CN105866962A - 一种裸眼3d激光全息显示装置 - Google Patents

Abstract

一种裸眼3D激光显示系统，由激光光源、扩束系统、强度相位调制器和聚焦系统构成，利用激光光源发射激光光束，经扩束系统扩束后形成平面波，再经过强度相位调制器调制后，利用聚焦系统聚焦形成激光3D全息像。该系统采用的是波前重现技术，不仅能够显示真正的3D全息图像，而且具有结构简单、可视范围大，可以动态显示3D全息视频等优点。

Description

一种裸眼3D激光全息显示装置

所属技术领域

本发明涉及一种立体显示技术领域，尤其是采用激光全息原理实现裸眼3D显示的领域。

背景技术

目前，随着3D电影和3D液晶电视的普及，立体显示技术取得的突飞猛进的发展。当前的3D电影和3D液晶显示屏主要依靠偏振光视差原理实现3D显示。其原理为：将两幅略有不同的图像用不同偏振方向的偏振光显示在显示屏上，观众戴上偏振片构成的3D眼镜观看。由于两只眼镜的偏振片的偏振方向不一致，因此每只眼睛只能看到一种偏振光显示的图像。两幅图像在人脑中产生3D视觉的效果。由于这种技术必须佩戴3D眼镜，使用起来不是很方便，因此裸眼3D显示技术成为现在热门发展的技术领域。

现有的裸眼3D显示技术基本上都属于视差障碍技术。其基本原理为：在彩色液晶屏上同时显示两幅略有不同的图片，两幅图片均利用条状分割的方法间隔交叉显示，在液晶屏前加上视差障碍屏，视差障碍屏可以看成是多条狭缝构成的光屏障。由于两幅图像的显示位置略有差异，因此通过狭缝的光的方向也产生一个小的夹角。如果两眼正好处于合适的位置，就可以分别看到其中一副图像。从而利用视差原理形成3D效果。类似的柱状透镜技术、指向光源技术和多层显示技术只是利用其他方法实现两幅图的出射光角度变化，没有从根本上改变裸眼3D显示技术的原理，因此都具有这种原理带来的可视范围小，偏离最佳观看位置时观看效果急剧下降等缺点。(参见文献杜婧子，王晓飞，王迅.裸眼3D显示技术专利分析[J].电视技术，2014，38(S2))

集成成像技术是另外一种3D显示技术(如专利CN201510519781.X)。其原理基于小孔成像原理，如果一物体发出的光通过一小孔后，会在小孔后的屏上产生倒立的像。如果有多个小孔，则对产生多个倒立的像。如果利用显示屏发出多个倒立像的光通过小孔，则会产生物体的像，由于是多个小孔产生的，因此物体的像在多个方向都可以看到，产生真实的3D效果。集成成像的缺点是每个小孔后的像不能太大，否则会造成互相干扰，而且每个小孔后的像的像素密度要足够大，否则产生的真实像就会模糊不清。在目前的技术条件下并不存在实用价值。

激光全息技术是很早就有的一种3D成像技术。其采用的是波前重现的原理。简单的说，就是将物体发出的光波的强度和相位信息都记录下来形成全息照片，然后利用激光照射全息照片实现波前重现，由于激光产生的波前与物体发出光波的波前完全一致，因此会产生与真实物体完全一致的3D立体图像。正如专利CN201510969723.7所述，由于全息照片对像素密度、感光强度、重现性、稳定性等要求很高，几十年来一直没有达到工业化的要求。对于动态全息图像的显示也是困难重重。而专利CN201510969723.7所提出的光栅激光3D显示装置是一种伪全息图，其利用光栅形成多点聚焦的方法定向投射不同图案来组合成一副3D立体图像，由于光栅的聚焦点多而扩展了可视区的范围。但是这种伪全息图需要投射大量不同的图案，增加了显示的难度，也没从根本上解决任意视角和方位观看的难题。

发明内容

为了克服现有的3D显示中显示效果不好，可视范围小，技术结构复杂的不足，本发明提出一种激光全息裸眼3D显示系统，该系统不仅能够显示真正的3D全息图像，而且具有结构简单、可视范围大，可以动态显示3D全息视频等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用激光光源发出的激光经过扩展后照射强度相位调制器，经过调制的激光通过聚焦系统产生3D全息像。强度相位调制器可以由液晶显示屏构成，由于液晶调制的时间响应很快，因此可以显示连续的动态3D全息视频。由于系统显示的是真正的激光全息像，其光学特征与真实物体无异，因此可以在任意距离和可视范围内的任意角度观看都可以获得3D立体图像，实现其可视范围大的优点。

