一种基于光束偏转的全息投影方法技术

本发明专利技术提供一种基于光束偏转的全息投影方法，属于全息投影三维图像显示领域。该方法采用层析法制作多角度计算全息图，利用液晶空间光调制器施加不同相位因子，基于时分复用方法，按时序投影得到分离的再现光束，最后基于正偏心透镜组的光束偏转原理，对光路进行偏转控制，汇聚各视角光线得到再现图像，实现全息投影三维图像显示视场角的扩大。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光束偏转的全息投影方法
本专利技术提供一种基于光束偏转的全息投影方法，具体涉及到全息投影三维图像显示领域。技术背景目前三维显示技术发展迅速，该技术在虚拟现实、多媒体展示等多个方面成为了理想的媒介，与我们的生活各方面有了越来越紧密的联系。三维显示技术具有二维显示技术无法比拟的优势，不仅可以生动立体地再现物体，还能进行逼真的场景模拟，在军事、工业、医疗和日常生活等各个领域都具有巨大应用价值。在三维显示技术中，全息投影技术被认为是实现三维显示最理想的方式，因为它能完整记录下三维物体的振幅和相位信息，在一定条件下再现出与原物体完全相同的三维图像。全息投影技术不仅能提供真实的观看效果，同时无需佩戴其它设备，使观看者具有方便、真实、舒适的体验感。因此全息投影技术这种理想的真实再现技术，一直是国际上裸眼真三维显示技术的研究热点。空间光调制器(SLM)是全息成像的核心关键器件，但受到像素尺寸、阵列大小等性能参数的限制，导致三维显示的再现图像视场角狭小。因此，全息投影三维显示技术面临着扩大成像视角的研究挑战。Hahn[1]等人利用多个空间光调制器获得连续不同的视角图像，来扩大再现像最终视场角。将多个倾斜的SLM加载不同的全息图。不同SLM加载的全息图含有三维物体某个视角的信息。将每个SLM当作一个窗口从而扩大视角。该光学系统结构较为复杂，同时多个SLM之间的缝隙调整难度大。Yaras[2]等开发出弧形全息视频显示系统。该系统仍使用多SLM倾斜拼接，并利用半透半反镜消除SLM间的缝隙，扩大再现三维像视场角的同时，简化了系统结构。但多SLM的成像系统不仅成本高昂，同时结构复杂，搭建难度高。Takaki[3]和Yusuke[4]等都利用单空间光调制器实现了360°视场角的投影系统。Takaki等人使用数字微镜装置DMD加载全息图，在光学系统中采用旋转的离轴菲涅尔反射镜面作为显示屏；Yusuke等由DMD调制的波前进入垂直向下倾斜的旋转镜。旋转镜和显示在DMD上的全息图可以同步于所有水平方向传播的波前重建。该显示系统可以让多个观众在很近的距离内同时观看，但镜面的机械旋转速度需要和DMD的刷新频率时时保持一致。另外，利用时分复用的机械扫描方法，对扫描系统的机械控制具有很高的要求。目前许多扩大视场角的研究方法都有各自的优势，但是在系统的简化与视场角扩大效果上还有待进一步优化，且成像效果与可操作性还有待提高。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于光束偏转的全息投影方法，可以有效扩大全息投影三维显示再现图像的视场角。本专利技术提供的技术方案是：基于光束偏转的全息投影方法，具体步骤如下：1)利用层析法制作多角度的计算全息图，即对不同视角的原始三维物体进行建模，三维物体沿深度方向进行分层，单独计算各层在全息面上的菲涅尔衍射光场分布，再全部进行叠加，制成三维物体的全息图；基于不同视角，生成多角度计算全息图。然后采用遮挡数据冗余消除的方法简化所需的数据计算量；2)针对步骤1)中的每个计算全息图加上一个相应的相位因子，利用时分复用方法，液晶空间光调制器将不同角度的全息图进行时序投影，不同时刻投影成像的反射光线反射相离，反射成水平分离的出射光线；3)搭建正偏心透镜组，正偏心透镜组由三片焦距相等的正透镜组成，步骤2)中分离的出射光线经第一透镜分别汇聚，第二透镜是减少光线损耗的场透镜，第一透镜和第三透镜组成光束控制系统，最终出射光线在第三透镜聚集，形成宽视角的再现图像。进一步地，步骤1)具体包括如下步骤：11)对不同视角的原始三维物体进行建模并点云化，便于后续数据量的简化，并根据其深度分成若干个二维切片层数据图像；12)单独计算各层在全息面上的菲涅尔衍射光场分布，利用二维快速傅里叶变换为每一层创建一个衍射图案。并将该图案与该层深度相对应焦距的全息透镜相乘，然后相加创建最终的全息图，如下式所示:式中2DFFTx,y为二维快速傅里叶变换；lens(zl)表示产生深度信息的透镜功能；L是深度层的数量。