CN108803295A - 大视场全息图的制作方法、显示系统及点阵光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场全息图的制作方法，包括：确定全息图计算参数，所述的全息图计算参数包括空间光调制器的分辨率及像素尺寸、用于计算全息图的光波波长、需要显示的三维物体在X方向和Y方向的尺寸；X方向和Y方向相互垂直；根据离轴全息条件和采样定理，分别将三维物体在X方向和Y方向均分成若干个子份，并确定每个子份对应的参考光角度；根据确定的全息图计算参数和每个子份所对应的参考光角度，计算三维物体每个子份所对应的全息图。本发明还公开了大视场全息图的显示系统及用于照明的可编程点阵光源。本发明通过将三维物体分成若干个子份，分别计算每个子份的全息图，通过分时快速显示各个子份的全息图，实现大视场全息三维显示。
Description
技术领域
本发明涉及全息三维显示领域，尤其涉及一种大视场全息图的制作方法、显示系统及显示用点阵光源。
背景技术
全息三维显示是基于干涉和衍射的三维光场信息记录与显示技术，能够再现三维物体的振幅和相位信息，可以满足人眼观看三维场景的所有生理和心理需求，是国际公认的最理想的三维显示技术。
计算全息三维显示是将计算机技术与全息技术相结合的全息显示技术。相比于传统光学全息，有着明显的优势，可以记录真实物体，虚拟物体，发光体，复杂物体的光场信息，数据容易存储、传输，可反复使用。计算全息分为静态大尺寸高分辨率全息显示和动态全息显示两个领域。静态全息显示随着全息输出技术的发展，已经在文物、包装、广告等领域有着广泛的应用。而动态全息显示技术，目前主要使用空间光调制器作为显示器件，受限于空间光调制器(spatial light modulators，SLM)的分辨率和尺寸，目前很难满足多人观看三维显示像的要求。实现大视角大视场的全息显示技术是目前动态全息显示的热点问题。
视差角指的是全息图所能记录的物体发光的角度，当全息图所记录的物体发光角度越小时，人眼在观看全息再现像时，可看到再现像的位置越少，视差信息少，全息图的面积越大，所能记录的物体发光的角度就越大。视场角是指人眼静止时，所能看到的物体对全息图中心的张角，距离一定时，张角越大，意味着人眼看到的三维像的尺寸越大，视场角越大，观看的临场感越强，全息图的分辨率越高(像素尺寸越小)，其衍射的角度越大，视场角越大。
多空间光调制器平面拼接或曲面拼接的方式可以实现大的视场角或视差角，但是成本昂贵系统设计非常复杂。
公开号为CN106501952A的中国专利文献公开了另外一种扩大视场的全息三维动态显示方法，该方法包括：在空间光调制器上加载实时生成的计算全息图；通过设置在所述空间光调制器的像素结构出光面上的微透镜阵列或与微透镜阵列具有相同光学特性的衍射光学元件改变光路形成大视场角，所述微透镜阵列中的各个微透镜与所述空间光调制器像素结构的各像素点一一对应。采用该方法仅仅是扩大了视场角，而牺牲了视差角，微透镜阵列的制作难度大成本高，与SLM的像素结构一一对位并准确拼接的技术要求高。其本质是通过微透镜阵列对像素成像，等效于将像素尺寸缩小，像素尺寸缩小后，衍射角度增大，显示面板的尺寸减少，则视差角减少，牺牲了视差角而求得更大的视场角。
发明内容
本发明提供了一种大视场全息图的制作方法，能满足人眼观看大视场全息三维像的需求。
本发明提供了如下技术方案：
一种大视场全息图的制作方法，包括：
(1)确定全息图计算参数，所述的全息图计算参数包括空间光调制器的分辨率及像素尺寸、用于计算全息图的光波波长、需要显示的三维物体在X方向和Y方向的尺寸；
X方向和Y方向相互垂直；
(2)根据离轴全息条件和采样定理，分别将三维物体在X方向和Y方向均分成若干个子份，并确定每个子份对应的参考光角度；