本发明的有益效果是，可以显示静态或动态的真正3D立体全息图，结构简单，可视范围大。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是第一个激光全息显示原理图。

图2是第二个激光全息显示原理图。

图3是第一个实施例的结构图。

图4是测量物体的反射光的相位和强度的原理图。

图5是第二个实施例的结构图。

图6是第三个实施例的结构图。

图7是第四个实施例的结构图。

图中1.发光物体(点光源)，2.透明屏，3.人眼，4.激光全息3D显示系统，5.激光光源，6.扩束系统，7.强度相位调制器，8.聚焦系统，9.半透半反镜，10.反射镜，11.需拍摄的物体，12.移相器，13.物体全息图(虚像)，14.微波相位雷达，15.微波聚焦反射系统。

具体实施方式

在图1中，为简单起见，假设真实物体为一点光源1，点光源1发出的光波是球面波，球面波在空间传播到达眼睛后成像在人眼3的视网膜上，我们就看到了这个物体1。如果我们在图1中的某个位置放置一透明屏2，则球面波传播到透明屏2时在屏上各点的强度和相位都不相同。我们如果可以将屏2上的各点光的强度和相位记录下来，然后利用激光全息3D显示系统4发出激光在透明屏2上产生同样的相位和强度的光，如图2所示，则我们可以将点光源1去掉，而我们的眼睛3还将看到一个点光源的全息像13在原来点光源1所在位置处。原因就在于我们已经重现了点光源1所产生的波前，因此以后光波传播的过程与点光源产生的光的传播过程完全一致，从而产生了真正的3D全息图像。

在图3所示实施例中，激光全息3D显示系统由激光器5，扩束系统6，强度相位调制器7和聚焦系统8构成，激光器5发出的激光经过扩束系统6产生平行光，平行光是平面波，在与光束垂直的波面上相位处处相同。平行光垂直照射在强度相位调制器7上。本实施例中的强度相位调制器7可以用两层液晶显示屏构成，第一层的液晶屏前后可以加上相互垂直的偏振片，当给液晶加电压时，由于通过液晶的光随电压的不同而产生不同的偏振状态，在通过第二个偏振片时，由于马吕斯定律，会对光的强度进行调制。当光通过第二层液晶屏时，液晶的折射率随电压的变化而变化，因此通过第二个液晶屏就实现了对光的相位的调制。这样，我们只需要控制两块液晶屏上各点的电压，就实现了对激光的强度和相位调制。经过强度和相位调制的激光束经过聚焦系统会聚到透明屏2上，由于经过调制后的激光束的强度和相位都与真实物体发出的光在透明屏2上产生的强度和相位相同，因此可以再现真实物体的发出的光波前，实现了真正的全息立体图。如果我们改变强度相位调制器7的电压，就可以让全息图连续动态地变化。

实现全息的一个关键因素是相邻像素之间的相位差不能太大。如果相邻像素之间的相位差超过π，则会导致相邻光束的退相干，从而无法产生全息3D像。而液晶屏的像素间隔是固定的，因此如何保证相邻像素的相位差不至于过大成为本发明得以实现的关键。本发明采用了聚焦投影技术显示全息3D像的方法保证了全息3D显示系统的实现。下面对聚焦投影技术做原理性说明。为了简单起见，我们假设有两个无限远的物体发出两列平面波，在透明屏处相遇，我们需要重现此处的波前。设两列平面波处于透明屏的法线两侧，且均与透明屏的法线方向的夹角为θ，光波的波长为λ，可以利用光的相干公式计算相位相差为π的两条纹中心间距为对于600nm的红光，两光线之间夹角为10度时，可以知d＝1.7um，而液晶屏的像素间距一般是几十到100um。以华为荣耀X2手机的液晶显示屏为例，其DPI为400，对应像素间距为63.5um，因此不能用液晶屏直接显示3D全息像。我们采用聚焦系统，将液晶显示的像缩小40倍聚焦在透明屏上，则透明屏上的像素间距就减少到小于1.7um，从而就可以实现全息3D显示了。

