[发明专利]基于空间光调制器拼接阵列的计算全息3D显示系统和方法

说明书

一种基于空间光调制器(以下简称SLM)拼接阵列的计算全息三维(3D)显示系统和方法，其系统包括：SLMs无缝拼接阵列、全息影像放大和视角扩展系统和照明系统。SLMs无缝拼接阵列是由一系列单个SLM显示芯片通过镜像原理拼接而成，拼接后的各个显示芯片有效显示面的对应边缘无缝连接，且各个元件的边缘对入射光未有遮挡。其作用是，可以将满足3D显示要求的宽幅全息图作为写入信号，对入射在该SLMs拼接阵列上的光进行空间调制，以进行全息重建；影像放大系统由成像镜头、场镜和全息定向屏构成，用于对计算全息图的再现像进行放大，并扩展视场角；照明系统提供入射到SLMs拼接阵列上的写入光，其是由球面透镜和柱面透镜构成的光组，设计目标是使全息再现像最大化、充分利用光能以及提高再现像的亮度。

技术领域

本发明属于全息三维显示技术领域，尤其涉及一种SLMs(SLM，Spatial LightModulator，空间光调制器，SLMs为两片及两片以上SLM)阵列全息三维显示系统及方法。

背景技术

全息三维显示技术(The holographic three-dimensions display)是利用干涉原理编码待显示的物体光波前，然后利用衍射原理重构物体光波前的三维图像显示技术。

全息显示关键技术之一是如何将待显示物体光的波前信息编码到一个二维图像之中，这个图像就是所谓的全息图。诺贝尔奖获得者盖博提出利用光的干涉原理记录物体光波信息。全息成像过程为：将激光束分为两束，一束照明物体，经物体透射或反射形成漫射式的物光，另一束作为参考光，物光和参考光在相遇区间发生干涉，利用感光材料将干涉条纹记录下来，就形成了全息图。全息图将物光波的振幅和相位信息通过干涉的方法编码到干涉条纹中，形成了一个复杂的光栅，如果利用原来参考光照明全息图，原来的物光波将会被衍射出来，这就意味着重构了物体的像。

随着计算机科学技术和光电技术的快速发展，利用计算方法对物光波进行编码已经成为当今的研究热点。这种技术被称作计算机制全息术(Computer-generatedholography，CGH)或计算全息术(Computing Holography)。计算全息不需要物体的实际存在，只要把物光波的数学描述输入计算机，经计算机编码后得到数字化全息图，计算全息图可以方便的输出到空间光调制器(SLM)中，进行直接显示。计算全息图不仅可以全面地记录实际光波的振幅和相位，而且能综合出自然界不存在的物体波前，因而具有独特的优点和极大的灵活性，对现实增强和虚拟现实显示具有重要的实用意义。

由于能够灵活地对光波波前进行调制，空间光调制器被广泛应用于计算全息投影技术中。但是成像的质量受目前SLM像素尺寸、陈列大小、棱镜P的填充率和帧数性能参数的限制。其中之一表现为再现像的可视角度较小，无法达到理想的三维显示效果。

基于SLM的全息三维显示再现像的视角，很多专家提供了许多视角拓展方法。比如多SLM空间拼接方法、单SLM时分复用方法、时分和空间复用相结合的方法。

在《中国光学》杂志的2015年4月份、第8卷第2期上公开了“空间光调制器曲面拼接实现全息三维显示视角拓展”.本文对多空间光调制器不同拼接方式拓展全息三维再现像视角的方法进行了分析，基于多片空间光调制器拼接拓展视角的思想，利用平面反射镜、分光镜和两片透射式空间光调制器设计了曲面拼接系统，进行了全息三维再现像的视角拓展实验研究。用该系统对四棱锥物体的层析菲涅尔衍射全息图进行再现，结果表明，总视角由基于单片空间光调制器的1.7°增大到3.2°，即拓展到约1.9倍，分光镜能够消除两片空间光调制器间的间隙，实现无缝拼接。光源发出的源光经扩束准直后由分光镜BS1分成两束，一束经反射镜M2垂直照射到SLM1上，另一束经反射镜M3垂直照射到SLM2上，通过分光镜BS2的合束作用来消除两片SLM之间的间隙，原则上实现无缝拼接。但是，从该文中可知，两片SLM无缝拼接是通过调整SLM空间位置来实现。那么如何能实现调整SLM空间位置呢？主要是用人眼的观察判定。这种方案虽然谈的是曲面拼接，但是由于采用人眼的观察来判定其空间位置，存在各种不确定性，该方案是无法适用于更多空间光调制器的曲面拼接中。