CN103838125A - 一种三维影像显示系统 - Google Patents

Abstract

一种三维影像显示系统，其包括写入光光源、空间光滤波器、第一透镜、多个电控空间光调制器、第二透镜以及动态全息屏；所述写入光光源为所述空间光滤波器提供激光光源，所述空间光滤波器将所述激光扩散为点光源，所述点光源经过所述透镜照射到所述电控空间光调制器，所述各电控空间光调制器加载全息图信息并透过所述第二透镜将全息图缩小后成像到所述动态全息屏上，在所述动态全息屏上形成分辨率更高的全息图案。本发明解决了全息动态显示中液晶响应时间慢的问题，完成了动态显示；同时增加了空间光调制器数量，有效解决了单个空间光调制器面积小的问题，从而扩大了显示视角；并通过图像缩小后加载到光学屏上，形成了分辨率更高的全息图案。

Description

一种三维影像显示系统

技术领域

本发明涉及三维影像显示技术领域，具体说是一种具有快速响应能力的光学屏的三维影像显示系统。

背景技术

利用全息方法实现的三维影像的技术，该技术具有完整重现光场的能力。静态全息显示技术很早就在三维影像显示领域取得了巨大的成功。近年来，随着各种光调制器件，如空间光调制器（SLM）、数字微镜器件（DMD）的出现，利用全息技术实现的三维动态图像显示逐渐成为研究的热点。

利用全息技术来实现三维显示大体分为两类：视差的三维显示和利用光调制器件动态重现光场的显示方法。基于全息技术的视差的三维显示，主要利用全息光栅的分光作用，使两幅视差的图像分别进入人的左右眼睛，关键器件是具有分光作用的HOE板。缺点是由于是奇偶数列对应LCD上的像素，在多个视角的情况下，图像的分辨率会大大的降低。

利用全息技术来实现三维显示的另一个方法是利用光调制器件动态重现波前的方法实现三维影像显示。但现有方案受限于三个关键因素：（1）现有空间光调制器的像素尺寸过大。分辨率是器件能否记录和再现清晰全息图的关键因素。全息图犹如一个复杂的光栅，全息材料上记录的是微纳尺度的干涉条纹，全息图的每一部分都记录了物体上个点的振幅和相位信息。目前商用的空间光调制的像素一般在8 um-10 um，导致可视角度只有2到3度。如此大的像素同时也限制了加载全息干涉图像的分辨率。（2）空间光调制器的尺寸。空间光调制器的大小也会影响可视角的大小。目前由于超大集成电路技术的限制，尤其是当像素数目增加后寻址电路的困难，器件供应商很难做到大面积的空间光调制器，现在商用的空间光调制的尺寸一般小于1英寸。由于现有空间光调制器尺寸小、像素尺寸大的限制，直接利用SLM再现的图像具有观察视角小和再现像尺寸小的缺点，难以得到实际的应用。有些方案采用时分复用、使用多个SLM或将SLM不同区域重组以扩大单一方向视角的方法扩大可视角和像的大小。这些方案一定程度上扩大了观察视角，但它使系统变得更加复杂。在拼接的方案中空间光调制器之间的狭缝还会造成现在图像的不连续。针对此问题，有人提出采用多个光寻址空间光调制拼接的方案。由于光寻址的空间光调制没有像素分割，所以不会产生多级的衍射图案。但是光寻址的空间光调制的分辨率很低，一般在200线/毫米左右，限制了整体的再现图像的分辨率，而且由于现有的光寻址空间光调制器是有源器件，需要外加电压控制，很难做到大面积，存在拼接狭缝的问题。

发明内容

本发明提供了一种三维影像显示系统，其包括写入光光源、空间光滤波器、第一透镜、多个电控空间光调制器、第二透镜以及动态全息屏；

所述写入光光源为所述空间光滤波器提供激光光源，所述空间光滤波器将所述激光扩散为点光源，所述点光源经透过所述透镜照射到所述电控空间光调制器，所述各电控空间光调制器加载全息图信息并透过所述第二透镜将全息图缩小后成像到所述动态全息屏上，在所述动态全息屏上形成分辨率更高的全息图案；

