CN107462999A - 三维全息显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维全息显示装置及方法，所述装置包括：所述装置包括光源单元、光路整合单元以及调制单元。其中，所述光源单元用于产生照明光束；所述光路整合单元用于对所述照明光束进行准直；所述调制单元用于根据待显示物体的位相全息图和振幅全息图，对经准直后的所述照明光束进行位相调制和振幅调制，以显示所述待显示物体的全息影像。通过采用加载有待显示物体位相信息和振幅信息的两个液晶调制面板，分别对照明光束进行位相调制和振幅调制，以实现对待显示物体的三维全息显示。由于同时对照明光束的位相和振幅进行调制，更大程度的保留了待显示物体的原始信息，使得三维全息显示更加逼真。

Description

三维全息显示装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及三维全息显示领域，更具体地，涉及一种三维全息显示装置及方法。

背景技术

目前，全息显示技术因其可再现真实三维物体的图像而被广泛关注，用于三维动态显示的计算全息技术是对现有二维显示及三维显示技术的极大改进。

传统的三维显示技术主要是将计算出的计算机生成的全息图(Computer-Generated Holograms，CGH)同步至空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)中，通过SLM调制照明光进行调制，利用光的干涉重建出包含深度信息的三维场景。

CGH包括位相全息图和振幅全息图，其中位相全息图包含了对应的待显示物体的大部分信息，绝大多数SLM的调制方式是利用待显示物体的位相全息图对照明光进行位相调制，而振幅全息图中也包含了对应的待显示物体的一部分信息，因此，传统的三维显示技术中采用SLM对照明光进行调制，存在丢失待显示物体原始信息的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的三维全息显示装置及方法。

一方面本发明实施例提供了一种三维全息显示装置，所述装置包括光源单元、光路整合单元以及调制单元；其中，

所述光源单元用于产生照明光束；

所述光路整合单元用于对所述照明光束进行准直；

所述调制单元用于根据待显示物体的位相全息图和振幅全息图，对经准直后的所述照明光束进行位相调制和振幅调制，以显示所述待显示物体的全息影像。

其中，所述调制单元包括第一液晶调制面板和第二液晶调制面板，所述第一液晶调制面板的像素点与所述第二液晶调制面板的像素点逐个对齐，所述第一液晶调制面板加载有所述位相全息图，所述第二液晶调制面板加载有所述振幅全息图。

其中，所述光路整合单元中的第一菲涅尔透镜、所述第一液晶调制面板以及所述第二液晶调制面板三者沿所述照明光束在三者中的传播方向依次平行设置，所述光源单元的出光点与所述第一菲涅尔透镜的距离等于所述第一菲涅尔透镜的焦距。

其中，所述第一液晶调制面板紧贴所述第二液晶调制面板设置，或者所述第一液晶调制面板与所述第二液晶调制面板之间间隔预设距离设置。

其中，当所述第一液晶调制面板紧贴所述第二液晶调制面板设置时，所述装置还包括接收屏，所述接收屏设置在所述第一菲涅尔透镜的像方焦平面上，用于显示所述待显示物体的全息影像；或者，

还包括虚像观看窗口，所述虚像观看窗口设置在所述第一菲涅尔透镜的像方焦点附近，所述虚像观看窗口的位置为所述待显示物体的全息影像的观看位置。

其中，当所述第一液晶调制面板与所述第二液晶调制面板之间间隔预设距离设置时，所述光路整合单元还包括第二菲涅尔透镜，所述第一菲涅尔透镜、所述第一液晶调制面板、所述第二液晶调制面板和所述第二菲涅尔透镜四者沿所述照明光束在四者中的传播方向依次平行设置。

