CN1564087A - 全息激光立体投影仪 - Google Patents

Abstract

全息激光立体投影仪，属于利用激光将全息图像再次显示装置。包括激光发射器，扩束镜，点阵式光开关等，经扩束后的激光束垂直照射在按规则排列的通过控制电路控制的具有光路选择性的点阵式光开关层平面；与点阵式光开关层平行的全息干版为带有被摄物体编码的全息底片微缩排列而成的底片阵；前述底片阵与点阵式光开关层的子开关阵一一相对应；成像透镜与全息干版平行。它结构简单，可将静止的或动态的激光全息图，不需借助屏幕在空间彩色立体成像。本发明具有十分广泛的用途，如用于广告、工艺品、展览会、博览会、旅游、公园、商业、宗教以及其它公共关系活动，可替代任何现有的显示设备，有着非常强的感染力和非常独特的效果。

Description

全息激光立体投影仪

技术领域：

本发明涉及一种利用激光将全息图像再次显示装置，尤其涉及利用全息激光立体投影的装置。

背景技术：

现有的光学成像装置都是将平面图像(例如投影仪、电影放映机成像)反射或透射通过光学系统成像为一个平面图像并需要借助一定的对象如屏幕、胶片、或一定的介质显示图像。但即使原来的图像是所谓立体的，可以利用人的眼睛的视差感觉立体图像，但本来的物像不论是二维的或是三维的，经过光学系统后可以恢复原来的立体物像，但一般需要巨大的隔震台和需要在合适的角度去观察。

随着数字技术的迅速发展，信息和通讯领域获得飞速发展，以三维图象方式显示图象信息的立体显示装置的研究也取得了很大的进展。尤其是，已经开发出了不使用诸如特制眼镜或头盔的特殊观察工具而观看立体图象的图象显示装置。这些装置被称为自动立体显示器。

在中国专利972358013中公开了一种立体全息成像装置，它是这样实现的：包括壳体、光源、成像透镜等组成，其特征是在光源上方设有聚光或扩束透镜，在壳体上还设有激光全息图版支撑架，成像透镜平面与激光全息图版支撑架的平面大致平行。其效果是在250W的囟钨灯45度光束的照射下，以不小于10CM2的激光全息图版为显示对象，在白天看到明显的立体图像，在略暗的坏境下观察更佳，如果光源更强，所显示的二维或三维立体图像就会更清晰，在白天和晚上均能清楚的看到，如果将二维和三维的图像组合在一起，共同在像到全息干版上，制成2D+3D组合全息图像，则照亮此图版后，空中就再观2D+3D的组合全息图像，此图像是平面图像和真正立体的图像在空中的组合。

但是上述现有技术，虽然也解决了在空中立体成像问题，但其存在的明显缺点是采用传统的光学结构，只能显示单幅静止的图片，无法显示动态立体彩色图像。

发明内容：

本发明的目的是提供一种全息激光立体投影仪，它结构简单，可将静止的或动态的激光全息图，不需借助屏幕在空间彩色立体成像。

本发明主要基于全息照相的原理：全息记录和再现过程。

全息记录：它主要是利用物光和参考光在底片上进行干涉的结果。采用适当的两光波强度比，感光底片经曝光并进行线性冲洗后，就得到一张全息照片(或称全息图)。

全息记录再现过程：这是一个光学逆问题，就是使全息照片所记录的物光波的全部信息再显示出来。而且，现有技术中得知，在背景光强不是很强时，用再现光照射全息照片时，能够在空中看到一个与被拍摄物体对称的像。如被摄物体是立体的，则在空中所成的像也是立体的。

上述内容在现有技术中已经相当成熟。但对本发明的目的而言，仅有上述方案是不够的。

因此，本发明的基本技术方案是：

全息激光立体投影仪，包括激光发射器，扩束镜，点阵式光开关、全息干版、成像透镜等部分。其激光发射器与扩束镜顺次设置在点阵式光开关层的一侧，经扩束后的激光束垂直于点阵式光开关层平面；点阵式光开关层为按规则排列的通过控制电路控制的具有光路选择性的微型光开关；与点阵式光开关层平行的全息干版为带有被摄物体编码的全息底片微缩排列而成的底片阵；点阵式光开关层与全息干版之间的距离以减少激光通过点阵式光开关层时的衍射、散射为准，前述底片阵与点阵式光开关层的子开关阵一一相对应。