所述动态全息屏包括上下基板、膜厚控制层以及快速响应全息材料，所述上下基板与所述膜厚控制层将所述快速响应全息材料密封，所述快速响应全息材料用于实时的记录和再现全息图。

较佳地，所述快速响应全息材料包括掺杂偶氮的液晶，其掺杂比例为4%，所述掺杂的过程为：

将偶氮常温下与5CB液晶混合，搅拌10小施，使所述偶氮充分熔解后，用直径为0.2um的过滤器过来，并用毛细管灌入封好的玻璃基板夹层中。

较佳地，所述电控空间光调制器包括电寻址空间光调制器拼接屏与反射镜，所述电寻址空间光调制器拼接屏用于加载全息图，所述反射镜用于反射加载后的全息图。

较佳地，所述动态全息屏为反射式的全息动态屏或透射式的全息动态屏。

较佳地，所述反射式的全息动态屏包括玻璃衬底、锑化镉光阻挡层、介质反射膜、膜厚控制层以及液晶注入层。

较佳地，所述透射式的全息动态屏包括玻璃衬底、膜厚控制层以及液晶注入层。

较佳地，所述膜厚控制层为一定厚度的塑料薄膜，所述塑料薄膜厚度为50微米。

较佳地，所述第二透镜为傅里叶变换透镜。

较佳地，光在所述动态全息屏中的运行过程包括：

偶氮分子吸收光能后发生反式-顺反-反式周期性异构循环，反式结构分子稳定，最终偶氮分子的取向将垂直与照射光偏振的垂直方向，形成周期性变化的折射率调制，这样全息图就被记录在动态屏中，掺杂偶氮液晶盒中可以形成瞬态全息图，建立和擦除时间在毫秒量级，从而实现实时的记录和再现全息图。

与现有技术相比，本方案由于使用了响应速度高的液晶材料形成的光学屏，解决了全息动态显示中液晶响应时间慢的问题，完成了动态显示。本方案由于增加了在动态全息显示系统中使用的空间光调制器数量，有效解决了单个空间光调制器面积小的问题，从而扩大了显示视角。本方案由于使用光学方法将空间光调制器产生的图像缩小后加载到光学屏上，形成了分辨率更高的全息图案，增大了所成三维像的尺寸和深度，从而改善了三维显示的效果。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

 

附图说明

    图1 为本发明实施例提供的三维影像显示系统的掺杂偶氮液晶作用机理;

图2 为本发明实施例提供的三维影像显示系统的器件响应曲线;

图3为本发明实施例一提供的三维影像显示系统的结构示意图;

图4为本发明实施例二提供的三维影像显示系统的结构示意图;

图5为本发明实施例二提供的三维影像显示系统的反射式的全息动态屏剖面结构图;

图6为本发明实施例二提供的反射式全息动态屏的读出原理图;

图7为本发明实施例二提供的的透射式全息动态屏剖面结构图;

图8为发明实施例二提供的透射式全息动态屏的读出原理图。

具体实施例

    实施例一

    本发明的目的在于提供一种具有快速响应能力的光学屏以及利用该膜进行动态三维影像再现的系统结构。该动态屏具有全息记录材料的特性，记录时间和擦除时间快，不需要外加电压，能实时地记录和再现图像，达到视频速度。同时，这种光学屏还可以很容易做到大面积，这有利于扩大呈现像的可视角。

    为解决上述问题，本发明提出一种三维影像显示系统，如图3所示，其包括写入光光源、空间光滤波器、第一透镜、多个电控空间光调制器、第二透镜以及动态全息屏；

所述写入光光源为所述空间光滤波器提供激光光源，所述空间光滤波器将所述激光扩散为点光源，所述点光源经透过所述透镜照射到所述电控空间光调制器，所述各电控空间光调制器加载全息图信息并透过所述第二透镜将全息图缩小后成像到所述动态全息屏上，在所述动态全息屏上形成分辨率更高的全息图案；

