CN113448234B - 一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3d显示系统 - Google Patents

一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3d显示系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，该系统包括激光器、分束器1、分束器2、反射镜1、快门阵列、空间滤波器阵列、固体透镜、光束偏折元件1、空间光调制器、分束器3、光束偏折元件2和反射镜2。其中，激光器用于产生相干光束。分束器1、分束器2和反射镜1用于将激光器产生的光束分为三路平行光并照射快门阵列。快门阵列用于控制三束光按照设定的时间顺序依次通过。空间滤波器阵列和固体透镜用于将通过快门阵列的三束光分别扩束为三束大小相同、强度均匀的平行光束。控制三个时刻的空间光调制器的衍射光在空间上无缝拼接，当切换速度足够快时，根据人眼的视觉暂留效应，观看者看到空间光调制器虚拟阵列拼接后的衍射光。

Description

一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D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空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统。
二、背景技术
能够重建任意3D物体全部波前信息的全息显示技术被认为是最理想的3D显示方法之一，但受限于当前的空间光调制器的像素尺寸，目前基于单个空间光调制器全息重建像的观看视区和显示尺寸都非常小，难以满足观看需求。为了解决这个问题，研究者提出了诸多方案。比如，利用对多个空间光调制器进行曲面拼接的空分复用技术，获取大视区的全息重建像。这种技术虽然有效扩大了全息重建像的视区，但多个空间光调制器的曲面拼接大大增加了系统的复杂程度和成本。为了降低多个空间光调制器拼接的系统复杂度，研究者通过对单个空间光调制器连续加载多幅子全息图，结合结构光照明的时分复用技术，扩大了全息重建像的视区，这种方案虽然降低了成本，但对光源有着特殊的要求。
另一方面，由于全息重建像的视区与尺寸存在相互制约关系，同时扩大全息重建像的视区与尺寸非常困难。在扩大全息重建像尺寸方面，德国SeeReal技术公司利用全息光学元件制备了一台具有300mm×200mm大尺寸显示窗口的全息3D显示系统。波兰华沙理工大学的研究团队提出了一种能够横向放大、平移和旋转全息重建像的全息图算法，最终产生了50mm×50mm×100mm的大尺寸彩色全息重建像。此外，随着近年来超表面技术的迅速发展，利用超表面材料来扩大全息重建像尺寸的方案也越来越多，但方案中具体涉及的材料的加工流程都普遍比较复杂，材料成本较高，在大尺寸全息显示的实用化方面还有待进一步研究。
三、发明内容
本发明提出一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，如附图1所示，该系统包括激光器、分束器1、分束器2、反射镜1、快门阵列、空间滤波器阵列、固体透镜、光束偏折元件1、空间光调制器、分束器3、光束偏折元件2和反射镜2。其中，激光器用于产生相干光束。分束器1、分束器2和反射镜1用于将激光器产生的光束分为三路平行光并照射快门阵列。快门阵列用于控制三束光按照设定的时间顺序依次通过。空间滤波器阵列和固体透镜用于将通过快门阵列的三束光分别扩束为三束大小相同、强度均匀的平行光束，即光束①、光束②和光束③。光束偏折元件1位于三束平行光束的出射方向，用于将光束①、光束②和光束③分别沿δ、0、-δ三个特定的方向进行偏折。光束偏折元件1和光束偏折元件2的型号相同，在T1时刻，控制快门阵列使光束①经过分束器3后照射空间光调制器，衍射光经过分束器3、光束偏折元件2和反射镜2，观看者看到T1时刻空间光调制器的衍射光；在T2时刻，控制快门阵列使光束②照射空间光调制器，衍射光经过分束器3、光束偏折元件2和反射镜2，观看者看到T2时刻空间光调制器的衍射光；在T3时刻，控制快门阵列使光束③照射空间光调制器，衍射光经过分束器3、光束偏折元件2和反射镜2，观看者看到T3时刻空间光调制器的衍射光。控制三个时刻的空间光调制器的衍射光在空间上无缝拼接，当切换速度足够快时，根据人眼的视觉暂留效应，观看者看到空间光调制器虚拟阵列拼接后的衍射光。
