CN111190334A - 基于空间光调制器拼接阵列的计算全息3d显示系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于空间光调制器(以下简称SLM)拼接阵列的计算全息三维(3D)显示系统和方法，其系统包括：SLMs无缝拼接阵列、全息影像放大和视角扩展系统和照明系统。SLMs无缝拼接阵列是由一系列单个SLM显示芯片通过镜像原理拼接而成，拼接后的各个显示芯片有效显示面的对应边缘无缝连接，且各个元件的边缘对入射光未有遮挡。其作用是，可以将满足3D显示要求的宽幅全息图作为写入信号，对入射在该SLMs拼接阵列上的光进行空间调制，以进行全息重建；影像放大系统由成像镜头、场镜和全息定向屏构成，用于对计算全息图的再现像进行放大，并扩展视场角；照明系统提供入射到SLMs拼接阵列上的写入光，其是由球面透镜和柱面透镜构成的光组，设计目标是使全息再现像最大化、充分利用光能以及提高再现像的亮度。
Description
技术领域
本发明属于全息三维显示技术领域，尤其涉及一种SLMs(SLM，Spatial LightModulator，空间光调制器，SLMs为两片及两片以上SLM)阵列全息三维显示系统及方法。
背景技术
全息三维显示技术(The holographic three-dimensions display)是利用干涉原理编码待显示的物体光波前，然后利用衍射原理重构物体光波前的三维图像显示技术。
全息显示关键技术之一是如何将待显示物体光的波前信息编码到一个二维图像之中，这个图像就是所谓的全息图。诺贝尔奖获得者盖博提出利用光的干涉原理记录物体光波信息。全息成像过程为：将激光束分为两束，一束照明物体，经物体透射或反射形成漫射式的物光，另一束作为参考光，物光和参考光在相遇区间发生干涉，利用感光材料将干涉条纹记录下来，就形成了全息图。全息图将物光波的振幅和相位信息通过干涉的方法编码到干涉条纹中，形成了一个复杂的光栅，如果利用原来参考光照明全息图，原来的物光波将会被衍射出来，这就意味着重构了物体的像。
随着计算机科学技术和光电技术的快速发展，利用计算方法对物光波进行编码已经成为当今的研究热点。这种技术被称作计算机制全息术(Computer-generatedholography，CGH)或计算全息术(Computing Holography)。计算全息不需要物体的实际存在，只要把物光波的数学描述输入计算机，经计算机编码后得到数字化全息图，计算全息图可以方便的输出到空间光调制器(SLM)中，进行直接显示。计算全息图不仅可以全面地记录实际光波的振幅和相位，而且能综合出自然界不存在的物体波前，因而具有独特的优点和极大的灵活性，对现实增强和虚拟现实显示具有重要的实用意义。
由于能够灵活地对光波波前进行调制，空间光调制器被广泛应用于计算全息投影技术中。但是成像的质量受目前SLM像素尺寸、陈列大小、棱镜P的填充率和帧数性能参数的限制。其中之一表现为再现像的可视角度较小，无法达到理想的三维显示效果。
基于SLM的全息三维显示再现像的视角，很多专家提供了许多视角拓展方法。比如多SLM空间拼接方法、单SLM时分复用方法、时分和空间复用相结合的方法。
在《中国光学》杂志的2015年4月份、第8卷第2期上公开了“空间光调制器曲面拼接实现全息三维显示视角拓展”.本文对多空间光调制器不同拼接方式拓展全息三维再现像视角的方法进行了分析，基于多片空间光调制器拼接拓展视角的思想，利用平面反射镜、分光镜和两片透射式空间光调制器设计了曲面拼接系统，进行了全息三维再现像的视角拓展实验研究。用该系统对四棱锥物体的层析菲涅尔衍射全息图进行再现，结果表明，总视角由基于单片空间光调制器的1.7°增大到3.2°，即拓展到约1.9倍，分光镜能够消除两片空间光调制器间的间隙，实现无缝拼接。光源发出的源光经扩束准直后由分光镜BS1分成两束，一束经反射镜M2垂直照射到SLM1上，另一束经反射镜M3垂直照射到SLM2上，通过分光镜BS2的合束作用来消除两片SLM之间的间隙，原则上实现无缝拼接。但是，从该文中可知，两片SLM无缝拼接是通过调整SLM空间位置来实现。那么如何能实现调整SLM空间位置呢？主要是用人眼的观察判定。这种方案虽然谈的是曲面拼接，但是由于采用人眼的观察来判定其空间位置，存在各种不确定性，该方案是无法适用于更多空间光调制器的曲面拼接中。
