CN109085700A - 无零级光干扰的同轴全息近眼ar显示系统及其应用和全息图优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，包括：光源模块，为空间光调制器提供汇聚照明光；空间光调制器，受控于计算机并由计算机载入全息图，经照明光照射发出被全息图调制的衍射图像光和未被调制的零级光；滤波器，位于零级光的汇聚点所在平面上，用于滤除零级光；全息透镜，对滤除零级光后的图像光产生反向衍射作用并汇聚进入人眼；计算机，用于制作所述全息图并输出到所述空间光调制器，同步控制光源模块和空间光调制器；环境光不受干扰地透过所述全息透镜进入人眼。本发明还公开了一种无零级光干扰的纯相位同轴全息图的优化方法。本发明的同轴全息近眼AR显示系统，结构简单紧凑，相比于离轴全息显示，具有更大的视场。
Description
技术领域
本发明涉及全息三维显示领域，尤其涉及一种无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统及其应用和全息图优化方法。
背景技术
目前近眼AR显示是一个重要的研究领域，实现近眼AR的方式有多种，如使用微显示器和复杂的目镜系统，实现AR显示，利用该方案实现的三维显示多为双目视差三维显示，存在辐辏冲突，佩戴此种AR显示设备会引起眼睛疲劳和眩晕。采用光波导和耦合光栅技术实现近眼AR显示，相比于复杂的目镜系统而言，体积和重量大大减少，是目前一个重要发展方向，然而绝大多数基于光波导的近眼AR三维显示仍旧为双目视差三维显不。
全息三维显示是基于干涉记录三维物光信息，衍射再现三维场景的一种真三维显示技术，是国际上公认的最理想的三维显示方案。全息近眼显示可再现完整三维光场，并且无辐辏冲突问题，受到越来越多的青睐。
计算机与全息相结合，形成计算全息。计算全息相比于传统的光学全息，具有很大的灵活性，如：(1)可实现虚拟物体的全息记录和显示；(2)计算的全息图为数字数据，方便存储、传输并可重复使用；(3)可实现动态全息显示和彩色全息三维显示。
计算全息研究领域分为大尺寸静态全息三维显示和动态全息显示两个方面。目前，随着全息输出设备的日益完善，大尺寸静态全息显示逐步实现商用，其在全息包装、防伪等领域得到了广泛的应用。受到空间光调制器SLM分辨率和像素尺寸的限制，动态全息显示所再现的三维图像，存在视差角和视场角较小的问题，很难满足多人同时观看全息三维显示的要求。
零级光是直射到空间光调制器上没有被载入空间光调制器的全息图调制而直接反射出来的光，对于纯相位型空间光调制器而言，主要由照明到空间光调制器的照明光的偏振态与空间光调制器所需要的偏振态不一致，以及像素结构填充率引起的，目前是不可消除的一种现象。在同轴全息三维显示时，除需要的物体再现像外，零级光也同时在屏幕上以杂乱的散射光形式出现，对再现像的分辨率造成很大影响。如何消除零级光的影响一直是全息显示领域研究的热点。
为了去除零级光的干扰，一般使用离轴全息方案，利用4f光学系统进行滤波，之后使用半透半反镜将滤波后的光场导入人眼进行观看。虽然离轴全息显示方案解决了零级光干扰问题，但由于4f光学系统的存在，使得整个全息显示光路变的复杂，并且在同等条件下离轴全息的视场角仅为同轴全息视场角的一半。
发明内容
本发明提供一种无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，可消除零级光对同轴全息再现像的干扰。
本发明提供了如下技术方案：
一种无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，包括：
光源模块，受控于计算机，为空间光调制器提供汇聚的照明光；
空间光调制器，受控于计算机并由计算机载入全息图，对照明光进行调制，发出受所述全息图调制的衍射图像光和未被调制的零级光；
滤波器，位于所述零级光的汇聚点所在平面上，用于滤除零级光；
全息透镜，为反射式体全息光学元件，对滤除零级光后的衍射图像光产生衍射作用，反向衍射汇聚进入人眼；
