CN104155834A - 基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置 - Google Patents

Abstract

一种基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置，其特点在于该装置包括沿着光束传播方向依次是同轴放置的照明单元、微孔滤波阵列、微透镜阵列扩束准直单元、空间光调制器、傅里叶变换透镜、微投影光学镜头，所述的照明单元由红、绿、蓝三色LED光源组成；所述的微透镜阵扩束准直单元是由1×3的微透镜阵列组成；所述的空间光调制器位于所述的傅里叶变换透镜的前焦面，所述的微投影光学镜头的前焦面位于所述的傅里叶变换透镜的后焦面。所述的空间光调制器由液晶空间光调制器组成，用于加载相息图和再现彩色三维全息像。本发明能有效避免不同步引起的动态画面闪烁，实现彩色投影显示，具有结构紧凑，成本低的特点。

Description

基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置

技术领域

本发明属于投影显示，尤其是一种基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置。

背景技术

视觉是人类获得外部信息的重要途径。传统的投影显示主要依赖于传统光学方法实现二维平面显示，随着信息技术不断进步，小型化的手持式投影设备正在逐步发展起来。但是传统的透镜成像的方法需要较复杂的光路系统，并且较低的光能利用率还带来了能耗和散热问题。目前，解决彩色微型投影技术主要有基于微透镜阵列和基于空间光调制器的两种方案。前者具有较高的图像保真度，但是后者和前者相比有明显的优势，主要体现在后者采用衍射方法，目标图像信息可以通过局部的位相信息获得，因此可以避免系统内部光路的局部缺陷或杂质带来的图像损失；其次后者不对光束进行直接的反射，因此同前者相比具有更高的激光安全性。所以采用空间光调制器作为微光学投影的基本单元获得了更高的认同度。但是，为了实现彩色图像的输出，通常需要三个空间光调制器，或者在同一个空间光调制器的三处不重叠的区域分别对三基色的光束进行调制，从而实现一个彩色图像的投影，其整体结构复杂。

中国专利“基于多层空间光调制器的高分辨全息三维显示装置和方法”(CN102809918 A)提出了一种利用对片空间光调制器实现三维显示的方法，增加全息再现像的可视范围，但是结构冗余、体积较大、且只实现了单色显示，不能满足现在市场对三维显示技术的需求。中国专利“新型彩色激光投影显示设备”(CN 101202925B)提出了一种利用空间光调制器实现彩色激光投影的方案，需要在空间上对三个波长的激光进行分离，因此仅能利用空间光调制器的局部区域进行光束调控，降低了投影空间的分辨率。中国专利“一种微型投影仪的光路结构”(CN 102262338 A)提出一种时分复用的方法对三种颜色的光进行调制的方案，该方法虽然仅利用一个空间光调制器，且每个波长的光束均覆盖整个空间光调制器的有效区域，但是每种衍射的光束在不同时间显示会存在一定图像闪烁，且不利于动态图像的实现。在先技术“Design and fabrication of stacked,computer generated holograms for multicolorimage generation”(APPLIED OPTICS Vol.46,No.221 August 2007)提出了一种基于多层介质膜反射镜与三色计算全息图相结合的方法形成三维彩色成像，但是这种方法需要电子束刻蚀，离子束刻蚀等多步工艺，加工要求较高。此外由于计算全息图一经制好，就只能显示单一的图像，不能支持视频级要求。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的不足，提供一种基于单个空间光调制器的彩色全息微投影装置，该装置能有效避免不同步引起的动态画面闪烁，实现彩色投影显示，具有结构紧凑，成本低的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置，其特点在于该装置包括沿着光束传播方向依次是同轴放置的照明单元、微孔滤波阵列、微透镜阵列扩束准直单元、空间光调制器、傅里叶变换透镜、微投影光学镜头，所述的照明单元由红R、绿G、蓝B三色LED光源组成；所述的微透镜阵扩束准直单元是由1×3的微透镜阵列组成；所述的空间光调制器位于所述的傅里叶变换透镜的前焦面，所述的微投影光学镜头的前焦面位于所述的傅里叶变换透镜的后焦面。所述的空间光调制器由液晶空间光调制器组成，用于加载相息图和再现彩色三维全息像。

