[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

说明书

本发明提出一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，该系统包括激光器、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。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。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。

一、技术领域

本发明涉及全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统。

二、背景技术

能够重建任意3D物体全部波前信息的全息显示技术被认为是最理想的3D显示方法之一，但受限于当前的空间光调制器的像素尺寸，目前基于单个空间光调制器全息重建像的观看视区和显示尺寸都非常小，难以满足观看需求。为了解决这个问题，研究者提出了诸多方案。比如，利用对多个空间光调制器进行曲面拼接的空分复用技术，获取大视区的全息重建像。这种技术虽然有效扩大了全息重建像的视区，但多个空间光调制器的曲面拼接大大增加了系统的复杂程度和成本。为了降低多个空间光调制器拼接的系统复杂度，研究者通过对单个空间光调制器连续加载多幅子全息图，结合结构光照明的时分复用技术，扩大了全息重建像的视区，这种方案虽然降低了成本，但对光源有着特殊的要求。

另一方面，由于全息重建像的视区与尺寸存在相互制约关系，同时扩大全息重建像的视区与尺寸非常困难。在扩大全息重建像尺寸方面，德国SeeReal技术公司利用全息光学元件制备了一台具有300mm×200mm大尺寸显示窗口的全息3D显示系统。波兰华沙理工大学的研究团队提出了一种能够横向放大、平移和旋转全息重建像的全息图算法，最终产生了50mm×50mm×100mm的大尺寸彩色全息重建像。此外，随着近年来超表面技术的迅速发展，利用超表面材料来扩大全息重建像尺寸的方案也越来越多，但方案中具体涉及的材料的加工流程都普遍比较复杂，材料成本较高，在大尺寸全息显示的实用化方面还有待进一步研究。

三、发明内容

本发明提出一种基于空间光调制器虚拟阵列拼接的全息3D显示系统，如附图1所示，该系统包括激光器、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。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δ、0、-δ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。

光束偏折元件1和光束偏折元件2的结构如附图2所示，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。将出射光束与光轴的夹角称作偏折角。以光束①为例，根据几何光学原理计算可知，折射率n、入射角楔角α和偏折角δ满足下式关系：