在中国公开的专利文献中，苏州大学于2016年04月13日在申请号为201620307278.8提出了一种基于空间光调制器的全息三维显示装置，包括用于生成全息图的计算机、用于加载全息图的空间光调制器、激光光源、用于调制光偏振态的偏振调制器件、用于将通过偏振调制器件的光反射到空间光调制器的分光棱镜、透镜、定向衍射屏，定向衍射屏上设置像素型纳米光栅，分光棱镜、透镜、定向衍射屏依次设置在空间光调制器的光轴心线上，定向衍射屏在光轴上的位置与空间光调制器上加载的全息图的再现像面位置以及透镜的后焦面位置重合。在该专利申请文件中，提出了“用若干个空间光调制器拼接成空间光调制器阵列来提高空间带宽积，以实现全息再现像的图像拼接”，但是，在该专利文件中，并没有给出具体的拼接方法。
综上所述，现有的多片SLM拼接的精度要求高，无法做到真正意义上的无缝拼。特别是更多空间光调制器阵列的无缝拼接。
英国的杜尔利塔斯有限公司在申请号为201810870996.X(优先权为：2017.08.02GB 1712432.2)中公开了一种全息投影仪，其包括空间光调制器，光接收构件和驱动器。空间光调制器被布置成接收并表示计算机生成的全息图，并且在空间上调制入射在该空间光调制器上的光，以根据计算机生成的全息图形成全息重建。光接收构件被布置成从空间光调制器接收沿光轴的空间调制的光，并且全息重建形成在该光接收构件上。驱动器耦接到光接收构件以使光接收构件在平面中移动。驱动器被配置为移动光接收构件，同时保持光接收构件相对于空间光调制器的取向基本恒定。
而现有的多片SLM拼接的精度要求高，无法做到真正意义上的无缝拼。特别是更多空间光调制器阵列的无缝拼接，因此影响整个全息重建的效果，达不到应有的全息重建效果，而且现有的SLMs占用空间大，不利用于全息投影系统的结构设计小型化和结构化。
发明内容
一种基于空间光调制器(以下简称SLM)拼接阵列的计算全息3D显示系统和方法，其系统包括：SLMs无缝拼接阵列、全息影像放大系统和照明系统。具体发明内容为：
S1：SLMs无缝拼接阵列件，其作用是，可以将满足3D显示要求的宽幅全息图作为写入信号，对入射在该SLMs拼接阵列上的光进行空间调制，以进行全息3D像的重建；
S1-1：按照预先设定的基准位置设置基准SLM显示芯片单元，光线直接照明基准SLM显示芯片单元的有效显示面上；
S1-2：光线分别经左反射单元和/或右反射单元反射至左SLM显示芯片和/或右SLM显示芯片的有效显示面上；
S1-3：左SLM显示芯片和/或右SLM显示芯片的有效显示面镜像与基准SLM显示芯片单元的有效显示面在同一个平面内，左SLM显示芯片和/或右SLM显示芯片的有效显示面边缘的镜像与基准显示芯片单元的有效显示面的对应边缘无缝连接，各个元件的边缘对入射光未有遮挡。
S1-4：还包括3m*3SLMs阵列拼接件的拼接，m为自然数，其进一步包括：
S1-5：将单个SLM显示芯片作为基准显示芯片单元，另外两个SLM显示芯片作为上显示芯片和下显示芯片，按照步骤S11至步骤S15拼接方法进行拼接，得到3SLMs阵列拼接件；
S1-6：将一个3SLMs阵列拼接件作为基准显示芯片单元，另外两个3SLMs阵列拼接件分别作为左示芯片和右显示芯片，按照步骤S11至步骤S15拼接方法进行拼接，得到3*3SLMs阵列拼接件；
S1-7：将3*3SLMs阵列拼接件作为基准显示芯片单元，另外两个3*3SLMs阵列拼接件分别作为左显示芯片和右显示芯片，按照步骤S11至步骤S15拼接方法进行拼接，得到32*3SLMs阵列拼接件；
依此类推，可以拼接成3m*3SLMs阵列拼接件。m为整数。
S1-8：3m*3SLMs阵列拼接件，进一步利用合色棱镜的反射和折射，将三个3m*3SLMs拼接件的有效显示区的像重合到一个区域，构成可以进行RGB彩色显示的RGB-3m*3SLMs阵列拼接件。
S2：全息再现像放大子系统，由成像镜头、场镜和全息定向屏构成，用于对全息图再现像进行放大，并扩展视场角；
S2-1：放大镜头L对全息重构像Ihol进行放大成像于I’hol处；
S2-2：放大镜头L对SLMs阵列显示平面进行缩小成像于Islms；
S2-3：全息功能屏Lhfun放置于I’hol附近，Lhfun将Islms放大成像于I’slms处，并同时在水平方向和垂直方向对像I’slms进行扩展，以达到视角的扩展；
S2-4：Lhfun是通过全息照相原理制作的相位型全息定向弱散斑屏。
S3：柱面平行光照明子系统，其作用是，提供入射到SLMs拼接阵列上的写入光，其是由球面透镜和柱面透镜构成的光组，目标是使全息再现像最大化、充分利用光能以及提高再现像的亮度；
