CN110750042A - 一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统 - Google Patents

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王迪
刘超
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Abstract

本发明提出一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统。该系统包括光源、滤波器、固体透镜、光束偏折器、同步控制器、LCoS和扩散屏；其中光源、滤波器和固体透镜用于产生均匀的入射光束，光束偏折器用于调节入射光束与LCoS之间的夹角。光束偏折器、LCoS分别与同步控制器相连，同步控制器用于控制光束偏折器的偏转速度和加载到LCoS上全息图的切换时间一致。扩散屏位于观看者和LCoS之间，用于保证全息图切换时再现像视角的连续。为了实现高刷新率的LCoS，采用化学试剂合成含氟联苯乙炔液晶单体化合物。当在LCoS上时序加载全息图时，根据人眼视觉暂留效应，可以看到大视角的全息再现像。

Description

一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统
一、技术领域
本发明涉及全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于高刷新率LCoS(硅基液晶)的大视角全息显示系统。
二、背景技术
基于空间光调制器的全息显示技术作为一种最理想的3D显示方式，在军事、医疗、科研和娱乐等众多领域具有广阔的应用前景。LCoS作为空间光调制器中的一种，具有衍射效率高和响应时间快等优点，被广泛地用于全息显示中。然而，受限于LCoS的发展水平和全息图生成算法，全息再现像的观看视角非常小，目前市场上像素尺寸为μm级别的LCoS对应的视角仅为几度，严重影响了人们的观看体验。2013年，美国中佛罗里达大学的研究者使用大Δn(双折射率)材料开发了亚毫秒响应的LCoS，并进一步研究了可应用于反射配置的亚毫秒响应的蓝相液晶。肯特州立大学的研究者研究了获得低于1μm像素的LCoS微显示器面临的相应问题，为未来LCoS像素的进一步缩小提供了参考。也有研究者通过使用多个LCoS拼接来扩大全息显示的视角，然而相邻LCoS之间的缝隙会降低系统的光能利用率，且多个LCoS会大大地增加系统的成本。如今，实现大视角的全息显示效果已经成为全息发展的重要目标。
三、发明内容
本发明提出一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统，如附图1所示，该系统包括光源、滤波器、固体透镜、光束偏折器、同步控制器、LCoS和扩散屏。光源、滤波器和固体透镜用于产生均匀的入射光束。光束偏折器位于固体透镜和LCoS之间，用于调节入射光束与LCoS之间的夹角。光束偏折器、LCoS分别与同步控制器相连，同步控制器用于控制光束偏折器的偏转速度和加载到LCoS上全息图的切换时间一致。扩散屏位于观看者和LCoS之间，用于保证全息图切换时再现像视角的连续。LCoS中的液晶采用化学试剂合成含氟联苯乙炔液晶单体化合物，提高了液晶双折射率和响应速度。
如附图2所示，在全息图的生成过程中，首先用计算机生成物体的3D模型，设置一定的水平间隔角度对物体的n个角度信息分别进行记录；其次，分别提取物体n个角度信息的点云数据并生成相应的全息图。如附图3所示，在全息显示中，在T1时刻，控制光束偏折器以初始角度照射LCoS，此时在LCoS上加载全息图1，根据全息衍射原理，可以看到全息图1的再现像，初始观看视角为θ0；在T2时刻，控制光束偏折器使光束与LCoS之间发生θ的偏转角度，在LCoS上加载全息图2，此时可以看到全息图2的再现像；按以上步骤依次进行操作，在Tn时刻，控制光束偏折器使光束与LCoS之间发生θ×(n-1)的偏转角度，在LCoS上加载全息图n，则可以看到全息图n的再现像。通过同步控制器保证光束偏折器的偏转速度和加载到LCoS上全息图的切换时间在人眼视觉暂留之内。在切换过程中，使用扩散屏消除不同时刻再现像视角之间的间隙，根据人眼视觉暂留效应，可以在θ0×n的视角范围内看到物体的3D再现像，实现大视角的全息再现效果。
优选地，采用的光束偏折器类型包括固体光束偏折器、液体光束偏折器和液晶光束偏折器；其中固体光束偏折器包括MEMS微反射镜和扫描棱镜，液体光束偏折器包括由电润湿、介电泳力和机械马达驱动的液体反射镜及液体棱镜等。
优选地，所述的含氟联苯乙炔液晶单体化合物是中心基团和联苯结构的非极性和含氟液晶单体化合物，通过混配液晶材料配制成低粘度大Δn宽温域特性液晶材料，LCoS的刷新率不低于180HZ。
优选地，光束偏折器的偏折角度θ≧θ0，扩散屏的扩散角
Figure BDA0002233793110000021
四、附图说明
附图1为本发明的一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统的结构示意图。
附图2为本发明的全息图生成示意图。
附图3为本发明的一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统的原理示意图。
上述各附图中的图示标号为：
(1)光源、(2)滤波器、(3)固体透镜、(4)、光束偏折器、(5)LCoS、(6)同步控制器、(7)扩散屏。
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高刷新率LCoS的大视角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：使用波长为532nm的绿色激光作为光源，固体透镜的焦距为300mm，LCoS的像素数为1920×1080，像素间距为8μm，刷新率为180HZ，光束偏折器每次偏折的角度为～2°，扩散屏的扩散角为～0.1°。使用3D Studio Max软件建立物体的3D模型，设置水平间隔角度～2°并对物体的6个不同角度分别进行拍摄；提取相应角度的点云数据并使用角谱算法分别生成6幅全息图，全息图的分辨率均为1920×1080。在T1时刻，在LCoS上加载全息图1，根据全息衍射原理，可以看到全息图1的再现像，根据全息衍射原理可计算出初始观看视角为～1.9°；在T2时刻，控制光束偏折器使光束与LCoS之间发生～2°的偏转，在LCoS上加载全息图2，此时可以看到全息图2的再现像；按以上步骤依次进行操作，在T6时刻，控制光束偏折器使光束与LCoS之间继续发生～10°的偏转角度，在LCoS上加载全息图6，使用同步控制器控制光束偏折器的偏折角及全息图的切换时间在人眼视觉暂留内，可以看到全息再现像的视角为～12°。