其中，所述装置还包括接收屏，所述接收屏设置在所述第二菲涅尔透镜的像方焦平面上，用于显示所述待显示物体的全息影像；或者，

还包括虚像观看窗口，所述虚像观看窗口设置在所述第二菲涅尔透镜的像方焦点附近，所述虚像观看窗口的位置为所述待显示物体的全息影像的观看位置。

其中，所述光源单元包括红绿蓝三色激光光源，用于发射红绿蓝三色激光。

其中，所述系统还包括第一存储设备和第二存储设备；其中，

所述第一存储设备与所述第一液晶调制面板电连接，用于存储所述位相全息图，并以设定帧频将所述位相全息图加载至所述第一液晶调制面板；

所述第二存储设备与所述第二液晶调制面板电连接，用于存储所述振幅全息图，并以设定帧频将所述振幅全息图加载至所述第二液晶调制面板。

另一方面本发明实施例提供了一种三维全息显示方法，所述方法包括：

S1，光路整合单元对光源单元发射的照明光束进行准直；

S2，调制单元根据待显示物体的位相全息图和振幅全息图，对经准直后的所述照明光束进行位相调制和振幅调制，以显示所述待显示物体的全息影像。

本发明实施例提供的一种三维全息显示装置及方法，通过采用加载有待显示物体位相信息和振幅信息的调制单元，分别对照明光束进行位相调制和振幅调制，以实现对待显示物体的三维全息显示。由于同时对照明光束的位相和振幅进行调制，更大程度的保留了待显示物体的原始信息，使得三维全息显示更加逼真。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种三维全息显示装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种三维全息显示装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种三维全息显示装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种三维全息显示装置的结构示意图，

图5为本发明实施例提供的一种三维全息显示方法的流程图。

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。

图1为本发明实施例提供的一种三维全息显示装置的结构示意图，如图1所示，所述装置包括：光源单元1、光路整合单元2以及调制单元3。其中：

所述光源单元1用于产生照明光束。所述光路整合单元2用于对所述照明光束进行准直。所述调制单元3用于根据待显示物体的位相全息图和振幅全息图，对经准直后的所述照明光束进行位相调制和振幅调制，以显示所述待显示物体的全息影像。

其中，所述光源单元包括激光点光源11和预处理子单元12，所述预处理子单元12用于调整激光强度，将激光强度控制在适合人眼观察的范围内，防止刺伤观察者的眼睛。同时述预处理子单元12还用于对激光光束在短距离内扩束至照明范围很大的均匀光斑。

所述光路整合单元2通过对所述光源单元1发出的经扩束后的照明光束进行准直，将所述照明光束转化成平行光，所述照明光束再以平行光束的形式进入所述调制单元3。

所述调制单元3中加载有位相全息图和振幅全息图，当照明光束通过所述调制单元3的过程中，所述调制单元3根据所述位相全息图和所述振幅全息图对照明分别进行位相调制和振幅调制，再利用光的干涉重建出包含深度信息的三维场景，以显示所述待显示物体的全息影像。

本发明实施例提供的一种三维全息显示装置，通过采用加载有待显示物体位相信息和振幅信息的调制单元，分别对照明光束进行位相调制和振幅调制，以实现对待显示物体的三维全息显示。由于同时对照明光束的位相和振幅进行调制，更大程度的保留了待显示物体的原始信息，使得三维全息显示更加逼真。

在上述实施例中，所述调制单元3包括第一液晶调制面板31和第二液晶调制面板32，所述第一液晶调制面板31的像素点与所述第二液晶调制面板32的像素点逐个对齐，所述第一液晶调制面板31加载有所述位相全息图，所述第二液晶调制面板32加载有所述振幅全息图。

在上述实施例中，其特征在于，所述光路整合单元中的第一菲涅尔透镜、所述第一液晶调制面板以及所述第二液晶调制面板三者沿所述照明光束在三者中的传播方向依次平行设置，所述光源单元的出光点与所述第一菲涅尔透镜的距离等于所述第一菲涅尔透镜的焦距。

其中，所述光源单元1的出光点与所述第一菲涅尔透镜21的距离大于等于所述第一菲涅尔透镜21的焦距，这一设置可以保证所述照明光源经所述第一菲涅尔透镜21准直后得到的平行光束能够覆盖所述第一液晶调制面板31。

在上述实施例中，所述第一液晶调制面板31紧贴所述第二液晶调制面板32设置，或者所述第一液晶调制面板31与所述第二液晶调制面板32之间间隔预设距离设置。

当所述第一液晶调制面板31紧贴所述第二液晶调制面板32设置时，所述第一液晶调制面板31加载的位相全息图为第一位相全息图，所述第二液晶调制面板32加载的振幅全息图为第一振幅全息图。