计算机，用于制作所述全息图并输入到所述空间光调制器，同步控制光源模块和空间光调制器；
环境光不受干扰地透过所述全息透镜进入人眼。
零级光是直射到空间光调制器上没有被载入空间光调制器的全息图调制而直接反射出来的光，对于纯相位型空间光调制器，主要由照明到空间光调制器的照明光的偏振态与空间光调制器所需要的偏振态不一致，以及像素结构填充率引起的，对于同轴全息显示，该零级光会严重影响全息再现像成像效果。
本发明的同轴全息近眼AR显示系统，使用汇聚光照明空间光调制器，被空间光调制器反射的零级光汇聚，在零级光汇聚点上设置滤波器，滤除汇聚点零级光，经全息图调制而产生的衍射图像光继续传播，被全息透镜反向衍射汇聚到人眼成像，而无零级光干扰。
光源模块由激光器、准直扩束单元以及汇聚透镜组成。
所述的准直扩束单元由显微物镜、针孔以及准直扩束透镜组成。
激光器发出的细小光束被显微物镜汇聚于针孔，针孔将杂散光滤除后，形成高质量的发散球面波，所述发散球面波被准直扩束透镜准直为平面波，后被汇聚透镜汇聚形成汇聚球面波。
所述的激光器可以为单色激光器、光纤激光器或RGB三色激光器。
所述的RGB三色激光器包括红、绿、蓝激光器，位于三个激光器发出细小光束光路上的三个声光开关，以及激光合束单元。
采用RGB三色激光器时，计算机同步控制空间光调制器和红、绿、蓝激光器，向所述空间光调制器分时载入三维物体红、绿、蓝颜色通道数据计算的全息图，进行分时彩色全息显示。
优选的，所述的空间光调制器为反射式纯相位空间光调制器；所述的全息图为纯相位同轴全息图。
进一步优选的，所述的空间光调制器为LCOS。
进一步优选的，所述的无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统具有半透半反镜，用于将所述的照明光反射至所述空间光调制器，所述空间光调制器产生的所述衍射图像光和所述零级光透过所述半透半反镜进入所述滤波器。
进一步优选的，将所述的半透半反镜替换为分光棱镜，所述照明光被所述分光棱镜的反射面反射至所述空间光调制器，所述空间光调制器产生的衍射图像光和零级光透过所述分光棱镜，所述零级光在分光棱镜的一个面A上汇聚，所述的滤波器设置在该面A上。
可通过调整汇聚透镜的焦距来调整零级光的汇聚点，使得零级光恰好在分光棱镜的所述面A上汇聚。
采用该技术方案时，分光棱镜替换了半透半反镜和滤波器，减少了同轴全息近眼AR显示系统的器件数量，使得显示系统更加紧凑。
优选的，所述的滤波器为镀有圆形黑色掩膜片的石英玻璃片。
黑色掩膜片作为滤波器的滤波窗口，可以阻挡零级光通过滤波器从而消除零级光，而石英玻璃的其它部分透明，可允许衍射图像光进入后续光学系统。
黑色掩膜片的尺寸大小与零级光汇聚点的光斑大小相等，与选用的汇聚透镜的焦距有关。
黑色掩膜片的优选尺寸为0.5～2mm。
所述的黑色掩膜片可通过在石英片上涂黑漆、粘贴黑色遮光纸或黑色胶带等方式得到。
所述的全息透镜为反射式体全息光学元件(HOE)，对以一定角度的一定波长的光具有衍射作用，而对其他的光没有衍射作用。因此，特定波长的图像光以一定角度照射全息透镜时，全息透镜对图像光进行衍射形成全息再现像，图像光被反向衍射汇聚进入人眼，而环境光在全息透镜上没有衍射作用，可直接透过全息透镜进入人眼。
因此，全息透镜的摆放位置及全息透镜的制作需要根据图像光波长而定。
优选的，在制作所述的全息透镜时，物光和参考光的波长与所述衍射图像光的波长相等；物光和参考光的夹角与所述衍射图像光在全息透镜上的入射角相等。
因全息透镜只对特定波长的入射光具有衍射作用，因此，若采用RGB三色激光器作为光源模块时，所述的全息透镜由RGB三色全息透镜叠加而成；在制作RGB三色全息透镜时，物光和参考光分别为红、绿、蓝三色光。
由于全息透镜仅对特定波长的光具有衍射作用，RGB三色全息透镜分别对红、绿、蓝三色光起衍射作用，相互之间无干扰，通过分时显示，可实现彩色全息近眼AR显示。