光束偏折元件1和光束偏折元件2的结构如附图2所示，光束偏折元件1和光束偏折元件2都是由两个折射率为n，楔角为α的折射棱镜与折射率为n的平板玻璃胶合而成。将出射光束与光轴的夹角称作偏折角。以光束①为例，根据几何光学原理计算可知，折射率n、入射角
Figure BDA0003168764480000021
楔角α和偏折角δ满足下式关系：
Figure BDA0003168764480000022
根据公式(1)可知，在折射率n和楔角α不变的前提下，偏折角δ仅随入射角
Figure BDA0003168764480000023
的变化而变化。通过设计楔角α、折射率n和入射角
Figure BDA0003168764480000024
使光束①、光束②和光束③经过光束偏折元件1以及分束器3后，照射在空间光调制器的相同区域上。光束①、光束②和光束③经过空间光调制器的调制并透过分束器3后继续传播，照射到光束偏折元件2上。由于光束偏折元件2具有与光束偏折元件1完全相同的光学性质，三束衍射光在经过光束偏折元件2后重新形成三束平行光。
当快门阵列的切换速度足够快时，三束平行光的拼接效果等同于在空间上形成横向大小为3M×p，纵向大小为N×p的空间光调制器虚拟阵列拼接，其中M为空间光调制器的横向分辨率，N为空间光调制器的纵向分辨率，p为空间光调制器的像素间距。因此，光束偏折元件1、空间光调制器、分束器3和光束偏折元件2等效为一个横向大小为3M×p，纵向大小为N×p的空间光调制器虚拟阵列。
本发明所提出的系统通过以下方法实现大视区全息3D显示：如附图3所示，对于一个3D物体，利用角谱算法等全息图算法计算得到分辨率为3M×N的大尺寸全息图，沿大尺寸全息图横向分辨率的方向将其平均分割为三幅分辨率为M×N的子全息图，记作子全息图1、子全息图2和子全息图3。T1时刻控制快门阵列使光束①通过，同时加载子全息图1到空间光调制器上；T2时刻控制快门阵列使光束②通过，同时加载子全息图2到空间光调制器上；T3时刻控制快门阵列使光束③通过，同时加载子全息图3到空间光调制器上；当切换时间足够快时，由于人眼的视觉暂留效应，在观看距离R处看到大视区重建的3D物体。
如附图4所示，在全息重建的过程中，横向大小为3M×p的空间光调制器虚拟阵列被平行光照射时，最大衍射角θ满足以下公式：
Figure BDA0003168764480000031
其中λ表示波长。根据全息衍射原理计算可知，物体尺寸D满足下式：
D≤θ×Z-3M×p (3)
其中Z是全息重建像的衍射距离。基于物体的最大尺寸分析观看距离为R时的全息重建像，将能看到完整全息重建像的视区V'称为有效视区。通过对物体最高点和最低点的衍射位置进行计算得出：
Figure BDA0003168764480000032
在传统的全息显示系统中，通常使用单个空间光调制器进行重建，当观看距离为R'，有效视区的大小用V”表示：
Figure BDA0003168764480000033
因此，相比传统的全息显示系统，在全息重建像的衍射距离和观看距离均相同时，本发明的系统实现了3倍以上有效视区的扩大。
本发明所提出的系统通过以下方法实现大尺寸全息3D显示：如附图5所示，对于一个分辨率为A×B的物体，首先沿横向分辨率方向将其平均分割成三幅A3×B的子图片，利用角谱算法等全息图算法分别对三幅子图片进行计算得到分辨率均为M×N的三幅子全息图，对三幅子全息图相应地加载闪耀光栅，生成焦距为f的数字透镜，将数字透镜的相位图与三幅子全息图分别进行叠加，从而得到全息图1、全息图2和全息图3。T1时刻控制快门阵列使光束①通过，同时加载全息图1到空间光调制器上；T2时刻控制快门阵列使光束②通过，同时加载全息图2到空间光调制器上；T3时刻控制快门阵列使光束③通过，同时加载全息图3到空间光调制器上；反复循环上述过程，通过改变加载到空间光调制器上的全息图的闪耀光栅来改变各个全息重建像的成像位置，当切换时间足够快时，由于人眼的视觉暂留效应，三个子图片的全息重建像在空间上实现无缝拼接，观看者看到大尺寸的全息重建像。
在T1时刻，使用单个空间光调制器的全息重建像大小d为：
Figure BDA0003168764480000041
当切换速度足够快时，全息图1、全息图2和全息图3全息重建像拼接的大小为3d。相比传统的基于单个空间光调制器的全息显示系统，本发明的系统实现了3倍全息重建像尺寸的扩大。
