CN105824128A - 基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统，能实现真三维图像与外界真实场景的叠加。系统包括：振幅型空间光调制器、4f透镜系统、正弦光栅、相移器和半透半反镜；振幅型空间光调制器和正弦光栅依次放置在4f透镜系统的输入焦平面和频谱面上，相移器靠近振幅型空间光调制器放置，半透半反镜置于4f透镜系统输出焦平面后一定距离，振幅型空间光调制器的两个分区分别加载两个全息图，在激光的照射下，两全息图于4f透镜系统的频域经正弦光栅调制，并在输出面合成为目标复振幅波前，该目标复振幅波前传播至半透半反镜处经半透半反镜耦合叠加至人眼的视野内。

Description

基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，具体涉及一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统。

背景技术

增强现实(Augmentedreality,AR)显示系统将人工生成的数字辅助信号与人眼实时观察到的真实三维场景进行结合，极大地丰富了人类与真实环境之间的交互能力，在医学、军工和工业制造等领域中存在巨大的应用潜力。

现有的增强现实技术一般显示的是二维图像信号或二维双目视差图像。虽然在一定程度上可以由人类的视觉习惯和大脑处理形成立体的三维观感，但由于存在调焦-聚焦(accommodation-convergence)矛盾，违背人们的观察习惯，长时间佩戴较容易使人出现视觉疲劳、眩晕等不舒适感。

由于复振幅包含物体的三维波前，因此通过调制复振幅可以有效获得真实的三维显示效果，进而改善传统增强现实系统在观感上的不足之处。中国专利CN104375271A公开了一种使用双空间光调制器生成复振幅波前的方法，并将其应用在波导增强现实显示系统中。然而该系统中的两个空间光调制器需要做像素级的对准操作，且相应的伺服系统也较复杂。

综上可知，目前存在降低复振幅调制系统难度和复杂度方面的要求，解决这些问题将有助于推动真三维增强现实系统的发展。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明实施例提供一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统。

本发明实施例提出一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统，包括：

振幅型空间光调制器、4f透镜系统、正弦光栅、相移器和半透半反镜；其中，

所述振幅型空间光调制器和正弦光栅依次放置在所述4f透镜系统的输入焦平面和频谱面上，所述相移器靠近所述振幅型空间光调制器放置，所述半透半反镜置于所述4f透镜系统输出焦平面后一定距离，

所述振幅型空间光调制器的两个分区分别加载待显示的复振幅信号分解得到的两个全息图，在激光的照射以及相移器的作用下，所述两个全息图之间产生π/2的相位差，之后相位相差π/2的两个全息图于所述4f透镜系统的频域经所述正弦光栅调制后传播到所述4f透镜系统的输出面合成为目标复振幅波前，所述目标复振幅波前继续传播并经所述半透半反镜耦合叠加至人眼视野内，其中，两个全息图分开的距离d和正弦光栅周期常数Λ满足公式：式中λ为照明波长，f为4f透镜系统的透镜焦距。

本发明实施例提供的基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统，使用单个空间光调制器分区加载全息图，在频率域放置匹配优化设计的正弦光栅进行合成，从而在4f透镜系统输出面上获得叠加后的目标复振幅波前，并利用半透半反镜将目标复振幅波前叠加耦合至人眼视野供人眼观察，能够提供真实的三维观感，消除了调焦-聚焦矛盾，立体观感舒适度好。与采用双空间光调制器复振幅调制系统的波导增强现实显示系统相比，由于不需要进行两个空间光调制器的机械对准，因此调制难度和复杂度大大降低，系统成本造价可控制在较低水平。

附图说明

图1为本发明一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统一实施例的部分结构示意图；

图2为本发明一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统另一实施例的部分结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，本实施例公开一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统，包括：

振幅型空间光调制器(Amplitude-onlyspatiallightmodulator,A-SLM)1、4f透镜系统(组成4f透镜系统的两个透镜如图1中301和302所示)、正弦光栅4、相移器(图1中未示出)和半透半反镜6；其中，

所述振幅型空间光调制器1和正弦光栅4依次放置在所述4f透镜系统的输入焦平面和频谱面上，所述相移器靠近所述振幅型空间光调制器1放置，所述半透半反镜6置于所述4f透镜系统输出焦平面后一定距离，

所述振幅型空间光调制器1的两个分区分别加载待显示的复振幅信号分解得到的两个全息图，在激光的照射以及相移器的作用下，所述两个全息图之间产生π/2的相位差，之后相位相差π/2的两个全息图于所述4f透镜系统的频域经所述正弦光栅4调制后传播到所述4f透镜系统的输出面合成为目标复振幅波前，所述目标复振幅波前继续传播并经所述半透半反镜6耦合叠加至人眼视野内，其中，两个全息图分开的距离d和正弦光栅周期常数Λ满足公式：式中λ为照明波长，f为4f透镜系统的透镜焦距。

如图1所示，7为观察窗，8为人眼，9为视野内重建的三维物体图像。振幅型空间光调制器1与透镜301的距离、透镜301与正弦光栅4的距离、正弦光栅4与透镜302的距离均为透镜的焦距f，z为半透半反镜至透镜302的距离，FOV表示系统的观察视场角。半透半反镜6将目标复振幅波前耦合叠加至指定的范围内，当人眼8从观察窗7处观察时，在人眼的视野内即可看到真实的三维立体场景，实现真三维信号与外界场景叠加的增强现实显示技术。