本发明的显示系统，可以做成两套，分别给人的左眼和右眼显示，实现头戴式的全息近眼AR三维显示。
在本发明的显示系统中，滤波器的存在会对于零级光在汇聚点重叠的部分衍射图像光产生干扰，使用一种新型全息图优化方法，去除滤波器存在对再现像的影响，是本发明的一个重要内容。
本发明的同轴全息近眼AR显示系统通过滤波器消除零级光的干扰，但是滤波器的存在会影响全息再现像的成像质量，为了消除滤波器对再现的图像的影响，本发明还提供了一种无零级光干扰的纯相位全息图的优化方法，其计算光路与所述的同轴全息近眼AR显示系统的显示光路一致；
定义空间光调制器所在的平面为SLM平面，被所述空间光调制器反射的零级光汇聚点所在的平面为汇聚平面，再现像所在平面为成像平面；所述SLM平面到汇聚平面的距离为f，汇聚平面到成像平面的距离为zo；
包括以下步骤：
(1)将SLM平面的相位初始为随机数；
(2)将SLM平面发出的光场的复振幅分布fslm(x，y)乘以汇聚透镜的相位后，进行衍射计算，衍射距离为f，得到汇聚平面的复振幅分布fini(x，y)；
(3)将复振幅分布finj(x，y)经滤波器滤波后，得到复振幅分布fpa(x，y)，进行衍射计算，衍射距离为zo，得到成像平面的复振幅分布fi(x，y)；
将复振幅分布fi(x，y)中的振幅替换为目标图像的振幅，保留相位，得到复振幅分布fia(x，y)；
(4)对复振幅分布fia(x，y)进行反向衍射计算，衍射距离为-f-zo，得到SLM平面的复振幅分布fslm′(x，y)；
将复振幅分布fslm′(x，y)中的振幅替换为1，保留相位，得到复振幅分布fslm(x，y)；
(5)将步骤(1)中的复振幅分布fslm(x，y)替换为步骤(4)得到的复振幅分布fslm(x，y)；
(6)重复步骤(1)～(5)，当成像平面的输出图像与目标图像之间的均方根误差小于预设值时，停止迭代；
或迭代次数达到预设迭代次数时停止迭代，得到纯相位全息图。
优选的，采用菲涅尔衍射积分的卷积形式或菲涅尔衍射积分的傅里叶变换形式进行衍射计算。
优选的，所述滤波器的中心为圆形区域，所述圆形区域内的数据为0，其余数据为1。
进一步的，述滤波器的中心为圆形区域的半径为毫米量级，其尺寸与全息显示时选用的汇聚透镜的焦距有关，尺寸设置为汇聚透镜汇聚点的光斑尺寸，优选尺寸为0.5～2mm。
对于三维显示，将三维场景分割为多个深度的图像，对每一深度的图像采用上述优化计算，得到每一深度的纯相位全息图，将所有深度的纯相位全息图叠加，得到三维场景的纯相位全息图。
对于动态三维显示，可提前算好动态场景，每一场景的优化的全息图，动态显示时，循环播放显示，实现动态显示。或采用高性能GPU进行加速计算，设置适当的迭代次数，进行实时全息动态显示。
对于彩色显示方案，采用上述算法，分别计算彩色场景中的红、绿和蓝色分量的纯相位全息图，再分时显示即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种无零级光干扰的紧凑型的同轴全息近眼AR显示系统，相比于离轴全息显示，具有更大的视场；未使用4f系统滤波，使得近眼AR的显示光路大大简化；本发明还给出了一种优化的纯相位全息图制作方法，消除了同轴全息近眼AR显示系统中滤波器的影响。
附图说明
图1为光源模块的结构示意图，其中(a)为单色激光光源，(b)为单色光纤激光光源，(c)为三色激光光源；
图2为实施例2的全息近眼AR显示系统结构示意图；
图3为实施例3的全息近眼AR显示系统结构示意图；
图4为实施例4的全息近眼AR显示系统局部的结构示意图；
图5为全息光学元件的记录光路示意图；
图6为全息图设计原理示意图；
图7为全息近眼AR显示系统的显示实例图，其中(a)为实施例2的显示系统未放置滤波器时的显示结果，(b)为实施例2的显示系统的显示结果；(c)为显示图像的深度与设置在全息光学元件后0.5m处纸板深度相同的显示效果；(d)为显示图像的深度位于设置全息光学元件后0.5m处纸板和全息光学元件之间的显示效果。
