.如权利要求2或3或6所述的一种动态刷新体全息三维显示的方法，其特征在于：所述第一激光器采用波长为532nm、输出强度为500mw的连续激光器，所述第二激光器采用波长为266nm、输出强度为400mw的紫外光激光器。

8.如权利要求4所述的一种动态刷新体全息三维显示的方法，其特征在于：所述第一激光器采用波长为532nm、输出强度为500mw的连续激光器，所述第二激光器采用波长为266nm、输出强度为400mw的紫外光激光器。

9.如权利要求5所述的一种动态刷新体全息三维显示的方法，其特征在于：所述第一激光器采用波长为532nm、输出强度为500mw的连续激光器，所述第二激光器采用波长为266nm、输出强度为400mw的紫外光激光器。

Images