CN111880390B - 一种基于白光照明的彩色全息3d显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统，该系统包括白光光源、全息光学元件和空间光调制器三部分。白光光源位于空间光调制器的侧面，且其出瞳面平行于空间光调制器，能够发出均匀的白色光；全息光学元件为体全息光学元件，位于白光光源的正前方，用于对输入的白光进行色散补偿，衍射成三束具有一定夹角的单色平面波；空间光调制器位于三束单色平面波法线的交点处，用于加载彩色离轴全息图，对入射的光进行调制，在其后一段距离处衍射形成彩色3D像。本发明能够直接利用白光在单片空间光调制器上实现彩色全息3D显示，大幅降低了彩色全息3D显示系统的复杂度，为彩色全息3D显示在设备的小型化和实用化方面提供了一种有效途径。

Description

一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统

一、技术领域

本发明涉及3D显示领域，特别涉及一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统。

二、背景技术

全息3D显示是指利用干涉和衍射原理将原始光场的强度和相位信息记录并还原的一种真3D显示技术，被认为是3D显示的理想解决方案。目前，实现动态全息3D显示主要使用计算机生成全息图，通过空间光调制器载入全息图对照明光进行调制实现3D显示。受空间光调制器有限空间带宽积的限制，全息显示重建的3D图像尺寸有限，可视角度小，难以得到实际应用。此外，彩色全息3D显示实现过程中，通常对彩色物体的红、绿和蓝色(R、G和B)三通道数据进行分离，计算三张对应颜色通道的全息图，分别载入三个空间光调制器中，三色光源分别入射到对应的空间光调制器，通过一定的光学器件，将来自三个空间光调制器的三组单色重建图像在空间中重叠得到彩色3D图像。采用该方案的全息3D显示系统复杂、体积庞大，不利于全息3D显示的实际应用。

为解决上述问题，有研究者利用时分复用和空间分割法在单片空间光调制器上实现了彩色全息3D显示。但时分复用实现彩色全息3D显示需要同步电路控制且需要更高刷新频率的空间光调制器。空间分割实现的彩色全息3D显示中需要准确的不同颜色的光源照明对应区域的全息图，使得光学系统复杂，光路的精度要求高。有研究人员通过分离三色输入光扩大色散分离角，进而在单片空间光调制器上实现了非时分、空分的彩色全息3D显示。然而该方法需要对红、绿和蓝三色光源的入射角度进行严格校正，并且光源系统复杂度较高。此外，也有研究人员利用频分复用法在单片空间光调制器上直接利用白光实现了彩色全息3D显示，但是此类方法需要在频域对重建光场进行滤波处理，滤波时引入的光学4-f系统也会增加显示系统复杂度。

三、发明内容

为解决彩色全息3D显示系统复杂、体积大等问题，本发明提出一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统。所述系统包括一套白光光源、一个全息光学元件和一个空间光调制器。所述白光光源用于产生系统所需的输入光，位于所述的空间光调制器侧面，且其出瞳面平行于所述的空间光调制器，能够发出均匀的白色光。所述的全息光学元件由全息技术曝光制成，用于对输入的白光进行色散补偿，包括三个与空间光调制器相同尺寸的功能区，位于白光光源的正前方且垂直于所述白光光源出瞳的法线，其三个功能区需要被所述白光光源发出的光全部覆盖，能够将所述白光光源发出的光衍射成红色、蓝色和绿色三束单色且分别带有不同离轴角的平面波，且三束单色平面波的法线要相交于一点。所述空间光调制器位于全息光学元件衍射出的三束单色平面波法线的交点所在的平面，用于加载全息图并重建3D图像。

所述的白光光源可以是均匀平面波或球面波，且其包含的各波长的光需要具有一定的相干性。当所述白光光源为平面波光源时，其可以是由白色LED光源、针孔型滤波器和准直透镜组成，也可以是由红、绿和蓝色激光器耦合而成的白色线型准直光源和扩束镜组成，所述的全息光学元件的每个功能区记录的是两束平面波的干涉条纹，其中一束为垂直入射的对应功能区颜色的单色平面波，另一束分别为各功能区对应角度和颜色的单色平面波。当所述白光光源为球面波光源时，其可以是由白色LED光源、针孔型滤波器组成，也可以是由红、绿蓝三色激光器耦合而成的白色线型准直光源和目镜组成，此时所述全息光学元件的每个功能区记录的是一束球面波和一束平面波的干涉条纹，球面波为位于中心位置的对应各功能区颜色的单色球面波，平面波为各功能区对应各角度和颜色的单色平面波。在记录所述的全息光学元件时，上述对应情况下的两束单色光干涉形成的条纹被记录在感光材料上，形成全息光学元件。所述的全息光学元件为体全息光学元件，具有波长和角度选择性，在白光输入下只有特定波长的光满足布拉格条件时才能被衍射出来，因此可以将输入的白光分离出带有不同角度的单色平面波，补偿白光直接照射下的色散分离角度。

