[发明专利]一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统

权利要求书

1.一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，其特征在于，该系统由激光器、分束器1、分束器2、反射镜1、快门阵列、空间滤波器阵列、固体透镜、光束偏折元件1、空间光调制器、分束器3、光束偏折元件2和反射镜2组成；其中激光器用于产生相干光束；分束器1、分束器2和反射镜1用于将激光器产生的光束分为三路平行光并照射快门阵列；快门阵列用于控制三束光按照设定的时间顺序依次通过；空间滤波器阵列和固体透镜用于将通过快门阵列的三束光分别扩束为三束大小相同、强度均匀的平行光束，即光束①、光束②和光束③；光束偏折元件1位于三束平行光束的出射方向，用于将光束①、光束②和光束③分别沿三个特定的方向进行偏折，光束偏折元件1和光束偏折元件2的型号相同；

在T₁时刻，控制快门阵列使光束①经过分束器3后照射空间光调制器，衍射光经过分束器3、光束偏折元件2和反射镜2，观看者看到T₁时刻空间光调制器的衍射光；在T₂时刻，控制快门阵列使光束②照射空间光调制器，衍射光经过分束器3、光束偏折元件2和反射镜2，观看者看到T₂时刻空间光调制器的衍射光；在T₃时刻，控制快门阵列使光束③照射空间光调制器，衍射光经过分束器3、光束偏折元件2和反射镜2，观看者看到T₃时刻空间光调制器的衍射光；控制三个时刻的空间光调制器的衍射光在空间上无缝拼接，当切换速度足够快时，根据人眼的视觉暂留效应，观看者看到空间光调制器虚拟阵列拼接后的衍射光。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，其特征在于，光束偏折元件1和光束偏折元件2都是由两个折射率为n，楔角为α的折射棱镜与折射率为n的平板玻璃胶合而成，折射率n、入射角楔角α和偏折角δ满足下式关系：

在折射率n和楔角α不变的前提下，偏折角δ仅随入射角的变化而变化；通过设计楔角α、折射率n和入射角使光束①、光束②和光束③经过光束偏折元件1以及分束器3后，照射在空间光调制器的相同区域上；光束①、光束②和光束③经过空间光调制器的调制并透过分束器3后继续传播，照射到光束偏折元件2上；三束衍射光在经过光束偏折元件2后重新形成三束平行光；当快门阵列的切换速度足够快时，三束平行光的拼接效果等同于在空间上形成横向大小为3M×p，纵向大小为N×p的空间光调制器虚拟阵列拼接，其中M为空间光调制器的横向分辨率，N为空间光调制器的纵向分辨率，p为空间光调制器的像素间距；光束偏折元件1、空间光调制器、分束器3和光束偏折元件2等效为一个横向大小为3M×p，纵向大小为N×p的空间光调制器虚拟阵列。

3.根据权利要求2所述的一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，其特征在于，该系统通过以下方法实现大视区全息3D显示：对于一个3D物体，计算得到分辨率为3M×N的大尺寸全息图，沿大尺寸全息图横向分辨率的方向将其平均分割为三幅分辨率为M×N的子全息图，记作子全息图1、子全息图2和子全息图3；T₁时刻控制快门阵列使光束①通过，同时加载子全息图1到空间光调制器上；T₂时刻控制快门阵列使光束②通过，同时加载子全息图2到空间光调制器上；T₃时刻控制快门阵列使光束③通过，同时加载子全息图3到空间光调制器上；当切换时间足够快时，由于人眼的视觉暂留效应，在观看距离R处看到大视区重建的3D物体；

其中，在全息重建的过程中，横向大小为3M×p的空间光调制器虚拟阵列被平行光照射时，最大衍射角θ满足以下公式：

其中，λ表示波长；根据全息衍射原理，物体尺寸D满足下式：

D≤θ×Z-3M×p

基于物体的最大尺寸分析观看距离为R时的全息重建像，将能看到完整全息重建像的视区V'称为有效视区；通过对物体最高点和最低点的衍射位置进行计算得出：

其中，Z是全息重建像的衍射距离。

4.根据权利要求2所述的一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，其特征在于，该系统通过以下方法实现大尺寸全息3D显示：对于一个分辨率为A×B的物体，首先沿横向分辨率方向将其平均分割成三幅A/3×B的子图片，分别对三幅子图片进行计算得到分辨率均为M×N的三幅子全息图，生成焦距为f的数字透镜，将数字透镜的相位图与三幅子全息图分别进行叠加，从而得到全息图1、全息图2和全息图3；T₁时刻控制快门阵列使光束①通过，同时加载全息图1到空间光调制器上；T₂时刻控制快门阵列使光束②通过，同时加载全息图2到空间光调制器上；T₃时刻控制快门阵列使光束③通过，同时加载全息图3到空间光调制器上；反复循环上述过程，当切换时间足够快时，由于人眼的视觉暂留效应，三个子图片的全息重建像在空间上实现无缝拼接，观看者看到大尺寸的全息重建像；在T₁时刻，使用单个空间光调制器的全息重建像大小d为：

当切换速度足够快时，全息图1、全息图2和全息图3全息重建像拼接的大小为3d。