CN105159045B - 一种基于可调光阑的全息投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于可调光阑的全息投影系统。该系统包括激光器、滤波器、扩束器、LCOS、固体透镜、可调光阑和接收屏。其中滤波器、扩束器用于将激光器发出的激光扩束形成准直平面光，固体透镜位于LCOS的后面，可调光阑位于固体透镜的焦平面位置。由LCOS像素结构引起的零级衍射光在固体透镜的焦平面处会聚成一个焦点并被可调光阑的黑色掩膜消除，高级衍射像由于可调光阑中黑色液滴的吸收而被消除。通过改变可调光阑中黑色液体的量，方便地调节光阑的通光孔径，从而控制通光孔径的大小。当再现像的大小改变时，通过调节可调光阑的大小来消除高级衍射像。

Description

一种基于可调光阑的全息投影系统

技术领域

本发明涉及全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于可调光阑的全息投影系统。

背景技术

近年来，硅基液晶（LCOS）以其高集成化、大开口率、响应时间快等优势被广泛应用到全息显示中。由于LCOS自身像素结构的影响，当使用再现光照射LCOS时，再现像由全息图衍射形成的多级衍射像以及由LCOS本身的像素结构引起的多级衍射光两部分组成，这样，实际的观看效果会受到多级衍射光和多级再现像的干扰。目前，将再现像和衍射光分离的主要方法为：在全息图上加载会聚的球面波或者加载线性的相位偏移，再结合4f系统和滤波器，可以在接收屏上只观看到理想的再现像。因此，如果要将不良光全部消除，系统往往比较复杂。随着光子学器件的发展，如液体透镜和液体光阑等液体光学元件已被广泛应用到各种成像系统和变焦系统中。通常来说，这些器件要比普通的机械器件更灵活、更小，并且易于调节，因此具有一定的应用前景。

发明内容

本发明提出一种基于可调光阑的全息投影系统。如附图1所示，该系统包括激光器、滤波器、扩束器、LCOS、固体透镜、可调光阑、接收屏。其中滤波器、扩束器用于将激光器发出的激光扩束形成准直平面光，固体透镜位于LCOS的后面，可调光阑位于固体透镜的焦平面位置。

LCOS、固体透镜、可调光阑、接收屏组成消不良光模块，附图2为该消不良光模块的原理示意图，其中d ₁是LCOS和固体透镜之间的距离，d ₂是固体透镜和可调光阑之间的距离，固体透镜的焦距为d ₂，d ₃是固体透镜和接收屏之间的距离。为了消除多级衍射光，使用发散球面波来分离多级衍射像和多级衍射光。加载了发散球面波以后，多级衍射像的聚焦位置向后移，而由LCOS像素结构引起的多级衍射光的位置保持不变。根据透镜的成像公式，可以得到：

（1）

式中r是发散球面波的半径。再现像的大小H满足：

（2）

式中p是LCOS的像素间距， 是再现光的波长。从公式（1）-（2）可知，当LCOS、固体透镜、可调光阑的位置保持不变时，对于给定的r，可以计算出再现像的位置和大小。

附图3是可调光阑的原理示意图。该可调光阑包括上基板、透明硬质腔体、下基板、黑色液滴、梯形玻璃膜、黑色掩膜、通道I和通道II，其中透明硬质腔体中填充与黑色液滴不相溶的无色透明液体，梯形玻璃膜嵌在下基板中，黑色掩膜位于梯形玻璃膜的中间。在初始状态，由于吸附性和压力的作用，黑色液滴位于透明硬质腔体的侧壁，如附图4所示，当光通过可调光阑时，由于黑色掩膜和黑色液滴的作用，只有中间部分的光可以通过。当通过通道I向可调光阑中注入黑色液滴时，由于表面张力、压力和吸附力的共同作用，黑色液滴从侧壁向中间移动，无色透明液体通过通道II流出，此时可调光阑的通光孔径变小，如附图5所示。通过改变可调光阑中黑色液体的量来调节光阑的通光孔径，从而实现可调光阑的作用。

