CN107505824B - 一种光学调制方法及装置、一种全息显示设备 - Google Patents

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Abstract

本公开提出了一种光学调制装置，包括：振幅调制器，其基于数字全息图各像素的复振幅信息中的振幅信息生成第一调制光束；光学扫描组件，其接收来自振幅调制器的第一调制光束，并使第一调制光束在预定范围内扫描；相位调制器，其接收来自光学扫描组件的第一调制光束，并基于复振幅信息中的相位信息对接收的第一调制光束进行相位调制以生成第二调制光束。本公开同时提供了一种光学调制方法。通过本公开的光学调制方法及装置，能够同时对光束进行振幅和相位调制，实现高分辨率的全息显示。

Description

一种光学调制方法及装置、一种全息显示设备
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及一种光学调制方法及装置和一种全息显示设备。
背景技术
在全息显示技术中，要求电控调制器具有振幅和相位调制能力。现有的电控调制器多为基于液晶技术的二维矩阵型空间光调制器，仅具有相位调制能力或仅具有。其中，基于振幅型调制器的全息显示技术需采用编码技术将相位内嵌，会损失调制器的分辨率，并且衍射效率较低，杂散光严重；而基于相位型调制器的全息显示技术需要采用迭代算法实现相位型全息图对振幅的调制，需要消耗大量的计算资源，增大了计算机实时处理的难度。目前，基于光效的考虑，在全息显示技术中多使用相位型调制器。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出了一种光学调制方法及装置及全息显示设备，能够同时对光束进行振幅和相位的调制，实现高分辨率的全息显示。
本发明实施例提出的光学调制装置包括：振幅调制器，其基于数字全息图各像素的复振幅信息中的振幅信息生成第一调制光束；光学扫描组件，其接收来自振幅调制器的所述第一调制光束，并使所述第一调制光束在预定范围内扫描；相位调制器，其接收来自光学扫描组件的所述第一调制光束，并基于所述复振幅信息中的相位信息对接收的所述第一调制光束进行相位调制以生成第二调制光束。
作为优选，振幅调制器包括：光源，其生成第一光束；强度调制器，其接收来自光源的第一光束，基于所述振幅信息对所述第一光束进行振幅调制，生成所述第一调制光束。
作为优选，光学扫描组件包括：微型反射镜，其在根据所述各像素在所述数字全息图中的位置旋转相应的偏转角度的同时，对接收自振幅调制器的第一调制光束进行反射；透镜组件，其将来自所述微型反射镜的所述第一调制光束沿平行于透镜组件光轴的方向输出。
作为优选，所述透镜组件的焦点定位于所述微型反射镜的轴心处。
作为优选，光学调制装置还包括：分光器，其布置在光学扫描组件的输出光路上，并定位为对来自相位调制器的第二调制光束进行反射。
本发明实施例提出的全息显示设备包括：上述光学调制装置；以及控制器，其配置为接收待显示的数字全息图，并将数字全息图各像素的复振幅信息分解为所述振幅信息和所述相位信息并生成振幅调制控制信号和相位调制控制信号分别发送给所述振幅调制器和所述相位调制器。
本发明实施例提出的光学调制方法包括：将数字全息图中各像素的复振幅信息分解为振幅信息和相位信息；基于所述振幅信息生成第一调制光束；使所述第一调制光束在预定范围内扫描；基于所述相位信息对扫描的所述第一调制光束进行相位调制生成第二调制光束。
作为优选，基于所述振幅信息生成第一调制光束包括：生成第一光束；基于所述振幅信息对所述第一光束进行振幅调制以生成所述第一调制光束。
作为优选，使所述第一调制光束在预定范围内扫描包括：根据所述各像素在所述数字全息图中的位置对各像素相应的所述第一调制光束进行扫描。
作为优选，第一调制光束的宽度大于相位调制器的像元尺寸。
作为优选，第一调制光束的宽度根据全息图的期望分辨率而设定。
作为优选，第一调制光束的偏振方向设定为与相位调制器的偏振调制方向一致。
本发明实施例的光学调制方法和装置通过对经过振幅调制的光束进行空间扫描的同时对扫描的光束进行相位调制，不会损失调制器的分辨率，能够实现高分辨率的全息显示，并且，本发明实施例的光学调制方式不存在衍射效率和杂散光方面的问题，同时调制过程仅需要少量的计算资源，降低了计算机实时处理的难度。