S3-1：扩束镜Lbe将激光器发出的准直细光束扩束为球面波，球面透镜Ls进一步将球面波准直为平行光；柱面透镜Lc1轴向子午线方向与水平面垂直，作用是进一步经准直平行光调整为柱面波，柱面波的会聚焦线与水平方向垂直；柱面波经反射镜Ml反射后，进入柱面透镜Lc2，Lc2轴向子午线方向与水平面垂直，其焦平面与光经过柱面透镜Lc1会聚成的焦线重合，作用是进一步将柱面波调整为平行光，平行光经M2反射后照明SLMs阵列拼接件有效显示平面；
S3-2：进一步，球面透镜Ls的孔径大于SLMs阵列拼接件有效显示面宽度
倍，Lc1的轴向子午线方向的宽度大于SLMs阵列拼接件有效显示面的宽度；
S3-3：进一步，Lc2的轴向子午线方向的宽度大于SLMs阵列拼接件有效显示面的宽度；Lc2的屈光力子午线方向的长度大于SLMs阵列拼接件有效显示面的长度：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以增加显示芯片的成像面积以及减小全息3D成像光学系统的体积；
本发明的结构和位置关系确定，适用于更多空间光调制器的曲面拼接；
本发明的多片SLM拼接的精度高，做到真正意义上的更多空间光调制器阵列的无缝拼接，可以使得全息投影系统的结构更紧凑且投影效果好。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为单个SLM基本尺寸参数示例图；
图2为Sony VW268投影芯片示例图；
图3为3SLMs无缝拼接原理图；
图4为3×3SLMs无缝拼接原理图；
图5为5*3SLMs拼接原理图；
图6为5*3SLMsH拼接件视图；
图7为实施例一的RGB-5*3SLMsH拼接件示意图；
图8为3SLMsV拼接架结构示意图；
图9为3SLMs拼接架示例图；
图10为3SLMs拼接架反射镜微调结构图；
图11为5*3SLMs拼接架分布示意图；
图12为5*3SLMsH拼接阵列中对应的反射镜片结构和大小示例图；
图13为基于空间光调制器拼接阵列的全息3D显示系统示例图；
图14为照明光路示例图；
图15为5*3SLMsH阵列拼接件示例图
图16为计算全息影像放大和视角扩展系统图；
图17为全息像放大系统原理光路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。
一种基于SLMs阵列拼接的全息3D显示系统，括：SLMs无缝拼接阵列件、全息再现像放大子系统和柱面平行光照明子系统，其中：
SLMs无缝拼接阵列件，用以将满足3D显示要求的宽幅全息图作为写入信号，对入射在所述SLMs拼接阵列上的光进行空间调制，以进行全息3D像的重建；
全息再现像放大子系统，包括成像镜头、场镜和全息定向屏，用于对全息图再现像进行放大，并扩展视场角；
柱面平行光照明子系统，用以提供入射到SLMs拼接阵列上的写入光，其是由球面透镜和柱面透镜构成的光组，使全息再现像最大化、充分利用光能以及提高再现像的亮度。
SLMs无缝拼接阵列件进一步包括：
第一显示芯片组，位于基准位置，光线直接照明该显示芯片组的有效显示面；
反射单元，包括第一反射单元和/或第二反射单元；
第二显示芯片组和/或第三显示芯片组，光线经第一反射单元反射至第二显示芯片组的有效显示面，和/或，光线径第二反射单元反射至第三显示芯片组的有效显示面，第二显示芯片组和/或第三显示芯片组的有效显示面边缘的镜像与第一显示芯片组的有效显示面的边缘无缝连接，且各个元件的边缘对入射光未有遮挡。
SLMs阵列拼接件包括3m*3SLMsH阵列拼接件，m为自然数，其进一步包括：第一显示芯片组、第二显示芯片组和第三显示芯片组均为3m-1*3SLMsH阵列拼接件。
第一种实例例为：SLMs无缝拼接阵列件进一步包括一个3SLMs阵列拼接件，每个3SLMs阵列拼接件包括三个SLMs；一个基准SLMs作为基准显示单元，光线直接照明基准SLM的有效显示面上；左SLM和右SLM分别位于基准SLM的左和右侧，光线分别经左反射单元和右反射单元反射至左SLM和右SLM的有效显示面上；左SLM和右SLM的有效显示面镜像与基准SLM的有效显示面在同一个平面内，镜像边缘与基准SLM有效显示面的对应边缘无缝相接，各个元件的边缘对入射光未有遮挡。
第二实施例：SLMs无缝拼接阵列件进一步包括3m*3SLMs阵列拼接件，由m个3SLMs阵列拼接件接接而成，m为自然数，其进一步包括：
将一个3SLMs阵列拼接件作为基准显示单元，另外两个3SLMs阵列拼接件分别作为左显示单元和右显示单元进行拼接，得到3*3SLMs阵列拼接件；