从上面的讨论可知，当利用激光全息3D显示系统显示静态图像时，可视范围的大小主要由聚焦系统的聚焦倍数以及液晶屏的像素密度决定。由于聚焦系统的聚焦倍数不能无限增加，而液晶屏的像素密度也不能太高，似乎可视角度受到了限制。实际上，由于本发明的强度相位调制器可以显示连续的动态3D全息像，所以可以采用分次显示的方法获得较大的可视范围。举例来说，可以先显示-10°～0°的全息像，然后再显示0°～10°的全息像，这样就获得了2倍的可视范围。实际上液晶可以每秒显示120幅图像，而我们人眼看到每秒15～20幅图就足以形成连续变化的动态视觉。因此实际的可视范围可以比理论值扩大6～8倍。从而实现了可视范围大的优点。

图4是测量物体反射的光波在透明屏2上的强度和相位的方法。我们用激光器5发出的激光束经过扩束系统6后形成平行光，平行光经过半透半反镜9分成两束。一束平行光(测量光)照射物体，同时用另一束相干平行光(参考光)经过移相器12后照射透明屏。两束相干光在透明屏上干涉，形成亮暗相间的干涉条纹。我们用照相机拍下干涉条纹，然后再将参考光的相位调节π/2，再次拍照，利用两次干涉图案就可以计算物体反射光在各点的强度和相位。

在图5所示的实施例中，我们采用红绿蓝三种颜色的激光器分别构成全息3D显示系统，三种颜色的光同时聚焦在透明屏2上，可以产生彩色的全息像。

在图6所示的实施例中，我们在光路中添加平面反射镜10，则会将全息图聚焦在转了90度的透明屏2上，产生的全息像的方向也相应转了90度。利用反射镜和聚焦系统组合，我们可以在空间任意位置重现波前，也就可以将全息图投射到空间的任意位置。而且透明屏2在全息显示系统中不是必要的，也可以不要透明屏2，直接在空中原来透明屏2的位置处产生波前重现，并不影响全息像的位置和观看效果。

在图7所示的实施例中，我们如果将激光改成微波，用有源相位雷达产生不同相位，再利用反射镜和聚焦系统组合，我们可以在天空中任意位置重现波前，也就可以将物体的微波图像投射到空间的任意位置。这样就可以使对方的雷达检测到不存在的目标。

可以理解的是，以上选择的实施例只是为了说明技术方案和有益效果而选取的实施方式。利用本发明的技术方案也可以采用其他实施方式，包括但不限于改变激光或微波的波长，采用其他光源、电磁波源或采用声波，也可以将平板型强度相位调制器改用球面或其他形状，强度相位调制的方式也可以不采用液晶而采用其他方法，聚焦系统可以采用透镜、反射镜、波带片或其他方式均在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种裸眼3D激光显示系统，由激光光源、扩束系统、强度相位调制器和聚焦系统构成，其特征是：由激光光源发射激光光束，经扩束系统扩束后形成平面波，经过强度相位调制器调制后，利用聚焦系统聚焦形成激光3D全息图。

2.根据权利要求1所述的裸眼3D激光显示系统的激光光源，其特征是：激光光源由一个或多个激光器组成，每个激光器发出的单束激光可以通过扩束系统扩束后照射在各自的强度相位调制器上。

3.根据权利要求1所述的强度相位调制器，其特征是：强度相位调制器可以由两层液晶或其他材料组成，利用外加电压的变化对通过调制器的激光的强度和相位进行逐点调制。

4.根据权利要求1所述的聚焦系统，其特征是：聚焦系统包含一个或多个透镜，通过透镜的组合，可以对通过强度相位调制器的激光进行聚焦，而且可以调节聚焦的缩小倍数和聚焦的位置。

5.根据权利要求1所述的扩束系统，其特征是：扩束系统包含一个或多个透镜或反射镜，通过透镜或反射镜或透镜与反射镜之间的组合实现将激光束转换为平面波覆盖整个强度相位调制器。

6.根据权利要求3所述的强度相位调制器，其特征是：强度相位调制器可以快速对激光束进行调制从而可以连续显示多幅全息图像实现动态的3D全息图，也可以连续显示多幅不同角度全息图实现较大的可视范围。

7.根据权利要求1所述的裸眼3D激光显示系统，其特征是：激光光源也可以用微波源等其他电磁波源或声波源代替，替换相应的强度相位调制器以及聚焦系统后实现微波或声波的全息显示。

8.根据权利要求4所述的聚焦系统，其特征是：聚焦系统也可以由一个或多个反射镜组成，或由多个透射镜和反射镜组成，利用反射镜的位置调整3D全息像的成像位置。

9.根据权利要求1所述的裸眼3D激光显示系统，其特征是：也可以利用多套3D激光全息显示系统同时显示多个方向的全息图像，从而扩展可视范围。