四、附图说明
附图1为本发明的一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统结构示意图。
附图2为本发明的光束偏折元件的结构示意图。
附图3为本发明的大视区全息3D显示的子全息图生成方法。
附图4为本发明的大视区全息3D显示原理图。
附图5为本发明的大尺寸全息3D显示全息图生成方法。
上述各附图中的图示标号为：
(1)激光器、(2)分束器1、(3)分束器2、(4)反射镜1、(5)快门阵列、(6)空间滤波器阵列、(7)固体透镜、(8)光束偏折元件1、(9)空间光调制器、(10)分束器3、(11)光束偏折元件2、(12)反射镜2、(13)3D物体、(14)3M×N空间光调制器、(15)全息重建像。
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空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D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。
系统实际采用的相关器件参数与及结构参数如下：激光器的波长为532nm；固体透镜的焦距为300mm；分束器1和分束器2的尺寸为12.7mm×12.7mm×12.7mm，分束器3的尺寸为25.4mm×25.4mm×25.4mm；快门阵列由三个型号完全相同的快门组成，快门出光口径为5mm；空间光调制器的像素数为1920×1080，尺寸为12.29mm×6.91mm，像素间距为6.4μm，刷新速度是60Hz。折射棱镜折射率n＝1.516，楔角α＝4°，所产生的光束偏折角为δ＝2°；光束偏折元件1到空间光调制器的距离为400mm；全息重建像的衍射距离为200mm。
为了实现大视区全息3D显示，采用分辨率为320×240的“茶壶”作为被记录的3D物体，利用角谱算法计算生成分辨率为5760×1080的全息图，将它平均分为三幅分辨率为1920×1080的子全息图后依次加载到空间光调制器上。在T1时刻，加载第一幅子全息图，控制快门使光束①通过；在T2时刻，加载第二幅子全息图，同时控制快门使光束②通过，在T3时刻，加载第三幅子全息图，同时控制快门使光束③通过；由于人眼视觉暂留效应，能看到大视区的“茶壶”的全息重建像。通过计算，当观看距离是950mm时，有效视区的大小为～234.4mm。当不使用空间光调制器虚拟阵列拼接时，有效视区的大小为～25.5mm。通过虚拟拼接有效视区扩大了9.2倍。
为了实现大尺寸的全息3D显示，采用分辨率为2160×1080的“火车”作为被记录的3D物体，将其划分为三幅分辨率为720×1080的子图片，设置数字透镜的焦距是500mm。利用角谱算法计算得到三幅分辨率均为1920×1080的全息图。在T1时刻，加载第一幅全息图，控制快门使光束①通过；在T2时刻，加载第二幅全息图，同时控制快门使光束②通过，在T3时刻，加载第三幅全息图，同时控制快门使光束③通过；反复循环上述过程。由于人眼的视觉暂留效应，“火车”的全息重建像大小为124.7mm，相比不使用虚拟拼接时的“火车”全息重建像大小扩大了3倍。

Claims (4)

1.一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，其特征在于，该系统由激光器、分束器1、分束器2、反射镜1、快门阵列、空间滤波器阵列、固体透镜、光束偏折元件1、空间光调制器、分束器3、光束偏折元件2和反射镜2组成；其中激光器用于产生相干光束；分束器1、分束器2和反射镜1用于将激光器产生的光束分为三路平行光并照射快门阵列；快门阵列用于控制三束光按照设定的时间顺序依次通过；空间滤波器阵列和固体透镜用于将通过快门阵列的三束光分别扩束为三束大小相同、强度均匀的平行光束，即光束①、光束②和光束③；光束偏折元件1位于三束平行光束的出射方向，用于将光束①、光束②和光束③分别沿三个特定的方向进行偏折，光束偏折元件1和光束偏折元件2的型号相同；
在T1时刻，控制快门阵列使光束①经过分束器3后照射空间光调制器，衍射光经过分束器3、光束偏折元件2和反射镜2，观看者看到T1时刻空间光调制器的衍射光；在T2时刻，控制快门阵列使光束②照射空间光调制器，衍射光经过分束器3、光束偏折元件2和反射镜2，观看者看到T2时刻空间光调制器的衍射光；在T3时刻，控制快门阵列使光束③照射空间光调制器，衍射光经过分束器3、光束偏折元件2和反射镜2，观看者看到T3时刻空间光调制器的衍射光；控制三个时刻的空间光调制器的衍射光在空间上无缝拼接，当切换速度足够快时，根据人眼的视觉暂留效应，观看者看到空间光调制器虚拟阵列拼接后的衍射光。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，其特征在于，光束偏折元件1和光束偏折元件2都是由两个折射率为n，楔角为α的折射棱镜与折射率为n的平板玻璃胶合而成，折射率n、入射角
Figure FDA0003515957680000011
楔角α和偏折角δ满足下式关系：
Figure FDA0003515957680000012
在折射率n和楔角α不变的前提下，偏折角δ仅随入射角
Figure FDA0003515957680000013
的变化而变化；通过设计楔角α、折射率n和入射角
Figure FDA0003515957680000014
使光束①、光束②和光束③经过光束偏折元件1以及分束器3后，照射在空间光调制器的相同区域上；光束①、光束②和光束③经过空间光调制器的调制并透过分束器3后继续传播，照射到光束偏折元件2上；三束衍射光在经过光束偏折元件2后重新形成三束平行光；当快门阵列的切换速度足够快时，三束平行光的拼接效果等同于在空间上形成横向大小为3M×p，纵向大小为N×p的空间光调制器虚拟阵列拼接，其中M为空间光调制器的横向分辨率，N为空间光调制器的纵向分辨率，p为空间光调制器的像素间距；光束偏折元件1、空间光调制器、分束器3和光束偏折元件2等效为一个横向大小为3M×p，纵向大小为N×p的空间光调制器虚拟阵列。
3.根据权利要求2所述的一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，其特征在于，该系统通过以下方法实现大视区全息3D显示：对于一个3D物体，计算得到分辨率为3M×N的大尺寸全息图，沿大尺寸全息图横向分辨率的方向将其平均分割为三幅分辨率为M×N的子全息图，记作子全息图1、子全息图2和子全息图3；T1时刻控制快门阵列使光束①通过，同时加载子全息图1到空间光调制器上；T2时刻控制快门阵列使光束②通过，同时加载子全息图2到空间光调制器上；T3时刻控制快门阵列使光束③通过，同时加载子全息图3到空间光调制器上；当切换时间足够快时，由于人眼的视觉暂留效应，在观看距离R处看到大视区重建的3D物体；
其中，在全息重建的过程中，横向大小为3M×p的空间光调制器虚拟阵列被平行光照射时，最大衍射角θ满足以下公式：
Figure FDA0003515957680000021
其中，λ表示波长；根据全息衍射原理，物体尺寸D满足下式：
D≤θ×Z-3M×p
基于物体的最大尺寸分析观看距离为R时的全息重建像，将能看到完整全息重建像的视区V'称为有效视区；通过对物体最高点和最低点的衍射位置进行计算得出：
Figure FDA0003515957680000022
其中，Z是全息重建像的衍射距离。
4.根据权利要求2所述的一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，其特征在于，该系统通过以下方法实现大尺寸全息3D显示：对于一个分辨率为A×B的物体，首先沿横向分辨率方向将其平均分割成三幅A/3×B的子图片，分别对三幅子图片进行计算得到分辨率均为M×N的三幅子全息图，生成焦距为f的数字透镜，将数字透镜的相位图与三幅子全息图分别进行叠加，从而得到全息图1、全息图2和全息图3；T1时刻控制快门阵列使光束①通过，同时加载全息图1到空间光调制器上；T2时刻控制快门阵列使光束②通过，同时加载全息图2到空间光调制器上；T3时刻控制快门阵列使光束③通过，同时加载全息图3到空间光调制器上；反复循环上述过程，当切换时间足够快时，由于人眼的视觉暂留效应，三个子图片的全息重建像在空间上实现无缝拼接，观看者看到大尺寸的全息重建像；在T1时刻，使用单个空间光调制器的全息重建像大小d为：
Figure FDA0003515957680000031
当切换速度足够快时，全息图1、全息图2和全息图3全息重建像拼接的大小为3d。
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