CN210803998U - 基于空间光调制器的光场三维成像装置 - Google Patents

基于空间光调制器的光场三维成像装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种基于空间光调制器的光场三维成像装置，包括：光源模块、空间光调制器、光场调控器件、多视角投影光路模块；所述光源模块发射的光束依次经过空间光调制器、多视角投影光路模块后到达光场调控器件。本实用新型利用空间光调制器的相位调制能力，控制空间光调制器出射光的投影方向，通过一个空间光调制器即可提供多个视角的投影图像，大大减少了所需的投影机数量，减小了光学系统的体积，极大程度降低了系统成本。

Description

基于空间光调制器的光场三维成像装置
技术领域
本实用新型涉及三维成像技术领域，具体地，涉及基于空间光调制器的光场三维成像装置。
背景技术
光场三维显示技术是一种新型的三维显示方法。光场三维成像方法需要从不同角度加载相应的二维图像信息到光场调控器件上来重建三维光场，因此，通常需要采用大量的投影机构成投影阵列来提供多视角的投影图像，导致所需的光学系统非常庞大，成本也非常昂贵。
专利文献CN 104935915B(申请号：201510424975.1)公开了一种三维成像用成像装置，其包括第一镜头、第二镜头及图像传感器；第一镜头与第二镜头用于在同时刻对同一场景进行取像，以获取存在视差的第一图像与第二图像；图像传感器的靶面包括第一感光区与第二感光区，第一感光区与第二感光区相互分离，即第一感光区与第二感光区为该图像传感器的靶面上相互无重叠部分的两个区域，第一图像经第一镜头投射至第一感光区，第二图像经第二镜头投射至第二感光区。
实用新型内容
针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于空间光调制器的光场三维成像装置。
根据本实用新型提供的一种基于空间光调制器的光场三维成像装置，包括：
光源模块、空间光调制器、光场调控器件、多视角投影光路模块；
所述光源模块发射的光束依次经过空间光调制器、多视角投影光路模块后到达光场调控器件。
优选地，所述光源模块包括：光源、扩束准直装置、偏振片、分光棱镜；
光源发射的光束依次经过扩束准直装置、偏振片、分光棱镜后，经分光棱镜射入空间光调制器。
优选地，所述光场调控器件为定向散射屏，所述定向散射屏包括以下任一种：
平面定向散射屏、柱面定向散射屏。
优选地，所述多视角投影光路模块包括：第一反射镜组、第二反射镜组；
所述光源模块发射的光束依次经过空间光调制器SLM、第一组反射镜、第二组反射镜后到达定向散射屏。
优选地，所述光源发射的光束射入空间光调制器，被调制后从空间光调制器射出，从空间光调制器射出的光束经第一反射镜组反射到第二反射镜组，经第二反射镜组反射到定向散射屏。
优选地，所述第一反射镜组包括：n个反射镜，n为大于1的正整数；
第二反射镜组包括：n个反射镜；
所述第一反射镜组的n个反射镜分别与第二反射镜组的n个反射镜一一对应。
优选地，所述从空间光调制器射出的光束包括：n道光束；
从空间光调制器射出的n道光束分别经第一反射镜组的n个反射镜反射到第二反射镜组的n个反射镜，经第二反射镜组的n个反射镜以均匀的角度间隔反射到定向散射屏。
优选地，其特征在于，还包括控制模块，所述控制器分别与光源模块、空间光调制器相连。
优选地，其特征在于，所述第一反射镜组及第二反射镜组设置于空间光调制器和定向散射屏之间。
优选地，所述第一反射镜组的n个反射镜以设定的倾斜角度沿弧状分布于靠近定向散射屏的一端；
所述第二反射镜组的n个反射镜以设定的倾斜角度沿弧状分布于靠近空间光调制器的一端。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
本实用新型利用空间光调制器的相位调制能力，改变出射光的投影方向，再通过多视角投影光路将出射光投射到光场调控器件上，从而重建出三维光场，被人眼观察。由此仅通过一个空间光调制器即可提供多个视角的投影图像，大大减少了所需的投影机数量，减小了光学系统的体积，极大程度降低了系统成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本实用新型提供的基于空间光调制器的光场三维成像系统的结构示意图。
图2为本实用新型提供的光源模块结构示意图。
图3为本实用新型提供的基于空间光调制器的光场三维成像系统的控制模块的结构示意图。
图4为本实用新型提供的多视角投影光路俯视示意图。
图5为本实用新型提供的多视角投影光路正视示意图。
图6为本实用新型提供的多视角投影光路的等效光路示意图。
图7为本实用新型提供的定向散屏的散射特性示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
根据本实用新型提供的一种基于空间光调制器的光场三维成像装置，包括：
光源模块、空间光调制器、光场调控器件、多视角投影光路模块；
所述光源模块发射的光束依次经过空间光调制器、多视角投影光路模块后到达光场调控器件。
具体地，所述光源模块包括：光源、扩束准直装置、偏振片、分光棱镜；
光源发射的光束依次经过扩束准直装置、偏振片、分光棱镜后，经分光棱镜射入空间光调制器。
具体地，所述光场调控器件为定向散射屏，所述定向散射屏包括以下任一种：
平面定向散射屏、柱面定向散射屏。
具体地，所述多视角投影光路模块包括：第一反射镜组、第二反射镜组；
所述光源模块发射的光束依次经过空间光调制器SLM、第一组反射镜、第二组反射镜后到达定向散射屏。
具体地，所述光源发射的光束射入空间光调制器，被调制后从空间光调制器射出，从空间光调制器射出的光束经第一反射镜组反射到第二反射镜组，经第二反射镜组反射到定向散射屏。
具体地，所述第一反射镜组包括：n个反射镜，n为大于1的正整数；
第二反射镜组包括：n个反射镜；
所述第一反射镜组的n个反射镜分别与第二反射镜组的n个反射镜一一对应。
具体地，所述从空间光调制器射出的光束包括：n道光束；
从空间光调制器射出的n道光束分别经第一反射镜组的n个反射镜反射到第二反射镜组的n个反射镜，经第二反射镜组的n个反射镜以均匀的角度间隔反射到定向散射屏。
具体地，其特征在于，还包括控制模块，所述控制器分别与光源模块、空间光调制器相连。
具体地，其特征在于，所述第一反射镜组及第二反射镜组设置于空间光调制器和定向散射屏之间。
具体地，所述第一反射镜组的n个反射镜以设定的倾斜角度沿弧状分布于靠近定向散射屏的一端；
所述第二反射镜组的n个反射镜以设定的倾斜角度沿弧状分布于靠近空间光调制器的一端。
下面通过优选例对本实用新型进行更为具体地说明。
优选例1：
本实用新型提供了一种基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，包括：
光源模块、空间光调制器、光场调控器件、多视角投影光路模块；
所述光源模块发射的光束依次经过空间光调制器、多视角投影光路模块后到达光场调控器件。
所述光源模块包括：光源、扩束准直装置、偏振片、分光棱镜；
光源发射的光束依次经过扩束准直装置、偏振片、分光棱镜后，经分光棱镜射入空间光调制器。
所述光场调控器件为定向散射屏，可以为平面定向散射屏，也可以为柱面定向散射屏。
所述多视角投影光路模块包括：第一反射镜组、第二反射镜组；
所述光源模块发射的光束依次经过空间光调制器SLM、第一组反射镜、第二组反射镜后到达定向散射屏。
所述光源发射的光束射入空间光调制器后从空间光调制器射出，从空间光调制器射出的光束经第一反射镜组反射到第二反射镜组，经第二反射镜组反射到定向散射屏。
所述第一反射镜组包括：n个反射镜，n为大于1的正整数；
第二反射镜组包括：n个反射镜；
所述第一反射镜组的n个反射镜分别与第二反射镜组的n个反射镜一一对应。
所述从空间光调制器射出的光束包括：n道光束；
从空间光调制器射出的n道光束分别经第一反射镜组的n个反射镜反射到第二反射镜组的n个反射镜，经第二反射镜组的n个反射镜以均匀的角度间隔反射到定向散射屏。
还包括控制器，所述控制器分别与光源模块、空间光调制器相连。
所述第一反射镜组及第二反射镜组设置于空间光调制器和定向散射屏之间。
所述第一反射镜组的n个反射镜以设定的倾斜角度沿弧状分布于靠近定向散射屏的一端；
所述第二反射镜组的n个反射镜以设定的倾斜角度沿弧状分布于靠近空间光调制器的一端。
本优选例通过空间光调制器和多视角投影模块的组合解决了现有技术需要大量投影机构的缺陷。
优选例2：
本优选例在优选例1所述装置的结构基础上提供一种具体的成像原理实例。
如图1所示，一种基于空间光调制器的光场三维成像系统包括光源模块、控制模块、空间光调制器(SLM)、多视角投影光路模块、定向散射屏。
首先控制模块将需要投影的相应的图像信息通过全息图算法转换为全息图形式，并输出加载到空间光调制器上进行显示，并同步控制光源系统提供一个光源入射到空间光调制器上，再现出对应的图像信息，并控制出射光的投影方向，通过多视角投影光路将对应视角的图像信息投射到定向散射屏上，从而重建出三维光场，被人眼观察。
一般地，光源模块主要完成对空间光调制的照明工作，如图2所示，主要包括光源、扩束准直器、偏振片、分光棱镜。光源为具有相干性的一个单色激光光源或RGB彩色激光光源，也可以是单色或彩色的LED光源；扩束准直器用来对光源进行扩束，并准直为平行光入射到空间光调制器上，同时可以兼具滤波作用以提高光束质量；偏振片用来控制入射光束的偏振态以保证空间光调制器的工作状态；分光棱镜用来偏折光路以使光束垂直入射到反射式空间光调制器上，如果采用透射式空间光调制器则可不需要该分光棱镜。
控制模块主要完成图像信息的全息图计算、加载以及空间光调制和光源的同步控制工作。如图3所示，控制模块主要包括主控制单元、控制程序界面、外部通信接口、存储单元、全息图生成单元、SLM驱动单元和光源驱动单元。
主控制单元完成整个系统的控制工作；控制程序界面主要提供人机接口界面；
外部通信接口主要包括视频、数据等有线接口，或无线、蓝牙、红外等无线接口接收外部数据；
全息图生成单元将对应的图像信息或者数据通过全息图算法生成全息图，并通过主控制单元输出到空间光调制器驱动单元上，从而驱动空间光调制对入射到其上的光束进行调制从而输出对应的图像信息；
主控制单元还可以通过内部或者外部的存储单元事先存储的全息图输出显示到空间光调制器上；主控制单元可以实现对空间光调制和光源的同步驱动。
