CN210666315U - 一种基于全息投影的多视图三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于全息投影的多视图三维显示装置，属于三维显示领域，包括激光器、空间滤波器、第一透镜、第二透镜、第一平面、第二平面以及分光棱镜；激光器发射光束的传播路径上依次布置有空间滤波器和第一透镜，第一透镜产生的平行光的光路上布置有分光棱镜，分光棱镜的反射光光路上布置有空间光调制器，分光棱镜的透射光的光路上布置有第二透镜，第二透镜前后分别设置有所述第一平面和第二平面，所述第二平面布置有柱透镜光栅。本方案在光学结构上简单紧凑，所采用的柱透镜光栅成本低，制作工艺简单；且纯相位全息图的重构具有更高的衍射效率。

Description

一种基于全息投影的多视图三维显示装置

技术领域

本实用新型涉及三维显示技术领域，特别涉及一种基于全息投影的多视图三维显示装置。

背景技术

近年来，三维(3D)显示一直是科研界和工业界的研究热点，并且已经研发出了许多用于开发3D显示器的技术。由于良好的3D性能和身临其境的感知，立体显示器称为商业代表性3D显示技术，尽管观众需要佩戴特殊眼镜而造成自由观看障碍。在实际应用中，由于自动立体显示器优越的性能和较低的价格等因素，在许多应用中显示出巨大的潜力，特别是在移动电子产品，家庭影院和娱乐场所。首先引入的狭缝光栅或透镜阵列以实现双视图显示或多视图显示，但是这些方法通常因有限的分辨率而不被大众所接受。

作为一个完美的三维显示，全息术可以通过在波前重建广场来提供所有的深度信息，是一种真3D显示技术。近年来，随着空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)的发展，计算机生成全息图越来越多地被用于实现真正的3D显示，因为其高灵活性，避免了使用光敏介质和复杂的干涉记录过程。

然而，目前基于SLM的全息3D显示器仍然存在许多局限性，其缺陷在于像素数量不足和像素间距过大导致SLM的空间带宽极低。若利用目前可用的SLM，则全息重建不能用眼睛观察，极大的限制了观察者的视觉体验。虽然已经提出了几种空间分割多路复用或时分多路复用方法来构建全息3D显示系统，但是通常需要多个SLM或具有同步扫描机制的高速SLM，使得系统配置昂贵且复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述背景技术中的缺陷，提供一种光学结构简单紧凑、成本低的三维显示装置。

为实现以上目的，采用一种基于全息投影的多视图三维显示装置，包括激光器、空间滤波器、第一透镜、第二透镜、第一平面、第二平面以及分光棱镜；

激光器发射光束的传播路径上依次布置有空间滤波器和第一透镜，第一透镜产生的平行光的光路上布置有分光棱镜，分光棱镜的反射光光路上布置有空间光调制器，分光棱镜的透射光的光路上布置有第二透镜，第二透镜前后分别设置有所述第一平面和第二平面，所述第二平面布置有柱透镜光栅。

进一步地，所述第一平面布置有光阑，所述第一透镜为准直透镜，所述分光棱镜为半透半反型分光棱镜，所述空间光调制器为反射型的纯相位空间光调制器。

进一步地，所述第二透镜的焦距为f₁，所述第一平面与所述第二透镜中心点距离为z₁，所述第二平面与所述第二透镜中心点距离为z₂，

且f₁<z₁＜2f₁。

进一步地，所述空间光调制器上加载有经菲涅尔衍射算法得到的双视或多视图合成图像的相位全息图。

进一步地，所述第一平面和所述分光棱镜之间布置有第三透镜。

进一步地，所述第三透镜为傅里叶变换透镜，所述第三透镜的焦距为f₁，所述第二透镜的焦距为f₂，所述第一平面布置在第三透镜的后焦面处，所述第二透镜布置在所述第一平面后且所述第二透镜中心点与第一平面距离为z₁，所述第二平面布置在第二透镜后且与所述第二透镜中心点距离为z₂；

所述分光棱镜的中心点与所述空间光调制器的中心点距离为d₁，所述分光棱镜的中心点与所述第三透镜的中心点距离为d₂，且满足f₁＝d₁+d₂，

f₂<z₁＜2f₂。

进一步地，所述第三透镜和所述分光棱镜之间布置有第三平面，该第三平面和所述分光棱镜之间布置有第四透镜，该第四透镜为傅里叶变换透镜。

进一步地，所述第四透镜的焦距为f₁，所述第三透镜的焦距为f₂，所述第二透镜的焦距为f₃，所述第三平面和所述第三透镜中心点的距离以及所述第三透镜中心点和所述第一平面距离均为f₂，所述第二透镜的中心点和所述第一平面的距离以及所述第二透镜的中心点与所述第二平面的距离均为f₃，且满足f₁＝d₁+d₂。