再现像经过固体透镜后，由LCOS像素结构引起的零级衍射光在固体透镜的焦平面处会聚成一个焦点并被可调光阑的黑色掩膜消除，高级衍射像由于可调光阑中黑色液滴的吸收而被消除。再现像的大小随r的改变而改变，通过调节可调光阑的大小可以消除高级衍射像。

优选地，透明硬质腔体长d ₄≥10mm且d ₄≤12mm，宽d ₅≥10mm且d ₅≤12mm，高d ₆≥8mm且d ₆≤10mm。

优选地，梯形玻璃膜长d ₇≥9mm且d ₇≤d ₄，宽d ₈≥9mm且d ₈≤d ₅。

优选地，黑色掩膜为正方形，边长d ₉≥1mm且d ₉≤2mm。

优选地，透明硬质腔体中无色透明液体和黑色液滴的密度相同。

附图说明

附图1为本发明的一种基于可调光阑的全息投影系统的示意图。

附图2为本发明的消不良光模块的原理示意图。

附图3为可调光阑的结构示意图。

附图4为可调光阑初始状态的俯视结构示意图。

附图5为可调光阑大小变化时的俯视结构示意图。

上述各附图中的图示标号为：

（1）激光器、（2）滤波器、（3）扩束器、（4）LCOS、（5）固体透镜、（6）可调光阑、（7）接收屏、（8）上基板、（9）下基板、（10）透明硬质腔体、（11）黑色液滴、（12）无色透明液体、（13）通道I、（14）通道II、（15）梯形玻璃膜、（16）黑色掩膜。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明本发明提出的一种基于可调光阑的全息投影系统的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明的一个实施例为：激光器为波长为471nm的蓝色信号光，LCOS的像素间距为8微米，分辨率为1920×1080，固体透镜的焦距为30cm，固体透镜和LCOS的距离为15cm，可调光阑位于固体透镜后30cm处。将参数带到公式（1）中，可以得到：

(3)

零级衍射光在固体透镜的30cm处会聚成一个焦点并被可调光阑的黑色掩膜消除，高级衍射像由于可调光阑中黑色液滴的吸收而被消除。当r改变时，再现像的大小会随之改变，此时可以通过调节可调光阑中黑色液体的量来改变通光孔径的大小，从而消除高级衍射像。

Claims (4)

1.一种基于可调光阑的全息投影系统，包括：激光器、滤波器、扩束器、LCOS、固体透镜、可调光阑、接收屏；其中滤波器、扩束器用于将激光器发出的激光扩束形成准直平面光，固体透镜位于LCOS的后面，可调光阑位于固体透镜的焦平面位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于可调光阑的全息投影系统，其特征在于，可调光阑包括上基板、透明硬质腔体、下基板、黑色液滴、梯形玻璃膜、黑色掩膜、通道I和通道II，其中透明硬质腔体中填充与黑色液滴不相溶的无色透明液体，梯形玻璃膜嵌在下基板中，黑色掩膜位于梯形玻璃膜的中间；当通过通道I改变可调光阑中黑色液滴的量时，由于表面张力、压力和吸附力的共同作用，黑色液滴会向中间或者侧壁移动，可调光阑的通光孔径会相应地变小或扩大；通过改变光阑的通光孔径，实现可调光阑的作用。

3.根据权利要求1所述的一种基于可调光阑的全息投影系统，其特征在于，再现像经过固体透镜后，由LCOS像素结构引起的零级衍射光在固体透镜的焦平面处会聚成一个焦点并被可调光阑的黑色掩膜消除，高级衍射像由于可调光阑中黑色液滴的吸收而被消除；再现像的大小随r的改变而改变，其中r是发散球面波的半径，通过调节可调光阑的大小来消除高级衍射像。

4.根据权利要求2所述的一种基于可调光阑的全息投影系统，其特征在于，黑色掩膜为正方形，边长d₉≥1mm且d₉≤2mm，透明硬质腔体中无色透明液体和黑色液滴的密度相同。