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
本实施例给出了三种用于全息近眼AR全息显示系统的光源，其结果分别如图1的(a)、(b)、(c)所示。
图1中(a)为单色激光光源的示意图，由激光器11、准直扩束模块12和汇聚透镜13组成。其中准直扩束系统12由显微物镜121、针孔122和准直扩束透镜123组成。激光器11发出的细小光束，被显微物镜121汇聚于针孔122，针孔122将杂散光滤除后，形成高质量的发散球面波，被透镜123准直为平面波，后被汇聚透镜13汇聚形成汇聚球面波。
图1中(b)为光纤激光光源的结构示意图，包括激光器21、光纤22、透镜23。激光器21发出的光通过光纤22端口发出发散球面波，通过透镜23后形成汇聚球面波。
图1中(c)为RGB三色激光器组成的彩色光源系统，包括红色激光器31、绿色激光器32、蓝色激光器33，三个分别控制三个激光器声光开关34、35、36，以及反射镜37、半透半反镜38和39，反射镜312，准直扩束系统310和汇聚透镜311。三个声光开关均与计算机相连，可分别控制三个激光器发出的光是否进入后续光学系统。红、绿、蓝激光器发出的光分别被反射镜37、半透半反镜38和39反射后合束，被反射镜321反射后进入准直扩束系统，后被汇聚透镜311汇聚，形成汇聚球面波。
实施例2
本实施例的全息近眼AR显示系统，使用图1中(a)所示的单色激光光源照明。
如图2所示，该全息近眼AR显示系统由光源模块41、纯相位型空间光调制器LCOS42、半透半反镜43、滤波器44、全息透镜45、计算机46组成。
光源模块41具体细节已在实施例1中介绍，不再赘述。
从光源模块41发出的汇聚球面波，被半透半反镜43部分反射后照明纯相位型空间光调制器LCOS 42，其反射光透过半透半反镜43后汇聚，在汇聚点所在平面上放置滤波器44，滤波器44由石英玻璃片和中心镀有黑色圆形掩模图的滤波窗口组成，掩模图的尺寸由汇聚点零级光斑的大小决定，与使用汇聚透镜的焦距有关，掩模图的尺寸与汇聚点零级光斑的大小相等。滤波窗口恰好将汇聚点遮挡，消除零级光干扰，衍射光透过石英玻璃片继续传播，被全息透镜45反向衍射汇聚，汇聚光进入人眼，E为人眼所在位置，人眼看到成像于远方的放大的全息再现虚像。纯相位型空间光调制器LCOS 42与计算机46相连，计算机控制载入LCOS的全息图，动态播放时可实现动态全息近眼AR显示。
全息透镜45为一个反射式体全息光学元件，仅对以一定入射角度、一定波长的光发生反向衍射作用，起到全息透镜的作用；环境光可以不受干扰地透过全息透镜45进入人眼，人眼可同时看到环境中的景象和全息再现像，实现全息近眼AR显示。
很显然，本实例中的光源模块可由图1中(b)所示的光纤激光光源替换。使用光纤激光光源可以使系统更加紧凑和灵活。其原理与上述方式一致，不再赘述。
实施例3
本实施例的全息近眼AR显示系统的结构如图3所示，其使用了图1中(c)所示的三色激光光源模块。
如图3所示，该全息近眼AR显示系统由光源模块51、计算机52、纯相位型空间光调制器LCOS 53、半透半反镜54、滤波器55以及全息透镜56组成。
其中光源模块51在实施例1中有详细介绍，光路其它部分在实例2中有叙述，重复部分不再赘述。差异部分为：此处的三个声光开关分别与计算机52相连，全息透镜56为由红、绿、蓝三个全息透镜叠加组成。彩色全息显示时，通过计算机同步控制三色激光器与彩色物体三个颜色通道数据计算的的全息图时序播放，通过全息透镜56反向衍射汇聚进入人眼，实现全息近眼AR显示。
全息透镜56为体全息反射光学元件，对波长和角度有选择性，三片体全息透镜分别对不同波长的光波起作用，形成分时彩色显示。
给出了滤波器55的示意图，石英片为透明玻璃，中心镀有圆形的黑色滤波窗口，滤波窗口即为实施例2中的掩模图，其尺寸由汇聚点零级光斑的大小决定，与使用汇聚透镜的焦距有关，实现遮挡零级光的功能。
实施例4
本实施例的全息近眼AR显示系统是在实施例2和3的基础上进行优化的方案。用分光棱镜替换半透半反镜，其局部结构如图4所示。