所述动态全息屏包括上下基板、膜厚控制层以及快速响应全息材料，所述上下基板与所述膜厚控制层将所述快速响应全息材料密封，所述快速响应全息材料用于实时的记录和再现全息图。

    整个过程分为实时的记录和再现两个同时进行的步骤。记录光由电控空间光调制器加载全息图信息，与另一束参考光在动态屏上干涉记录；使用另一束平行光作为读出光实时地读取再现图像。

    本实施例中提供的动态全息屏包括：上下基板、膜厚控制层、快速响应全息材料。

   所述的上下基板是与膜厚控制层一起来作为快速响应全息材料的密封器件，一般为玻璃衬底，也可以为PMMA等可弯曲的透明基材，这样屏可以做成环形屏。本系统中动态屏的大小取决于基板的大小。所述的膜厚控制层为一定厚度的塑料薄膜，一般为50微米。

    所述的光学动态屏是基于一种掺杂偶氮液晶的快速响应特性，其工作过程为：掺杂偶氮液晶材料是一类全息记录材料，偶氮分子吸收光能后发生反式-顺反-反式周期性异构循环，反式结构分子稳定，最终偶氮分子的取向将垂直与照射光偏振的垂直方向如图所示，形成周期性变化的折射率调制，这样全息图就被记录在动态屏中。掺杂偶氮液晶盒中可以形成瞬态全息图，建立和擦除时间在毫秒量级，因此它可以实时的记录和再现全息图。

    所述的光学动态屏的全息动态材料是掺杂偶氮液晶，掺杂比例为4%，常温下与5CB液晶混合，搅拌10小时，使其充分溶解后，用直径0.2um的过滤器过滤，并用毛细管灌入封好的玻璃基板夹层中。图1 为本发明实施例提供的三维影像显示系统的掺杂偶氮液晶作用机理;图2 为本发明实施例提供的三维影像显示系统的器件响应曲线。

    其中用于记录装置包括光源和透镜系统，扩束的准直激光，其光斑的大小与拼接成的电控空间光调制器的面积相当。

    所述的全息动态屏的形状不限于平板，可以为环形，这样可以增大视角。

所述动态全息重现方案利用光学原理在所述光学屏上形成尺寸缩小、分辨率提高的全息图案。拼接所用的电控空间光调制器的像素尺寸通过光学傅里叶透镜缩小投射到动态屏。

本实施例中，所述电控空间光调制器包括电寻址空间光调制器拼接屏与反射镜，所述电寻址空间光调制器拼接屏用于加载全息图，所述反射镜用于反射加载后的全息图。

实施例二

如图4所示，为本发明实施例整体结构图，包括写入光光源1，本实施例中，写入光源1为488 nm的激光器；空间光滤波器2，其一用于把激光光源扩散为点光源；透镜3，透镜3的选择与拼接屏的大小有关；电寻址空间光调制器4拼接屏；镀银反射镜5；傅里叶变换透镜6；动态全息屏7。首先计算好的全息图加载到3×3电控空间光调制器拼接屏4上，由透镜3准直的光照射到拼接屏，经过拼接屏4的光经过傅里叶变换透镜6将全息图成像到动态全息屏上再现，此时成像的全息图的像素已被缩小。

所述的全息动态显示拼接屏，图中所示的是3×3的拼接，也可以是更大的拼接面积，每块电控空间光调制器所加载的全息图组合成整幅的全息图。每个电控空间光调制器的像素大小为8um，1920×1080个，这样整个的全息图的像素数为1920×1080×9。注意到拼接SLM画素多个SLM之间的缝隙在光学缩小后明显减小，全息图案效果得到了改善，对显示视角有明显提升。

图5所示的为反射式的全息动态屏剖面结构图。包括玻璃衬底8；锑化镉（CdTe）光阻挡层9，其用于阻挡写入的光透射干扰成像；介质反射膜10；膜厚控制层11，一般采用厚度为50um的PET膜；以及液晶注入层12。图6所示为反射式全息动态屏的读出原理图。