将3*3SLMs阵列拼接件作为基准显示单元，另外两个3*3SLMs阵列拼接件分别作为左显示单元和右显示单元，光线分别经左反射单元和右反射单元反射至左3*3SLMs阵列拼接件和右个3*3SLMs阵列拼接件的有效显示面上；
左3*3SLMs阵列拼接件和右个3*3SLMs阵列拼接件的有效显示面镜像与基准显示单元的有效显示面在同一个平面内，镜像边缘与基准显示单元有效显示面的对应边缘无缝相接，各个元件的边缘对入射光未有遮挡，得到32*3SLMs阵列拼接件；
依此类推，拼接成3m*3SLMs阵列拼接件。
而且，3m*3SLMs阵列拼接件利用合色棱镜的反射和折射，将三个3m*3SLMs拼接件的有效显示区的像重合到一个区域，构成可以进行RGB彩色显示的RGB-3m*3SLMs阵列拼接件。
全息再现像放大子系统进一步包括放大镜头L、全息功能屏Lhfun：
放大镜头L对全息重构像Ihol进行放大成像于I’hol处；
放大镜头L对SLMs阵列显示平面进行缩小成像于Islms；
全息功能屏Lhfun放置于I’hol附近，Lhfun将Islms放大成像于I’slms处，并同时在水平方向和垂直方向对像I’slms进行扩展，以达到视角的扩展。
较佳地，全息功能屏Lhfun是通过全息照相原理制作的相位型全息定向弱散斑屏。
柱面平行光照明子系统进一步包括一个扩束镜Lbe、一个球面透镜、两个柱面透镜和两个平面反射镜，
扩束镜Lbe将激光器发出的准直细光束扩束为球面波，球面透镜Ls进一步将球面波准直为平行光；柱面透镜Lc1轴向子午线方向与水平面垂直，用以将准直平行光调整为柱面波，柱面波的会聚焦线与水平方向垂直；柱面波经反射镜M1反射后，进入柱面透镜Lc2，Lc2轴向子午线方向与水平面垂直，其焦平面与光经过柱面透镜Lc1会聚成的焦线重合，用以进一步将柱面波调整为平行光，平行光经M2反射后照明SLMs阵列拼接件有效显示平面。
较佳地，球面透镜Ls的孔径大于SLMs阵列拼接件有效显示面宽度
倍，Lc1的轴向子午线方向的宽度大于SLMs阵列拼接件有效显示面的宽度。
较佳地，Lc2的轴向子午线方向的宽度大于SLMs阵列拼接件有效显示面的宽度；Lc2的屈光力子午线方向的长度大于SLMs阵列拼接件有效显示面的长度。
以下具体介绍其各个实施例。
实施例一，SLMs阵列拼接件
图1为显示芯片的外形结构，其中a1为最大横向宽度(“最大”的意义是指对外形最边缘结构之间距离的测量，下同)；b1为最大纵向宽度；h1为最大厚度；c1为有效显示面的宽度；d1为有效显示面的长度。以上5个参数是本发明拼接过程中的基本参数。无缝拼接基本原理是通过镜面反射，将显示芯片的有效显示区平面反射到另一个显示芯片的有效显示平面上，并使其边缘相连接。
SLMs阵列拼接方法包括3m*3SLMsH阵列拼接件的拼接，m为自然数，其进一步包括：
将单个SLM显示芯片作为基准显示芯片单元，单个SLM显示芯片作为左显示芯片和右显示芯片，按照步骤S1至步骤S5拼接方法进行拼接，得到3SLMsH阵列拼接件(见图3)；
图3是三个SLMs无缝拼接原理图，M3H1和M3Hr是大小相同的反射镜，通过镜像反射后，slmr和slml的有效显示区应该与slmc的有效显示区在同一个平面，为了满足这一要求，反射镜必须按如图所示45°放置。为了使得slmr和slml的有效显示区的镜像边缘与slmc的有效显示区对应的边缘恰好无缝衔接，镜面的长度必须为：
C3Hl和C3Hr分别是两个反射镜的中心，其中心位置可以用L3c表示。反射镜的中心C3Hl和C3Hr与对应的空间光调制器的边缘的距离L3c必须同时满足：
2L3Hc+2c1＞3c1 (2)
即
如果空间光调制器的外框长度a1大于3c1，为了确保slmr和slml与slmc的外框架在空间不相交叉，则L3c必须满足：
2L3Hc+2c1＞a1 (4)
此时，考虑slm框架的厚度hl已经预留的空隙ε，上式可以写成：
拼接后3SLMsH拼接件的长和宽分别为：
a3H＝2(h1+L3Hc+c1) (6)
或h3H＝a1 if h3H＜a1 (8)
3SLMsH拼接件有效显示区大小：c3＝3c1×d1 (9)
将3SLMsH阵列拼接件作为基准显示芯片单元，另外两个3SLMsH阵列拼接件作为左显示芯片和右显示芯片，按照上述拼接方法进行拼接，得到3*3SLMs阵列拼接件(见图4)。3SLMs-C，3SLMs-L，3SLMs-R分别是相同的3SLMs拼件。3SLMs-C居中，3SLMs-L，3SLMs-R的有效显示面分别经反射镜M9Hl和M9Hr反射，其镜像与3SLMs-C有效显示面在同一平面，并且对应的边缘无缝隙相接。