附图说明
图1为本发明的光学调制装置的一个实施例的示意性框图；
图2为本发明的光学调制装置的另一个实施例的示意性结构图；
图3为本发明的光学调制装置的一个实施例中光学扫描组件中的微反射镜的示意图；
图4为本发明的全息显示设备的一个实施例的示意性框图；
图5为本发明的光学调制方法的一个实施例的示意性流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的各个实施例进行详细说明。
图1为本发明的光学调制装置的一个实施例的示意性框图。
如图1所示，本实施例的光学调制装置包括振幅调制器1、光学扫描组件2和相位调制器3。
振幅调制器1用于根据数字全息图各像素的复振幅信息中的振幅信息生成第一调制光束。数字图像数据可表示为矩阵的形式，其中每个位置的数据表示对应像素的振幅信息。数字全息图也可表示为矩阵的形式，与普通数字图像数据不同之处在于，数字全息图矩阵中各个位置的数据表示了对应像素的振幅信息和相位信息，通常称为复振幅信息。在本发明实施例中，对于待显示的数字全息图，将全息图像数据矩阵中每个像素位置的复振幅信息分解为振幅信息和相位信息，依次将基于振幅信息的调制控制信号输入振幅调制器1，振幅调制器1基于依次接收到的对应各像素的振幅控制信号，实时生成具有该振幅信息的第一调制光束并输出给光学扫描组件2。
光学扫描组件2接收到来自振幅调制器1的第一调制光束后，使第一调制光束以不同角度偏转，使得第一调制光束在预定范围内以平行光束进行扫描。光学扫描组件2使第一调制光束偏转的角度对应于由该第一调制光束表达了振幅信息的像素在全息图像数据矩阵中的位置，因而第一调制光束扫描的预定范围与所要显示的全息图像的显示范围相同。
相位调制器3，其接收来自光学扫描组件2的第一调制光束，并接收到基于对应的像素的复振幅信息中的相位信息生成的相位控制信号，根据该相位控制信号对接收的第一调制光束实时进行相位调制以生成第二调制光束并输出，以进行全息图像显示。
本发明实施例中，基于每个像素的复振幅信息中的振幅信息生成第一调制光束，使第一调制光束根据各像素在数据矩阵中的位置在空间上扫描，同时基于对应像素的复振幅信息中的相位信息对扫描的第一调制光束进行相位调制生成第二调制光束。本发明实施例中先后对光束进行振幅调制和相位调制，使得调制器的分辨率基本不存在损失，能够实现高分辨率的全息显示。需要说明的是，由于光的传播速度极高，对光束的振幅调制和相位调制可认为是同步完成的。此外，由于不需要将相位信息内嵌，本发明实施例的光学调制方式不存在衍射效率和杂散光方面的问题。并且，本发明实施例的光学调制方式中的计算处理主要是将数字全息图各像素的复振幅信息分解为振幅信息和相位信息，并生成相应的振幅控制信号和相位控制信号，因此整个调制过程中仅需要少量的计算资源，极大地降低了计算机实时处理的难度。
图2为本发明的光学调制装置的另一个实施例的示意性结构图。
如图2所示，本实施例中振幅调制器1可包括光源11和强度调制器12。光源11生成第一光束，强度调制器12其接收来自光源11的第一光束，并依次接收基于从全息图像数据矩阵中每个像素位置的复振幅信息分解出来的振幅信息生成的振幅控制信号，基于接收到的振幅信息对第一光束实时进行振幅调制，从而生成具有振幅信息的第一调制光束。
除了采用图2所示的包括光源11和强度调制器12的分立结构的振幅调制器1，本发明实施例中的振幅调制器1还可以使用集成的光学调制器来实现。由于本发明实施例中的振幅调制器只需生成包含振幅信息的光束，因此可采用普通数字图像显示技术中的各种振幅调制器，本发明实施例中由于振幅调制器仅负责调制振幅，不需要将相位信息内嵌，因此确保了调制器的分辨率较高。
参见图2，本发明实施例中的光学扫描组件2可以包括微型反射镜21和透镜组件22。微型反射镜21接收偏转控制信号，在偏转控制信号的控制下旋转相应的偏转角度，同时将接收自振幅调制器1的第一调制光束以该偏转角度进行反射。偏转控制信号可以基于数字全息图中各像素在数字全息图中的位置而生成。透镜组件22将来自微型反射镜21的第一调制光束沿平行于透镜组件22光轴5的方向输出，实现以逐行扫描的方式将第一调制光束输入相位调制器3。