所述空间光调制器上加载的全息图是由红、绿和蓝三色分量对应全息图合成的彩色全息图，三色分量全息图为三幅单色离轴全息图，由计算机模拟干涉计算生成。其中，三幅全息图记录的物光垂直入射到对应全息图，其参考光的离轴角需与全息光学元件衍射出的三色平面波离轴角对应，因此重建出3D物体的三色分量能重叠在全息图的正前方，形成彩色3D重建像。所述全息光学元件和空间光调制器的位置关系以及离轴角度关系应满足如下公式：

其中，θ和α分别代表全息光学元件各功能区衍射出的平面波沿x和y方向的离散角，D为全息光学元件与空间光调制器的垂直距离，M和N分别为全息光学元件各功能区中心点与空间光调制器中心点的水平和垂直距离。

优选地，由于红、绿和蓝三色中蓝色波长的衍射角最小，对红色和绿色波长的衍射图像做色散补偿能达到最大的色散分离效果，所述全息光学元件三个功能区按红、蓝和绿三色顺序依次紧密排列，其中蓝色衍射区域为中间功能区。

本发明与现有技术相比，能够在单片空间光调制器上实现彩色全息3D显示，且能够实现白光照明，减小了显示系统的体积，使彩色显示系统更易实施，无需时分复用技术实现彩色，避免了图像闪烁问题以及空间光调制器高刷新率需求的问题，为彩色全息3D显示设备的小型化提供了一种有效途径。

四、附图说明

本发明的前述方面及优点从下述结合附图与实施例的详细描述中将得以进一步明确和容易理解，其中：

附图1为根据本发明一实施例的一种基于白光输入的彩色全息3D显示系统结构示意图：(a)透视图和(b)俯视图。

附图2为根据本发明一实施例的全息光学元件结构及其曝光制备光路示意图。

附图3为根据本发明一实施例的彩色全息图计算模型：(a)红色分量全息图的俯视和左视计算模型，(b)蓝色分量全息图的俯视和左视计算模型与(c)绿色分量全息图的俯视和左视计算模型示意图。

附图4为本发明一实施例的彩色全息3D显示系统的显示结果：(a)相机焦点聚焦在‘魔方’上，(b)相机焦点聚焦在‘足球’上。

上述附图中的图示标号为：

1白色平面波光源，2全息光学元件，3空间光调制器，4彩色3D重建图像，5全息光学元件的红色衍射区域，6全息光学元件的蓝色衍射区域，7全息光学元件的绿色衍射区域。

五、具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的可选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于发明的技术领域技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图和实施例对本发明所提出的一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统做进一步详细描述，使得技术方案更加清楚、明白。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对本发明的保护范围不起任何限定作用。

本发明提供一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统。在如附图1所示的实施例中，白光光源由白色点光源、针孔型滤波器和准直透镜组成。其中，其中白色点光源由红、绿和蓝三色激光器发出的三束具有一定相干性的单色光耦合而成，发出的光由滤波器滤波后产生白色球面波，再经准直透镜准直后得到均匀的白色平面波。所述的白色平面波光源位于空间光调制器的右侧且位于全息光学元件的正前方，将产生的白色平面波垂直入射到全息光学元件上。所述的全息光学元件分为三个不同的功能区，分别由红、蓝和绿三种颜色激光器产生的平面波曝光制成，如附图2所示。三个功能区按红、蓝和绿三色依次紧密排列，由于红、绿和蓝三色中蓝色波长的衍射角最小，为保证达到最佳的色散补偿效果，所述全息光学元件三个功能区中蓝色衍射区域设定为中间区域，只对红色和绿色波长的衍射图像做色散补偿。因此，光学记录全息光学元件时，对应功能区的红、蓝和绿三束平面波沿z轴负方向入射到记录材质上，其中红、蓝和绿三束平面波偏移x轴正方向的夹角均为θ°，而偏移y轴正方向的夹角分别为-α°、0°、α°，干涉时对应的另一束平面波则沿z轴正方向垂直入射到记录材质上，如附图2所示。当有白色平面波入射到该全息光学元件上时，由于全息光学元件的波长选择特性，只有对应三个功能区记录时波长的光才能以所记录的角度衍射出去，形成红、蓝和绿三束平面波各自沿z轴负方向传播，其中偏移x轴正方向的夹角均为θ°，而偏移y轴正方向的夹角分别为-α°、0°和α°，最后相交在空间光调制器上，如附图1所示。