反射镜的镜面长度：
镜面中心位置：
3×SLMs拼接件的长和宽分别为：
a9H＝2(h3H+L9Hc+c3) (12)
3*3SLMs拼接件有效显示区大小：c9＝(3×3c1)×d1 (14)
图5是在3*3SLMs阵列拼接件基础上，进一步以两个3SLMs为拼接单元沿左右对称拼接，拼接成为5*3SLMs拼接阵列。
5*3SLMs拼接件有效显示区大小：c15＝(5×3c1)×d1 (15)
图6为5*3SLMsH拼接件的简化视图，图7是RGB-5*3SLMs拼接原理图。利用合色棱镜的反射和折射，将三个5*3SLMs拼接件的有效显示区的像重合到一个区域，构成可以进行RGB彩色显示的RGB-5*3SLMs阵列拼接件。
图8是3SLMs拼接件拼接架示意图，用于实施实施3SLMs阵列拼接件，其特征在于，包括第一拼接板、第二拼接板、第三拼接板、第四拼接板和第五反射镜片微调支架，第一拼接板和第二拼接板对称垂直拼接在第三拼接板上，第一拼接板、第二拼接板和第三拼接板拼接后作为整体安装在第四拼接板上，反射镜微调支架拼接在第一拼接板和第二拼接板之间，并固定在第四拼接板上，将左显示芯片拼接到第一拼接板上，右显示芯片拼接到第二拼接板上，基准显示芯片单元拼接到第三拼接板上，左反射单元和右反射单元拼接到第五反射镜片微调支架上。
反射镜片安装在微调支架上，微调支架可以对反射单元进行平移和转动微调。
图9是3SLMsH拼接架尺寸；
图10是3SLMsH拼接架反射镜微调结构：
图11是5*3SLMsH拼接阵列拼接架分布图。
图12是5*3SLMsH拼接阵列中对应的反射镜片结构和大小。M9H和M15H镜片相同，所有反射镜边缘倒角要小于45°。
实施例二，基于SLMs阵列拼接件的全息3D显示系统
图13是基于SLMs阵列拼接件的全息3D显示系统，系统可分三个部分：照明光路(图14)，5*3SLMsH阵列拼接件(图15)，计算全息影像放大和视角扩展系统(图16)。
写入SLMs阵列拼接件中的全息图由照明光路的平行光读出并衍射，全息图的重构像为Ihol，Ihol经透镜L进一步放大成的像为I’hol。透镜L同时也对SLMs阵列拼接件的有效显示平面成缩小的像Islms。LHfun为全息功能屏，其作用是将Islms放大成像，其像I’slms位于观察平面VP，I’slms是最后3D影像的观察窗口。M3为半反镜，可以将3D影像折反90°显示，其作用是，一方面减少系统的长度，另一方面可以实现see-through显示，达到AR目的。
图14所示的照明系统由一个扩束镜、一个球面透镜、两个柱面透镜和两个平面反射镜组成，扩束镜Lbe将激光器发出的准直细光束扩束为球面波，球面透镜Ls进一步将球面波准直为平行光；柱面透镜Lc1轴向子午线方向与水平面垂直，作用是进一步经准直平行光调整为柱面波，柱面波的会聚焦线与水平方向垂直；柱面波经反射镜M1反射后，进入柱面透镜Lc2，Lc2轴向子午线方向与水平面垂直，其焦平面与光经过柱面透镜Lc1会聚成的焦线重合，作用是进一步将柱面波调整为平行光，平行光经M2反射后照明SLMs阵列拼接件有效显示平面。
图15是本实例中所使用的5*3SLMs阵列拼接件，采用Sony VW268投影仪中显示芯片(SLM)作为基准显示芯片单元。Sony VW268芯片像元间隔为dh＝4.06微米，有效显示面尺寸c1×d1＝8.76755mm×16.62587mm，边框纵向边长为b1＝51.4毫米，横向边长为a1＝33.8mm，h1＝15.1mm，所有相关结构参数都已标注在图2上。5*3SLMsH阵列拼接件有效显示面积为(5×3c1)×d1＝131.54mm×16.63mm。阵列显示面的的长度为Lslms＝131.54mm.
图17是图16的原理光路，图中各个参数的意义：
fo：透镜Lo的焦距；
Ss＝Ss1+Ss2：15SLMs显示平面与透镜Lo的距离；
f：透镜L的焦距；
xo：全息像Ihol相对于L的物距；
x’o：全息像I’hol相对于L的像距；
fholfun：全息功能屏Lholfun的焦距；
Ze：观察距离；
Zss＝Ss1+Sse：系统的总长度。
全息图为无透镜傅里叶变换全息图，根据全息显示原理，如果全息图像素间隔为dh，则能够再现像的尺寸受到如下限制为：
最大尺寸为：
Zo是再现像与像与全息图的距离，如果用平行光再现，Zo＝fo.