首先打开激光器与点阵式光开关的电源。此时，点阵式光开关的各个子开关均处于关闭状态，因此没有激光束照在全息干版上。利用控制电路打开与被摄物体编号对应的子开关，使经扩束后的平行激光束通过相应的区域并照射在全息干版对应的区域上。根据全息照相原理，将在空中的显示区域内形成被摄体的立体实像，并能被人眼所观察到。

为了实现彩色动态效果，激光发射器采用红、绿、蓝三种颜色的激光发射器；全息干版采用对红、绿、蓝三色感光的底片；将点阵式光开关增加可以控制通过光强的功能，使其透过率为0-100％可调，实现对诸如动画、文字、图片、照片、3D动画等内容的显示。

本发明的有益效果是：它结构简单，可将静止的或动态的激光全息图，不需借助屏幕在空间彩色立体成像，替代显象管显示器及液晶显示器。本发明具有十分广泛的用途，如用于广告、工艺品、展览会、博览会、旅游、公园、商业、宗教以及其它公共关系活动。如在街市的广告中，可以将电视中的广告动画直接浮现在空中，用于商业区和许多公共娱乐场所，有着非常强的感染力和非常独特的效果。

附图说明

图1为全息照相光路系统原理图；

图2本发明被摄物体数码模型；

图3本发明玻璃板与全息干版的空间相对位置；

图4本发明点阵式光开关层结构示意图—液晶系统；

图5为本发明的工作原理图。

图中：

10玻璃板，11激光器，12光开关，13全反射镜，14全反射镜，L1分光镜，L2、L3扩束镜，H全息干版；

1-9均为组件；

31全息干版，32数码模型，33玻璃板；

41偏振片，42液晶盒及玻璃基片，43偏振片；

51激光器，52扩束镜，53点阵式光开关层，54全息干版，55成像透镜，56显示图像。

具体实施方式

一、全息干版的制作

也就是指全息照片的拍摄方法。这取决于所要显示的图像的类型。下面以最简单的只有数码显示功能的全息投影仪为例，简单介绍一下此种全息投影仪的全息干版的制作方法。

1、光源与曝光时间控制系统所需仪器和设备。

该系统包括激光管、电源、光开关和曝光时间定时器。拍摄全息照片必须用相干性好的光源。本系统采用氦—氖激光器11，这种激光器发出的红色激光相干长度较长，一般不小于谐振腔长度的1/4-1/2，所以小型氦一氖激光器(功率为1-3MW)常用来拍摄较小的漫射对象，并获得优质全息图。若激光的功率大些，则拍摄时曝光时间可缩短，干扰会减少。此外，氩离子激光、红宝石激光等也常用做全息照相的光源。

光开关12用来控制光路的通断，当然用光开关直接控制激光电源，也可以控制曝光时间，但不常采用。这是因为激光管刚点燃时，所发出的光是不稳定的，一般要过十几分钟，管子各部分平衡后才较稳定。使用光开光控制光路的通断可以提高全息照片的质量。曝光定时器用来控制光开关打开的时间从而控制曝光时间，一般选择在1-390S内可调。

2、介质与底片冲洗所需仪器和设备。

记录全息图应采用性能(主要指分辨率，灵敏度和其他感光化学特性)良好的感光材料。在激光波长一定的条件下，全息干涉条纹的间距取决于物光与参考光的之间的类角(一般为15°-50°)，一般全息干涉条纹的间距很小(可达每毫米数千条)故要选用高分辨率的感光材料，可取大于1000L/mm。而普通照相感光底片的分辨率的为100L/mm，天津感光胶片厂生产的全息型干版，分辨率可达3000L/mm，能满足一般拍摄需要。不同型号的全息干版，感光的波长范围不同。如I型适用于氦一氖激光，II型适用于氩离子激光，III型适用于红宝石激光。感光材料分辨率的提高导致感光速度下降。其曝光时间比普通照相长得多，一般需要几十秒甚至几十分钟，具体时间由激光光强，被摄大小及反射性能来决定。

全息干版感光后的显影、定影的化学处理过程和普通感光胶片相同。I型干版对红色感光，故可以在暗绿色的安全灯下操作。

3、全息平台及光路系统

光路系统如图1所示。全息平台是一个放在隔振器上平面钢板。全息照相的操作在此钢板上进行。拍摄时，全息平台要保持水平、稳定。其中的光学元件包括：

1)、分光镜L1：它的作用是将光分成两束，反射光作为一路，透射光为另一路。根据不同的要求，两路光的强度比应不同。参考光与物光的光强比，可取2∶1～10∶1。光强的相对测量可以用硅光电池，用光点检统计来读取相对数值；也可定性地观察参考光束能否均匀地照射在感光板处，被摄物是否能被均匀照亮，检查有无杂散光的干扰。本仪器配备两种分光镜，一种是对波长623.8nm的氦—氖激光透过率为50％的多层介质膜片分光镜，另一种是透过率为90％的平面平晶。

2)、全反射镜13、14：其作用是使光束改变方向。本仪器采用对波长632.8nm全反射多层介质薄膜作为反射镜。

3)、扩束镜L2、L3：其作用是将细的激光束的光斑扩大，以照明整个被摄物和全息干版H，本仪器备有扩束40倍及100倍的扩束镜各一块。

4)玻璃板10其反射作用，H为制作的全息干版。

4、被摄物

对于全息投影系统来说，被摄物的选取是最为重要的一环。因为它直接影响到投影仪工作时的显示内容与效果。以数码显示器为例，如果要想使显示的内容为数码，则被摄物必须是符合要求的数码的实物模型。

首先制作一个如图2所示的数码的实体模型。具体要求如下：

1)、制造材料应选择塑料、纸张等不透明材料，以满足将物光尽量多的反射回去。但注意模型表面要有一定的粗糙度，以符合漫反射条件，避免镜面反射。

2)、应将模型涂装成红色，这是因为红色物体对波长为632.8nm的红光反射效果最好。

3)、模型板应具有适当的厚度以体现立体感。

4)、大小应根据显示要求及物光斑大小等情况适当调整(根据全息照相原理，用相同波长的再现光照射全息干版时，所得的实像与原物体大小相同)，以达到最佳的拍摄效果与显示效果。

5)、根据全息照相原理，物光再现时得到的实像的细节与原物体是相反的。即像与原物体镜面对称，所以为保证显示时的正确方向与顺序，模型的制造应与正常方向相反。这与刻制印章和印刷的道理是一样的。

6)、数码模型32的各组件是分离的，可以随意组合、拼布。

模型制造完成后，接如图2方式将各笔划组件编号，1-9为组件。用一块透明的玻璃板作为支撑物(玻璃板表面应尽量平滑、洁净，以保证拍摄时将物光全部透过或镜面反射到其他地方而不会被全息干版感光，从而保障显示效果)，将数码模型各笔划固定在玻璃板上，使笔划按图2中所示分布。放置时应注意到字体是反的，并且由于拍摄时干版垂直于地面放置，而显示时平行于地面放置。所以应将数码模型32躺倒放置，“头”远离干版，“脚”向平版，玻璃板33平面垂直于地面和全息干版31平面(如图3所示)，这样才能保证显示时的正常方向。然后确定好各笔划组件的所在位置，记录定位后将各笔划取下。

5拍摄过程：

首先，将准备拍摄的全息干版划分为若干个区域，使每个区域对应数码模型的一个笔划组件。例如，假设全息干版为正方形，那么就将干版表面可曝光部分划分为9个小正方形，构成一个3×3的微型全息干版矩阵，每个小正方形作为一个独立的全息干版进行单独曝光。并且将各微型干版编号为1～9，与数码模型组件建立一一对应关系。

拍摄时，将玻璃板33固定在载物台上，使玻璃板平面与载物台，全息干版平面两两垂直。适当调节玻璃板与全息干版的空间位置，使其符合拍摄与显示要求(根据全息照相原理，拍摄时玻璃板对于全息干版的相对位置，与全息投影仪工作时显示区与显示器的相对位置是一致的。因此，既需要考虑到拍摄时物光能否均匀照在模型上，也要考虑到以后显示时所希望的数码在空中出现的位置)。然后将编号为1的笔划模型安装在玻璃上预先确定好的位置上，正面朝向全息干版，等待拍摄。

