CN110471250B - 现场全息显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D显示领域，公开了一种现场全息显示系统，包括投影屏、全息投影器、参考光单元、人眼跟踪单元、相位调制板以及处理器。本发明采用非平行光作为参考光源，再通过设置于投影屏一侧的相位调制板，对参考光源与全息投影器的投射光发生干涉形成的干涉图进行相位调制，使其生成可以被人眼观察的无畸变3D图像，实现高品质、大尺寸3D图的显示，同时克服了现有技术需要采用投射面积与投影屏一样大的平行光来作为参考光源，导致的光路配置难度大的问题，简化了光路布置，降低了成本。

Description

现场全息显示系统
技术领域
本发明涉及3D显示领域，尤其是涉及一种现场全息显示系统。
背景技术
3D显示技术可以提供深度信息，从而展示出更加逼真的显示场景。目前主流的3D显示解决方案(比如影院的3D电影)都是基于视差图像对的伪3D显示图，并不能够显示真实的3D图像。虽然，现在已经有很多3D的显示技术被提出，但是还没有一种技术可以真正能够显示大尺度、稳定、高品质3D图像。全息显示被认为是显示领域的终极解决方案，但是由于其对设备、环境等的要求极为苛刻，所以短期内很难实现商业化应用。
授权公告号为CN106773469B的专利提供了一种全新的现场再现全息方案，为了人眼能够观察到显示大尺度、稳定、高品质3D图像，其光路布置时，需要采用投射面积与投影屏面积一样大的平行光，来作为辅助光源(辅助光源为非平行光时人眼观察到的3D图像带有畸变)，光路布置要求比较苛刻，实现难度较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对上述现有技术的不足，提供一种现场全息显示系统，采用非平行光作为参考光源，再通过引入相位调制板对干涉图进行相位调制，大大简化了光路布置上的困难，实现低成本、高质量3D图像显示的目的。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
现场全息显示系统，包括：
投影屏；
全息投影器，相对于投影屏的位置可调，用于在空间投影出具有深度信息的3D图像；
参考光单元，其投射光可以使用非平行光，与全息投影器投影发出的投射光互为相干光，并在投影屏上与全息投影器的投射光发生干涉形成干涉图；
人眼跟踪单元，用于跟踪人眼的位置；
相位调制板，对所述干涉图进行相位调制，使其生成可以被人眼观察的无畸变3D图像，参考光单元的光波前函数为R，所述相位调制板的光调制函数位T，二者满足：
T＝R*·R*
其中R为参考光在屏幕上的波函数，R*为R的共轭函数；
运动驱动模块，其与投影屏或全息投影器连接，用于控制投影屏和全息投影器之间的相对运动，来调节投影距离；
处理器，其分别与全息投影器、人眼跟踪单元和运动驱动模块电连接，所述处理器发送投影数据信息给到全息投影器，来控制全息投影器的投影画面和画面深度；
所述人眼跟踪单元将人眼的定位信息发送给处理器，所述处理器根据人眼的定位信息来控制运动驱动模块带动投影屏和/或全息投影器运动，从而调整投影屏和全息投影器的相对位置，使得人眼与全息投影器相对于投影屏对称，实现全息投影器相对于投影屏的共轭视窗始终覆盖人眼位置。
进一步地，所述相位调制板为菲涅尔透镜。
进一步地，所述投影屏为透射投影屏。
进一步地，所述参考光单元包括参考光源和透镜，所述参考光源为波前函数为球面波的点光源，所述参考光源的投射光通过透镜扩束后形成的球面光。
进一步地，所述参考光源为激光器或LED。
进一步地，所述透镜为凸透镜或者凹透镜。
进一步地，所述参考光源和全息投影器的投射光均包含红色、蓝色和绿色三元色光源。
进一步地，所述人眼跟踪单元包括摄像机和红外距离探测器，摄像机利用图像识别技术识别人脸并且定位出人眼的位置，红外距离探测器探测人眼和投影屏之间的距离。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明可以采用非平行光作为参考光源，再通过设置于投影屏一侧的相位调制板，对参考光源与全息投影器的投射光发生干涉形成的干涉图进行相位调制，使其生成可以被人眼观察的无畸变3D图像，实现高品质、大尺寸3D图的显示，同时克服了现有技术需要采用投射面积与投影屏一样大的平行光来作为参考光源，导致的光路配置难度大的问题，简化了光路布置，降低了成本。
2、通过处理器来控制全息投影器的投影画面和景深，由于焦深深度可调，避免长时间观看固定焦深画面造成的视觉疲劳，从而避免近视的发生，改善视力水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的系统图，
图2为3D成像原理图，
图3为参考光单元3的原理图，
附图标记如下：
投影屏1，全息投影器2，参考光单元3，参考光源31，透镜32，人眼跟踪单元4，相位调制板5，运动驱动模块6，处理器7，人眼8。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1至图3，本发明提供一种技术方案：
