CN110058507B - 一种光强可调的高质量全息显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光强可调的高质量全息显示系统。该系统包括SLM、准直光源、PBS、透镜、液体光阑和接收屏。其中，PBS位于SLM和准直光源之间，液体光阑位于透镜和接收屏之间，且液体光阑位于透镜的焦平面上。当准直光束通过PBS并照射SLM时，加载在SLM上的全息图被调制。衍射光通过PBS、透镜和液体光阑后，可以在接收屏上再现出物体的图像。液体光阑由两部分组成：孔径控制部分和光强控制部分。作为系统的核心元件之一，该液体光阑不仅用于调节再现像的强度，还用于调整再现像的视场。因此，该系统可以实现无高级衍射像和高级衍射光的高质量全息显示。
Description
一、技术领域
本发明涉及计算全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种光强可调的高质量全息显示系统。
二、背景技术
人类生活在一个三维世界中，三维信息的接收和显示是视觉再现的重要方式。随着科学技术的发展，人们在三维信息的采集、存储、处理和传输方面逐步取得突破。全息显示作为真三维显示方式之一，它可以完整地记录和重建物体的波前信息，从而提供人类视觉所需的所有深度信息。因此，全息显示技术已成为信息显示领域的重要发展方向。到目前为止，尽管全息显示技术研究取得了很多成果，但仍存在许多限制其发展的问题，如彩色再现像的重合和不良光的消除。实现彩色全息显示的常用方法是基于单个空间光调制器(SLM)的时间复用方法或基于三个SLM的空间复用方法。在彩色全息重建中，人们通常比较关注三种颜色再现像的精确重合。但还有另一个问题—颜色的均匀匹配。由于人眼对不同颜色的光的敏感度不同，加上每个激光的功率损耗不同，因此，不同颜色再现像的强度是不同的，从而导致了再现像颜色的失真。这种不同强度的激光再现出的彩色图像会影响彩色观看效果。使用可调功率激光器是一个选择，但其成本太高，并且可调激光的功率稳定性和精度也有限。因此，亟待发明一种光强可调的高质量全息显示系统。
三、发明内容
本发明提出一种光强可调的高质量全息显示系统。如附图1所示，该系统包括SLM、准直光源、PBS、透镜、液体光阑和接收屏。其中，PBS位于SLM和准直光源之间，液体光阑位于透镜和接收屏之间，且液体光阑位于透镜的焦平面上。当准直光束通过PBS并照射SLM时，加载在SLM上的全息图被调制。衍射光通过PBS、透镜和液体光阑后，可以在接收屏上再现出物体的图像。作为系统的核心元件之一，液体光阑不仅用于调节再现像的强度，还用于调整再现像的视场。因此，该系统可以实现无高级衍射像和高级衍射光的再现像。
在全息再现中，当使用准直光源照射SLM时，SLM后的衍射场分布为：
其中Uf(x,y)是重建的衍射分布，k＝2π/λ，f是透镜的焦距，λ是波长，U(x,y)是全息图的分布。当全息图被加载到SLM上时，重建的图像由PBS反射到接收屏上。为了消除不良光，在SLM上加载半径为l的球面波。当衍射光经过透镜后，通过液体光阑消除由SLM的像素结构引起的衍射光和高级再现像，如附图2所示。根据全息衍射理论可知，接收屏上再现像的大小为：
其中H是重建图像的大小，d1是SLM和透镜之间的距离，p是SLM的像素间距，d2是透镜和接收屏之间的距离。
本发明所提出的系统中液体光阑的结构如附图3所示。液体光阑包含顶部基板、底部基板、液体1、液体2、偏振片1、偏振片2和液晶单元，该液体光阑由两部分组成：孔径控制部分和光强控制部分。在孔径控制部分中，液体1和液体2分别是不导电液体和导电液体。电极和介电层依次涂覆在底部基板上。底部基板上固定了一个黑色遮光膜。当在液体2和电极上施加电压时，由于电润湿效应，液体2向底部基板的中心移动，从而改变孔径的尺寸，如附图3(a)-(b)所示。接触角θ与电压之间的关系可以用下式表示：