(3)根据确定的全息图计算参数和每个子份所对应的参考光角度，计算三维物体每个子份所对应的全息图。
大尺寸三维物体可以看做是点云的集合，可以将其分割为多个小的三维物体，每个小的三维物体发出的光与与之匹配的平面参考光在全息面上干涉，得到对应的全息图。
本发明的大视场全息图制作方法通过将三维物体分成若干个子份，分别计算每个子份的全息图，显示时，使用与制作全息图时参考光角度相同的再现照明光照明，通过分时快速显示各个子份的全息图，实现三维物体的大视场全息三维显示。
优选的，步骤(2)包括：
(2-1)选择X方向为离轴方向；
(2-2)根据空间光调制器的参数和采样定理，将设计的三维物体在X方向均分为若干X方向子份；
根据离轴全息条件计算每个X方向子份所对应的参考光角度，并计算X方向子份物光与对应参考光干涉条纹的最大空间频率，
若每个X方向子份干涉条纹的最大空间频率与空间光调制器的参数满足采样定理，则得到X方向三维物体的分解参数及每个X方向子份的参考光角度；
否则，在X方向上重新分解三维物体及确定每个X方向子份的参考光角度；
(2-3)三维物体在X方向分解完成后，根据空间光调制器的参数和采样定理，将三维物体在Y方向均分成若干Y方向子份；
将每个Y方向子份的参考光方向设置成当前Y方向子份的中心点到全息图记录面的中心连线方向，计算每个Y方向子份物光与对应参考光干涉条纹的最大空间频率，
若每个Y方向子份干涉条纹的最大空间频率与空间光调制器的参数满足采样定理，则得到Y方向三维物体的分解参数及每个Y方向子份的参考光角度；
否则，在Y方向上重新分解三维物体及确定每个Y方向子份的参考光角度。
X方向和Y方向是相互垂直的两个方向，两个方向中其中一个方向上需要同时满足离轴全息条件和采样定理，另外一个方向满足采样定理即可。
离轴全息的条件为：对于任意子份，参考光的频率大于或等于物光的最大空间频率。
采样定理的条件为：对于任意子份，物光与参考光干涉条纹的最大空间频率小于或等于空间光调制器采样频率的一半。
步骤(3)中，可采用现有技术计算每个三维物体子份在全息面上的复振幅分布，得到复振幅分布后可将其编码为振幅型全息图或相位型全息图。
本发明还公开了一种大视场全息显示系统，包括：
点阵光源，位于透镜的前焦平面上，由若干呈陈列布置的点光源组成，每个点光源的开关受控于计算机；
透镜，将点阵光源发出的发散球面波调制成平面波，用于照明空间光调制器；
空间光调制器，位于4f系统的前焦平面上，通过计算机实时载入全息图，对照射到其上的平面波进行调制；
滤波模块，包括4f系统及位于4f系统焦平面上的液晶光阀；通过计算机向液晶光阀载入二值掩膜图像，对空间光调制器调制后的光场频谱进行滤波；
目镜，将4f系统滤波后形成的三维物体的实像放大为虚像，呈现给人眼；
计算机，根据所述的大视场全息图制作方法制作全息图，分时快速地向空间光调制器载入三维物体不同子份所对应的全息图，并点亮与该子份全息图所对应的点光源，关闭其它点光源；实时向液晶光阀输入相应的二值掩膜图像；
计算机向空间光调制器载入三维物体不同子份所对应的全息图的刷新频率大于人眼能够识别的频率。
液晶光阀对光场频谱进行滤波，通过二值掩膜图像控制滤波窗口的位置和大小。
所述点阵光源排列位置根据制作全息图时所使用的各个子份的参考光角度进行设计，使得各个子份全息图所对应的点光源所发出的光通过透镜后形成的平面波的方向与该子份的平面参考光的角度相同。
在制作三维物体全息图时，将三维物体分成若干个尺寸较小的子份，使用不同方向的平面参考光与不同子份物体发出的光进行干涉，降低空间频率，得到每个子份的全息图；在显示时，计算机将不同子份的全息图分时快速地载入空间光调制器，以对应的平面波照明空间光调制器进行显示，当载入整个三维物体全息图的速度很快时，人眼对光场的积分作用下，可感觉到所有子块全息图再现的完整三维图像，从而增大了视场。
