CN110058506A - 一种基于多功能液体透镜的计算全息显示系统 - Google Patents

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王琼华
刘超
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Abstract

本发明提出一种基于多功能液体透镜的计算全息显示系统。该系统包括激光器、滤光器、固体透镜、LCoS、多功能液体透镜和接收屏，其中激光器、滤光器、固体透镜用于产生准直光，多功能液体透镜位于LCoS和接收屏之间。在全息再现中，LCoS上加载了有物体的全息图和数字透镜的全息图，通过改变数字透镜和多功能液体透镜的焦距，可以在不移动系统的任何光学组件的情况下改变再现像的放大率。同时，当再现像的大小改变时，可以通过调节多功能液体透镜的孔径尺寸来消除不良光，从而实现高质量的全息变焦显示。

Description

一种基于多功能液体透镜的计算全息显示系统
一、技术领域
本发明涉及计算全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于多功能液体透镜的计算全息显示系统。
二、背景技术
计算全息三维显示技术被认为是三维显示发展的理想方式。近两年，随着虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术的发展，基于计算全息显示的AR/VR技术吸引了国内外研究者的广泛关注。然而，由于空间光调制器，如LCoS的像素化结构和光学衍射的影响，全息再现像的质量受到不良光的干扰。传统消除不良光的方法是使用固体滤光片和几个固体透镜。如果要实现缩放功能，系统将更加复杂。近年来，可变焦光流控透镜逐渐在成像、照明和光通信中得到广泛应用。为了提高计算全息显示系统中再现像的质量，研究者开发了各种光流体透镜来取代传统的固体透镜。其中，液晶透镜和液体透镜是最常见的光流体透镜。由于液晶透镜具有快速响应和光学可切换控制的优点，一些研究者提出了基于液晶透镜的全息投影系统，以实现连续变焦的功能。然而，由于向列液晶透镜具有偏振相关的特性，因此会降低光效率。近几年，研究人员逐渐将目标放在液体透镜上，并研发了一系列不同驱动原理的液体透镜。2018年，韩国的显示团队提出了基于液体透镜的全息近眼显示系统，然而由于使用商业化液体透镜，系统结构复杂，且成本比较高。
三、发明内容
本发明提出一种基于多功能液体透镜的计算全息显示系统。如附图1所示，该系统包括激光器、滤光器、固体透镜、LCoS、多功能液体透镜和接收屏。其中激光器、滤光器、固体透镜用于产生准直光。多功能液体透镜位于LCoS和接收屏之间。当准直光照射LCoS时，衍射图像由两部分组成，一部分是由LCoS的像素化结构引起的多级衍射光，另一部分是全息图的多级重建图像。在全息再现中，LCoS上加载了有物体的全息图和数字透镜的全息图。根据全息衍射理论可知：
其中S是全息再现像的大小，d1是LCoS和多功能液体透镜之间的距离，d2是多功能液体透镜和接收屏之间的距离，p是LCoS的像素大小，λ是波长，f1是加载在LCoS上的数字透镜的焦距，f2是多功能液体透镜的焦距。通过改变数字透镜和多功能液体透镜的焦距，可以在不移动任何光学组件的情况下改变再现像的放大率。同时，当再现像的大小改变时，可以通过调节多功能液体透镜的孔径尺寸来消除不良光，从而实现高质量的全息变焦效果。
附图2是多功能液体透镜的结构。该多功能液体透镜由光阑基板、上基板、上腔体、下腔体、下基板、中间ITO基板、透镜基板、电介层、液体1、液体2、液体3组成。将光阑基板、两个圆柱形腔体和ITO基板粘合在一起作为液体光阑，液体1是黑色导电液体，液体2是不导电的液体，液体3是透明导电液体。光阑基板上设计了四个微通道用于改变孔径尺寸。将填充有液体2和液体3的透镜基板粘贴在底部基板上以实现变焦功能。光阑基板和透镜基板上均涂覆有ITO电极和介电层。当在光阑基板上施加电压时，液体1由于电润湿效应向上通过微通道，此时孔径尺寸增大，如附图2(b)所示。当在中间ITO基板上施加电压时，液体1冲向基板的中心，此时孔径尺寸缩小，如附图2(c)所示。当在透镜基板上施加电压时，液体1与液体3界面的曲率发生变化，即焦距发生改变，如附图2(d)所示。因此，该多功能液体透镜可以同时实现可调光阑和可调焦距的功能。
液体光阑的电润湿原理如附图3所示。液体1、液体2和介电层三者之间的界面力平衡关系为：
其中γ12是液体1和液体2之间的表面张力，θ0是没有施加电压的初始接触角，θ1是施加电压时的接触角，d是介电层的厚度，ε＝ε0εr是介电常数，U是施加在ITO电极上的外部电压。当施加在液体上的外力达到平衡时，满足以下公式：
F+γD2＝γ12cosθ1+γ1D, (4)
其中F代表每米的电力，γD2是介电层和液体2之间的表面张力，γ1D是液体1和介电层之间的表面张力。液体透镜中的电润湿原理与液体光阑相同。
优选地，LCoS的相位调制能力为2π。
优先地，液体1、液体2和液体3的密度相同。
四、附图说明
附图1为本发明的一种基于多功能液体透镜的计算全息显示系统的示意图。
附图2是本发明的多功能液体透镜的结构示意图。
附图3是液体光阑的电润湿原理示意图。
上述各附图中的图示标号为：
(1)激光器、(2)滤光器、(3)固体透镜、(4)LCoS、(5)多功能液体透镜、(6)接收屏、(7)光阑基板、(8)下腔体、(9)下基板、(10)上基板、(11)上腔体、(12)中间ITO基板、(13)透镜基板、(14)电介层、(15)液体1、(16)液体2、(17)液体3。
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多功能液体透镜的计算全息显示系统的实施例，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：将具有四个微通道和光孔的PMMA基板设计为光阑基板。光阑基底的高度和直径分别为3mm和25mm，微通道和光孔的直径分别为3mm和15mm。通过使用UV-331胶将光阑基板、两个圆柱形腔体和ITO基板粘在一起以形成液体光阑。透镜基底的顶部半径和底部半径分别为14mm和11mm。透镜基底和PMMA基底形成高度为5mm的液体透镜。多功能液体透镜的总高度为15mm。液体-1密度为1.08g/cm3，液体-2的密度为1.08g/cm3，粘度为300mpa·s，液体-3的密度为1.08g/cm 3。腔室中填充液体的密度是匹配的。因此，多功能液体透镜可以具有较好的机械稳定性。当衍射光通过液体透镜时，通过改变多功能液体透镜的电压，可以方便地实现高质量的计算全息变焦显示。