该全息近眼AR显示系统由光源模块(图中未示出)、汇聚透镜61、纯相位空间光调制器LCOS 62、分光棱镜63、滤波器64以及全息透镜65组成。此时通过汇聚透镜61的汇聚球面波被分光棱镜63部分反射面反射照明纯相位空间光调制器LCOS 62，经纯相位空间光调制器LCOS 62反射的光透过分光棱镜63后汇聚，通过调整汇聚透镜的焦距，可使汇聚点恰好位于分光棱镜63的另一个面上，在汇聚点上镀一个滤波片64，其尺寸由汇聚点零级光斑的大小决定，用于遮挡零级光以消除零级光的干扰，衍射光继续传播，经全息透镜65反向衍射汇聚于人眼E处，人眼看到远处放大的全息再现像。该方式相比于实施例2和3使用半透半反镜的方案，减少了一个镀有滤波片的石英片作为滤波器的光学元件，使得系统更加紧凑，是一个对全息近眼AR显示更加有意义的方案。
很显然，该实现方式扔可使用RGB激光器，并使用红、绿、蓝三个全息透镜叠加组成的全息光学元件，实现时序彩色近眼AR全息三维显示。
实施例5
本实施例给出了实施例2～4中全息透镜制作系统的光路图。
如图5所示，该系统包括激光器71、准直扩束模块72，半透半反镜73，反射镜74、75和78，透镜76、79以及全息干板77。激光器71发出的细束激光，经过准直扩束模块72后形成平面波，一部分被半透半反镜73反射，反射光被反射镜74、75反射后照明透镜76，透镜76后方放置全息干板77(注：全息干板就是记录全息光学元件的材料，一般由PET保护膜，感光材料，玻璃基板三层构成，也可以是由前后两层PET膜，中间感光材料的薄膜状，是全息领域熟知的一个名称)(例如：光致聚合物板、银盐干板、光刻胶板等感光层较厚的全息记录材料板)，平面波被透镜76汇聚，透镜76为短焦距大数值孔径的透镜，其汇聚点对应于人眼观看全息再现像的位置。另一路光经过半透半反镜73后被反射镜78反射后照明透镜79，经透镜79后先汇聚后发散，发散球面波与经过透镜76后的汇聚球面波在全息干板77重叠部分发生干涉，记录全息透镜。
对于实施例3彩色显示的情况，使用该光路，更换不同颜色的激光光源，分别记录红色、绿色和蓝色全息透镜，之后将三色全息透镜堆叠得到用于彩色显示的全息透镜。
实施例6
在使用实施例2～4的全息近眼AR显示系统进行全息显示时，为了使显示的图像不受系统中滤波器的影响，特设计了同轴纯相位全息图的计算方法。
该计算方法中，定义三个平面，如图6所示，分别为SLM(高分辨率空间光调制器，SpatialLightModulator)平面81、照明到SLM上的汇聚光反射后汇聚点所在的汇聚平面82以及成像平面83。SLM平面81到汇聚平面82的距离为f，汇聚平面82到成像平面83的距离为zo。
衍射计算时，从一个平面到另一个平面的脉冲响应函数可以表示为：
其中，(x，y，z)为坐标，λ为波长，为波数。
假设输入平面复振幅为u(x，y)，衍射距离为z，则输出平面的复振幅可以表示为：
u′(x′，y′)＝∫∫μ(x，y)h(x-x′，y-y′，z)dxdy (2)
其中(x′，y′)为输出平面的坐标，(x，y)为输入平面的坐标，上述为菲涅尔衍射积分的卷积形式。
使用上述的计算方法来计算一个平面的复振幅到另一个平面的复振幅分布的衍射。
计算时，SLM平面的初始相位为随机数，从SLM发出的光场复振幅分布fslm(x，y)可以表示为：
fslm(x，y)＝exp(irand) (3)
其中(x，y)为SLM平面的坐标，i是虚数，rand为0-2pi之间的随机数。
SLM平面的光场复振幅分布fslm(x，y)乘以汇聚透镜的相位，汇聚透镜的相位可以表示为：
flens＝exp(-ikr) (4)
其中，为波数，
则经过汇聚透镜后的初始复振幅分布可以表示为：
fini(x，y)＝exp(irand)exp(-ikr) (5)
衍射距离为f，衍射到汇聚平面82的复振幅表示为fp(x，y)，乘以设置的滤波模板后的复振幅可以表示为：
fpa(x，y)＝fp(x，y)mask (6)