进一步地，所述空间光调制器上加载有经傅里叶变换算法得到的双视或多视图合成图像的相位全息图。

与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：与传统的采用振幅调制，如DLP或LCD相比，本实用新型采用基于纯相位的空间光调制器SLM的全息投影系统和柱透镜光栅，利用全息投影系统将全息图加载到SLM上重建合成图像。全息投影系统利用衍射原理进行显示，全息图上每一点均贡献于合成图像的重构，因此即使全息图残缺也能重构出完整的合成图像。而且，利用柱透镜光栅，可以在不同的观看方向上呈现双目视觉图像或是多个视角图像。本方案提出的三维显示装置，在光学结构上简单紧凑，所采用的柱透镜光栅成本低，制作工艺简单；且纯相位全息图的重构具有更高的衍射效率。

附图说明

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种基于全息投影的多视图三维显示装置的结构示意图；

图2是第二种基于全息投影的多视图三维显示装置的结构示意图；

图3是第三种基于全息投影的多视图三维显示装置的结构示意图；

图4是多视图合成图像原理图；

图5是SLM像素结构图；

图6是菲涅尔衍射示意图；

图7是双视三维显示示意图；

图8是多视三维显示示意图。

具体实施方式

为了更进一步说明本实用新型的特征，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本实用新型的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种基于全息投影的多视图三维显示装置，包括：激光器10、空间滤波器20、第一透镜31、第二透镜32、第一平面61、第二平面62以及分光棱镜50；激光器10发射光束的传播路径上依次布置有空间滤波器20和第一透镜31，第一透镜31产生的平行光的光路上布置有分光棱镜50，分光棱镜50的反射光光路上布置有空间光调制器40，分光棱镜50的透射光的光路上布置有第二透镜32，第二透镜32前后分别设置有所述第一平面61和第二平面62，所述第二平面62布置有柱透镜光栅70。

本方案中，将全息图加载到SLM上，重构合成图像，并利用柱透镜光栅70在不同观看方向上呈现出双目视觉或多视角的图像。在实际应用中通过调整第二透镜32的位置或者焦距，调节重构出的合成图像的尺寸，减少因像素计算引起的误差，方便实际系统中重构的合成图像与柱透镜光栅70的配准，优化三维显示效果。

进一步地，所述第一平面61布置有光阑，所述第一透镜31为准直透镜，所述分光棱镜50为半透半反型分光棱镜50，所述空间光调制器40为反射型的纯相位空间光调制器40。其中，采用波长为λ的激光器10作为照明光源，激光器10发出的激光经空间滤波器20后滤除噪声，经准直透镜输出一束平行光至分光棱镜50BS，BS为普通的半透半反型分光棱镜50，平行光入射BS中的斜面后一分为二(分成反射光和透射光)，其中反射光入射SLM，经过SLM调制后的光原路返回BS，又透射进入第一平面61。

其中，第二透镜32的焦距为f₁，所述第一平面61与所述第二透镜32中心点距离为z₁作为物距，所述第二平面62与所述第二透镜32中心点距离为z₂作为像距，SLM所在平面中心与第一平面61中心距离为z。SLM所在平面的坐标系为(x,y)，将利用的是菲涅尔衍射算法得到双视或多视图合成图像的菲涅尔相位全息图

加载至SLM上，在第一平面61处的光场复振幅分布为U₂，对应的强度分布为|U₂|²，所在平面的坐标系为(ξ,η)。根据透镜成像高斯公式，

可以在第二平面62处观察到重构的双视或多视图合成图像。

需要说明的是，若令第二透镜32处在不同位置，则对应着不同的成像位置(第二平面62)，并且与第一平面61处重构的双视或多视图合成图像相比较，对应着不同的放大率

为了在第二平面62处获得放大的实像，应满足关系f₁＜z₁＜2f₁。

需要说明的是，由于重构显示时会产生多级衍射的现象，为了得到单一合成图像，本实施例中在第一平面61处放置光阑，减小次高级合成图像对显示结果的影响。将柱透镜光栅70放置于第二平面62处，其位置随着第二平面62位置的改变而改变。

如图2所示，本实施例在上述实施例公开的内容的技术上，在所述第一平面61和所述分光棱镜50之间布置有第三透镜33。

其中，所述第三透镜33为傅里叶变换透镜，所述第三透镜33的焦距为f₁，所述第二透镜32的焦距为f₂，所述第一平面61布置在第三透镜33的后焦面处，SLM位于第三透镜33的前焦面处，所述第二透镜32布置在所述第一平面61后且所述第二透镜32中心点与第一平面61距离为z₁，即z₁为物距，所述第二平面62布置在第二透镜32后且与所述第二透镜32中心点距离为z₂，即z₂为像距；所述分光棱镜50的中心点与所述空间光调制器40的中心点距离为d₁，所述分光棱镜50的中心点与所述第三透镜33的中心点距离为d₂，且满足f₁＝d₁+d₂，

f₂<z₁＜2f₂。

本实施例中，SLM为反射型的纯相位空间光调制器40，相位调制范围为[0,2π]，所在平面的坐标系为(x,y)。第一透镜31产生的水平光束入射BS中的斜面后一分为二(分成反射光和透射光)，其中反射光入射SLM，经过SLM调制后的光原路返回BS，又透射进入第三透镜33。利用傅里叶变换算法得到双视或多视图合成图像的相位全息图

加载至SLM上，最终在第一平面61处的光场复振幅分布为U₁，对应的强度分布为|U₁|²，所在平面的坐标系为(ξ,η)。根据透镜成像高斯公式

可以在第二平面62处观察到清晰的重构合成图像。

需要说明的是，若改变第二透镜32的位置，则对应着不同的成像位置(第二平面62)，与第一平面61处重构的双视或多视图合成图像相比较，对应着不同的放大率

要在第二平面62处获得放大的实像，还应满足关系f₂＜z₁＜2f₂。

如图3所示，在上述实施例及图2公开的内容的基础上，本实施例在所述第三透镜33和所述分光棱镜50之间布置有第三平面63，该第三平面63和所述分光棱镜50之间布置有第四透镜34，该第四透镜34为傅里叶变换透镜。

其中，第四透镜34的焦距为f₁，所述第三透镜33的焦距为f₂，所述第二透镜32的焦距为f₃，所述第三平面63和所述第三透镜33中心点的距离以及所述第三透镜33中心点和所述第一平面61距离均为f₂，所述第二透镜32的中心点和所述第一平面61的距离以及所述第二透镜32的中心点与所述第二平面62的距离均为f₃，且满足f₁＝d₁+d₂。

需要说明的是，本实施例中由第三透镜33与第二透镜32组成4f系统，各光学元件的作用与图2所示实施例中相同。SLM所在平面的坐标系为(x,y)。同理，利用傅里叶变换算法得到双视或多视图合成图像的相位全息图

加载至SLM上，在第三平面63处的光场复振幅分布为U₁，对应的强度分布为|U₁|²，所在平面的坐标系为(ξ,η)。若更换不同焦距的第二透镜32，则对应着不同的成像位置(第二平面62)。

需要说明的是，本方案中采用双目相机或单目相机获取原始视图图片，或是直接利用Autodesk 3ds Max软件采用汇聚法放置虚拟摄像机来渲染出目标物的视差图像。按照一定的规律编码获取双视或多视图合成图像，然后利用傅里叶变换算法和菲涅尔衍射算法得到对应的相位全息图。将相位全系于加载至SLM上，重构出合成图像，并且可以对最终重构图像进行缩放，通过移动透镜位置或更换透镜，调整其合成图像尺寸以实现放大或缩小显示，方便实际系统中重构合成图像与柱透镜光栅70的配准。比如通过改变图2所示方案中的第二透镜32的位置、图1所示的方案中的第二透镜32的位置和更换如图3所示方案中的第二透镜32(不同焦距)，可以在不同的观看方向上观察显示效果，如图7-8所示。

其中，采用双目相机或单目相机空分复用获取原始视图图片，或是直接利用Autodesk 3ds Max软件采用汇聚法放置虚拟摄像机来渲染出目标物的K幅视差图，其像素为C×D(行像素×列像素)。

如图4所示，本实施例按照一定的规律合成多视图合成图像：取第1,2,3，…，K，共K幅视差图像的第一列依次排列作为合成图像的子像素1，取第1,2,3，…，K，共K幅视差图像的第二列依次排列作为合成图像的子像素2，依此类推，共得到合成子像素D个，然后将合成子像素按照顺序排列得到一张像素为C×KD的图像，调整图像像素后，最终获得多视图合成图像，其像素为KC×KD。其中，当K＝2时，为双视合成情况，调整图像像素后，最终获得像素为2C×2D的双视图合成图像。

需要说明的是，本实施例中利用傅里叶变换算法或者菲涅尔衍射算法计算得到双视或多视图合成图像的相位全息图

加载至纯相位SLM上，重构出双视或多视图合成图像，并且可以对合成图像进行任意缩放，调整合成图像像素尺寸。通过微调，可以减小因像素计算引起的误差，方便实际系统中重构合成图像与柱透镜光栅70的配准。

具体地，SLM的像素结构如图5所示，设纯相位SLM带有正方形结构的像素，像素数为M×N，水平像素间距为Δx，垂直像素间距为Δy，其中，Δx＝Δy。像素活动区长度为d。在利用上面预先计算的双视或多视图合成相位全息图的光学重建中，加载在SLM上的全息图的采样数等于根据奈奎斯特采样定理的全息重构图像的像素数。

则SLM的透射率函数表示为：

其中，

是SLM的孔径函数，

rect为矩形函数，

表示卷积运算，

为加载到SLM的的活动区的相位，

为SLM的非活动区引起的常量相位偏移，exp表示指数函数，i表示虚部，

表示梳状函数，生成一组衍射复振幅的横向移位。

上述图1所示的三维显示装置中，将菲涅尔相位全息图加载到SLM上，进行合成图像重构过程为：

在第一平面61(SLM的中心处与第一平面61的距离为z)处获得清晰再现像。其菲涅尔衍射重构的过程用公式表示为：

其中，λ为波长，

为波数，SLM与重构平面(ξ,η)相距为z，t(x,y)为SLM的透过率函数。菲涅尔衍射有三种不同的衍射算法，对应重建图像尺寸不同。菲涅尔衍射如图6所示。

进一步地，菲涅尔衍射算法包括S-FFT算法、D-FFT算法和T-FFT算法，三种方法重构过程公式如下：

(1)菲涅尔衍射的S-FFT算法：

第二平面62处重构图像的水平尺寸

重构图像的水平像素间距为

(2)菲涅尔衍射的D-FFT算法：

其中，

是菲涅尔衍射的传递函数。

若利用D-FFT算法，第二平面62处重构图像的水平尺寸S＝K²M_aCDΔxΔy，重构图像的水平像素间距为KM_aCΔxΔy。

(2)菲涅尔衍射的T-FFT算法：

式中，λ为波长，

为波数，z为SLM与重构平面(ξ,η)的距离，t(x,y)为SLM的透过率函数。

若采用T-FFT算法，重构图像的尺寸等于衍射面的尺寸,即S＝KM_aDΔx，重构图像的水平像素间距为M_aΔx。

需要说明的是，菲涅尔衍射的S-FFT算法中，第一平面61处重构图像的水平和垂直尺寸分别由

和

确定。并且第一平面处重构图像的水平和垂直像素间距可以通过以下公式计算：

菲涅尔衍射的D-FFT算法中，第一平面61处重构图像的水平和垂直尺寸均等于衍射面的尺寸L_w×L_h＝MΔx×NΔy，第一平面61处重构图像的水平和垂直像素间距可以通过以下公式计算：

Δξ＝NΔxΔy,Δη＝MΔxΔy，

菲涅尔衍射的T-FFT算法中，第一平面61处重构图像的水平和垂直尺寸等于衍射面的尺寸L_w,L_h，第一平面61处重构图像的水平和垂直像素间距与衍射面像素间距相同。

上述图2所示的三维显示装置中，将傅里叶变换相位全息图加载到SLM上，进行合成图像重构过程为：

当进行傅里叶变换重构显示时，重构平面的复振幅分布T(ξ,η)是SLM的透射率函数t(x,y)的傅里叶变换，可表示为：

其中，

表示采样间隔为Δx的离散结构SLM的傅里叶变换，

表

示经过采样的相位全息图的傅里叶变换，

表示傅里叶变换，

如图2所示，SLM所在平面位于第三透镜33的前焦面，且第一平面61位于第三透镜33的后焦面时，第一平面61与SLM所在平面满足傅里叶变换关系。其重构过程用傅里叶变换公式表示为：

其中，t(x,y)为SLM的透过率函数，f₁为傅里叶透镜L1的焦距。

则第一平面61处的水平和垂直尺寸分别为：

第二平面62处的重构图像水平和垂直尺寸分别由M_aΔS_l，M_aΔS_v确定，其中

并且该重构图像的水平和垂直像素间距可以通过以下公式计算：

第二平面62处重构图像的水平尺寸S＝M_aΔS_l，重构图像的水平像素间距为

上述图3所示的三维显示装置中，将傅里叶变换相位全息图加载到SLM上，进行合成图像重构过程为：

第三平面63处的水平和垂直尺寸分别为：

第二平面62处的重构图像水平和垂直尺寸分别由

确定。并且该重构图像的水平和垂直像素间距可以通过以下公式计算：

第三平面63处重构图像的水平尺寸

重构图像的水平像素间距为

随着研究的不断深入，各种裸眼3D显示器层出不穷，透镜阵列与LCD显示器组合的立体显示系统，由于LCD显示器存在像素宽度w_pixel这一限制，因此柱透镜单元能容纳的像素个数

受限，p为柱透镜光栅70的节距，本方案中可以不受这一限制，由于最终重构的合成图像尺寸可以灵活调节，即重构合成图中的每个像素宽度可以改变。为了达到显示效果最佳，应考虑选择不同节距的柱透镜光栅70，同时，考虑选择与其合适的像素个数Q。

根据透镜成像高斯公式

其中z₁为物距，z₂为像距，f为透镜焦距。

是重构图像放大率。因此，显示部分应满足下列约束关系：

其中，K为视差图个数，S为最终重构图像的水平尺寸。且为避免图像畸变和观看视角减小，双视或多视图合成图像的单元节距p₁应等于柱透镜光栅70的节距，即p₁＝p，当K＝2时，即为双视重构图像的各参数情况。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于全息投影的多视图三维显示装置，其特征在于，包括：激光器、空间滤波器、第一透镜、第二透镜、第一平面、第二平面以及分光棱镜；

激光器发射光束的传播路径上依次布置有空间滤波器和第一透镜，第一透镜产生的平行光的光路上布置有分光棱镜，分光棱镜的反射光光路上布置有空间光调制器，分光棱镜的透射光的光路上布置有第二透镜，第二透镜前后分别设置有所述第一平面和第二平面，所述第二平面布置有柱透镜光栅。

2.如权利要求1所述的基于全息投影的多视图三维显示装置，其特征在于，所述第一平面布置有光阑，所述第一透镜为准直透镜，所述分光棱镜为半透半反型分光棱镜，所述空间光调制器为反射型的纯相位空间光调制器。

3.如权利要求2所述的基于全息投影的多视图三维显示装置，其特征在于，所述第二透镜的焦距为f₁，所述第一平面与所述第二透镜中心点距离为z₁，所述第二平面与所述第二透镜中心点距离为z₂，

且f₁<z₁＜2f₁。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于全息投影的多视图三维显示装置，其特征在于，所述空间光调制器上加载有经菲涅尔衍射算法得到的双视或多视图合成图像的相位全息图。

5.如权利要求2所述的基于全息投影的多视图三维显示装置，其特征在于，所述第一平面和所述分光棱镜之间布置有第三透镜。

6.如权利要求5所述的基于全息投影的多视图三维显示装置，其特征在于，所述第三透镜为傅里叶变换透镜，所述第三透镜的焦距为f₁，所述第二透镜的焦距为f₂，所述第一平面布置在第三透镜的后焦面处，所述第二透镜布置在所述第一平面后且所述第二透镜中心点与第一平面距离为z₁，所述第二平面布置在第二透镜后且与所述第二透镜中心点距离为z₂；

所述分光棱镜的中心点与所述空间光调制器的中心点距离为d₁，所述分光棱镜的中心点与所述第三透镜的中心点距离为d₂，且满足f₁＝d₁+d₂，

f₂<z₁＜2f₂。

7.如权利要求5所述的基于全息投影的多视图三维显示装置，其特征在于，所述第三透镜和所述分光棱镜之间布置有第三平面，该第三平面和所述分光棱镜之间布置有第四透镜，该第四透镜为傅里叶变换透镜。

8.如权利要求7所述的基于全息投影的多视图三维显示装置，其特征在于，所述第四透镜的焦距为f₁，所述第三透镜的焦距为f₂，所述第二透镜的焦距为f₃，所述第三平面和所述第三透镜中心点的距离以及所述第三透镜中心点和所述第一平面距离均为f₂，所述第二透镜的中心点和所述第一平面的距离以及所述第二透镜的中心点与所述第二平面的距离均为f₃，且满足f₁＝d₁+d₂。

9.如权利要求5或6所述的基于全息投影的多视图三维显示装置，其特征在于，所述空间光调制器上加载有经傅里叶变换算法得到的双视或多视图合成图像的相位全息图。

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