所述第一位相全息图和第一振幅全息图通过以下方式获得：首先设定待显示物体的位置及其光场分布，然后获取光波在双层液晶面板处的复振幅分布，再分别提取出其中的位相信息与振幅信息并分别编码到第一位相全息图与第一振幅全息图中，将两者分别加载至对应的液晶调制面板，即可实现对光波的调制。第一位相全息图和第一振幅全息图的获取无需经过复杂的计算，获取速度快、效率高，更加适用于实时三维全息显示。

具体地，由所述光源单元1发射的照明光束经所述光路整合单元2中的所述第一菲涅尔透镜21准直后变为平行光束，进入所述调制单元3。在调制单元3中，加载有待显示物体的第一位相全息图的所述第一液晶调制面板31对所述平行光束进行位相调制；然后，加载有待显示物体的第一振幅全息图的所述第二液晶调制面板32对所述平行光束进行振幅调制。

当所述第一液晶调制面板31与所述第二液晶调制面板32之间间隔预设距离设置时，所述第一液晶调制面板31加载的位相全息图为第二位相全息图，所述第二液晶调制面板32加载的振幅全息图为第二振幅全息图。

所述第二位相全息图和第二振幅全息图通过迭代算法获得。所述预设距离L应满足以下条件：

其中，k为波矢，k＝2π/λ，m＝0，1，2...(可取任意自然数)。

具体地，由所述光源单元1发射的照明光束经所述光路整合单元2中的所述第一菲涅尔透镜21准直后变为平行光束，进入所述调制单元3。在调制单元3中，加载有待显示物体的第二位相全息图的所述第一液晶调制面板31对所述平行光束进行位相调制；然后，加载有待显示物体的第二振幅全息图的所述第二液晶调制面板32对所述平行光束进行振幅调制。

在上述实施例中，如图1和图2所示，当所述第一液晶调制面板31紧贴所述第二液晶调制面板32设置时，所述装置还包括接收屏4，所述接收屏4设置在所述第一菲涅尔透镜21的像方焦平面上，用于显示所述待显示物体的全息影像；或者，

还包括虚像观看窗口5，所述虚像观看窗口5设置在所述第一菲涅尔透镜21的像方焦点附近，所述虚像观看窗口5的位置为所述待显示物体的全息影像的观看位置。

其中，如图1所示，接收屏4具体设置的位置受三维全息显示装置系统长度的限制，也受接收屏4上全息影像的清晰程度的限制，可根据用户需要进行调整。接收屏4上全息影像的大小会受到接收屏4到第一菲涅尔透镜21的距离限制。所以要综合考虑三维全息显示装置的系统长度、接收屏上全息影像的清晰程度以及全息影像的大小，选取合适的位置设置接收屏4。优选地，将接收屏4设置在第一菲涅尔透镜21的像方焦平面上，得到的全息影像为全息图所成的实像。

如图2所示，虚像观看窗口5的位置为所述全息影像的观看位置，用于帮助人们确定全息影像的观看位置。虚像观看窗口5的位置设置在第一菲涅尔透镜21的像方焦平面附近，所述虚像观看窗口5与第一菲涅尔透镜21的距离可以设置为小于其焦距，还可以设置在与第一菲涅尔透镜21的距离大于其焦距的位置。

在上述实施例中，当所述第一液晶调制面板31与所述第二液晶调制面板32之间间隔预设距离设置时，所述光路整合单元2还包括第二菲涅尔透镜22，所述第一菲涅尔透镜21、所述第一液晶调制面板31、所述第二液晶调制面板32和所述第二菲涅尔透镜22四者沿所述照明光束在四者中的传播方向依次平行设置。

