CN109917551A - 一种基于锥透镜的全息ar显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于锥透镜的全息AR显示方法。该方法通过由激光器、准直透镜、空间光调制器和分光镜组成的系统实现，并包括以下五个步骤：第一步，通过计算机提取虚拟物体的信息，生成物体的相位全息图；第二步，使用锥透镜来实现全息显示，计算出锥透镜的焦深，并用计算机生成锥透镜的相位信息，加载到空间光调制器上，以实现大的焦深再现；第三步，将物体的全息图信息与锥透镜的相位信息叠加，产生最终的全息图；第四步，使用分光镜作为全息AR显示的组合器件，将最终全息图加载到空间光调制器上，当使用激光照射加载有最终全息图的空间光调制器时，根据衍射理论，通过分光镜的反射可以看到重建的虚拟物体图像；第五步，将真实物体置于分光镜的另一侧，通过分光镜可以看到真实物体的场景信息，从而实现全息AR显示。
Description
一、技术领域
本发明涉及增强现实(AR)显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于锥透镜的AR显示方法。
二、背景技术
随着显示技术的发展，AR产品已经应用到诸如视频、游戏、工程、教育、医疗和房地产等许多领域。AR显示通过AR设备将计算机生成的虚拟图像显示在现实世界的场景中，以增强人们与世界的互动。作为基于双目视觉的典型AR设备之一，Google Glass使用分光镜将虚拟对象与现实世界相结合，通过采用超轻薄设计的微投影镜头，将微投影镜头安在头盔上，实现了重量小于700克的头戴式显示效果。但是，长时间佩戴基于双目视觉的产品可能会导致头晕和疲劳。以Magic Leap One代表的AR设备则使用光场显示技术。一些研究人员使用全息光学元件和透镜阵列来实现透视AR显示。由于全息光学元件的材料大多是不可擦除的光敏材料，因此其应用受到了限制。2014年，研究人员开发了一种基于RGB发光二极管的头戴全息显示器。2015年，基于改进的分层计算方法被提出并用于全息实时显示。2017年，研究人员提出了基于全息光栅滤波器的透视3D头戴显示器，以提高图像质量。在全息投影系统中，只有在焦平面处才能重建清晰的图像，如果离开焦平面，图像将变得模糊。虽然一些研究人员在AR系统中使用变焦液体透镜来解决这个问题，但目前依然难以实现理想的显示效果。
三、发明内容
本发明提出一种基于锥透镜的全息AR显示方法，如附图1所示，该方法通过由激光器、准直透镜、空间光调制器和分光镜组成的系统实现，并包括以下五个步骤，如图2所示。
第一步，对于虚拟物体的图像，通过计算机提取物体的信息，生成物体的相位全息图；
第二步，使用锥透镜来实现全息显示，计算出锥透镜的焦深，并用计算机生成锥透镜的相位信息，加载到空间光调制器上，以实现大的焦深再现；
第三步，将物体的全息图信息与锥透镜的相位信息叠加，产生最终的全息图；
第四步，使用分光镜作为全息AR显示的组合器件，将最终全息图加载到空间光调制器上，当使用激光照射加载有最终全息图的空间光调制器时，根据衍射理论，通过分光镜的反射可以看到重建的虚拟物体图像；
第五步，将真实物体置于分光镜的另一侧，通过分光镜可以看到真实物体的场景信息，通过这种方法可以实现全息AR显示。
优先地，一种基于锥透镜的全息AR显示方法，其特征在于，如附图3所示，锥透镜的相位用以下公式表示：
其中λ是光波的波长，d是径向坐标，f0是焦距，z是焦深，r是锥透镜的半径。当使用锥透镜时，可以在z的焦深范围内看到清晰的图像。相较于传统的光学透镜，锥透镜同时具有长焦深和高水平分辨率两个优点。因此，当在全息重建中使用锥透镜时，可以在长焦深处看到清晰的图像。在本发明所提出的方法中，空间光调制器用于记录锥透镜的相位信息。根据上述公式将计算后的锥透镜相位信息与全息图信息相加并加载到空间光调制器上，当再现光照射空间光调制器时，重建图像的衍射分布信息Uf(x,y)为：
其中k＝2π/λ,U(u,v)是全息图的分布信息，当最终全息图被加载到空间光调制器上时，重建的图像可以由分光镜反射到观看者眼中；同时，观看者也可以通过BS看到真实的物体场景。虚拟物体重建图像的观看范围等于锥透镜的焦深距离。
四、附图说明
附图1为本发明的一种基于锥透镜的全息AR显示方法所使用的系统结构示意图。
附图2为本发明的一种基于锥透镜的全息AR显示方法的示意图。
附图3为锥透镜的原理示意图。
上述各附图中的图示标号为：
(1)激光器、(2)准直透镜、(3)空间光调制器、(4)分光镜。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种基于锥透镜的全息AR显示方法的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的一个实施例为：在实验中使用波长为532nm的激光器，空间光调制器的面板大小为12.29mm×6.91mm，衍射效率为75％，填充因子大于93％。本发明使用的方法采用附图1所示的系统来实现，其中锥透镜的焦距和焦深都设定为50cm，半径设定为1cm。用汽车模型作为虚拟物体图像，杯子用作真实物体。通过使用迭代傅里叶算法生成汽车的全息图，然后将汽车的相位全息图与锥透镜的相位全息图组合，生成最终的全息图。将最终全息图加载在空间光调制器上，当激光照射空间光调制器时，可以通过分光镜看到虚拟的汽车图像和真实的杯子图像，当观看者的位置移动时，在焦深50cm的范围内都可以看到清晰的汽车再现像。因此，本发明所提出的一种基于锥透镜的全息AR显示方法可以实现大焦深的全息AR显示效果。
Claims (2)
1.一种基于锥透镜的全息AR显示方法，其特征在于，该方法通过由激光器、准直透镜、空间光调制器和分光镜组成的系统实现，并包括以下五个步骤：
第一步，对于虚拟物体的图像，通过计算机提取物体的信息，生成物体的相位全息图；
第二步，使用锥透镜来实现全息显示，计算出锥透镜的焦深，并用计算机生成锥透镜的相位信息，加载到空间光调制器上，以实现大的焦深再现；
第三步，将物体的全息图信息与锥透镜的相位信息叠加，产生最终的全息图；
第四步，使用分光镜作为全息AR显示的组合器件，将最终全息图加载到空间光调制器上，当使用激光照射加载有最终全息图的空间光调制器时，根据衍射理论，通过分光镜的反射可以看到重建的虚拟物体图像；
第五步，将真实物体置于分光镜的另一侧，通过分光镜可以看到真实物体的场景信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于锥透镜的全息AR显示方法，其特征在于，锥透镜的相位用以下公式表示：
其中λ是光波的波长，d是径向坐标，f0是焦距，z是焦深，r是锥透镜的半径；当使用锥透镜时，可以在z的焦深范围内看到清晰的图像，相较于传统的光学透镜，锥透镜同时具有长焦深和高水平分辨率两个优点，当在全息重建中使用锥透镜时，可以在长焦深处看到清晰的图像；空间光调制器用于记录锥透镜的相位信息，根据上述公式将计算后的锥透镜相位信息与全息图信息相加并加载到空间光调制器上，当再现光照射空间光调制器时，重建图像的衍射分布信息Uf(x,y)为：
其中k＝2π/λ,U(u,v)是全息图的分布信息，当最终全息图被加载到空间光调制器上时，重建的图像可以由分光镜反射到观看者眼中，同时，观看者也可以通过BS看到真实的物体场景，虚拟物体重建图像的观看范围等于锥透镜的焦深距离。
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