利用平行光再现时再现像在无限远，用透镜Lo聚焦在其焦平面上成像Ihol，进一步经透镜L成像于I’hol。
像的放大率：
放大后像的最大尺寸：LHmaxi＝MhLHmax (20)
为了能够观察到I’hol的3D像，必须将全息窗口(即15SLMs显示平面)成像在观察平面VP。15SLMs显示平面经透镜Lo成像后，相对与透镜Lo的像距为：
这个像与透镜L的距离为Ssl＝S′s+fo+xo+f。进一步经透镜L成像为Islms，相对与透镜L的像距为：
一个简单的设计是，15SLMs显示平面位于透镜Lo的前焦平面上，S′s→∞，Ssl→∞，此时S′sl＝f，Islms的尺寸为：
全息功能屏Lholfun位于像I’hol进平面上，对基本不不产生影响，但可以进一步对Islms成像，Islms相对于Lholfun位的物距为：Ssh＝x′o+f-S′sl，像距为：
这个距离等于观察距离ze。全息功能屏焦距要根据观察窗口的大小来确定，由像的放大率公式：
得到全息功能屏焦距为：
视场角：
视窗水平长度：
表一和表二是根据上述参数关系给出的显示系统两种设计方案。表一设计的特点是，在像的大小相同的情况下，视场角较大，系统的长度相对较短，但视窗比较小。表二特点是，视窗较大，但视场角较小，系统的长度较大。
表一 计算全息3D显示系统参数(dh＝4.06微米Ms＝1.5，fo＝950mm，f＝200mm)
| 放大倍数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| L<sub>o</sub>和L距离 | 1350.0 | 1250.0 | 1216.7 | 1200.0 | 1190.0 |
| L和L<sub>holfun</sub>距离 | 400.0 | 600.0 | 800.0 | 1000.0 | 1200.0 |
| f<sub>holfun</sub> | 120.0 | 240.0 | 360.0 | 480.0 | 600.0 |
| 观察距离 | 300.0 | 600.0 | 900.0 | 1200.0 | 1500.0 |
| 系统长度 | 3000.0 | 3400.0 | 3866.7 | 4350.0 | 4840.0 |
| 放大像尺寸 | 78.571 | 157.14 | 235.71 | 314.28 | 392.85 |
| 视窗宽度 | 41.54 | 41.54 | 41.54 | 41.54 | 41.54 |
| FOV° | 15.006 | 15.006 | 15.006 | 15.006 | 15.006 |
表二 计算全息3D显示系统参数(dh＝4.06微米，Ms＝2.5，fo＝950mm，f＝200mm)
| 放大倍数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Lo和L距离 | 1350.0 | 1250.0 | 1216.7 | 1200.0 | 1190.0 |
| L和L<sub>holfun</sub>距离 | 400.0 | 600.0 | 800.0 | 1000.0 | 1200.0 |
| f<sub>holfun</sub> | 142.86 | 285.71 | 428.57 | 571.43 | 714.29 |
| 观察距离 | 500.0 | 1000.0 | 1500.0 | 2000.0 | 2500.0 |
| 系统长度 | 3200.0 | 3800.0 | 4466.7 | 5150.0 | 5840.0 |
| 放大像尺寸 | 78.571 | 157.14 | 235.71 | 314.28 | 392.85 |
| 视窗宽度 | 69.234 | 69.234 | 69.234 | 69.234 | 69.234 |
| FOV° | 9.0035 | 9.0035 | 9.0035 | 9.0035 | 9.0035 |
Claims (14)
1.一种基于SLMs阵列拼接的全息3D显示系统，其特征在于，包括：SLMs无缝拼接阵列件、全息再现像放大子系统和柱面平行光照明子系统，其中：
SLMs无缝拼接阵列件，用以将满足3D显示要求的宽幅全息图作为写入信号，对入射在所述SLMs拼接阵列上的光进行空间调制，以进行全息3D像的重建；
全息再现像放大子系统，包括成像镜头、场镜和全息定向屏，用于对全息图再现像进行放大，并扩展视场角；
柱面平行光照明子系统，用以提供入射到SLMs拼接阵列上的写入光，其是由球面透镜和柱面透镜构成的光组，使全息再现像最大化、充分利用光能以及提高再现像的亮度。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，SLMs无缝拼接阵列件进一步包括：
第一显示芯片组，位于基准位置，光线直接照明该显示芯片组的有效显示面；
反射单元，包括第一反射单元和/或第二反射单元；
第二显示芯片组和/或第三显示芯片组，光线经第一反射单元反射至第二显示芯片组的有效显示面，和/或，光线径第二反射单元反射至第三显示芯片组的有效显示面，第二显示芯片组和/或第三显示芯片组的有效显示面边缘的镜像与第一显示芯片组的有效显示面的边缘无缝连接，且各个元件的边缘对入射光未有遮挡。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，SLMs阵列拼接件包括3m*3SLMsH阵列拼接件，m为自然数，其进一步包括：第一显示芯片组、第二显示芯片组和第三显示芯片组均为3m-1*3SLMsH阵列拼接件。
4.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，SLMs阵列拼接件通过拼接架来按装，所述拼接架进一步包括：第一拼接板、第二拼接板、第三拼接板、第四拼接板和反射单元支架，第一拼接板和第二拼接板拼接在第三拼接板上，第一拼接板、第二拼接板和第三拼接板拼接后作为整体拼接到第四拼接板上，反射单元支架拼接在第一拼接板和第二拼接板之间，单个显示芯片分别拼接在第一拼接板、第二拼接板和第三拼接板上，第一反射单元和/或第二反射单元拼接在反射单元支架上。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，全息再现像放大子系统进一步包括放大镜头L、全息功能屏Lhfun：
