一种基于液晶几何相位器件的全息动态显示装置

技术领域

本发明涉及显示设备技术领域，尤其是涉及一种基于液晶几何相位器件的全息动态显示装置。

背景技术

目前，为了实现图案的投影显示，一般采用投影仪或者投影灯等投影设备。投影仪分为CRT(CathodeRay Tube)投影仪、LCD(Liquid Crystal Display)投影仪与DLP(DigitalLight Processor)投影仪等设备，可以实现彩色图案的动态显示，常用于会议、讲座、监控等多个领域，是一种成熟的大屏幕影像设备，然而，其设备需要透镜调节成像、造价高昂与体积较大，限制了其应用在更广泛的领域的应用。投影灯方式是通过将投影的画面雕刻在灯片上，利用灯泡发出的光，将已经设定好的内容投影到载体上，这种设备价格低廉、体积较小、显示清晰，常用于广告、标志显示等领域。然而，这种方式难以实现投影图案的实时切换，无法实现图案的动态显示，同样需要透镜，具有一定的局限性。

基于几何相位的图案化取向全息液晶盒提供了一种通过液晶电光效应解决投影显示实时切换图像问题的方法，且光路中无需透镜参与成像。这种液晶盒是利用图案化取向技术，将计算全息法得到的衍射全息图以几何相位矩阵的方式写入液晶盒，利用液晶的电光效应控制图像显示与否，从而实现投影图案的动态显示。

液晶的图案化取向是一种新兴的液晶取向方法，可以实现液晶分子在一定区域内的图案化排布。典型的图案化图像技术如光取向技术，相较于传统的取向方式具有精密无损、工艺简单、操作快捷等优势，取向剂经过偏振光照射，偶氮染料分子就会以垂直于偏振光方向排列，从而对其余不同偏振光产生不同的光学特性，取向层分子的有序性传递给了液晶即决定了液晶取向。光取向具有取向层稳定、取向速度快、无漏光现象等优点。

几何相位是不同于动态传播相位的一种不依赖于光程的特殊相位，只与光经过路径上的各向异性介质的几何形状有关，制得的液晶盒结构紧凑、效率高，易于设计和操控且制作工艺简单。

计算全息法利用计算机编码制作衍射全息图，省去了复杂的干涉记录的过程。计算全息作为显示技术的优点在于生成速度快，全息图案的复现光路简单，不需要搭设复杂的光路。

液晶的电光效应是在电场作用下，液晶分子的偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。利用电光效应，通过外加电场，可以控制液晶盒几何相位矩阵的生效与否，实现衍射全息图案的显示与否。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的投影灯无法实现图案的动态显示和实时切换，灵活性较差的缺陷而提供一种基于液晶几何相位器件的全息动态显示装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于液晶几何相位器件的全息动态显示装置，包括依次连接的光源、扩束系统、圆偏振光产生装置和液晶盒组，所述液晶盒组包括多个液晶盒，所述液晶盒内设有液晶层，所述圆偏振光产生装置和液晶盒组中的液晶盒均与控制器连接，所述控制器将电压波形加载至圆偏振光产生装置和液晶盒，实现目标图案的全息动态显示。

所述圆偏振光产生装置中设有圆偏振态选择器，通过圆偏振态选择器与控制器连接。

进一步地，所述圆偏振态选择器选择产生的圆偏振光类型包括左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

所述扩束系统包括相互连接的扩束镜和准直透镜。

进一步地，所述扩束镜与光源连接，所述准直透镜与圆偏振光产生装置连接。

进一步地，所述准直透镜与扩束镜的距离等于准直透镜的焦距。

所述光源提供稳定功率的光束，入射到扩束镜当中，光源的输出功率不小于60mW，光波长为可见光。

所述扩束镜的放大倍数为2-5倍，用于控制光源提供的光束，放大光束直径，入射到准直透镜中。

所述准直透镜将经过扩束镜放大的光束整合调整，得到均匀的平行光束，以适配液晶盒取向区域的尺寸。

所述液晶盒的厚度为5-20μm，用于实现目标图案的衍射生成，位于三维调节支架上。

所述液晶盒的材质为透明导电基板，具体制作过程包括以下步骤：

S1、在导电玻璃基板设有导电图层的一面旋涂取向层，并将导电玻璃基板制作成液晶盒；

S2、根据获取的目标图案、工作波长和衍射距离计算几何相位，并优化几何相位值以获得最佳成像效果，得到最优几何相位；

S3、根据最优几何相位对液晶盒进行图案化取向；

S4、根据图案化取向对液晶盒灌入液晶形成液晶层。

进一步地，所述液晶层的类型包括由向列相液晶材料或者胆甾相(手性)液晶制作而成的液晶层，或者是由功能性物质的液晶材料制成的液晶层。

进一步地，所述功能性物质包括聚合物单体和光敏材料。

所述液晶盒内的液晶排布采用图案化取向，形成取向区域。

所述液晶盒组中所有液晶盒的取向区域与光源的光轴位于同一直线上。

所述控制器的输出为周期性脉冲波，所述液晶盒处于高电平时，取向区域无效，无法产生衍射图案；液晶盒处于低电平时，可全息投影出设计图案；不同偏振态的光穿过液晶盒，衍射生成不同图案。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用全息算法设计图案的几何相位矩阵，实现图案的衍射生成，有利于降低制作难度，通过往液晶盒中灌注液晶来形成取向区域，与投影灯雕刻灯卡相比具有更高的容错率，实现低成本动态全息投影显示。

2.本发明通过控制器来对圆偏振光产生装置和液晶盒组中的液晶盒，有效提高了不同目标图案之间切换的效率，避免了投影灯在图案切换时存在明显过渡段的缺陷，保证了投影设备所投影的图案的准确性。

3.本发明的液晶盒可以单独使用，也可以多个液晶盒配合使用，且在不同组合方案之间切换简单方便，扩大了投影设备的使用范围，降低了复杂度较高的图案的制作难度，提高了投影设备的灵活性。

4.本发明的液晶盒中的液晶可以通过反取向进行回收，与投影灯的灯片仅能使用一次相比，提高了资源利用率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明液晶盒图案化取向的示意图；

图3为本发明单个显示周期控制器输出电压的变化曲线的示意图。

附图标记：

1-光源；2-扩束镜；3-准直透镜；4-圆偏振光产生装置；5-第一液晶盒；6-第二液晶盒；7-第三液晶盒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种基于液晶几何相位器件的全息动态显示装置，包括依次连接的光源1、扩束系统、圆偏振光产生装置4和液晶盒组，液晶盒组包括多个液晶盒，液晶盒内设有液晶层，圆偏振光产生装置4和液晶盒组中的液晶盒均与控制器连接，控制器将电压波形加载至圆偏振光产生装置4和液晶盒，实现目标图案的全息动态显示。

圆偏振光产生装置4中设有圆偏振态选择器，通过圆偏振态选择器与控制器连接。

圆偏振态选择器选择产生的圆偏振光类型包括左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

扩束系统包括相互连接的扩束镜2和准直透镜3。

扩束镜2与光源1连接，准直透镜3与圆偏振光产生装置4连接。

准直透镜3与扩束镜的距离等于准直透镜3的焦距。

本实施例中，准直透镜3的直径为30mm，焦距为100mm。

光源1提供稳定功率的光束，入射到扩束镜2当中，光源1的输出功率不小于60mW，光波长为可见光。

扩束镜2的放大倍数为2-5倍，用于控制光源1提供的光束，放大光束直径，入射到准直透镜3中。

准直透镜3将经过扩束镜2放大的光束整合调整，得到均匀的平行光束，以适配液晶盒取向区域的尺寸。

液晶盒的厚度为5-20μm，用于实现目标图案的衍射生成，位于三维调节支架上。

液晶盒的材质为透明导电基板，具体制作过程包括以下步骤：

S1、在导电玻璃基板设有导电图层的一面旋涂取向层，并将导电玻璃基板制作成液晶盒；

S2、根据获取的目标图案、工作波长和衍射距离计算几何相位，并优化几何相位值以获得最佳成像效果，得到最优几何相位；

S3、根据最优几何相位对液晶盒进行图案化取向；

S4、根据图案化取向对液晶盒灌入液晶形成液晶层。

液晶层的类型包括由向列相液晶材料或者胆甾相(手性)液晶制作而成的液晶层，或者是由功能性物质的液晶材料制成的液晶层。

向液晶盒内灌注向列相液晶，全息图案成像于透射端；向液晶盒内灌注手性液晶，全息图案成像于反射端。

功能性物质包括聚合物单体和光敏材料。

如图2所示，液晶盒内的液晶排布采用图案化取向，形成取向区域。

液晶盒组中所有液晶盒的取向区域与光源1的光轴位于同一直线上。

本实施例中，液晶盒组包括第一液晶盒5、第二液晶盒6和第三液晶盒7，尺寸均为2*2cm，取向区域大小为2*2mm，取向区域几何相位矩阵为1080*1080，第一液晶盒5、第二液晶盒6和第三液晶盒7的几何相位矩阵信息分别对应第一帧图像、第二帧图像和第三帧图像。

几何相位矩阵的计算方法包括：首先将用于全息显示的图像变换为1080*1080像素大小，对图像进行灰度化，得到图像的灰度值矩阵，对该矩阵进行归一化并添加随机相位因子，再利用快速傅里叶逆变换得到中间值矩阵，最后逆向计算并标定得到几何相位矩阵。经上述算法得到的几何相位矩阵，即为盒内液晶光取向的角度取值。

控制器的输出为周期性脉冲波，控制器输出波形如附图3所示，液晶盒处于高电平时，取向区域无效，无法产生衍射图案；液晶盒处于低电平时，可全息投影出设计图案；不同偏振态的光穿过液晶盒，衍射生成不同图案。

具体实施时的步骤如下所示：

(1)打开光源1，输出光束；

(2)安装扩束镜2，调整激光扩束镜2的物镜中心与光轴平行，调节扩束镜放大倍率；

(3)安装准直透镜3，调整准直透镜3的中心在光轴上，调整准直透镜3距离扩束镜2的距离等于准直透镜3的焦距；扩束镜2和准直透镜3共同将光束转成合适直径的均匀激光束；

(4)安装圆偏振光产生装置4，调整圆偏振光产生装置4的入射孔在光轴上。

(5)安装第一液晶盒5、第二液晶盒6、第三液晶盒7，调整三维调节支架，使各液晶盒取向区域位于光轴上；

(6)安装控制器电极。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。