最终全部进行叠加，制成整个三维物体的全息图；13)为了进一步简化数据，将被遮挡的冗余数据消除，不列入计算数据，简化所需的计算量，并将简化前后所制全息图再现图进行比较，确认简化后成像效果不受影响。进一步地，步骤2)具体包括如下步骤：21)在各视角计算全息图基础上，施加不同的相位因子，对应不同的投影方向；相位因子具有透镜的位相调制作用,可以表示为：在离轴情况下可以写成：其中(x0,y0)为光轴的位置。不同视角的计算全息图加载不同的相位因子；22)根据步骤21)中的相位因子调制，利用液晶空间光调制器实现(式3)的相位调制，向不同方向按时序投影各视角光束。以便为后续投影过程中实现角度偏转，而提供各角度光束的分离路径；23)根据步骤22)投影出来的分离光束，利用反射镜控制各路光束，使其形成水平的光路方向。进一步地，步骤3)具体包括如下步骤：搭建正偏心透镜组，其中两个或多个实现角度聚焦的透镜，统称为第一透镜。并搭建减少光损失的第二透镜，即场透镜。再搭建第三透镜汇聚所有光束，由偏转光束实现再现图像视场角扩大。光束的扫描范围取决于镜头焦距f和位移Δ,这将导致偏转角θ，可以表示如下。其中，Δ为光线距离中心位置偏移的距离，f为透镜的焦距。经过透镜组的光束偏转，光束的角度偏转达到θ。可控制光束实现大角度扫描汇聚得到最终再现图像。本专利技术通过时分复用方法，利用液晶空间光调制器时序加载不同全息图，投影分离各个视角光路路径，再经光束偏转系统得到视角扩大的再现图像。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(一)利用单一空间光调制器实现了三维图像视场角的扩大。相比多空间光调制器视角扩大系统，本系统所需的空间光调制器等价格高昂的器件少，成本低，具有更好的应用推广价值。(二)无需进行机械扫描。利用反射镜与透镜组对光路进行调整与控制，实现了对光束的偏转。相比其它单一空间光调制器机械扫描系统，本方案降低了系统的复杂度，减去了机械系统带来的系统搭建复杂、时间同步等问题，系统稳定性高。(三)将空间光调制器视角扩展原理与多透镜光束偏转原理相结合，不仅系统结构简洁、可操作性强，更重要的是能有效扩大全息投影三维图像显示视场角。附图说明图1为本专利技术基于光束偏转的全息投影方法的流程框图；图2为层析法制作计算全息图示意图；图3为计算全息图优化前后再现结果对比图；图4为多视角计算全息图生成图；图5为多视角计算全息图、相位图和仿真再现图；图6为光束偏转多透镜组；图7为SLM多视角偏转示意图；图8为多SLM的拼接方式，其中(a)平面拼接(b)曲面拼接；图9为衍射倾斜示意图；图10为全息投影显示视场角扩大系统示意图。具体实施方式下面结合附图，通过实施实例进一步描述本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术的范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光束偏转的全息投影方法，具体步骤如下：/n1)利用层析法制作多角度计算全息图；/n2)液晶空间光调制器对上述不同的计算全息图加上一个相应的相位因子，利用时分复用方法，将不同角度的计算全息图进行时序投影，不同时序投影成像的光线反射相离成水平分离的出射光线；/n3)搭建正偏心透镜组，正偏心透镜组由三片焦距相等的正透镜组成，所述出射光线经第一透镜分别汇聚，第二透镜是减少光线损耗的场透镜，第一透镜和第三透镜组成光束控制系统，最终出射光线在第三透镜聚集，形成宽视角的再现图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光束偏转的全息投影方法，具体步骤如下：
1)利用层析法制作多角度计算全息图；
2)液晶空间光调制器对上述不同的计算全息图加上一个相应的相位因子，利用时分复用方法，将不同角度的计算全息图进行时序投影，不同时序投影成像的光线反射相离成水平分离的出射光线；
3)搭建正偏心透镜组，正偏心透镜组由三片焦距相等的正透镜组成，所述出射光线经第一透镜分别汇聚，第二透镜是减少光线损耗的场透镜，第一透镜和第三透镜组成光束控制系统，最终出射光线在第三透镜聚集，形成宽视角的再现图像。


2.如权利要求1所述的基于光束偏转的全息投影方法，其特征在于，步骤1)具体包括：对原始三维物体进行建模并点云化，并根据其深度分成若干个二维切片层数据图像，单独计算各层面在全息面上的菲涅尔衍射光场分布，利用二维快速傅里叶变换...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨光临，谢涛敏，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11