拍摄时，将干版乳胶面向着激光束与被摄物(乳胶面用手指触摸有粘湿的感觉)。将干版表面除1号区以外部分用不透明的黑色纸遮住，使干版表面只有1号区暴露在激光束下被曝光，其他各部分均不曝光。这样1号组件的各种信息便被单独记录在干版1号区中。曝光结束后，将光路断开。在安全灯下将黑纸撤去，重新将2号区曝露出来，将其他各区(包括已曝光的1号区)用黑纸遮住。同时，将玻璃板上的1号模型组件拿去，将2号模型组件安装在其预定位置上，进行2号组件的拍摄及2号区的曝光。依次类推，直至9块模型组件的全息图像分别被9个干版区单独记录完成为止。

下一步，便是对全息干版进行线性冲洗(可采用原地冲洗方法)，便得到符合显示要求的全息干版。

二、点阵式光开关：

点阵式光开关用于选择性的控制光路的通断。目前的方案主要有：微机电系统(MEMS)、平面光波导电路(PLC)、喷墨气泡，液晶系统，电全息成像技术和热电技术等。对于简单的投影系统采用MEMS系统等足以满足要求，但要实现复杂显示的要求，点阵式光开关必须具有透过光强可调的功能，液晶系统最为理想。

液晶系统是一种利用液晶等材料制成的，通过控制电路控制，用来控制光路的电子设备。其结构与液晶显示器类似(图4)，在正交偏振片之间安装用经过特殊处理过的玻璃基片作成的液晶盒，上下基片分子沿面排列，方向相互垂直，盒中盛正性(Δε＞0)的向列相液晶。液晶盒内的偏振方向随分子排列方向而扭转。未加电压时，光可以通过(如图4所示)，当外加电压超过阀值时，分子沿电场方向排列而光不能通过。

以数码显示的全息投影仪为例，根据所制作的全息干版的规格，选择适合的光开关，使其符合以下条件：

1)、光开关的总工作面积、形状应与全息干版的曝光面积、形状相等。例如均为正方形，总面积为9CM²

2)、点阵式光开关上的子开关数应与全息干版上的微型干版区数相等。例如都为9个。

3)、每个子开关的大小、面积、形状、位置应与其对应的微型干版相同。例如，两者均为3×3的呈点阵分布的等大的小正方形。

选取好符合条件的点阵式光开关后，将子开关编号为1-9，与全息干版上的9个区建立一一对应关系。并将其控制电路与电脑或单片机建立连接并编好操作程序。

三、全息投影仪的工作原理：

首先将激光器(波长与原拍摄时相同，功率大于等于拍摄功率)扩束镜、点阵式光开关，全息干版、成像透镜，按图5中顺序安装在支撑架或壳体上(安装时应注意：点阵式光开关上的每个子开关与全息干版上的每个区上下精确对正，并且上下两层间距离应尽可能的小，以减少光通过开关时的衍射、散射所带来的影响)。

工作时，首先打开激光器与点阵式光开关的电源。此时，点阵式光开关的各个子开关均处于关闭状态，因此没有激光束照在全息干版上。若要显示数码“5”。由于数码“5”是由第1、2、3、5、6号笔划构成的，所以利用控制电路打开编号为1、2、3、5、6的子开关，使经扩束后的平行激光束通过这5个区域并照射在全息干版的这5个区域上。根据全息照相原理，将在空中的显示区域内形成这5个组件的立体实像，并能被人眼所观察到。这样由这5个笔划构成的“5”字便在空中显示出来。从而完成了数码的显示。若需改变显示内容，显示其他数字，只需通过控制电路改变各个子开关的通断，即可实现。