其中，mask为滤波器，该滤波器中心为一个圆形区域，设置为0，而其余数据为1，与fp(x，y)相乘后，将中心零级光去掉，与显示系统的滤波器参数尺寸一致。
滤波器的存在不仅会遮挡汇聚的零级光，衍射图像光在汇聚点的部分重叠光也会被遮挡，从而会对成像产生影响，因此采用迭代算法优化全息图，消除滤波器对再现像的影响。
之后衍射距离为zo，将fpa(x，y)衍射到成像平面83，得到成像平面83的复振幅分布fi(x，y)，将振幅替换为目标图像的振幅，保留相位，可以表示为：
fia(x，y)＝im*exp(angle(fi(x，y))) (7)
其中，im为目标图像，angle(fi(x，y))表示求fi(x，y)的相位。
之后，将fia(x，y)衍射回SLM平面81，衍射距离为-f-zo，得到复振幅fslm′(x，y)，振幅替换为1，保留相位，得到：
fslm(x，y)＝exp(angle(fslm′(x，y))) (8)
用公式(8)中的fslm(x，y)替换公式(3)，然后按照上述公式(4)-(8)的方式迭代计算，可判断每次迭代时成像平面的振幅|fi(x，y)|与目标图像的差异，如使用标准差进行评价，当差异减小到一定程度时(如0.05)停止迭代，或规定迭代次数，达到迭代次数后停止迭代，得到优化的纯相位全息图，为：
H＝angle(fslm′(x，y)) (9)
对于三维显示，将场景分割为多个不同深度的图像，以两个深度为例进行说明，按照上述迭代算法，分别对两个深度图像迭代计算，得到两个全息图H1和H2，最终用于显示的全息图为H＝H1+H2。
对于彩色显示，对彩色物体红、绿、蓝三个通道的数据分别按照上述方式进行迭代计算，可得到红、绿、蓝三个分量的全息图。
另一种优化算法是采用菲涅尔衍射的傅里叶变换形式替换上述菲涅尔衍射积分的卷积形式。输入平面复振幅为u(x，y)，衍射距离为z，则输出平面的复振幅，可以用菲涅尔衍射的傅里叶变换形式形式实现，可以表示为：
即：入射复振幅u(x，y)乘以进行傅里叶变换，之后乘以积分前的因子。优化迭代算法与使用卷积的衍射迭代算法相同，不再赘述。
图7中(a)和(b)为使用实施例2的显示系统，并采用菲涅尔衍射的傅里叶变换方式迭代的优化纯相位全息图进行光学显示的结果。
图7中(a)为显示系统中未放置滤波器的情形，再现像受到零级光严重干扰，图7中(b)为显示系统中放置滤波器的情形，此时零级光被消除，并且不存在由于滤波器的存在产生的影响。
图7中(c)和(d)是显示时在全息透镜(HOE)后方半米处放置一个纸板，成像在不同深度的情形。图7中(c)为显示图像的深度与设置在全息光学元件后0.5m处纸板深度相同的显示效果，采用CCD相机拍摄图像，可以同时看清显示的全息再现像和纸板上的文字。图7中(d)显示图像的深度位于设置全息光学元件后0.5m处纸板和全息光学元件之间的一个位置的显示效果，采用CCD相机拍摄图像，当聚焦在全息再现像时，后面的纸板上的文字变离焦而模糊。说明本发明所提供的计算方法，可以准确的控制图像的深度，当多层显示时，即可实现真三维全息显示。
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)
1.一种无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，其特征在于，包括：
光源模块，受控于计算机，为空间光调制器提供汇聚的照明光；
空间光调制器，受控于计算机并由计算机载入全息图，对照明光进行调制，发出受所述全息图调制的衍射图像光和未被调制的零级光；
滤波器，位于所述零级光的汇聚点所在平面上，用于滤除零级光；
全息透镜，为反射式体全息光学元件，对滤除零级光后的衍射图像光产生衍射作用，反向衍射汇聚进入人眼；
计算机，用于制作所述全息图并输入到所述空间光调制器，同步控制光源模块和空间光调制器；
环境光不受干扰地透过所述全息透镜进入人眼。