所述的微孔滤波阵列用于消除高频率噪声，消除杂光干扰，提高光束质量。微孔滤波阵列分别对应三色LED光源，距离LED光源约5mm的距离，通光口径约为0.5mm。

所述的微透镜阵列扩束准直单元中，微透镜阵列属于折射型微透镜阵列。微透镜阵列的焦距应略大于空间光调制器的尺寸除以LED的发散角。微透镜阵列的前焦面与微孔滤波阵列重合，微透镜阵列的后焦面与空间光调制器重合。

所述的空间光调制器是可以采购的器件。如果是静态工作状态，应将设计好的相息图加载到空间光调制器上，以实现静态图片的输出。如果是动态工作状态，应按照一定的帧频加载相息图，当帧频超过24帧/秒时，呈现出动态的视频播放。

所述的相息图的设计方法采用迭代傅里叶算法的改进算法，所述的迭代傅里叶算法是研究人员所熟知的算法，改进算法在所述的迭代傅里叶算法的基础上对所述的三色LED光源依次进行迭代优化，最后获得相息图。

所述的傅里叶变换透镜用于实现光场的傅里叶变换，傅里叶变换透镜的设计方法已被该领域科研人员所熟知。

所述的微投影光学镜头采用折射型光学系统，用于将所成的全息影像投射到远处。所述的微型投影镜头的物方焦平面和傅里叶迭代透镜的像方焦平面重合。整个装置投影的像呈现在微型投影镜头的像方焦平面上。该类型光学系统的设计已经被科研人员所熟知。

与先技术相比，本发明具有下列的有益效果：

1、本发明提出了一种实时、真彩的彩色微投影装置，保证三色光源同步实现投影，能有效避免不同步引起的动态画面闪烁；并且三色光源在空间上重合，实现真彩投影；

2、本发明采用三色LED作为光源，结构紧凑，成本低。

3、本发明只需要一个空间光调制器即可实现彩色成像，且微投影光学系统体积较小，结构简单，能够实现穿戴功能。

附图说明

图1为本发明基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置示意图。

图2为本发明基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置中空间光调制器所加载的相息图的设计原理图。

图3为本发明基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置中微投影光学镜头的光路示意图。

图4为本发明基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置的投影效果示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点清晰，下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细阐述。

请参照图1，图1为本发明一种基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置结构示意图。本发明一种基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置包括照明单元101、阵列滤波单元201、微透镜阵列扩束准直单元301、空间光调制器401、傅里叶变换透镜501、微投影光学系统601。其中产生彩色全息影像的单元包括：空间光调制器401和傅里叶变换透镜501。上述光学元件的位置关系如下：沿着所述照明单元101发出的光束方向依次是同轴的阵列滤波单元201、微透镜阵列扩束准直单元301、空间光调制器401、傅里叶变换透镜501、微投影光学系统601。所述的照明单元由红R、绿G、蓝B三色LED光源组成，对应的波长分别为633nm、532nm、437nm；所述的微透镜阵列扩束准直单元由Y方向1*3的微透镜组成，针对不同波长进行扩束准直；所述的空间光调制器401位于所述的傅里叶变换透镜501的前焦面上。所述的空间光调制器401与所述的傅里叶变换透镜501形成所需要的全息图像。

在先的彩色微型投影装置或采用时分复用的方法，或采用空分复用的方法实现彩色输出。时分复用的方法分别将三色光源的光照射在空间光调制器上，并利用人眼的暂留效应实现彩色图像的输出，该方法并未真正实现彩色输出，会造成一定的图像闪烁。空分复用的方发分别将三色光源照射在空间光调制器不同的空间位置上，结果很难保证得到空间位置完全重合的彩色投影效果，不同波长的光源之间会在空间上产生错位，难以实现真彩色的效果。因此需要设计一种方法获得三色光源在时间能够同步，而且在空间上能够重合的彩色微型投影装置。

三色光源采用三色LED光源，并采用微透镜阵列将三色光源在空间上进行再分布和准直，从而获得准直的三色光源。所获得的三色光源中的三种成分在空间上完全重叠。微透镜阵列的焦距应略大于空间光调制器的尺寸除以LED的发散角。微透镜阵列的前焦面与微孔滤波阵列重合，微透镜阵列的后焦面与空间光调制器重合。

所述的空间光调制器是可以采购的器件。如果是静态工作状态，应将设计好的相息图加载到空间光调制器上，以实现静态图片的输出。如果是动态工作状态，应按照一定的帧频加载相息图，当帧频超过24帧/秒时，呈现出动态的视频播放。

所述的相息图的设计方法采用迭代傅里叶算法的改进算法，所述的迭代傅里叶算法是研究人员所熟知的算法，改进算法在所述的迭代傅里叶算法的基础上对所述的三色LED光源依次进行迭代优化，最后获得相息图。具体的迭代优化步骤如下：

首先，将衍射角谱传输公式记为:

$U=F^{-1}\left\{F\right(T\left(r\right)\exp \left[\mathrm{iz}\sqrt{k^2-{k^2}_x-{k^2}_y}\right]\}---\left(1\right)$

式(1)中，假定入射光束为均匀平面波，F代表傅里叶变换，F^-1代表逆傅里叶变换T(r)代表物的透射函数，k_x,k_y代表波矢量在X，Y轴上的投影分量。

结合图2，利用计算机将待设计的二维图或者三维物体提取出R、G、B三色分量，将三色分量在虚拟轴上按照由远到近的顺序放置，R离开空间光调制器最远，G次之，B离空间光调制器401最近，三者的距离关系满足衍射传输的一般关系。设R的距离空间光调制器401的距离为Z_R，G距离空间光调制器401的距离为Z_G，B距离空间光调制器单元401的距离为Z_B。迭代步骤如下

1)为了提高信噪比，首先对图像进行填零扩充，扩充前的区域记为Signalwindow，剩余的区域记为Outsignalwindow。初始空间光调制器401的相位为随机相位，光场传输到距离空间光调制器401位置Z_B处，场记为:

$U_B=F^{-1}\left\{F\left(U_0\exp \left({\mathrm{i\φ}}_0\right)\exp \right[{\mathrm{iZ}}_B\sqrt{k^2-{k_x}^2-{k_y}^2}\left]\right)\right\}---\left(2\right)$

2)提取出Z_B位置处的相位:

Z_B像振幅限制因子可以记为:

$K=\frac{\mathrm{\Σ}|U_B\∈\mathrm{Signalwindow}|}{\mathrm{\Σ}|U_{\mathrm{BR}}\∈\mathrm{Signalwindow}|}---\left(4\right)$

其中，U_BR是B像的目标像，Z_B位置处于Signalwindow区域内的修正振幅为:

位于Outsignalwindow区域的振幅不做修正。

3)将修正后的复振幅，逆向传播回空间光调制器401，此时的光场可以记为:

${{U^2}_B=F}^{-1}\left\{F\left(U_0\exp \left({\mathrm{i\φ}}_0\right)\exp \right[{-\mathrm{iZ}}_B\sqrt{k^2-{k_x}^2-{k_y}^2}\left]\right)\right\}---\left(6\right)$

并提取此时的相位:

4)将入射场振幅替代此时的振幅，并保持相位不变，此时再从空间光调制器401传输到G处，光场分布可以记为:

$U_C=F^{-1}\left\{F\left(U_0\exp \left({\mathrm{i\φ}}_2\right)\exp \right[{\mathrm{iZ}}_G\sqrt{k^2-{k_x}^2-{k_y}^2}\left]\right)\right\}---\left(8\right)$ 提取出此处的相位信息:

G像面处振幅限制因子可以记为:

$K_G=\frac{\mathrm{\Σ}|U_G\∈\mathrm{Signalwindow}|}{\mathrm{\Σ}|U_{\mathrm{GR}}\∈\mathrm{Signalwindow}|}---\left(10\right)$

ZG位置处于Signalwindow区域内的修正振幅可以表示为:

5)将G处的修正振幅，逆向传输回空间光调制器401，此时空间光调制器401处的复振幅可以表示为:

${{U^2}_G=F}^{-1}\left\{F\left({U^1}_C\exp \left({\mathrm{i\φ}}_3\right)\exp \right[{-\mathrm{iZ}}_G\sqrt{k^2-{k_x}^2-{k_y}^2}\left]\right)\right\}---\left(12\right)$