四、技术推广：

与上述只具备数码显示功能的全息投影仪相类似的，如要实现对诸如动画、文字、图片、照片、3D动画等内容的显示，只需将制造全息干版的方法稍加改动即可实现。(例如将笔划分解模型换成像素分解模型，相应增加全息干版上微型干版区与点阵式光开关的子开关的数量)，若要制造能进行彩色显示的投影仪(上述数码投影仪所为单色投影仪，字体为红色)，只需增加两种其他颜色的激光器。例如，四甲基伞形酮一乙醇染料激光器，波长为410-448nm可调，蓝色；荧光素钠一乙醇染料激光器，波长为515-543nm可调，绿色。分别用这三种波长的激光进行拍摄(方法与单色时相同，但应注意玻璃板与全息干版的相对位置的改变以及全息干版应选其他型号的干版对绿、蓝光感光)，显示时，利用三个不同颜色的像在空间重合，以及色光叠加原理(还要将点阵式光开关增加可以控制通过光强的功能，使其透过率为0-100％可调。从而控制各色光的亮度比，来控制合成后的色彩效果)，实现对各像素点彩色显示。

首先在空间内建立一个空间直角坐标系，确定像素尺寸及显示区大小，每个像素为一个小正方体或圆球体，像素尺寸为正方体边长或球体直径，显示区大小是全息投形仪所显示的范围，用长×宽×高表示(例如1024×1024×1024，单位：像素)。微型胶片数及像素数相同，若为彩色投影，则底片数为像素数的三倍，这是采用三原光原理在同一坐标位置，使三种单色像素重合，利用色光叠加原理，显示彩色像素。这样每三张单色全息底片负责一个像素的显示，这样在像素与底片之间确立固定对应关系，微型底片与液晶片之间也存在一一对应关系，并由液晶片作为光开关，控制激光的通断和光强，以达到控制像素显示或不显示状态。最后利用像素构图原理在空中组合成各种文字，图形，以及立体图象。

这样，激光发射器发出的单色激光，由数字电路控制的液晶层加以选择通过，照射在相应的底片上，形成相应的单色像素点，再由三种单色像素点重合形成彩色像素点。各个显示的像素点构成画面或立体图像。

五、产品应用及发展：

本技术的应用前景相当广泛，几乎所有要用显示器的地方均可用本产品代替，如用于广告、工艺品、展览会、博览会、旅游、公园、商业、宗教以及其它公共关系活动。如在街市的广告中，可以将广告品的立体动画效果浮现在空中，用于高业区和许多公共娱乐场所，如广场大屏幕，有着非常强的感染力和非常独特的效果。

此外，该技术也可应用于各种民用电器中，如手机、电视、VCD、DVD、电脑等，不仅解决大屏幕与小型化的矛盾，还可以省略各种显像管、显示器与液晶显示器的制造，以虚拟屏幕代替真实屏幕。如结合立体摄像与人工智能技术，则还可省去如键盘、鼠标等输入设备，从虚拟键盘代替真实键盘。实现输入设备、输出设备的全虚拟化，从而大大降低生产成本与资源消耗。大体构思为：利用该技术在空中显示虚拟屏幕与虚拟健盘，同时利用立体拍摄设备以及人工智能系统判断人手的动作与位置，当人用手指“敲击”键盘或“触摸”屏幕时，计算器立即作出相应的反应，从而实现全虚拟化。这与光电鼠标代替滚轮鼠标的思想是一致的，是科技发展的必然结果。

Claims (2)

1、全息激光立体投影仪，其特征在于它包括激光发射器，扩束镜，点阵式光开关、全息干版、成像透镜；所述的激光发射器与扩束镜顺次设置在点阵式光开关层的一侧，经扩束后的激光束垂直于点阵式光开关层平面；点阵式光开关层为按规则排列的通过控制电路控制的具有光路选择性的微型光开关阵；与点阵式光开关层平行的全息干版为带有被摄物体编码的全息底片微缩排列而成的底片阵；成像透镜平行于全息干版层点阵式光开关层与全息干版之间的距离以减少激光通过点阵式光开关层时的衍射、散射为准，前述底片阵与点阵式光开关层的子开关阵一一相对应。

2、根据权利要求1所述的全息激光立体投影仪，其特征在于激光发射器采用红、绿、蓝三种颜色的激光发射器；全息干版采用对红、绿、蓝三色感光的底片；将点阵式光开关增加可以控制通过光强的功能，使其透过率为0-100％可调。

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