[发明专利]分时复用计算全息三维显示系统及其显示方法

说明书

技术领域

本发明属于三维图像显示技术领域，涉及一种分时复用计算全息三维显示系统及其显示方法。

背景技术

由于二维显示难以清楚准确表达第三维的深度信息，人们一直在致力于研究可显示立体场景的显示技术——三维图像显示技术。全息三维显示技术利用光的衍射或干涉，记录物光的振幅和位相信息，再通过光的衍射将物光的信息重新构建出来，是各种显示方法中唯一真正意义上的三维显示技术。

早期的光学全息需要制备三维物体的模型，反射光束进行相干记录，限制了全息技术的实际应用。随着光电技术及器件的迅速发展，计算全息三维显示技术的发展及应用取得了飞速发展，其基本原理是用计算机模拟光学衍射过程，并用光调制器件代替传统全息记录材料，在光波传输路径的某一个平面上模拟衍射光的复振幅，实现三维图像信息的全记录，再通过光学衍射，复现出三维图像。

但受调制器空间分辨率的限制，光调制器通过光学系统衍射直接生成的三维图像观察视角比较小，需要采用其它方法，对显示三维图像的视角进行展宽。为了解决这个问题，目前常用分时复用的方法，采用具有较高刷新频率的光调制器件，将显示图像不同观察方位角对应的计算编码依次输入，通过同步扫描等技术，将不同视角的三维图顺序快速显示，依靠人眼的视觉滞留，获得较大视角的三维图像显示。但由于扫描装置的引入，造成了系统的复杂，不利于这用技术的实用化。

以空间光调制器10作为三维图像信息二维编码的载入器件，其有限的个像素间距和分辨率限制了生成图像的观察视角和尺寸。比如对菲涅尔计算全息，以x方向为例，平行光束垂直或接近垂直入射空间光调制器，生成图像的最大观察视角θ可以通过光栅方程p_xsin(θ)＝λ求得。目前技术下空间光调制器10的最小像素尺寸在微米量级，假设p_x＝8um，λ＝532nm，则θ＝3.2°，在正常的观察距离(约0.5米)，观察者不能同时两个眼睛接收到图像信息。

若入射光倾斜入射，根据光栅衍射方程，衍射视角也相应变化，如图1所示。

以两束入射光为例，设计其入射角度，使它们通过空间光调制器10生成的衍射区域顺序连接，如图2中的阴影区域。通过快门或照明光源的电流控制等办法，反复顺序入射各照射光，并通过空间光调制器10同步输入对应的计算全息编码，当不同入射光之间的变换频率达到一定值时，根据视觉滞留效应，观察者可以看到稳定的三维图像，其观察视角(θ₁+θ₂)是单束入射光所能实现观察视角的近似两倍。这样，在不引入扫描装置的情况下，实现了观察视角的分时复用合成扩展。

但目前所用任何空间光调制器都存在一个像素填充因子σ，其周期结构会引入高阶衍射项。如图3，平行光束以倾斜角θ入射，在空间光调制器10的菲涅尔衍射区，不但具有零阶衍射光，还有±1阶、±2阶等高衍射光。若采用多个入射光，某一角度入射光对应的零阶衍射项会和其它角度入射光对应的高阶衍射项在空间上重叠。结合图2和图3，令图2中的θ₀₂等于图3中的θ₀，在两束入射光情况下，图2中θ₀₁对应的零阶衍射区域(即θ₁对应阴影区域)和图3中的+1阶衍射区域在空间上重叠。若采用分时复用，某一入射光束对应的高阶衍射项会叠加在其它入射光束对应的零阶衍射项上，严重影响图像的显示质量，不利于这种方法的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，本发明将两束偏振方向相互垂直的平行光束，快速轮换入射空间光调制器，设计其入射角度，在谱面上设置偏振孔径光阑，滤去像素周期结构引入的高阶衍射谱，提出一种无高阶谱项叠加串扰的、基于偏振孔径滤波的分时复用计算全息三维显示系统及其显示方法，可以将三维图像单个平面内的观察视角增大约一倍。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种分时复用计算全息三维显示系统，其中，包括：

-4f系统，由第一、第二透镜组成；

-空间光调制器，输入计算全息编码，并通过上述第一透镜的转换，在空间光调制器对应频谱面上显示输入编码的频谱分布；

-偏振孔径光阑，孔径由并列的两个正交偏振片组成，其位于上述空间光调制器经第一透镜所确定的频谱面上；

一控制单元，用于控制空间光调制器入射光的入射次序和时间；

空间光调制器输入信息并经第一透镜转换后投射在频谱面上，经偏振孔径光阑滤波后，光信息经过第二透镜的再次转换，在像面复现空间光调制器的输入信息。