并提取出此时的相位:

并将此时的振幅用入射场振幅替换，并保存相位信息。

6)此时再从空间光调制器401传输到R处，场分布可以记为:

$U_R=F^{-1}\left\{F\left(U_0\exp \left({\mathrm{i\φ}}_4\right)\exp \right[{\mathrm{iZ}}_R\sqrt{k^2-{k_x}^2-{k_y}^2}\left]\right)\right\}---\left(14\right)$

提取出此处的相位信息:

R像面处的振幅限制因子为:

$K_R=\frac{\mathrm{\Σ}|U_R\∈\mathrm{Signalwindow}|}{\mathrm{\Σ}|U_{\mathrm{RR}}\∈\mathrm{Signalwindow}|}---\left(16\right)$

Z_R位置处于Signalwindow区域的修正振幅可以表示为:

位于Outsignalwindow区域的振幅不做修正。

7)将R处的修正振幅，逆向传输回空间光调制器401，此时空间光调制器401处的复振幅可以表示为:

${{U^2}_R=F}^{-1}\left\{F\left({U^1}_R\exp \left({\mathrm{i\φ}}_5\right)\exp \right[{-\mathrm{iZ}}_R\sqrt{k^2-{k_x}^2-{k_y}^2}\left]\right)\right\}---\left(18\right)$

提取出此处的相位信息

并将此时的振幅用入射场振幅替换，并保存相位信息。

8)根据步骤7)的相位信息，计算由空间光调制器401传播到R位置处的衍射场分布：

$U{=F}^{-1}\left\{F\left(U_0\exp \left({\mathrm{i\φ}}_6\right)\exp \right[{\mathrm{iZ}}_R\sqrt{k^2-{k_x}^2-{k_y}^2}\left]\right)\right\}---\left(20\right)$

并比较

$\mathrm{MSE}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}(U-U_{\mathrm{idea}})}{N}}---\left(21\right)$

是否达到目标值，否则循环步骤1)～7)。式(21)中N是采样点数，U_idea是理想复振幅。

经过上述8个迭代步骤后，得到了空间光调制器401上所需的相息图，通过位相信息的加载，可以实现真实的彩色投影图片。如果按照一定的帧频将一组相息图依次加载到空间光调制器上，可以在接受面接收到动态影像。

实施例：

请参照图1，为了更好地描述此发明装置的性能，特在此举一具体实施例进行说明，但是不应以此限制本发明的保护范围。照明单元101采用LED光源，波长分别为633nm、532nm、437nm。扩束准直单元301微透镜阵列采用SUSS公司制作的1×3微透镜阵列，焦距25mm。空间光调制器单元401，所采用的空间光调制器的参数为：尺寸30mm*30mm，像素个数1920*1080；考虑到校正色差的问题，傅里叶变换透镜501选择三片式结构，焦距选择为100mm；微投影光学镜头601选择四片透镜+棱镜结构，用于校正畸变和色差，F数2.4，视场角50°，经优化后最大视场处的畸变小于2.5％，场曲为0.08mm，微投影光学镜头601结构总长为22mm，投射距离为0.8米。所设计的微透镜光学镜头如图3所示。

图4为本发明彩色微型投影装置的结果图，用黑白图片代替彩色图片进行显示。实际工作时为彩色图片。实施例表明，本发明能够仅用一片空间光调制器实现彩色全息再现，并且结构紧凑适合于手持或者穿戴式系统。

Claims (1)

1.一种基于单个空间光调制器的彩色微型投影装置，其特点在于该装置包括沿光束传播方向依次的同轴放置的照明单元(101)、微孔滤波阵列(201)、微透镜阵列扩束准直单元(301)、空间光调制器(401)、傅里叶变换透镜(501)和微投影光学镜头(601)，所述的照明单元(101)由红、绿、蓝三色激光二极管组成；所述的微透镜阵扩束准直单元(301)是由1×3的微透镜阵列组成；所述的空间光调制器(401)位于所述的傅里叶变换透镜(501)的前焦面，所述的微投影光学镜头(601)的前焦面位于所述的傅里叶变换透镜(501)的后焦面，所述的空间光调制器(401)由液晶空间光调制器组成，用于加载相息图和再现彩色三维全息像。