在本发明实施例中，可将透镜组件22的焦点定位于微型反射镜21的轴心处，使得无论微型反射镜21如何偏转，经透镜组件22输出的光束能够与光轴5平行。
在本发明一个实施例中，微反射镜21可以使用MEMS反射镜来实现，如图3所示。MEMS反射镜是一种反射型光学器件，其光学工作面为微型可动反射镜，可以围绕x轴和y轴在一定角度范围内受控转动，使反射光束在空间上扫描。
在本发明一些实施例中，相位调制器3可以采用LCoS(硅基液晶)器件来实现。LCos器件是一种反射型光学调制器，具有二维排列的像素结构，可以在二维方向上对光束提供相位调制。在本发明另一些实施例中，相位调制器3也可以采用LCD器件，LCD器件可以实现透射型相位调试。
在本发明一个实施例中，光学调制装置还可以包括如图2所示的分光器4，其布置在光学扫描组件2的输出光路上，并定位为对来自相位调制器3的第二调制光束进行反射。在调制过程中，从透镜组件22输出的平行光束输入分光器4，输入分光器4的光束中的一部分被分光器4沿垂直于光轴5的方向反射(未示出)，另一部分透射穿过分光器4后输入到相位调制器3中。如果光学调制装置布置为图2所示的方位，则透射穿过分光器4的第一调制光束经相位调制器3调制后反射输出进入分光器4，并由分光器4反射输出。
在本发明另一个实施例中，替代分光器4，光学调制装置中可设置反射器(未图示)，可将反射器的光学反射面布置为朝向光学扫描组件2并与光学扫描组件2输出的第一调制光束的方向呈预定倾角，例如在30度-60度之间。本实施例中的反射器用于将光学扫描组件2输出的第一调制光束反射至布置在预定方位处的相位调制器3。本实施例中使用反射器改变光学扫描组件2输出的第一调制光束的光路，能够减小第一调制光束的损失。
在本发明一些实施例中，相位调制器3使用反射型相位调制器时，可布置为与输入的第一调制光束呈预定角度，例如在80度与90度之间，诸如90度，85度，84度等，如此可便于将相位调制器3输出的第二调制光束输入到下一光学部件中。
图4为本发明的全息显示设备的一个实施例的示意性框图。
如图4所示，本发明实施例的全息显示设备包括如图1所示的振幅调制器1、光学扫描组件2、相位调制器3和控制器4。控制器4用于接收待显示的数字全息图，并将数字全息图各像素的复振幅信息分解为振幅信息和相位信息，根据振幅信息和相位信息分别生成振幅控制信号和相位控制信号同步发送给振幅调制器1和相位调制器3。控制器4同时还根据各像素在全息图像矩阵中的位置生成扫描方位控制信号发送给光学扫描组件2以控制其扫描方位。控制器4可以为实现上述计算和控制处理的单个控制器，也可以包括进行分解处理的总控制器和与总控制器连接的分别生成各控制信号的子控制器。
图5为本发明的光学调制方法的一个实施例的示意性流程图。
如图5所示，本发明实施例的光学调制方法包括：
S101、将数字全息图中各像素的复振幅信息分解为振幅信息和相位信息；
对于待显示的数字全息图，将全息图像数据矩阵中每个像素位置的复振幅信息分解为振幅信息和相位信息。
S102、基于振幅信息生成第一调制光束；
基于S101中分解的振幅信息，对光束进行振幅调制生成第一调制光束。其中，依次根据数字全息图中各像素的振幅信息，实时生成具有该像素的振幅信息的第一调制光束。
S103、使第一调制光束在预定范围内扫描；
本发明实施例中，控制S102中生成的第一调制光束以不同角度偏转，使得第一调制光束在预定范围内以平行光束进行扫描。使第一调制光束偏转的角度对应于由该第一调制光束表达了振幅信息的像素在全息图像数据矩阵中的位置，因而第一调制光束扫描的预定范围与所要显示的全息图像的显示范围相同。
S104、基于相位信息对扫描的第一调制光束进行相位调制生成第二调制光束。
基于S101中分解的相位信息，对扫描的第一调制光束进行相位调制，生成第二调制光束以进行全息图像显示。
本发明实施例中，基于每个像素的复振幅信息中的振幅信息生成第一调制光束，使第一调制光束根据各像素在数据矩阵中的位置在空间上扫描，同时基于对应像素的复振幅信息中的相位信息对扫描的第一调制光束进行相位调制生成第二调制光束，使得调制器的分辨率基本不存在损失，能够实现高分辨率的全息显示，并且调制过程中仅需要少量的计算资源，极大地降低了计算机实时处理的难度。
在本发明一个实施例中，S102中基于振幅信息生成第一调制光束可以包括生成第一光束并基于振幅信息对第一光束进行实时振幅调制，以生成第一调制光束。本发明实施例中由于独立进行振幅调制，不需要将相位信息内嵌，因此确保了调制分辨率较高。