优选的，计算机向空间光调制器载入三维物体不同子份所对应的全息图的频率大于30～60Hz。
优选的，每个点光源发出发散的球面波。
透镜将点阵光源发出的发散球面波转化为不同方向的平面波，用于照明空间光调制器。
优选的，所述的空间光调制器为振幅型空间光调制器或相位型空间光调制器。
所述的空间光调制器为反射式或透射式。
透镜将点阵光源发出的发散球面波转化为平面波，照明到空间光调制器后经过4f滤波系统进行滤波，液晶光阀位于4f系统的频谱面上，根据载入其中的二值掩模图像对光场频谱进行滤波，允许所需要的物光频谱进入后续光学系统。经过4f系统滤波后的光场，衍射一段距离后得到所记录物体某个子份光场的三维实像。人眼通过目镜，看到一个放大的虚像。
可通过在光路中加入的若干折射镜和反射镜缩短光路，使光路紧促，减小设备体积。目镜前的光路可以采用一定方式折反，进行工业设计后形成封闭的便携式微型设备，可满足单眼观看三维图像，也可以同时制作成两套系统，组合后形成头戴式虚拟现实显示设备，同时满足左右眼观看真实三维场景的需求
通过液晶光阀滤波后的光场，可以通过反射式HOE或光波导或传统的AR目镜的方式将三维图像的光场导入人眼，实现增强现实显示的三维显示。
可通过计算机编程控制每个点光源的开启与关闭。对此，本发明还提供了一种基于编程可控的点阵光源，包括：
激光光源，用于产生线激光；
声光调制器，用于控制所述线激光的通断；
振镜，用于调整所述线激光的方向；
多片反射镜，与光纤耦合器一一对应，分别将振镜偏转到不同方向的线激光反射到光纤耦合器；
多个光纤耦合器，与光纤一一对应，分别将反射镜反射的线激光耦合进入对应光纤的入射端口；
多条光纤，将从入射端口进入的激光传输至出射端口，出射端口呈阵列排布，形成点阵光源；
计算机，通过声光调制器控制线激光的通断；通过控制振镜的偏转方向以调整所述线激光的方向。
各条光纤端口的排布根据制作全息图时所使用的各个子份的参考光角度进行设计，使得各个子份全息图所对应的光纤所发出的发散球面波通过透镜后形成的平面波与该子份全息图计算时使用的平面波参考光的角度相同。
优选的，所述的多片反射镜由一曲面反射镜替换，所述曲面反射镜将通过振镜反射到其上的光分别反射到不同光纤耦合器。
所述的多片反射镜可以由一个曲面反射镜代替，经过振镜反射到曲面反射镜不同位置的光，以不同角度出射，分别经过光纤耦合器耦合到不同光纤，光纤端口排列为点阵结构，形成可编程点阵光源。
所述的基于编程可控的点阵光源可以为单色光源也可以是多色光源。
优选的，所述的激光源包括红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器以及对应声光调制器，红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器所发出的激光通过反射镜和半透半反镜汇聚到一条直线上。
通过该技术方案可实现彩色显示，显示时，振镜处于某一位置时，分时快速开启三个声光调制器，依次允许红色激光、绿色激光和蓝色激光进入光纤，实现彩色可控点阵光源显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的大视场全息图制作方法通过将三维物体分成若干个子份，分别计算每个子份的全息图，显示时，使用与制作全息图时参考光角度相同的再现照明光照明，通过分时快速显示各个子份的全息图，实现三维物体的大视场全息三维显示。所提出的方法，并没有通过牺牲视差角差角增大视场，而是通过快速的播放不同子块全息图，所再现像拼形成大视场。本质是通过增加信息量来增加视场角。
附图说明
图1为三维物体分解及全息图制作示意图，其中：(a)为三维物体的分解示意图；(b)为Ot发出的物光与z轴的最大夹角示意图；(c)为Ot物光与参考光的最大夹角示意图；
图2为全息图的显示系统的结构示意图；