Claims (5)

1.一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统，其特征在于，该系统包括光源、滤波器、固体透镜、光束偏折器、同步控制器、LCoS和扩散屏；其中光源、滤波器和固体透镜用于产生均匀的入射光束；光束偏折器位于固体透镜和LCoS之间，用于调节入射光束与LCoS之间的夹角；光束偏折器、LCoS分别与同步控制器相连，同步控制器用于控制光束偏折器的偏转速度和加载到LCoS上全息图的切换时间一致；扩散屏位于观看者和LCoS之间，用于保证全息图切换时再现像视角的连续；采用化学试剂合成含氟联苯乙炔液晶单体化合物，提高液晶双折射率和响应速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统，其特征在于，在全息图的生成过程中，首先用计算机生成物体的3D模型，设置一定的水平间隔角度对物体的n个角度信息分别进行记录；其次，分别提取物体n个角度信息的点云数据并生成相应的全息图；在全息显示中，在T1时刻，控制光束偏折器以初始角度照射LCoS，此时在LCoS上加载全息图1，根据全息衍射原理，可以看到全息图1的再现像，初始观看视角为θ0；在T2时刻，控制光束偏折器使光束与LCoS之间发生θ的偏转角度，在LCoS上加载全息图2，此时可以看到全息图2的再现像；按以上步骤依次进行操作，在Tn时刻，控制光束偏折器使光束与LCoS之间发生θ×(n-1)的偏转角度，在LCoS上加载全息图n，可以看到全息图n的再现像；通过同步控制器保证光束偏折器的偏转速度和加载到LCoS上全息图的切换时间在人眼视觉暂留之内时；在切换过程中，使用扩散屏消除不同时刻再现像视角之间的间隙，根据人眼视觉暂留效应，可以在θ0×n的视角范围内看到物体的3D再现像。
3.根据权利要求1所述的一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统，其特征在于，采用的光束偏折器类型包括固体光束偏折器、液体光束偏折器和液晶光束偏折器；其中固体光束偏折器包括MEMS微反射镜和扫描棱镜，液体光束偏折器包括由电润湿、介电泳力和机械马达驱动的液体反射镜及液体棱镜等。
4.根据权利要求1所述的一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统，其特征在于，含氟联苯乙炔液晶单体化合物是中心基团和联苯结构的非极性和含氟液晶单体化合物，通过混配液晶材料配制低粘度大Δn宽温域特性液晶材料，LCoS的刷新率不低于180HZ。
5.根据权利要求1所述的一种基于高刷新率LCoS的大视角全息显示系统，其特征在于，光束偏折器的偏折角度θ≧θ0，扩散屏的扩散角
Figure FDA0002233793100000011
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