2.根据权利要求1所述的无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，其特征在于，所述的空间光调制器为反射式纯相位空间光调制器；所述的全息图为纯相位同轴全息图。
3.根据权利要求2所述的无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，其特征在于，具有半透半反镜，用于将所述的照明光反射至所述空间光调制器，所述空间光调制器产生的所述衍射图像光和所述零级光透过所述半透半反镜进入所述滤波器。
4.根据权利要求3所述的无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，其特征在于，将所述的半透半反镜替换为分光棱镜，所述照明光被所述分光棱镜的反射面反射至所述空间光调制器，所述空间光调制器产生的衍射图像光和零级光透过所述分光棱镜，所述零级光在分光棱镜的一个面A上汇聚，所述的滤波器设置在该面A上。
5.根据权利要求1所述的无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，其特征在于，所述的滤波器为镀有圆形黑色掩膜片的石英玻璃片。
6.根据权利要求1所述的无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，其特征在于，在制作所述的全息透镜时，物光和参考光的波长与所述衍射图像光的波长相等；物光和参考光的夹角与所述衍射图像光在全息透镜上的入射角相等。
7.根据权利要求6所述的无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示系统，其特征在于，采用RGB三色激光器作为光源模块，所述的全息透镜由RGB三色全息透镜叠加而成；在制作RGB三色全息透镜时，物光和参考光分别为红、绿、蓝三色光。
8.一种无零级光干扰的同轴全息近眼AR显示眼镜，其特征在于，对称设置有两套如权利要求1～7任一项所述的同轴全息近眼AR显示系统，分别为人的左眼和右眼显示全息三维再现像。
9.一种无零级光干扰的纯相位全息图的优化方法，其特征在于，其计算光路与权利要求1～7任一项所述的同轴全息近眼AR显示系统的显示光路一致；
定义空间光调制器所在的平面为SLM平面，被所述空间光调制器反射的零级光汇聚点所在的平面为汇聚平面，再现像所在平面为成像平面；所述SLM平面到汇聚平面的距离为f，汇聚平面到成像平面的距离为zo；
包括以下步骤：
(1)将SLM平面的相位初始为随机数；
(2)将SLM平面发出的光场的复振幅分布fslm(x，y)乘以汇聚透镜的相位后，进行衍射计算，衍射距离为f，得到汇聚平面的复振幅分布fini(x，y)；
(3)将复振幅分布fini(x，y)经滤波器滤波后，得到复振幅分布fpa(x，y)，进行衍射计算，衍射距离为zo，得到成像平面的复振幅分布fi(x，y)；
将复振幅分布fi(x，y)中的振幅替换为目标图像的振幅，保留相位，得到复振幅分布fia(x，y)；
(4)对复振幅分布fia(x，y)进行反向衍射计算，衍射距离为-f-zo，得到SLM平面的复振幅分布fslm′(x，y)；
将复振幅分布fslm′(x，y)中的振幅替换为1，保留相位，得到复振幅分布fslm(x，y)；
(5)将步骤(1)中的复振幅分布fslm(x，y)替换为步骤(4)得到的复振幅分布fslm(x，y)；
(6)重复步骤(1)～(5)，当成像平面的输出图像与目标图像的均方根误差小于预设值时，停止迭代；
或迭代次数达到预设迭代次数时停止迭代，得到纯相位全息图。
10.根据权利要求9所述的无零级光干扰的纯相位全息图的优化方法，其特征在于，采用菲涅尔衍射积分的卷积形式或菲涅尔衍射积分的傅里叶变换形式进行衍射计算。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181225 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |