CN115793246A - 一种基于单片空间光调制器的双目全息真3d近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

一种基于单片空间光调制器的双目全息真3D近眼显示系统涉及3D显示领域。系统包括激光器、空间滤波器、准直透镜、反射镜、第一波片、第一分束镜、第一傅里叶透镜、频谱滤波器、第二波片、第二傅里叶透镜、第二分束镜和左右目对应的第一、二偏振片，激光器、空间滤波器和准直透镜用于产生系统所需的输入光源，傅里叶透镜用于为频域滤波产生全息图对应的傅里叶频谱，波片用于调整输入光、衍射再现光的偏振方向，使左右目再现光场偏振正交，偏振片用于检偏滤除双目信息中非对应通道的3D再现像。本发明能在现有基于单片空间光调制器全息3D显示视差受限的基础上提供双目视差增加立体视觉线索，从而缓解视疲劳问题，并且减少了系统对硬件的需求。

Description

一种基于单片空间光调制器的双目全息真3D近眼显示系统

技术领域

本发明涉及3D显示领域，特别涉及一种基于单片空间光调制器的双目全息真3D近眼显示系统。

背景技术

双目视差是立体视觉的重要线索，能够为人眼提供重要的3D信息，因此基于双目视差型3D显示设备广泛发展并已商业化应用，典型应用如3D电影、VR/AR眼镜等。该技术通过偏振/快门式3D眼镜或双屏微显示器等方案，将双目影像分别投射至对应左右眼，利用大脑融合产生立体视觉。但是，双目视差型3D显示技术存在严重的辐辏调节冲突问题，即：虽然通过双目视差能够提供不同视差的3D信息，但观看影像时晶状体始终聚焦于显示屏幕平面，从而使得大脑对3D信息处理混乱，造成视觉疲劳问题。随着VR/AR以及元宇宙等概念的广泛发展，现有的3D近眼显示设备无法长时间佩戴使用，难以满足实际需求。

另一方面，全息3D显示是指利用干涉和衍射原理将3D场景的全部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。现阶段，动态全息3D显示主要利用空间光调制器对输入光波前调制生成3D光场。由于全息技术通过衍射还原再现3D光场，可以在不同的深度平面重构物体任意位置的发光点，形成真实的聚焦平面，从而提供3D物体不同的聚焦深度。然而，目前空间光调制器的像素尺寸难以达到波长量级，导致衍射角度小，再现的3D图像视差无法同时覆盖双眼，难以得到实际应用。此外，实现彩色全息3D显示通常将彩色3D物体的三个颜色通道数据单独记录和再现，这使得彩色全息3D显示系统复杂、体积庞大，更难以实现全彩色全息3D显示的实际应用。

发明内容

为解决双目视差型3D显示系统视疲劳以及全息3D显示系统视差有限的问题，本发明提出一种基于单片空间光调制器的全息真3D近眼显示系统。如附图1所示，所述系统包括激光器、空间滤波器、准直透镜、反射镜、第一波片、第一分束镜、第一傅里叶透镜、频谱滤波器、第二波片、第二傅里叶透镜、第二分束镜和左右目对应的第一、二偏振片。其中，所述激光器用于产生相干光源。所述空间滤波器和准直透镜共同作用，用于激光光源的扩束，产生相干平面波光源。所述激光器、空间滤波器和准直透镜共同作用产生用于系统所需的输入光源，所述输入光源不仅可以是平面波也可以是发散或汇聚的球面波。所述反射镜用于将平面波光源入射到分束镜上。所述第一波片用于调节平面波光源的偏振方向。所述第一分束镜用于将平面波光源入射到空间光调制器面板上，同时将空间光调制器衍射光场透射出第一分束镜。所述第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜用于在傅里叶平面生成衍射光场的频谱。所述频谱滤波器用于在上述傅里叶平面对频谱进行滤波，选择双目3D图像对应的频谱通过。所述第二波片用于将上述频谱其中一个通道的偏振方向旋转90°。所述第二分束镜用于将滤波处理后的再现光场分成双目对应的两个通道。所述第一偏振和第二偏振片的偏振方向正交设置，分别用于滤出对应通道的3D光场，形成互不串扰的两路3D图像。

所述空间光调制器加载的全息图为左右眼图像对应全息图利用频分复用技术耦合编码形成的，如附图2所示，将采集到的带有深度信息的双目视差3D图像集分别计算生成左右眼图像对应的左目全息图和右目全息图，再将所述左目全息图和右目全息图进行频域带限滤波，并对带限滤波后的频谱进行频移操作，将所述左目全息图和右目全息图对应的带限频谱对应至频域的不同位置，实现在频谱空间双目信息的分立复用，最终将所述左目全息图和所述右目全息图的复振幅叠加形成最终的双目全息图，将所述双目全息图编码后加载至所述空间光调制器。

优选的，所述第二分束镜和第一、二偏振片可直接利用宽带偏振分束镜代替。

进一步的，所述激光器可以是时序入射的红绿蓝三色激光器，当所述空间光调制器与所述激光器时序同步加载三色分量的左右视差编码全息图时，本系统可进一步成为全彩色双目全息真3D近眼显示系统。与此同时，所述第一波片和第二波片应为对应三色激光器波长范围内的消色差波片，从而维持三色波长光源偏振方向的改变相同。

本发明与现有技术相比，能够在双目视差3D显示技术的基础上提供真实的聚焦深度信息，且能够在现有全息3D显示视差受限的基础上提供双目视差增加立体视觉线索，从而缓解视疲劳问题，促进全息3D显示的实际应用。此外，本发明利用频分复用技术利用单片空间光调制器实现双目立体显示，减少了系统对硬件的需求，降低了显示系统的重量，为全息3D显示应用于VR/AR设备上的小型化提供了一种有效途径。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的一种基于单片空间光调制器的双目全息真3D近眼显示系统结构示意图。

图2为根据本发明一实施例的双目全息图计算模型。

图3为根据本发明一实施例的一种应用于AR显示的全彩色双目全息真3D近眼显示系统结构示意图。

上述图中的图示标号为：

101激光器，102空间滤波器，103准直透镜，104反射镜，105第一波片，106空间光调制器，107第一分束镜，108第一傅里叶透镜，109频谱滤波器，110第二波片，111第二傅里叶透镜，112第二分束镜，113第一偏振片，114第二偏振片，115左眼重建3D图像，116右眼重建3D图像，117左眼视角，118右眼视角；201左目强度图像，202左目深度图像，203左目全息图，204左目全息图对应的左目频谱，205左目频谱带限滤波后的频谱，206带限滤波后的左目全息图，207右目强度图像，208右目深度图像，209右目全息图，210右目全息图对应的右目频谱，211右目频谱带限滤波后的频谱，212带限滤波后的右目全息图，213编码合成的双目全息图；301红绿蓝三色时序激光器，302空间滤波器，303准直透镜，304第一反射镜，305第一消色差波片，306空间光调制器，307第一分束镜，308第一傅里叶透镜，309频谱滤波器，310第二消色差波片，311第二傅里叶透镜，312第二反射镜，313第二分束镜，314第一偏振片，315第二偏振片，316左眼重建3D图像，317右眼重建3D图像。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关图对本发明进行更全面的描述。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。

下面结合图和实施例对本发明所提出的一种基于单片空间光调制器的双目全息真3D近眼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。

所述的激光器101发射出的激光光源经由空间滤波器102和准直透镜103扩束准直成相干性强的平面波光源，再经由反射镜104和第一分束镜107反射至空间光调制器106的面板上。其中，激光器101发射的光源已为垂直俯视面的线偏振光，由第一波片105微调入射至空间光调制器面板上的偏振方向为严格垂直俯视面。当空间光调制器106加载如图2所生成的双目全息图时，其衍射光场的偏振方向不发生改变，但衍射光场中同时包含左右眼视角的3D图像，且二者重叠在一起。当衍射光通过第一傅里叶透镜108和第二傅里叶透镜111的变换作用时，左目全息图和右目全息图的带限频谱分别处于傅里叶平面的不同空间位置。由于杂散衍射以及高级衍射，傅里叶频谱中还包含其他级次的频谱。本系统所述的频域滤波器为双孔带通滤波器109，经其滤波作用后只有正一级左右眼图像的频谱通过，其他级次的频谱被滤除。滤波操作后，双目图像全息图频谱的偏振方向依旧为垂直俯视面，随后右眼图像全息图的频谱被第二波片110旋转90°，使得右眼图像全息图的频谱偏振方向变为平行俯视面，双目图像全息图对应的频谱偏振正交分布。当第二分束镜112将左右眼再现图像分成两路后，第一偏振片113的偏振方向为垂直俯视面，而第二偏振片114的偏振方向为平行俯视面，因此被分成两路的再现图像分别被两个偏振片滤波生成对应左右眼的3D再现像。最后结合各种波导器件，将左右眼3D再现像分别投射到对应左右眼中，便可形成真3D近眼显示。

其中，本系统所述的双目全息图由如图2所述的计算模型生成。本系统需要双目视差型立体数据作为系统输入信息，所述的左目强度图像201和左目深度图像202为左眼的3D数据，由强度图像提供物体的色彩明暗等信息、深度图像提供纵向立体信息，二者共同提供三维信息。右眼图像是右眼视角下的与左眼图像相同的三维信息，上述左右眼输入图像信息也可采用三维点云信息。左右眼的三维信息分别利用全息图生成算法计算得到对应的复振幅分布，即所述左目全息图和右目全息图。利用傅里叶变换，将所述左目全息图和右目全息图变换到其频谱空间，得到对应的频谱信息。再利用带限滤波，将二者的频谱带限处理，随后对二者的频谱进行频移，使左右目全息图的频谱分别位于频域的不同位置，复用整个频谱空间。然后，再将频移处理后的频谱反变换回空间域，得到带限滤波后的左、右目全息图。最后，将带限滤波后的左、右目全息图的复振幅叠加，并利用双相位等编码算法得到最终加载在空间光调制器上的双目全息图。

进一步的，如图3所示的实施例2中，当激光器为红绿蓝三色时序激光器301时，其发出的光经空间滤波器302和准直透镜303扩束形成时序平面波光源。此时第一波片需更改为第一消色差波片305，其目的是保证同时调节红绿蓝三个波段平面波光源的偏振方向为严格垂直俯视面。当红绿蓝时序激光器的点亮时序301与空间光调制器306加载红绿蓝三色分量全息图的时序相同时，经由所述空间光调制器衍射再现的光场为双目彩色3D图像。此时，所述空间光调制器加载的全息图为由图2所示方法分别对双目3D图像的红绿蓝三色通道依次计算生成双目全息图。由傅里叶透镜的变换作用后，在傅里叶平面处由空间滤波器309和第二消色差波片310作用后，得到正一级的彩色双目3D再现像。由第二反射镜312和第二分束镜313生成两束3D图像，利用第一、二偏振片的作用后，将左右眼的3D再现像分别耦合进的AR镜片中，从而利用单片空间光调制器实现了用于AR显示的全彩色双目全息真3D近眼显示。

Claims (5)

1.一种基于单片空间光调制器的全息真3D近眼显示系统，其特征在于，系统包括激光器、空间滤波器、准直透镜、反射镜、第一波片、第一分束镜、第一傅里叶透镜、频谱滤波器、第二波片、第二傅里叶透镜、第二分束镜和左右目对应的第一、二偏振片，所述的激光器发射出的激光光源经由空间滤波器和准直透镜扩束准直成相干性的平面波光源，再经由反射镜和第一分束镜反射至空间光调制器的面板上；其中，激光器发射的光源已为垂直俯视面的线偏振光，由第一波片调入射至空间光调制器面板上的偏振方向为严格垂直俯视面；当空间光调制器加载双目全息图时，其衍射光场的偏振方向不发生改变，但衍射光场中同时包含左右眼视角的3D图像，且二者重叠在一起；衍射光通过第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜的变换作用时，左目全息图和右目全息图的带限频谱分别处于傅里叶平面的不同空间位置；经双孔带通滤波器滤波作用后只有正一级左右眼图像的频谱通过，其他级次的频谱被滤除；滤波操作后，双目图像全息图频谱的偏振方向依旧为垂直俯视面，随后右眼图像全息图的频谱被第二波片旋转90°，使得右眼图像全息图的频谱偏振方向变为平行俯视面，双目图像全息图对应的频谱偏振正交分布；当第二分束镜将左右眼再现图像分成两路后，第一偏振片的偏振方向为垂直俯视面，而第二偏振片的偏振方向为平行俯视面，因此被分成两路的再现图像分别被两个偏振片滤波生成对应左右眼的3D再现像；最后结合各种波导器件，将左右眼3D再现像分别投射到对应左右眼中。

2.根据权利要求1所述的一种基于单片空间光调制器的全息真3D近眼显示系统，其特征在于，输入光源为能发出具有相干性的光源，是平面波光源或者是球面波光源，光源类型是单色激光器或单色LED光源，或者是上述光源时序入射的耦合彩色光源，或者是上述光源同时入射的耦合彩色光源。

3.根据权利要求1所述的一种基于单片空间光调制器的全息真3D近眼显示系统，其特征在于，全息图为由左右眼3D图像对应的两幅全息图频分复用编码而成的，两幅左右眼3D图像对应的全息图为菲涅尔全息图，采用任意类型的全息图生成算法计算得到，两幅全息图的频谱为带限频谱分别占据傅里叶平面的不同区域。

4.根据权利要求1所述的一种基于单片空间光调制器的全息真3D近眼显示系统，其特征在于，所述的波片为对应输入光源波长的半波片，当输入光源为彩色光源时所述波片则为对应彩色光源波长范围的消色差波片，两处波片共同作用生成两路正交偏振复用的再现3D光场，或者波片或者是对应输入光源波长的1/4波片，当输入光源为彩色光源时所述波片则为对应彩色光源波长范围的消色差波片，两处波片共同作用将两通道3D再现光场调制成两路螺旋方向相反的圆偏振光。

5.根据权利要求1所述的一种基于单片空间光调制器的全息真3D近眼显示系统，其特征在于，偏振片为与两路3D再现像偏振方向相同的正交线偏振片，或者为与两路3D再现像偏振方向同步螺旋方向相反的圆偏振片。

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