图3为编程可控的点阵光源的结构示意图，其中：(a)为单色点阵光源的结构示意图；(b)为时序彩色点阵光源的结构示意图；(c)为点阵光源的阵列结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
如图1所示，本实施例是一种针对大尺寸物体的菲涅尔全息图制作方法。全息图制作时，将三维物体看做是发光点的集合，为了使问题简化，以二维坐标系进行分析，如图1(a)所示，全息图记录面位于z＝0的平面，物体分布在范围L内，将物体沿x轴均匀的分成N个小的子三维物体，分别定义为O1，O2，，，ON，每个小三维物体在x轴上的宽度为假设t为在[0，N]之间的整数，Ot为其中一个子三维物体，其沿着x轴方向的两个顶点坐标分别xt，xt+1，由图1(b)可以得到，该子三维物体对应的参考光与z轴的夹角为θ，而Ot发出的物光与z轴的最大夹角为θ1，Ot物光在全息图上的最高频率fmax为：
为了满足离轴记录全息图，必须使θ≥θ1，即：
fRt为第t个小的三维物体Ot记录全息时使用的参考光的频率，λ为波长。此时记录的全息图可满足计算全息所需的离轴条件。同时，由于用于显示全息图的空间光调制器分辨有限，参考光的选择还必须满足SLM的采样条件，假设SLM单个像素的尺寸为a×a，为满足采样定理，采样频率为fs必须满足：
式中f表示全息面上的干涉条纹的频率，max表示在范围内，f的最大取值，最大频率对应于物体边缘点发出的光与参考光的最大夹角，由图1(c)可知，物体下边缘发出的光线到全息面上边缘的光线与参考光的夹角最大，所以最大空间频率fhmax可以写为：
其中fOt为第t个小的三维物体Ot上物点发光的频率，Lh为全息图的长度，Zoh为物体到全息面的距离。所以每一个小的三维物体，全息图计算时，对应参考光的入射角θ选择必须满足上述条件，即离轴条件和采样定理，在实际操作中，可先对物体分块，以满足离轴条件的情况下设置参考光，之后计算是否满足采样定理，当采样定理不满足时，可适当调整对物体分割的块数，使得采样定理的条件也得到满足。
在参考光与物光满足离轴条件与采样定理的情况下，对于每t个三维物体的第k个物点Ot(xk，zk)，其发出的光波在全息面上的复振幅分布可以写为：
式中，Ak表示第k个物点的振幅，xh表示全息面上的x坐标，xk表示物点的x轴坐标，zk表示第k个物点到全息记录面的距离，θxtr表示与Ot对应的参考光与z轴的夹角。
全息面上的总的复振幅为所有物点发出的光的复振幅叠加，可以表示为：
式中K为Ot中的总物点数。在获得全息面上的复振幅分布后，可将其编码为振幅型全息图，或相位型全息图，用于全息三维显示。
将所有小的三维物体的全息图计算出来，通过快速依次显示，在人眼时间暂留效应下，即可看到一个大视场的三维物体。
上述的分析过程，可扩展到三维坐标系中，分析方法相同。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上设计的用于显示实施例1中所计算的全息图的显示系统。
本实施例以透射式LCD作为空间光调制器来说明显示方案。
如图2所示，点阵光源位于透镜Lens1的前焦平面，距离为f0，在某一个时刻，点阵光源中第i个点光源fbi点亮，所发出的发散球面波经过透镜Lens1后形成平面波，LCD面板位于Lens1后方d处，LCD面板通过计算机载入与光源fbi对应的全息图，同时光源fbi与全息计算时参考光具有一一对应关系，需保证光源发出的经过光心的光线与z轴夹角与(θxir-180)角度相同，即以共轭照明的方式来进行全息再现(也可以采用以原平面参考光的角度照明)，点阵光源位于Lens1的焦平面上，从而当Lens1的焦距fo确定后，点阵光源在x方向的偏移量就确定了，xi＝f0tan(θxir)这也就是点阵光源位置设计的基本原理。