一种现场全息显示系统，包括投影屏1、全息投影器2、参考光单元3、人眼跟踪单元4、相位调制板5、运动驱动模块6以及处理器7。
投影屏1优选透明材质(半透明)的屏幕，全息投影器2优选使用两个来分别对应用户的两个眼睛，实现双眼显示模式。全息投影器2和参考光单元3均位于投影屏1的同一侧，全息投影器2用于在空间投影出具有深度信息的3D图像，参考光单元3与全息投影器2配合使用，由参考光单元3发出的投射光与全息投影器2的投射光互为相干光，能够在投影屏1上发生干涉形成干涉图。
参考光单元3的投射光为波前函数为球面波的点光源，参考光单元3包括参考光源31和透镜32，，参照图3，参考光源31可以采用激光器，透镜32优选凹透镜，激光器发出的投射光经过凹透镜扩束后转化为球面光形式L为球心与投影屏幕之间的距离。
为了能够显示彩色画面，参考光源31以及全息投影器2的投射光均包含红色、蓝色和绿色三元色光源。
相位调制板5位于投影屏1的后方，其对上述的干涉图进行相位调制，使其生成可以被人眼观察的无畸变3D图像，参考光源31的光波前函数R与相位调制板5的光调制函数T满足：
其中R为参考光源31在屏幕上的波函数，R*为R的共轭函数，相位调制板5是一个焦距为L/2的透镜，为了使显示面积更大，所述相位调制板5优选菲涅尔透镜。在实际应用中，还可以通过调整菲涅尔透镜和参考光源31的位置，来实现无畸变3D图像的现场再现，由于参考光相对于屏幕的位置是固定的，所以菲涅尔透镜只需要在一个视场上像差比较小就可以了，因此可以比较容易的获得无畸变3D图像，实现高品质、大尺寸3D图的显示。
人眼跟踪单元4位于投影屏1的上方，用于跟踪人眼8的位置来对人眼8进行定位，人眼跟踪单元4包括摄像机和红外距离探测器，摄像机利用图像识别技术识别人脸并且定位出人眼8的位置，红外距离探测器探测人眼8和投影屏1之间的距离。
运动驱动模块6与投影屏1连接，用于控制投影屏1运动从而调节与全息投影器2之间的相对位置，达到调节投影距离使投影器与人眼互为光学共轭；
处理器7分别与全息投影器2、运动驱动模块6和人眼跟踪单元4电连接，处理器7发送投影数据信息给到全息投影器2，来控制全息投影器2的投影画面和画面深度；
需要说明的是本发明所采用的处理器7的控制程序是常见的现有技术，人眼跟踪单元4将人眼8的定位信息发送给处理器7，处理器7再根据人眼8的定位信息来控制运动驱动模块6带动投影屏1移动，从而调整投影屏1和全息投影器2的相对位置使得人眼8与全息投影器2相对于投影屏1对称，从而实现全息投影器2相对于投影屏1的共轭视窗始终覆盖人眼8的位置，共轭视窗即全息投影器2相对于投影屏1的光学共轭位置，更简单的说光学共轭位置就是对称位置。
通过处理器7来控制全息投影器2的投影画面和景深，由于焦深深度可调，避免了长时间观看固定焦深画面造成的视觉疲劳，从而避免近视的发生，改善视力水平。
以上实施例仅是本发明所述的现场全息显示系统应用的其中一种实施方式，并不是对本发明的限制。
在实际应用时，优选的是使用两个全息投影器2实现了双眼显示模式，此时单个全息投影器2的镜头只需要覆盖用户的单眼，所以适用双眼显示模式的单个全息投影器2的镜头直径无需太大，当然也可以只选用一个镜头直径较大的全息投影器2来实现一个全息投影器2同时覆盖用户双眼；
全息投影器2和参考光单元3并不一定非要位于同一侧，也可以分别位于投影屏1的异侧，只要能在投影屏2上形成干涉图即可；
投影屏1也可以采用透射投影屏或背投屏等；
参考光源31采用的激光器也可以用LED来替代；
与参考光源31配套的透镜32也可以采用凸透镜，参考光源31发出的投射光经过凸透镜后先在焦点聚焦汇聚，然后发散开也可以变成非平行的球面光；
相位调制板5的位置也可以位于投影屏1的前方，只要能够对参考光源31发出的投射光与全息投影器2的投射光在投影屏1上发生干涉形成的干涉图有效的进行相位调节即可；
人眼跟踪单元4的位置优选投影屏1的上方或者下方，当然其他位置也可以，只要能够检测到人眼的位置即可，人眼跟踪单元4还可以包括3D体感交互摄像头，用于捕捉用户的交互动作；
运动驱动模块6使用来调节全息投影器2与投影屏1之间相对位置的，所以除了上述实施例中运动驱动模块6只与投影屏1连接，也可以是运动驱动模块6只与全息投影器2连接，或者是运动驱动模块6分别与投影屏1和全息投影器2连接，只要实现全息投影器2与投影屏1相对运动即可。
虽然，以上实施例中相位调制板5是用来消除附加相位的，但实际应用时还可以通过引入额外的相位来改变视窗位置，比如使共轭视窗向某一个方向偏移一定距离。
本发明的成像原理如下：
全息投影器2可以在空间投影出具有深度信息的3D图像，其投影光场(物光场)用表示，参考光源用/>表示；其中Ao、Ar、/>分别是空间坐标x和y的函数
那么全息投影器2的投影光和参考光源31的光在投影屏上的干涉图光强满足：
I＝(R+O)·(R+O)*＝O2+R2+OR*+RO*
形成一幅明暗相间的条纹图，其中明条纹处有光通过或者被散射开，而暗条纹处没有光通过或者散射开。透射(或者散射)过去的光(参考光和物光)实际上已经相当于被干涉图调制过了，被调制后的参考光满足：
