一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统。该系统由光源、锥镜、空间光调制器组和控制模组组成。光源用于提供具有相干性的非准直光束。光束经过锥镜时，被反射为对称的环形光束，而后均匀地照射到空间光调制器组上。空间光调制器组由N个空间光调制器排列组成弯曲的弧形阵列，并与控制模组相连。控制模组由N个控制模块组成，用于调整空间光调制器组的弯曲中心角。纯相位复合曲面全息图由具有不同弯曲中心角的曲面全息图复合而成，并被加载到空间光调制器组上。当光束照射空间光调制器组时，使用控制模组控制空间光调制器组的弯曲中心角连续快速变化，根据视觉暂留效应，人眼能同时看到多角度复合的大视角全息重建像。建像。建像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统
一、

[0001]本专利技术涉及全息显示技术，更具体地说，本专利技术涉及一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统。
二、
技术介绍

[0002]全息显示技术能够真实地再现物体的3D信息，不会导致观看者产生诸如视觉疲劳、眩晕及恶心等不适反应。近年来，航空、医学及工业等领域对全息显示表现出了越来越大的需求。然而，受限于现有空间光调制器的像素尺寸，全息显示系统的视场角难以满足实际应用中的观看要求。为扩大全息显示系统的视场角，一些研究者使用倾斜光源阵列照射空间光调制器，通过在傅里叶平面上设置一定参数的4f成像系统实现了空间光调制器水平和垂直分辨率的二次分配，以达到了扩大水平视角的目的。一些研究者利用高刷新率的空间光调制器搭建了扫描式全息3D显示系统，实现了视场角的扩大。此外，也有研究者将可以产生大角度衍射的非周期光子筛与液晶显示屏进行结合，将视角扩大到了15
°
。2019年，研究人员提出一种基于曲面全息光学元件的全息AR显示方法，极大地增大了全息显示视角。目前，大视角全息显示系统的研究已越来越多。
三、
技术实现思路