图7所示为透射式全息动态屏剖面结构图。与图5相比，不需要光阻挡层和介质反射膜；仅包括玻璃衬底20、膜厚控制层21以及液晶注入层22。我们可以调整光强使得偶氮分子的吸收达到最大，减小写入光对再现像的影响。图8为所示为透射式全息动态屏的读出原理图,使用特定角度的平行光读取照射光学屏的全息图案，经过透射和光在自由空间中的衍射，在光学屏右侧可以观察到重现的像。

以上所述的使用光学屏进行动态全息像重现的方法不应被限制在单色显示中，可以通过三组类似的结构完成彩色显示。

与现有技术相比，本方案由于使用了响应速度高的液晶材料形成的光学屏，解决了全息动态显示中液晶响应时间慢的问题，完成了动态显示。本方案由于增加了在动态全息显示系统中使用的空间光调制器数量，有效解决了单个空间光调制器面积小的问题，从而扩大了显示视角。本方案由于使用光学方法将空间光调制器产生的图像缩小后加载到光学屏上，形成了分辨率更高的全息图案，增大了所成三维像的尺寸和深度，从而改善了三维显示的效果。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种三维影像显示系统，其特征在于，包括写入光光源、空间光滤波器、第一透镜、多个电控空间光调制器、第二透镜以及动态全息屏；

所述写入光光源为所述空间光滤波器提供激光光源，所述空间光滤波器将所述激光扩散为点光源，所述点光源经透过所述透镜照射到所述电控空间光调制器，所述各电控空间光调制器加载全息图信息并透过所述第二透镜将全息图缩小后成像到所述动态全息屏上，在所述动态全息屏上形成分辨率更高的全息图案；

所述动态全息屏包括上下基板、膜厚控制层以及快速响应全息材料，所述上下基板与所述膜厚控制层将所述快速响应全息材料密封，所述快速响应全息材料用于实时的记录和再现全息图。

2.如权利要求1所述的三维影像显示系统，其特征在于，所述快速响应全息材料包括掺杂偶氮的液晶，其掺杂比例为4%，所述掺杂的过程为：    将偶氮常温下与5CB液晶混合，搅拌10小时，使所述偶氮充分熔接后，用直径为0.2um的过滤器过来，并用毛细管灌入封好的玻璃基板夹层中。

3.如权利要求1所述的三维影像显示系统，其特征在于，所述电控空间光调制器包括电寻址空间光调制器拼接屏与反射镜，所述电寻址空间光调制器拼接屏用于加载全息图，所述反射镜用于反射加载后的全息图。

4.如权利要求1所述的三维影像显示系统，其特征在于，所述动态全息屏为反射式的全息动态屏或透射式的全息动态屏。

5.如权利要求4所述的三维影像显示系统，其特征在于，所述反射式的全息动态屏包括玻璃衬底、锑化镉光阻挡层、介质反射膜、膜厚控制层以及液晶注入层。

6.如权利要求4所述的三维影像显示系统，其特征在于，所述透射式的全息动态屏包括玻璃衬底、膜厚控制层以及液晶注入层。

7.如权利要求5或6所述的三维影像显示系统，其特征在于，所述膜厚控制层为一定厚度的塑料薄膜，所述塑料薄膜厚度为50微米。

8.如权利要求1所述的三维影像显示系统，其特征在于，所述写入光光源为488nm的激光器。

9.如权利要求1所述的三维影像显示系统，其特征在于，所述第二透镜为傅里叶变换透镜。

10.如权利要求2所述的三维影像显示系统，其特征在于，光在所述动态全息屏中的运行过程包括：

偶氮分子吸收光能后发生反式-顺反-反式周期性异构循环，反式结构分子稳定，最终偶氮分子的取向将垂直与照射光偏振的垂直方向，形成周期性变化的折射率调制，这样全息图就被记录在动态屏中，掺杂偶氮液晶盒中可以形成瞬态全息图，建立和擦除时间在毫秒量级，从而实现实时的记录和再现全息图。

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