放大镜头L对全息重构像Ihol进行放大成像于I’hol处；
放大镜头L对SLMs阵列显示平面进行缩小成像于Islms；
全息功能屏Lhfun放置于I’hol附近，Lhfun将Islms放大成像于I’slms处，并同时在水平方向和垂直方向对像I’slms进行扩展，以达到视角的扩展。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，全息功能屏Lhfun是通过全息照相原理制作的相位型全息定向弱散斑屏。
7.如权利要求1所述的全息3D显示系统，其特征在于，柱面平行光照明子系统进一步包括一个扩束镜Lbe、一个球面透镜、两个柱面透镜和两个平面反射镜，
扩束镜Lbe将激光器发出的准直细光束扩束为球面波，球面透镜Ls进一步将球面波准直为平行光；柱面透镜Lc1轴向子午线方向与水平面垂直，用以将准直平行光调整为柱面波，柱面波的会聚焦线与水平方向垂直；柱面波经反射镜M1反射后，进入柱面透镜Lc2，Lc2轴向子午线方向与水平面垂直，其焦平面与光经过柱面透镜Lc1会聚成的焦线重合，用以进一步将柱面波调整为平行光，平行光经M2反射后照明SLMs阵列拼接件有效显示平面。
8.如权利要求7所述的全息3D显示系统，其特征在于，球面透镜Ls的孔径大于SLMs阵列拼接件有效显示面宽度
倍，Lc1的轴向子午线方向的宽度大于SLMs阵列拼接件有效显示面的宽度。
9.如权利要求7或8所述的全息3D显示系统，其特征在于，Lc2的轴向子午线方向的宽度大于SLMs阵列拼接件有效显示面的宽度；Lc2的屈光力子午线方向的长度大于SLMs阵列拼接件有效显示面的长度。
10.一种基于SLMs阵列拼接的全息3D显示方法，其特征在于，
设置SLMs无缝拼接阵列件，将满足3D显示要求的宽幅全息图作为写入信号，对入射在所述SLMs拼接阵列上的光进行空间调制，以进行全息3D像的重建；
设置全息包括成像镜头、场镜和全息定向屏的再现像放大子系统，，对全息图再现像进行放大，并扩展视场角；
通过柱面平行光照明子系统，提供入射到SLMs拼接阵列上的写入光，其是由球面透镜和柱面透镜构成的光组，使全息再现像最大化、充分利用光能以及提高再现像的亮度。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，设置SLMs无缝拼接阵列件进一步包括：
按照预先设定的基准位置安装第一显示芯片组，光线直接照明第一显示芯片组的有效显示面；
光线经第一反射单元反射至第二显示芯片组的有效显示面，和/或，光线经第二反射单元反射至第三显示芯片组的有效显示面；
第二显示芯片组和/或第三显示芯片组的有效显示面镜像与第一显示芯片组的有效显示面在同一个平面内，第二显示芯片组和/或第三显示芯片组的有效显示面边缘的镜像与第一显示芯片组的有效显示面的对应边缘无缝连接，各个元件的边缘对入射光未有遮挡。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，SLMs无缝拼接阵列件进一步包括3m*3SLMs阵列拼接件，由m个3SLMs阵列拼接件接接而成，m为自然数，其进一步包括：
将一个3SLMs阵列拼接件作为基准显示单元，另外两个3SLMs阵列拼接件分别作为左显示单元和右显示单元进行拼接，得到3*3SLMs阵列拼接件；
将3*3SLMs阵列拼接件作为基准显示单元，另外两个3*3SLMs阵列拼接件分别作为左显示单元和右显示单元，光线分别经左反射单元和右反射单元反射至左3*3SLMs阵列拼接件和右个3*3SLMs阵列拼接件的有效显示面上；
左3*3SLMs阵列拼接件和右个3*3SLMs阵列拼接件的有效显示面镜像与基准显示单元的有效显示面在同一个平面内，镜像边缘与基准显示单元有效显示面的对应边缘无缝相接，各个元件的边缘对入射光未有遮挡，得到32*3SLMs阵列拼接件；
依此类推，拼接成3m*3SLMs阵列拼接件。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，
设置全息影像放大和视角扩展子系统进一步包括放大镜头L、全息功能屏Lhfun：
放大镜头L对全息重构像Ihol进行放大成像于I’hol处；
放大镜头L对SLMs阵列显示平面进行缩小成像于Islms；
全息功能屏Lhfun放置于I’hol附近，Lhfun将Islms放大成像于I’slms处，并同时在水平方向和垂直方向对像I’slms进行扩展，以达到视角的扩展。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，设置柱面平行光照明子系统进一步包括一个扩束镜Lbe、一个球面透镜、两个柱面透镜和两个平面反射镜，
扩束镜Lbe将激光器发出的准直细光束扩束为球面波，球面透镜Ls进一步将球面波准直为平行光；柱面透镜Lc1轴向子午线方向与水平面垂直，用以将准直平行光调整为柱面波，柱面波的会聚焦线与水平方向垂直；柱面波经反射镜M1反射后，进入柱面透镜Lc2，Lc2轴向子午线方向与水平面垂直，其焦平面与光经过柱面透镜Lc1会聚成的焦线重合，用以进一步将柱面波调整为平行光，平行光经M2反射后照明SLMs阵列拼接件有效显示平面。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115166981A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-10-11 | 北京航空航天大学 | 一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法 |