在本发明一个实施例中，S103中使第一调制光束在预定范围内扫描可以包括根据各像素在数字全息图中的位置对各像素相应的第一调制光束进行扫描，使得将像素对应的第一调制光束向像素对应的空间位置输出。
在本发明一个实施例中，第一调制光束的宽度可以大于相位调制器的像元尺寸，从而提高相位调制器对第一调制光束进行的相位调制的有效性。
在本发明一个实施例中，第一调制光束的宽度可以根据数字全息图的期望分辨率而设定。当期望分辨率较低时，第一调制光束可具有较大的宽度；当期望分辨率较高时，第一调制光束可具有较小的宽度。
在本发明一个实施例中，第一调制光束的偏振方向可以设定为与相位调制器的偏振调制方向一致，以使得第一调制光束的偏振状态与相位调制器的偏振工作状态相符，从而确保相位调制的有效性。
以上对本发明的各个实施例进行了示例性说明，但本领域技术人员应理解，本发明并不限于上述具体的实施例，在不脱离本发明精神的前提下可对上述实施例进行多种变型和修改，这些变型和修改都落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种光学调制装置，其特征在于，包括：
振幅调制器，其基于数字全息图各像素的复振幅信息中的振幅信息生成第一调制光束；
光学扫描组件，其接收来自振幅调制器的所述第一调制光束，并使所述第一调制光束在预定范围内扫描；
相位调制器，其接收来自光学扫描组件的所述第一调制光束，并基于所述复振幅信息中的相位信息对接收的所述第一调制光束进行相位调制以生成第二调制光束；
分光器，其布置在所述光学扫描组件的输出光路上，并定位为对来自所述相位调制器的所述第二调制光束进行反射；
其中，所述光学扫描组件包括：
微型反射镜，其在根据所述各像素在所述数字全息图中的位置旋转相应的偏转角度的同时，对接收自振幅调制器的第一调制光束进行反射；
透镜组件，其将来自所述微型反射镜的所述第一调制光束沿平行于透镜组件光轴的方向输出。
2.根据权利要求1所述的光学调制装置，其特征在于，振幅调制器包括：
光源，其生成第一光束；
强度调制器，其接收来自光源的第一光束，基于所述振幅信息对所述第一光束进行振幅调制，生成所述第一调制光束。
3.根据权利要求1所述的光学调制装置，其特征在于，所述透镜组件的焦点定位于所述微型反射镜的轴心处。
4.一种全息显示设备，其特征在于，包括：
根据权利要求1至3中任一项所述的光学调制装置；以及
控制器，其配置为接收待显示的数字全息图，并将数字全息图各像素的复振幅信息分解为所述振幅信息和所述相位信息并生成振幅调制控制信号和相位调制控制信号分别发送给所述振幅调制器和所述相位调制器。
5.一种光学调制方法，应用于权利要求1至3中任一项所述的光学调制装置，其特征在于，包括：
将数字全息图中各像素的复振幅信息分解为振幅信息和相位信息；
基于所述振幅信息生成第一调制光束；
使所述第一调制光束在预定范围内扫描；
基于所述相位信息对扫描的所述第一调制光束进行相位调制生成第二调制光束；
其中，所述使所述第一调制光束在预定范围内扫描包括：控制生成的所述第一调制光束以不同角度偏转，使得所述第一调制光束在预定范围内以平行光束进行扫描。
6.根据权利要求5所述的光学调制方法，其特征在于，基于所述振幅信息生成第一调制光束，包括：
生成第一光束；
基于所述振幅信息对所述第一光束进行振幅调制以生成所述第一调制光束。
7.根据权利要求5所述的光学调制方法，其特征在于，使所述第一调制光束在预定范围内扫描，包括：
根据所述各像素在所述数字全息图中的位置对各像素相应的所述第一调制光束进行扫描。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的光学调制方法，其特征在于，第一调制光束的宽度大于相位调制器的像元尺寸。
9.根据权利要求5至7中任一项所述的光学调制方法，其特征在于，第一调制光束的宽度根据全息图的期望分辨率而设定。
10.根据权利要求5至7中任一项所述的光学调制方法，其特征在于，第一调制光束的偏振方向设定为与相位调制器的偏振调制方向一致。
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