然后在LCD面板后方放置一个4f滤波系统，由透镜Lens2与Lens3组成，LCD面板位于4f系统的物平面，在4f系统的频谱面，放置一个液晶光阀LC，通过计算机载入设计的二值掩模图像，控制滤波窗口的位置和尺寸，用来实现频域滤波，仅允许正一级物光频谱进入后续光学系统。Ip平面为LCD通过4f系统后的像平面，在该平面上的光场仅包含正一级物光光场，以一定方向的小角度衍射形成记录的一个小的物体的实像。在所形成的实像后方，放置一短焦距目镜，人眼处于目镜后eyes位置，即可观看到放大的全息再现虚像。为了看到完整的三维物体再现像，全息显示时，在时刻t1，点阵光源中的fb1单元发光，通过透镜后形成平面波，照明全息图H1，再现出物体p1部分，在时刻t2，点阵光源中的fb2单元发光，通过透镜后形成平面波，照明全息图H2，再现出物体p2部分，依次类推，当显示刷新速度够快，在人眼视觉暂留作用下，可以看到一个大尺寸的三维再现像。对于一个动态三维场景，快速计算每一个时刻的全息图，通过该系统动态实时显示，即可实现动态三维显示。
在实现彩色全息显示时，使用彩色点阵激光光源在原操作的基础上，我们需要将原全息图Hi变为HiR，HiG，HiB，其中HiR对应的照明光源为红色，HiG对应的照明光源为绿色，HiB对应的照明光源为蓝色，并利用电脑控制点阵光源按红绿蓝的顺序，依次出射照明光，并投影对应的全息图即可实现彩色全息三维显示。
实施例3
在实施例2的基础上，对点阵光源进行了设计，如图3所示，是一种编程可控的点阵光源示意图。图3(a)为由一维或二维振镜控制的单色点阵光源，光源由激光器提供；S为声光调制器，可通过电脑控制激光的开关；振镜M的旋转角度由电脑控制，在振镜旋转过程中，通过电脑控制声光调制器，关闭光源，当振镜旋转到指定位置停止旋转后，开启激光光源，从声光调制器出来的线激光被反射镜M1反射后，通过光纤耦合器耦合进入光纤fb1。同样的，当振镜偏转到另一个确定角度后，控制声光调制器，从声光调制器出来的激光经过反射镜M2反射后，通过光纤耦合器耦合进入光纤fb2。以此种方式，可以将激光发出的光线分时的耦合到多条光纤中，多条光纤的出射端口排列形成点阵激光光源。
实施例4
图3(b)为彩色点阵光源设计原理图，光源由红，绿，蓝三个激光器组成，在激光器的出光口前分别放置声了光调制器S1，S2，S3，每个声光调制器作为光开关，均可由电脑独立控制。三束激光分别由反射镜和半透半反镜合束到一条直线上，并到达振镜。后续的控制过程与单色点阵光源控制方式相同。所不同的是实现彩色时，振镜在某个位置，通过分时开启三个声光调制器，依次允许红色激光，绿色激光合蓝色激光依次进入耦合光纤，实现彩色可控点阵光源。
实施例5
本实施例是对实施例3和实施例4中的点阵光源的应用。如图3(c)所示，将单色激光点阵光源的多个光纤出射端口或彩色激光点阵光源的多个光纤出射端口排列为矩阵形式，通过控制声光调制器与振镜偏转，形成二维可控点阵光源。该点阵光源的一个应用就是作为本发明所述的大视场全息显示的照明光源。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大视场全息图的制作方法，其特征在于，包括：
(1)确定全息图计算参数，所述的全息图计算参数包括空间光调制器的分辨率及像素尺寸、用于计算全息图的光波波长、需要显示的三维物体在X方向和Y方向的尺寸；
X方向和Y方向相互垂直；
(2)根据离轴全息条件和采样定理，分别将三维物体在X方向和Y方向均分成若干个子份，并确定每个子份对应的参考光角度；
(3)根据确定的全息图计算参数和每个子份所对应的参考光角度，计算三维物体每个子份所对应的全息图。
2.根据权利要求1所述的大视场全息图的制作方法，其特征在于，步骤(2)包括：
(2-1)选择X方向为离轴方向；
(2-2)根据空间光调制器的参数和采样定理，将设计的三维物体在X方向均分为若干X方向子份；