其中，由于采用迭代算法获得第二位相全息图和第二振幅全息图，对照明光束进行位相调制和振幅调制后，成像在夫琅禾费域，为了便于观察，增加一个第二菲涅尔透镜22。

在上述实施例中，如图3和图4所示，所述装置还包括接收屏4，所述接收屏4设置在所述第二菲涅尔透镜22的像方焦平面上，用于显示所述待显示物体的全息影像；或者，

还包括虚像观看窗口5，所述虚像观看窗口5设置在所述第二菲涅尔透镜22的像方焦点附近，所述虚像观看窗口5的位置为所述待显示物体的全息影像的观看位置。

其中，如图3所示，所述接收屏4具体设置的位置受三维全息显示装置系统长度的限制，也受所述接收屏4上全息影像的清晰程度的限制，可根据用户需要进行调整。所述接收屏4上全息影像的大小会受到所述接收屏4到所述第二菲涅尔透镜22的距离限制。所以要综合考虑三维全息显示装置的系统长度、接收屏上全息影像的清晰程度以及全息影像的大小，选取合适的位置设置所述接收屏4。本实施例中，将所述接收屏4设置在所述第二菲涅尔透镜4的像方焦平面上，得到的全息影像为全息图所成的实像。

如图4所示，所述虚像观看窗口5的位置设置在所述第二菲涅尔透镜22的像方焦平面附近，所述虚像观看窗口5与所述第二菲涅尔透镜22的距离可以设置在小于其焦距的位置，还可以设置在与第二菲涅尔透镜22的距离大于其焦距的位置。所述虚像观看窗口5与第二菲涅尔透镜22的具体距离可根据需要进行设置，要综合考虑从虚像观看窗口5观看到的全息影像的大小、清晰程度以及三维全息显示装置的系统长度，以确保在虚像观看窗口5观看到足够大且足够清晰的全息影像。虚像观看窗口5的尺寸也可随着与第二菲涅尔透镜22的距离的变化而变化。通常将虚像观看窗口5的尺寸设置为2cm，便于人眼观看。

在上述实施例中，所述光源单元1包括红绿蓝三色激光光源，用于发射红绿蓝三色光。

具体地，运用时分复用技术，首先分别计算出红绿蓝三色激光波长所对应的全息图；由存储设备以一定的帧频将红绿蓝三色激光所对应的全息图加载到液晶面板上，同时以相应时序激发红绿蓝三色激光光源的激光器，保证存储设备载入的全息图的帧频与所激发的激光器频率相对应(也就是说载入红色全息图时照红光，载入绿色全息图时照绿光，载入蓝色全息图时照蓝光)；若使用红绿蓝三色激光光源只能持续出光，也可在光路中加入红绿蓝三色转动滤光片，保证存储设备载入的全息图的帧频与三色滤光片转动频率相对应，也可达到相同效果。

在上述实施例中，所述系统还包括第一存储设备和第二存储设备。其中：

所述第一存储设备与所述第一液晶调制面板31电连接，用于存储所述位相全息图，并以设定帧频将所述位相全息图加载至所述第一液晶调制面板31；

所述第二存储设备与所述第二液晶调制面板32电连接，用于存储所述振幅全息图，并以设定帧频将所述振幅全息图加载至所述第二液晶调制面板32。

通常情况下，为使人眼适应全息图的转换，将帧频设定为24帧/秒，即普通视频播放时的帧频。存储设备通常为电脑，并可以将存储的全息图以设定帧频加载至液晶面板，以显示动态的全息影像。本实施例通过存储设备以设定帧频向液晶面板加载全息图，可在接收屏上显示三维动态的全息影像，或者可以直接在虚像观看窗口处观察到三维动态的全息影像。

图5为本发明实施例提供的一种三维全息显示方法的流程图，如图5所示，所述方法包括：S1，光路整合单元对光源单元发射的照明光束进行准直；S2，调制单元根据待显示物体的位相全息图和振幅全息图，对经准直后的所述照明光束进行位相调制和振幅调制，以显示所述待显示物体的全息影像。

其中，所述光源单元包括激光点光源和预处理子单元，所述预处理子单元用于调整激光强度，将激光强度控制在适合人眼观察的范围内，防止刺伤观察者的眼睛。同时述预处理子单元还用于对激光光束在短距离内扩束至照明范围很大的均匀光斑。

所述光路整合单元通过对所述光源单元发出的经扩束后的照明光束进行准直，将所述照明光束转化成平行光，所述照明光束再以平行光束的形式进入所述调制单元。

所述调制单元中加载有位相全息图和振幅全息图，当照明光束通过所述调制单元的过程中，所述调制单元根据所述位相全息图和所述振幅全息图对照明分别进行位相调制和振幅调制，再利用光的干涉重建出包含深度信息的三维场景，以显示所述待显示物体的全息影像。