多视角投影光路主要是将空间光调制器投射出的对应视角的图像信息按特定的方向投影到定向散射屏上，从而重建三维光场。利用空间光调制器的相位调制能力，通过在空间光调制器上加载不同的数字闪耀光栅等数字光学信号，可以使入射到空间光调制器上的光束沿不同的偏转角度出射。重要的是，空间光调制器可以实现多角度复用，也就是说可以使入射光束在同一时刻沿不同的方向同时出射。数字闪耀光栅对光束出射方向的改变大小为：
Figure BDA0002211765370000061
式中，
ω表示数字闪耀光栅对光束出射方向的角度改变大小，
λ为入射光的波长，
p为空间光调制器的像素大小，
T表示每个周期所占的空间光调制器的像素个数。
图4所示为多视角投影光路的顶视图，一个空间光调制器投射出4个视角的图像信息(当然可以更多)，每一个视角的图像信息通过对应的两个反射镜(如M11和M21)反射后，以均匀的角度间隔投影到定向散射屏上，从而重建出三维光场。
为了避免投影光路中反射镜的遮挡，各视角投影光路中第一面反射镜(M1)均设置一定的倾斜角度，使得其反射出的光束倾斜向上投射到第二面反射镜(M2)上，经同样倾斜放置的第二面反射镜反射后，光束继续水平传播，投影到定向散射屏上，如图5(多视角投影光路的正视图)所示。
图6所示为多视角投影光路的等效光路图。通过多视角投影光路，通过一个空间光调制器即相当于采用多个空间光调制器从不同的视角方向将对应的图像信息投影到定向散射屏上，空间光调制器为高帧频器件，通过SLM的快速刷新以及人眼的视觉暂留效应，各视角的投影图像能够同时被人眼观察到，从而重建出三维光场，大大减少所需的投影机数量，减小光学系统的体积，降低系统成本。
本实用新型中采用的光场调控器件为定向散射屏，图7所示为定向散屏的散射特性。屏幕在水平方向对光线进行限制，将其发光角度限制在很小的角度δx以内，可以直接近似地认作是直接反射或透射，而在垂直方向上对光线进行大角度散射，可以近似地认作是在(-δy/2,+δy/2)的范围内漫射。水平方向的小角度出射决定了其在水平方向上对光场进行重建的精细程度，而垂直方向的大角度散射则最大限度地保证了观察者观看到图像在垂直方向上的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，包括：
光源模块、空间光调制器、光场调控器件、多视角投影光路模块；
所述光源模块发射的光束依次经过空间光调制器、多视角投影光路模块后到达光场调控器件。
2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，所述光源模块包括：光源、扩束准直装置、偏振片、分光棱镜；
光源发射的光束依次经过扩束准直装置、偏振片、分光棱镜后，经分光棱镜射入空间光调制器。
3.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，所述光场调控器件为定向散射屏，所述定向散射屏包括以下任一种：
平面定向散射屏、柱面定向散射屏。
4.根据权利要求3所述的基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，所述多视角投影光路模块包括：第一反射镜组、第二反射镜组；
所述光源模块发射的光束依次经过空间光调制器SLM、第一组反射镜、第二组反射镜后到达定向散射屏。
5.根据权利要求4所述的基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，所述光源模块发射的光束射入空间光调制器，被调制后从空间光调制器射出，从空间光调制器射出的光束经第一反射镜组反射到第二反射镜组，经第二反射镜组反射到定向散射屏。
6.根据权利要求5所述的基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，所述第一反射镜组包括：n个反射镜，n为大于1的正整数；
第二反射镜组包括：n个反射镜；
所述第一反射镜组的n个反射镜分别与第二反射镜组的n个反射镜一一对应。
7.根据权利要求6所述的基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，
所述从空间光调制器射出的光束包括：n道光束；
从空间光调制器射出的n道光束分别经第一反射镜组的n个反射镜反射到第二反射镜组的n个反射镜，经第二反射镜组的n个反射镜以均匀的角度间隔反射到定向散射屏。
8.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器分别与光源模块、空间光调制器相连。
9.根据权利要求7所述的基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，所述第一反射镜组及第二反射镜组设置于空间光调制器和定向散射屏之间。
10.根据权利要求9所述的基于空间光调制器的光场三维成像装置，其特征在于，所述第一反射镜组的n个反射镜以设定的倾斜角度沿弧状分布于靠近定向散射屏的一端；
所述第二反射镜组的n个反射镜以设定的倾斜角度沿弧状分布于靠近空间光调制器的一端。
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