Claims (4)

1.一种基于多功能液体透镜的计算全息显示系统，其特征在于，该系统包括：激光器、滤光器、固体透镜、LCoS、多功能液体透镜和接收屏；其中激光器、滤光器、固体透镜用于产生准直光；多功能液体透镜位于LCoS和接收屏之间；在全息再现中，LCoS上加载了有物体的全息图和数字透镜的全息图，全息再现像的大小为：
其中S是全息再现像的大小，d1是LCoS和多功能液体透镜之间的距离，d2是多功能液体透镜和接收屏之间的距离，p是LCoS的像素大小，λ是波长，f1是加载在LCoS上的数字透镜的焦距，f2是多功能液体透镜的焦距，通过改变数字透镜和多功能液体透镜的焦距，可以在不移动任何光学组件的情况下改变再现像的放大率；同时，当再现像的大小改变时，可以通过调节多功能液体透镜的孔径尺寸来消除不良光，从而实现高质量的全息变焦效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于多功能液体透镜的计算全息显示系统，其特征在于，该系统中的多功能液体透镜由光阑基板、上基板、上腔体、下腔体、下基板、中间ITO基板、透镜基板、电介层、液体1、液体2、液体3组成；将光阑基板、两个圆柱形腔体和ITO基板粘合在一起作为液体光阑，液体1是黑色导电液体，液体2是不导电的液体，液体3是透明导电液体，光阑基板上设计了四个微通道用于改变孔径尺寸，将填充有液体2和液体3的透镜基板粘贴在底部基板上以实现变焦功能；光阑基板和透镜基板上均涂覆有ITO电极和介电层，当在光阑基板上施加电压时，液体1由于电润湿效应向上通过微通道，此时孔径尺寸增大，当在中间ITO基板上施加电压时，液体1冲向基板的中心，此时孔径尺寸缩小，当在透镜基板上施加电压时，液体1与液体3界面的曲率发生变化，即焦距发生改变，该多功能液体透镜可以同时实现可调光阑和可调焦距的功能。
3.根据权利要求1所述的基于多功能液体透镜的计算全息显示系统，其特征在于，该系统中的多功能液体透镜，当施加在液体上的外力达到平衡时，满足以下公式：
F+γD2＝γ12cosθ1+γ1D,
其中F代表每米的电力，γD2是介电层和液体2之间的表面张力，γ1D是液体1和介电层之间的表面张力，液体透镜中的电润湿原理与液体光阑相同。
4.根据权利要求1所述的基于多功能液体透镜的计算全息显示系统，其特征在于，该系统中LCoS的相位调制能力为2π，液体1、液体2和液体3的密度相同。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110750042A (zh) * 2019-10-15 2020-02-04 北京航空航天大学 一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120188620A1 (en) * 2009-06-10 2012-07-26 Easy Laser, S.L. Laser image projection system applicable to the marking of objects and method for generating holograms
CN105159045A (zh) * 2015-08-14 2015-12-16 四川大学 一种基于可调光阑的全息投影系统
CN107422623A (zh) * 2017-09-27 2017-12-01 山西大学 一种基于液体透镜的彩色全息变焦系统
CN107656431A (zh) * 2017-09-27 2018-02-02 山西大学 一种基于液体器件的全息变焦系统
US10228559B2 (en) * 2012-12-21 2019-03-12 Daqri Holographics, Ltd Holographic image projection with holographic correction

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120188620A1 (en) * 2009-06-10 2012-07-26 Easy Laser, S.L. Laser image projection system applicable to the marking of objects and method for generating holograms
US10228559B2 (en) * 2012-12-21 2019-03-12 Daqri Holographics, Ltd Holographic image projection with holographic correction
CN105159045A (zh) * 2015-08-14 2015-12-16 四川大学 一种基于可调光阑的全息投影系统
CN107422623A (zh) * 2017-09-27 2017-12-01 山西大学 一种基于液体透镜的彩色全息变焦系统
CN107656431A (zh) * 2017-09-27 2018-02-02 山西大学 一种基于液体器件的全息变焦系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110750042A (zh) * 2019-10-15 2020-02-04 北京航空航天大学 一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统

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