所述的全息光学元件距离空间光调制器的垂直距离为D，全息光学元件的中心点与空间光调制器的中心点同时位于x-z平面，且沿x轴负方向偏离距离为M，因此全息光学元件的三个功能区在x轴方向的离轴角同时为θ°；由于全息光学元件的每个功能区具有与空间光调制器相同的尺寸(M,N)，红色和绿色功能区的中心点在y轴方向上偏离距离分别为N和-N，因此全息光学元件的红蓝绿三个功能区在y轴正方向的离轴角分别为-α°，0°和α°；而且各变量之间满足公式(1)和(2)。当白色平面波照射到全息光学元件的三个功能区上时，三个功能区上只有沿(x，y)方向上的离轴角为(θ°，-α°)，(θ°，0°)和(θ°，α°)的红、蓝和绿色波长的光满足布拉格条件，因此只有满足此角度关系的三束单色平面波才能被衍射出来，而三束平面波会恰好相交于空间光调制器上。所述空间光调制器上加载由三幅单色全息图编码合成的彩色全息图，该三幅单色全息图由计算机模拟物光和参考光干涉过程计算生成，对应三幅单色全息图的物光和参考光方向如附图3所示，其中所述三幅单色全息图对应记录的物光均沿z轴负方向垂直入射到全息图上，而参考光偏离y轴正方向的入射角等于所述全息光学元件衍射出的红、蓝、绿三色平面波沿水平轴偏离y轴正方向的夹角-α°、0°和α°，偏离x轴方向的夹角等于附图1中入射到空间光调制器的光源与z方向的夹角θ°。当角度补偿后的三束红、蓝、绿色平面波叠加入射到空间光调制器上时，加载在空间光调制器上的彩色全息图对输入光进行调制，三色全息图的零级光分别沿z轴正方向带有偏离x和y轴正方向离轴角为(θ°，-α°)，(θ°，0°)和(θ°，α°)传播出去，而三幅单色全息图对应重建出的三个单色3D图像在空间光调制器的正前方重叠，与零级光分离开，形成彩色3D重建图像，最终在单空间光调制器上实现了基于白光照明的彩色全息3D显示效果，如附图4所示，其中(a)为相机聚焦点聚焦在当前重建场景的‘魔方’上，(b)为相机聚焦点聚焦在当前重建场景的‘足球’上。该发明的优点在于结构简单，在单色全息显示系统下仅需增加特制的全息光学元件即可实现彩色全息3D显示，且不占用刷新率资源。

Claims (5)

1.一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统，其特征在于，所述系统包括一套白光光源、一个全息光学元件和一个空间光调制器；所述白光光源用于产生系统所需的输入光，位于所述的空间光调制器侧面，且其出瞳面平行于所述的空间光调制器；所述的全息光学元件包括三个与空间光调制器相同尺寸的功能区，位于白光光源的正前方，用于将所述白光光源发出的白色平面波衍射成红色、蓝色、绿色三束单色且分别带有不同离轴角的平面波，且三束单色平面波的法线要恰好相交于一点；所述空间光调制器位于全息光学元件衍射出的三束单色平面波法线的交点处，用于加载全息图并重建3D图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统，其特征在于，所述的白光光源为能发出具有相干性的白色平面波光源，可以是由白色LED光源、针孔型滤波器和准直透镜组成，也可以是由红、绿蓝三色激光器耦合而成的白色线型准直光源和扩束镜组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统，其特征在于，所述的白光光源为能发出具有相干性的白色球面波光源，可以是由白色LED光源、针孔型滤波器组成，也可以是由红、绿和蓝三色激光耦合而成的白色线型准直光源和目镜组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统，其特征在于，所述的全息光学元件为体全息光学元件，具有波长和角度选择性，在白光输入下只有特定波长的光满足布拉格条件时才能被衍射出来，形成三束带有不同离轴角的单色平面波，且三束平面波的离轴角度与对应颜色分量全息图参考光的离轴角度一致。

5.根据权利要求1所述的一种基于白光照明的彩色全息3D显示系统，其特征在于，所述的空间光调制器上加载的全息图是由红、绿和蓝三色分量对应全息图合成的彩色全息图，三色分量全息图为三幅单色离轴全息图，由计算机模拟干涉计算生成，其中三幅全息图所记录的物光垂直入射到对应全息图，其参考光的离轴角需与所述的全息光学元件衍射出的三色平面波离轴角对应相等。

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