本发明实施例提供的一种三维全息显示方法，通过采用加载有待显示物体位相信息和振幅信息的调制单元，分别对照明光束进行位相调制和振幅调制，以实现对待显示物体的三维全息显示。由于同时对照明光束的位相和振幅进行调制，更大程度的保留了待显示物体的原始信息，使得三维全息显示更加逼真。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三维全息显示装置，其特征在于，所述装置包括光源单元、光路整合单元以及调制单元；其中，

所述光源单元用于产生照明光束；

所述光路整合单元用于对所述照明光束进行准直；

所述调制单元用于根据待显示物体的位相全息图和振幅全息图，对经准直后的所述照明光束进行位相调制和振幅调制，以显示所述待显示物体的全息影像。

2.根据权利要求1所述三维全息显示装置，其特征在于，所述调制单元包括第一液晶调制面板和第二液晶调制面板，所述第一液晶调制面板的像素点与所述第二液晶调制面板的像素点逐个对齐，所述第一液晶调制面板加载有所述位相全息图，所述第二液晶调制面板加载有所述振幅全息图。

3.根据权利要求2所述三维全息显示装置，其特征在于，所述光路整合单元中的第一菲涅尔透镜、所述第一液晶调制面板以及所述第二液晶调制面板三者沿所述照明光束在三者中的传播方向依次平行设置，所述光源单元的出光点与所述第一菲涅尔透镜的距离等于所述第一菲涅尔透镜的焦距。

4.根据权利要求3所述三维全息显示装置，其特征在于，所述第一液晶调制面板紧贴所述第二液晶调制面板设置，或者所述第一液晶调制面板与所述第二液晶调制面板之间间隔预设距离设置。

5.根据权利要求4所述的三维全息显示装置，其特征在于，当所述第一液晶调制面板紧贴所述第二液晶调制面板设置时，所述装置还包括接收屏，所述接收屏设置在所述第一菲涅尔透镜的像方焦平面上，用于显示所述待显示物体的全息影像；或者，

还包括虚像观看窗口，所述虚像观看窗口设置在所述第一菲涅尔透镜的像方焦点附近，所述虚像观看窗口的位置为所述待显示物体的全息影像的观看位置。

6.根据权利要求4所述三维全息显示装置，其特征在于，当所述第一液晶调制面板与所述第二液晶调制面板之间间隔预设距离设置时，所述光路整合单元还包括第二菲涅尔透镜，所述第一菲涅尔透镜、所述第一液晶调制面板、所述第二液晶调制面板和所述第二菲涅尔透镜四者沿所述照明光束在四者中的传播方向依次平行设置。

7.根据权利要求6所述三维全息显示装置，其特征在于，所述装置还包括接收屏，所述接收屏设置在所述第二菲涅尔透镜的像方焦平面上，用于显示所述待显示物体的全息影像；或者，

还包括虚像观看窗口，所述虚像观看窗口设置在所述第二菲涅尔透镜的像方焦点附近，所述虚像观看窗口的位置为所述待显示物体的全息影像的观看位置。

8.根据权利要求1所述三维全息显示装置，其特征在于，所述光源单元包括红绿蓝三色激光光源，用于发射红绿蓝三色激光。

9.根据权利要求1-8任一项所述三维全息显示装置，其特征在于，所述系统还包括第一存储设备和第二存储设备；其中，

所述第一存储设备与所述第一液晶调制面板电连接，用于存储所述位相全息图，并以设定帧频将所述位相全息图加载至所述第一液晶调制面板；

所述第二存储设备与所述第二液晶调制面板电连接，用于存储所述振幅全息图，并以设定帧频将所述振幅全息图加载至所述第二液晶调制面板。

10.一种三维全息显示方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，光路整合单元对光源单元发射的照明光束进行准直；

S2，调制单元根据待显示物体的位相全息图和振幅全息图，对经准直后的所述照明光束进行位相调制和振幅调制，以显示所述待显示物体的全息影像。