物体的三维信息波前可以由一个既有振幅又有相位的复振幅信号表示，当人眼观察该信号时，就会获得一个真实的三维物体图像。

假设目标物体复振幅信号为Aexp(iθ)，其中A为振幅，θ为相位，是虚数单位。该复振幅信号能够被分解成一个实部和虚部相加的复数形式：

$\begin{array}{c}A\exp \left(i\mathrm{\θ}\right)=A\cos \mathrm{\θ}+i\·A\sin \mathrm{\θ}\\ =h_r+h_i\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\end{array}---\left(1\right)$

式中h_r和h_i为两个振幅型的全息图。但需注意的是，目标复振幅波前相位分布在[0,2π]，h_r和h_i都有正值也有负值。由于振幅型空间光调制器只能加载非负值，因此要对h_r和h_i做偏移的处理：

$\begin{array}{c}{h}_r+h_i\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\⇒(h_r+I_0)+(h_i+I_0)\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\\ =h_{rm}+h_{im}\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\end{array}---\left(2\right)$

式中I₀为一个正值，形成背景照明光。h_rm和h_im的常量相位延迟可由π/2相移器产生。比如可使用λ/4玻片或倾斜玻璃平板等器件产生π/2相位差，关于相移器使两个全息图产生相位延迟为现有技术，此处不再赘述。将生成的两个全息图分区加载至空间光调制器上，以上下分区为例(图1中201和202分别为加载的全息图h_rm和h_im)，则空间光调制器的透过率函数可表达为：

t(x,y)＝h_rm(x,y-d)+i·h_im(x,y+d)(3)

其中d为两全息图分开的距离。正弦光栅的表达式可由下式表达：

$g(x,y)=\frac{1}{2}+\frac{p}{2}cos\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}y\right)---\left(4\right)$

式中的p为正弦光栅振幅调制度，Λ是光栅周期常数。4f透镜系统输出面上为空间光调制器透过率函数与正弦光栅频谱的卷积：

$\begin{array}{c}U(x,y)=t(x,y)\⊗FT\left\{g(x,y)\right\}\\ =\[h_{rm}(x,y-d)+i\·h_{im}(x,y+d)\]\⊗FT\{\frac{1}{2}+\frac{p}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}y\right)\}\\ =\frac{p}{2}\[h_{rm}(x,y-d+\frac{\mathrm{\λ}f}{\mathrm{\Λ}})+i\·h_{im}(x,y+d-\frac{\mathrm{\Λ}f}{\mathrm{\Λ}})\]+E(x,y)\end{array}---\left(5\right)$

其中FT(*)为对*进行傅里叶变换，f为透镜的焦距，λ为照明光波长，E(x,y)为：

$\begin{array}{c}E(x,y)=\frac{1}{2}\[h_{rm}(x,y-d)+i\·h_{im}(x,y+d)\]\\ +\frac{p}{2}\[h_{rm}(x,y-d-\frac{\mathrm{\λ}f}{\mathrm{\Λ}})+i\·h_{im}(x,y+d+\frac{\mathrm{\λ}f}{\mathrm{\Λ}})\]\end{array}---\left(6\right)$

由公式(5)可知，当全息分开的距离和正弦光栅周期常数满足下式时：

$d=\frac{\mathrm{\λ}f}{\mathrm{\Λ}}---\left(7\right)$

即可在输出面的零级上得到叠加后的目标复振幅场。

依据公式(1)和(2)，待显示的复振幅信号Aexp(iθ)被分解为两个全息图h_rm和h_im，并同时加载到空间光调制器两个不同区域内，比如上下两个区域。在激光的照射下，于4f透镜系统的频域经正弦光栅调制传播到4f透镜系统的输出面合成为目标复振幅波前。

本发明实施例提供的基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统，使用单个空间光调制器分区加载全息图，在频率域放置匹配优化设计的正弦光栅进行合成，从而在4f透镜系统输出面上获得叠加后的目标复振幅波前，并利用半透半反镜将目标复振幅波前叠加耦合至人眼视野供人眼观察，能够提供真实的三维观感，消除了调焦-聚焦矛盾，立体观感舒适度好。与采用双空间光调制器复振幅调制系统的波导增强现实显示系统相比，由于不需要进行两个空间光调制器的机械对准，因此调制难度和复杂度大大降低，系统成本造价可控制在较低水平。

可选地，在本发明基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统的另一实施例中，所述相移器为倾斜玻璃或者玻片。

可选地，参看图2，在本发明基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统的另一实施例中，还可以包括：

低通滤波器5；其中，

所述低通滤波器5紧靠所述正弦光栅4放置，用于对经所述正弦光栅4调制后的全息图进行滤波。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系统，其特征在于，包括：

振幅型空间光调制器、4f透镜系统、正弦光栅、相移器和半透半反镜；其中，

所述振幅型空间光调制器和正弦光栅依次放置在所述4f透镜系统的输入焦平面和频谱面上，所述相移器靠近所述振幅型空间光调制器放置，所述半透半反镜置于所述4f透镜系统输出焦平面后一定距离，

所述振幅型空间光调制器的两个分区分别加载待显示的复振幅信号分解得到的两个全息图，在激光的照射以及相移器的作用下，所述两个全息图之间产生π/2的相位差，之后相位相差π/2的两个全息图于所述4f透镜系统的频域经所述正弦光栅调制后传播到所述4f透镜系统的输出面合成为目标复振幅波前，所述目标复振幅波前继续传播并经所述半透半反镜耦合叠加至人眼视野内，其中，两个全息图分开的距离d和正弦光栅周期常数Λ满足公式：式中λ为照明波长，f为4f透镜系统的透镜焦距。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相移器为倾斜玻璃或者玻片。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括：

低通滤波器；其中，

所述低通滤波器紧靠所述正弦光栅放置，用于对经所述正弦光栅调制后的全息图进行滤波。