R·I∝R(O2+R2)+OR2+(R·R)O*
其中右侧第三项包含物光的共轭光场信息O*，但同时附加了R·R调制信息，此时如果再经过相位为T的相位调制板5调制之后，出射光场Lo满足：
Lo∝T(R·R)O*
只要T＝R*·R*(或者两者近似相等，T≈R*·R*)则，物光的共轭光场O*就可以被再现，并且在全息投影器2相对于投影屏1的光学共轭位置被观察到。
工作原理：本发明所述的现场全息显示系统在使用时，全息投影器2的投射光(在空间中形成有深度的3D图像)照射在投影屏1上，并且与参考光源31的投射光在投影屏1上发生干涉，并在投影屏1上形成明暗相间的干涉图。干涉图中亮条纹处有光通过，暗条纹处没有光通过，所以干涉图本身可以看成一个光场调制器。参考光源31的投射光被干涉图调制后，在投影屏1的后方形成投影3D图像的共轭像(参考光源31的投射光为非平行光时带有畸变)；
相位调制板5的相位函数与参考光源31满足关系式T＝R*·R*，因此可以把有畸变的共轭像转化成无畸变的共轭像，在投影屏1的另一侧的空间形成3D图像，人在观察时，人眼跟踪单元4跟踪人眼8位置来对人眼8进行定位，并将人眼8的定位信息发送给处理器7，处理器7再根据人眼8的定位信息来控制并调整投影屏1和全息投影器2的相对位置，使全息投影器2相对于投影屏1的共轭视窗始终覆盖人眼8的位置，使得人眼始终看到的是无畸变的3D图像。
相对于现有技术而言，本发明所述的现场全息显示系统解决了光路布置要求比较苛刻，实现难度大的问题，通过引入相位调制板5来对全息投影器2与参考光源31的投射光干涉形成的干涉图进行相位调制，大大简化了光路布置上的困难，实现低成本、高质量3D图像显示的目的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种现场全息显示系统，其特征在于，包括：
投影屏(1)；
全息投影器(2)，相对于投影屏(1)的位置可调，用于在空间投影出具有深度信息的3D图像；
参考光单元(3)，与全息投影器(2)投影发出的投射光互为相干光，并在投影屏(1)上与全息投影器(2)的投射光发生干涉形成干涉图；
人眼跟踪单元(4)，用于跟踪人眼(8)的位置；
相位调制板(5)，对所述干涉图进行相位调制，使其生成可以被人眼(8)观察的无畸变3D图像，所述参考光单元(3)的光波前函数为R，所述相位调制板(5)的光调制函数为T，二者满足：
T＝R*·R*
其中R为参考光在屏幕上的波函数，R*为R的共轭函数；
运动驱动模块(6)，分别与投影屏(1)和/或全息投影器(2)连接，用于控制投影屏(1)和全息投影器(2)之间的相对运动，来调节投影距离；
处理器(7)，分别与全息投影器(2)、人眼跟踪单元(4)和运动驱动模块(6)电连接，所述处理器(7)发送投影数据信息给到全息投影器(2)，来控制全息投影器(2)的投影画面和画面深度；
所述人眼跟踪单元(4)将人眼(8)的定位信息发送给处理器(7)，所述处理器(7)根据人眼(8)的定位信息来控制运动驱动模块(6)带动投影屏(1)和/或全息投影器(2)运动，从而调整投影屏(1)和全息投影器(2)的相对位置，使得人眼(8)与全息投影器(2)相对于投影屏(1)对称，实现全息投影器(2)相对于投影屏(1)的共轭视窗始终覆盖人眼(8)位置。
2.根据权利要求1所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述相位调制板(5)为菲涅尔透镜。
3.根据权利要求1所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述投影屏(1)为透射投影屏幕。
4.根据权利要求1所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述参考光单元(3)包括参考光源(31)和透镜(32)，所述参考光源(31)为波前函数为球面波的点光源，所述参考光源(31)的投射光通过透镜(32)扩束后形成的球面光。
5.根据权利要求4所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述参考光源(31)为激光器或LED。
6.根据权利要求4所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述透镜(32)为凸透镜或者凹透镜。
7.根据权利要求4所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述参考光源(31)和全息投影器(2)的投射光均包含红色、蓝色和绿色三元色光源。
8.根据权利要求1所述的一种现场全息显示系统，其特征在于：所述人眼跟踪单元(4)包括摄像机和红外距离探测器，摄像机利用图像识别技术识别人脸并且定位出人眼(8)的位置，红外距离探测器探测人眼(8)和投影屏(1)之间的距离。
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