| CN117011145A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-11-07 | 杭州未名信科科技有限公司 | 智慧工地物料的全息图像显示拼接方法及应用其的系统 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102809918A (zh) * | 2012-08-08 | 2012-12-05 | 浙江大学 | 基于多层空间光调制器的高分辨全息三维显示装置和方法 |
| CN103412470A (zh) * | 2013-08-24 | 2013-11-27 | 西安电子科技大学 | 基于控制衍射距离的彩色全息显示系统及其方法 |
| CN205750291U (zh) * | 2016-04-13 | 2016-11-30 | 苏州大学 | 一种基于空间光调制器的全息三维显示装置 |
| CN107340704A (zh) * | 2017-01-04 | 2017-11-10 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种全息显示装置 |
| CN207541417U (zh) * | 2017-12-18 | 2018-06-26 | 苏州大学 | 一种能减少再现浪费信息的计算全息三维显示装置 |
| CN109388016A (zh) * | 2017-08-02 | 2019-02-26 | 杜尔利塔斯有限公司 | 全息投影仪 |
| US20190072899A1 (en) * | 2017-09-04 | 2019-03-07 | Electronics And Telecommunications Research Institute | System and method for 3d holographic display using spatial-division multiplexed diffractive optical elements for viewing zone improvement |
| CN110109333A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-08-09 | 北京航空航天大学 | 一种基于空间光调制器有效区域扩展的大视角全息显示系统 |
-
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- 2019-09-02 CN CN201910829910.3A patent/CN111190334B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102809918A (zh) * | 2012-08-08 | 2012-12-05 | 浙江大学 | 基于多层空间光调制器的高分辨全息三维显示装置和方法 |
| CN103412470A (zh) * | 2013-08-24 | 2013-11-27 | 西安电子科技大学 | 基于控制衍射距离的彩色全息显示系统及其方法 |
| CN205750291U (zh) * | 2016-04-13 | 2016-11-30 | 苏州大学 | 一种基于空间光调制器的全息三维显示装置 |
| CN107340704A (zh) * | 2017-01-04 | 2017-11-10 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种全息显示装置 |
| CN109388016A (zh) * | 2017-08-02 | 2019-02-26 | 杜尔利塔斯有限公司 | 全息投影仪 |
| US20190072899A1 (en) * | 2017-09-04 | 2019-03-07 | Electronics And Telecommunications Research Institute | System and method for 3d holographic display using spatial-division multiplexed diffractive optical elements for viewing zone improvement |
| CN207541417U (zh) * | 2017-12-18 | 2018-06-26 | 苏州大学 | 一种能减少再现浪费信息的计算全息三维显示装置 |
| CN110109333A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-08-09 | 北京航空航天大学 | 一种基于空间光调制器有效区域扩展的大视角全息显示系统 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115166981A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-10-11 | 北京航空航天大学 | 一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法 |
| CN115166981B (zh) * | 2022-07-26 | 2024-01-26 | 北京航空航天大学 | 一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法 |
| CN117011145A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-11-07 | 杭州未名信科科技有限公司 | 智慧工地物料的全息图像显示拼接方法及应用其的系统 |
| CN117011145B (zh) * | 2023-09-22 | 2024-02-23 | 杭州未名信科科技有限公司 | 智慧工地物料的全息图像显示拼接方法及应用其的系统 |
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