根据离轴全息条件计算每个X方向子份所对应的参考光角度，并计算X方向子份物光与对应参考光干涉条纹的最大空间频率，
若每个X方向子份干涉条纹的最大空间频率与空间光调制器的参数满足采样定理，则得到X方向三维物体的分解参数及每个X方向子份的参考光角度；
否则，在X方向上重新分解三维物体及确定每个X方向子份的参考光角度；
(2-3)三维物体在X方向分解完成后，根据空间光调制器的参数和采样定理，将三维物体在Y方向均分成若干Y方向子份；
将每个Y方向子份的参考光方向设置成当前Y方向子份的中心点到全息图记录面的中心连线方向，计算每个Y方向子份物光与对应参考光干涉条纹的最大空间频率，
若每个Y方向子份干涉条纹的最大空间频率与空间光调制器的参数满足采样定理，则得到Y方向三维物体的分解参数及每个Y方向子份的参考光角度；
否则，在Y方向上重新分解三维物体及确定每个Y方向子份的参考光角度。
3.根据权利要求1或2所述的大视场全息图的制作方法，其特征在于，离轴全息的条件为：对于任意子份，参考光的频率大于或等于物光的最大空间频率。
4.根据权利要求1或2所述的大视场全息图的制作方法，其特征在于，采样定理的条件为：对于任意子份，物光与参考光干涉条纹的最大空间频率小于或等于空间光调制器采样频率的一半。
5.一种基于编程可控的点阵光源，其特征在于，包括：
激光光源，用于产生线激光；
声光调制器，用于控制所述线激光的通断；
振镜，用于调整所述线激光的方向；
多片反射镜，与光纤耦合器一一对应，分别将振镜偏转到不同方向的线激光反射到光纤耦合器；
多个光纤耦合器，与光纤一一对应，分别将反射镜反射的线激光耦合进入对应光纤的入射端口；
多条光纤，将从入射端口进入的激光传输至出射端口，出射端口呈阵列排布，形成点阵光源；
计算机，通过声光调制器控制线激光的通断；通过控制振镜的偏转方向以调整所述线激光的方向。
6.根据权利要求5所述的基于编程可控的点阵光源，其特征在于，所述的激光源包括红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器以及对应声光调制器，红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器所发出的激光通过反射镜和半透半反镜汇聚到一条直线上。
7.根据权利要求5所述的基于编程可控的点阵光源，其特征在于，所述的多片反射镜由一曲面反射镜替换，所述曲面反射镜将通过振镜反射到其上的光分别反射到不同光纤耦合器。
8.一种大视场全息显示系统，其特征在于，包括：
点阵光源，位于透镜的前焦平面上，由若干呈陈列布置的点光源组成，每个点光源的开关受控于计算机；
透镜，将点阵光源发出的发散球面波调制成平面波，用于照明空间光调制器；
空间光调制器，位于4f系统的前焦平面上，通过计算机实时载入全息图，对照射到其上的平面波进行调制；
滤波模块，包括4f系统及位于4f系统焦平面上的液晶光阀；通过计算机向液晶光阀载入二值掩膜图像，对空间光调制器调制后的光场频谱进行滤波；
目镜，将4f系统滤波后形成的三维物体的实像放大为虚像，呈现给人眼；
计算机，根据权利要求1～4任一项所述的大视场全息图制作方法制作全息图，分时快速地向空间光调制器载入三维物体不同子份所对应的全息图，并点亮与该子份全息图所对应的点光源，关闭其它点光源；实时向液晶光阀输入相应的二值掩膜图像；
计算机向空间光调制器载入三维物体不同子份所对应的全息图的刷新频率大于人眼能够识别的频率。
9.根据权利要求8所述的大视场全息显示系统，其特征在于，所述的空间光调制器为振幅型空间光调制器或相位型空间光调制器。
10.根据权利要求8所述的大视场全息显示系统，其特征在于，所述的点阵光源为权利要求5所述的基于编程可控的点阵光源。
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