[0003]本专利技术提出一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统。如附图1所示，该系统由光源、锥镜、空间光调制器组和控制模组组成。其中光源用于提供具有相干性的非准直光束，并能完全照射锥镜。光束经过锥镜时，被反射为对称的环形光束，而后均匀地照射到空间光调制器组上。空间光调制器组由N个型号相同的空间光调制器排列组成弯曲的弧形阵列，并与控制模组相连。控制模组由N个型号相同的控制模块组成，分别用于控制N个空间光调制器的转动角度，从而调整空间光调制器组的弯曲中心角。空间光调制器组上加载纯相位复合曲面全息图，纯相位复合曲面全息图由具有不同弯曲中心角的曲面全息图复合而成，空间光调制器组的分辨率与纯相位复合曲面全息图的分辨率相同。当光束照射空间光调制器组时，控制空间光调制器组的弯曲中心角与纯相位复合曲面全息图上的其中一个弯曲中心角相同，则人眼能看到该角度对应的全息重建像。根据纯相位复合曲面全息图上的弯曲中心角，使用控制模组控制空间光调制器组的弯曲中心角连续快速变化，根据视觉暂留效应，人眼能同时看到多角度复合的大视角全息重建像。
[0004]如附图2所示，本专利技术提出的一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统中，纯相位复合曲面全息图的生成方法包括以下三个步骤：第一步，对于M个3D物体，利用全息算法分别计算得到其相应的平面全息图，在此基础上，分别计算出M个3D物体对应的曲面全息图，曲面全息图的分辨率为N
×
A
×
B，A
×
B是单个空间光调制器的分辨率，曲面全息图的弯曲中心角各不相同；第二步，将步骤一得到的M个曲面全息图复合得到复合曲面全息图，通过优化操作抑制复合曲面全息图产生的散斑噪声，而后进行相位提取，得到纯相位复合曲面全息图；第三步，将分辨率为N
×
A
×
B的纯相位复合曲面全息图分割为N个分辨率为A
×
B的子全息图，然后将N个子全息图依次加载到N个空间光调制器上，当再现光照射N个空间光调制器时，能看到全息重建像。
[0005]优选地，在步骤一中，利用全息算法计算得到3D物体的平面全息图。如附图3所示，平面全息图和曲面全息图的俯视图位于x-z坐标系中。对于任意一个3D物体，首先生成该物体的平面全息图，设置其曲面全息图的中心角为β，根据菲涅尔衍射定理的近似处理，得到平面全息图与曲面全息图的转换关系，表示为：
[0006]h
c
＝h
p
·
exp(ikz
(x,y)
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0007]其中h
c
和h
p
分别代表曲面全息图和平面全息图的复振幅分布，k代表波数；z
(x,y)
代表着平面全息图上任一个像素到曲面全息图上对应像素的传播距离，表示为：
[0008][0009]其中R代表曲面全息图的曲率半径，w
h
代表平面全息图的宽度，曲面全息图的弯曲中心角中心角z0是平面全息图和曲面全息图之间的最大垂直距离，表示为：
[0010][0011]根据公式(1)-(3)分别生成M个3D物体的曲面全息图，且这些曲面全息图的弯曲中心角各不相同，将这些曲面全息图的弯曲中心角分别记为β1，β2，
…
，β
M
。
[0012]优选地，在步骤二中，将步骤一得到的M个曲面全息图复振幅进行相加，从而复合得到复合曲面全息图，通过误差扩散处理及添加数字透镜的优化操作，抑制复合曲面全息图的散斑噪声，对复合曲面全息图上任意像素点(x,y)，纯相位值与复振幅值之间的误差表示为：
[0013]e(x,y)＝A(x,y)exp[iφ(x,y)]-exp[iφ(x,y)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0014]其中A(x,y)表示振幅，φ(x,y)表示相位，H＝A(x,y)exp[iφ(x,y)]表示复振幅。对复合曲面全息图从第一个像素开始按像素进行扫描，通过误差扩散算法将该误差扩散到相邻的像素中，以降低相邻相素间的相位差，其中H
′
(x,y)是更新后的复振幅，在复合曲面全息图的所有像素点都被扫描之后，在复合曲面全息图上加载数字透镜的相位，用以将重建像和杂光分离开。优化后的复合曲面全息图表示为：
[0015][0016]其中f是数字透镜的焦距。空间光调制器无法同时对光的振幅和相位进行调制，对优化后的复合曲面全息图进行相位提取，得到纯相位复合曲面全息图。
[0017]优选地，空间光调制器的个数N≥3，3D物体的个数M≥3；当空间光调制器组的弯曲中心角等于β1时，此时看到第1个3D物体的重建像，如附图4(a)所示；当空间光调制器组的弯曲中心角等于β2时，看到第2个3D物体的重建像，如附图4(b)所示；以此类推，当空间光调制器组的弯曲中心角等于β
M
时，能看到第M个3D物体的重建像，如附图4(c)所示；当空间光调制器组的弯曲中心角切换时间足够快时，人眼能同时看到多角度复合的大视角全息重建像。
四、附图说明
[0018]附图1为本专利技术一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统的系统示意图。
[0019]附图2是本专利技术的纯相位复合曲面全息图的生成方法示意图。
[0020]附图3是本专利技术所提出的平面全息图与曲面全息图的转换关系示意图。
[0021]附图4是本专利技术的空间光调制器组具有不同弯曲中心角时的全息重建示意图。附图4(a)为空间光调制器组弯曲中心角为β1时的全息重建示意图，附图4(b)为空间光调制器组弯曲中心角为β2时的全息重建示意图，附图4(c)是空间光调制器组弯曲中心角为β
M
时的全息重建示意图。
[0022]上述各附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统，该系统由光源、锥镜、空间光调制器组和控制模组组成；其中光源用于提供具有相干性的非准直光束，并能完全照射锥镜；光束经过锥镜时，被反射为对称的环形光束，而后均匀地照射到空间光调制器组上；空间光调制器组由N个型号相同的空间光调制器排列组成弯曲的弧形阵列，并与控制模组相连；控制模组由N个型号相同的控制模块组成，分别用于控制N个空间光调制器的转动角度，从而调整空间光调制器组的弯曲中心角；空间光调制器组上加载纯相位复合曲面全息图，纯相位复合曲面全息图由具有不同弯曲中心角的曲面全息图复合而成，空间光调制器组的分辨率与纯相位复合曲面全息图的分辨率相同；当光束照射空间光调制器组时，控制空间光调制器组的弯曲中心角与纯相位复合曲面全息图上的其中一个弯曲中心角相同，则人眼能看到该角度对应的全息重建像；根据纯相位复合曲面全息图上的弯曲中心角，使用控制模组控制空间光调制器组的弯曲中心角连续快速变化，根据视觉暂留效应，人眼能同时看到多角度复合的大视角全息重建像；其中，纯相位复合曲面全息图的生成方法包括以下三个步骤：第一步，对于M个3D物体，利用全息算法分别计算得到其相应的平面全息图，在此基础上，分别计算出M个3D物体对应的曲面全息图，曲面全息图的分辨率为N
×
A
×
B，A
×
B是单个空间光调制器的分辨率，曲面全息图的弯曲中心角各不相同；第二步，将步骤一得到的M个曲面全息图复合得到复合曲面全息图，通过优化操作抑制复合曲面全息图产生的散斑噪声，而后进行相位提取，得到纯相位复合曲面全息图；第三步，将分辨率为N
×
A
×
B的纯相位复合曲面全息图分割为N个分辨率为A
×
B的子全息图，并将N个子全息图依次加载到N个空间光调制器上，当再现光照射N个空间光调制器时，能看到全息重建像。2.根据权利要求1所述的一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统，其特征在于，在纯相位复合曲面全息图的生成方法步骤一中，利用全息算法计算得到3D物体的平面全息图；对于任意一个3D物体，首先生成该物体的平面全息图，设置其曲面全息图的中心角为β，根据菲涅尔衍射定理的近似处理，得到平面全息图与曲面全息图的转换关系，表示为：h
c
＝h
p
·

【专利技术属性】
技术研发人员：王琼华，王迪，郑义微，李赵松，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：