其中U是施加的电压，ε是绝缘层的介电常数，d是绝缘层的厚度，θ是液体2和底部基板之间的接触角，γ1、γ2和γ12分别是底部基板和液体1、底部基板和液体2以及两种液体之间的界面张力。在光强控制部分，两个偏振片分别粘附在顶部基板和底部基板上。液晶单元是90°的扭曲向列单元，偏振片1与偏振片2正交。当液晶单元上不加电压时，入射光可以通过光阑，此时入射光通过液晶单元发生90度的偏振旋转，如图3(c)所示。当液晶单元上加电压时，液晶指向矢垂直于电压关闭时指向矢的状态。在这种状态下，光孔呈闭合状态，如图3(d)所示。因此，所提出的液体光阑可以实现在系统中同时控制孔径尺寸和光强度的功能。
优先地，液体1和液体2的密度相同。
四、附图说明
附图1为本发明的一种光强可调的高质量全息显示系统的结构示意图。
附图2是本发明的一种光强可调的高质量全息显示系统的原理示意图。
附图3是本发明的液体光阑的结构示意图。附图3(a)是不加电压时光阑的结构示意图，附图3(b)是加电压时光阑的结构示意图，附图3(c)是不加电压时光阑的通光状态示意图，附图3(d)是加电压时光阑的通光状态示意图。
上述各附图中的图示标号为：
(1)SLM、(2)PBS、(3)准直光源、(4)透镜、(5)液体光阑、(6)接收屏、(7)液体1、(8)液体2、(9)电极、(10)介电层、(11)黑色遮光膜、(12)偏振片1、(13)偏振片2、(14)液晶单元。
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光强可调的高质量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：在全息系统中，使用绿色激光作为准直光，其波长为532nm。SLM为纯相位式空间光调制器，透镜的焦距为300mm，透镜与接收屏之间的距离为300mm。用莲花作为被记录物体，使用苯基甲基硅油(密度为1.03g/cm 3)作为液体1，将与油墨混合的丙醇(密度为～1.03g/cm 3)用作液体2。在初始状态下，液体2粘附在基板的侧壁上，此时光阑的通光孔径最大，约为12.4mm；当电压大于35V时，液体2开始移动，则孔径变小。通过在电极和液体2上施加电压可以改变液体光阑的大小。因此，通过调节施加在电极和液体2上的电压，可以在接收屏上观看到无高级衍射光和高级衍射像的重建图像。通过改变液体光阑中液晶单元的电压，可以相应地容易地调整重建图像的光强度。因此，利用系统中提出的光阑，可以方便地实现光强可调的高质量全息显示系统。
Claims (1)
1.一种光强可调的高质量全息显示系统，其特征在于，该系统包括：SLM、准直光源、PBS、透镜、液体光阑和接收屏；其中，PBS位于SLM和准直光源之间，液体光阑位于透镜和接收屏之间，且液体光阑位于透镜的焦平面上，当准直光束通过PBS并照射SLM时，加载在SLM上的全息图被调制；衍射光通过PBS、透镜和液体光阑后，可以在接收屏上再现出物体的图像；作为系统的核心元件之一，液体光阑包含顶部基板、底部基板、液体1、液体2、偏振片1、偏振片2和液晶单元，液体光阑中的液体1是不导电液体，电极和介电层依次涂覆在底部基板上，液体2和底部基板是导电的，液晶单元是电压驱动的，底部基板上固定了一个黑色遮光膜；偏振片1粘附在顶部基板上，偏振片2粘附在底部基板上，液体光阑由孔径控制部分和光强控制部分组成；当在液体2和电极上施加电压时，由于电润湿效应，液体2向底部基板的中心移动，从而改变孔径的尺寸；液晶单元是90°的扭曲向列单元，偏振片1与偏振片2正交，当液晶单元上不加电压时，入射光可以通过光阑，此时入射光通过液晶单元发生90度的偏振旋转；当液晶单元上加电压时，液晶指向矢垂直于电压关闭时指向矢的状态，在这种状态下，光孔呈闭合状态，液体1和液体2的密度相同，液体光阑可以实现在系统中同时控制孔径尺寸和光强度的功能，该系统可以实现无高级衍射像和高级衍射光的再现像。
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