一种基于可调液晶光栅的全息真3D显示系统及方法

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可调液晶光栅的全息真3D显示系统及方法。

二、背景技术

全息技术可以提供逼真的立体显示效果且无需佩戴辅助设备，同时没有任何不适和疲劳感，因此受到了广泛关注。全息真3D显示通常需要借助计算机来生成全息图，同时通过空间光调制器来对输入光进行调制进而再现出3D场景。然而，受限于空间光调制器等器件的影响，全息再现像的观看视角及尺寸很小，目前市场上像素尺寸为微米级别的空间光调制器对应的视角仅为几度，严重影响人们的观看体验。日本千叶大学的研究者提出使用多个空间光调制器进行平面排布的方法来扩大全息再现视角，但空间光调制器之间具有一定缝隙，影响了再现像的观看效果；土耳其的学者利用锥形镜和分束镜将9个倾斜的反射式空间光调制器无缝拼接到一起获得视角为24°的3D再现像；上海大学利用两个空间光调制器和时空复用法来扩大彩色全息显示系统的视角。采用多空间光调制器拼接技术虽然能够增大再现像的视角，但系统本身比较复杂，成本较高，再现像的尺寸也难以增大。日本的Y.Sando等人提出了凸抛物面反射镜法扩大再现像的水平视角，但再现像的尺寸不到1毫米。随着显示市场需求的发展，亟待突破大视角及大尺寸的全息真3D显示技术。

三、发明内容

本发明提出一种基于可调液晶光栅的全息真3D显示系统及方法，如附图1所示，该系统包括激光器、滤波器、扩束镜、半透半反镜、空间光调制器、透镜I、光阑、可调液晶光栅、偏振片、信号控制器、透镜II和接收屏。其中，激光器、滤波器和扩束镜用于产生准直入射光。半透半反镜位于扩束镜和空间光调制器之间，准直入射光经过半透半反镜后照射空间光调制器，空间光调制器上加载了3D物体的全息图。衍射光经过空间光调制器和半透半反镜的反射后通过透镜I，光阑位于透镜I的后面，用于消除全息真3D显示中的高级衍射光，透镜I与透镜II的参数相同。可调液晶光栅位于透镜I的后焦面且位于透镜II的前焦面，可调液晶光栅是通过电压驱动的，通过施加电压来控制衍射像产生二次衍射从而扩大全息真3D显示系统的视角及尺寸。信号控制器用于同步控制可调液晶光栅的电压、全息图的生成及加载，二次衍射像经过偏振片和透镜II后，观看者在接收屏上看到全息再现像。

如附图2所示，可调液晶光栅包括上玻璃基板、上电极、液晶层、下电极、接地电极和下玻璃基板，其中上电极施加直流电V

本发明所提出的系统通过以下方法实现大视角全息真3D显示：使用信号控制器生成3D物体的全息图，全息图的分辨率与空间光调制器的分辨率相同，均为a×b，其中a是横向分辨率，b是纵向分辨率。调节光阑的大小从而保证仅一个级次的衍射像通过可调液晶光栅。在初始状态时，可调液晶光栅上不施加电压，此时系统的观看视角为θ

其中，以可调液晶光栅的对称中心为原点，x是光栅面上任意一点到原点的横向位移，d是光栅节距，N是光栅周期数，B是可调液晶光栅的透过率峰值，B随着电压的改变而发生变化。可调液晶光栅的衍射级数M用下式表示：

其中，θ为衍射光到可调液晶光栅的入射角，60°≦θ≦90°，λ为入射光线的波长。当衍射光垂直入射可调液晶光栅时，θ＝90°。调节偏振片的偏振状态，使二次衍射像通过偏振片和透镜II后强度均匀地显示在接收屏上，最终在接收屏上能看到大视角的全息真3D显示效果，全息显示系统的观看视角为M×θ

本发明所提出的系统通过以下方法实现大尺寸全息真3D显示：空间光调制器的分辨率为a×b，被记录3D物体的横向分辨率是m，使用信号控制器将3D物体的横向分辨率扩大为n并生成3D物体的全息图，n＝m+a，全息图的分辨率为2a×b。如附图3所示，将全息图等分割为两个分辨率均为a×b的子全息图，即子全息图I和子全息图II。在T

其中，f是透镜II的焦距。由于可调液晶光栅位于透镜I的后焦面且位于透镜II的前焦面，透镜I和透镜II构成4f系统，因此可调液晶光栅的频谱面与4f系统的后焦面重合。调整偏振片的横向位移和偏振状态，滤掉零级主极大和-1级次级大，只考虑+1级次级大，即子全息图II的衍射像经过可调液晶光栅后会产生L的横向平移。设置平移量为L，L等于空间光调制器的横向尺寸：

L＝ap (4)

其中，p是空间光调制器的像素间距，此时能在+1级次级大处看到子全息图II的再现像。当T

其中，0

优选地，本系统中3D物体的全息图生成方法均是基于菲涅尔衍射的计算全息图生成方法，包括查表法、新型查表法、波前相位重建法以及角谱算法等。

四、附图说明

附图1为本发明的一种基于液晶光栅的全息真3D显示系统的结构示意图。

附图2为本发明的可调液晶光栅的结构示意图。

附图3为本发明的全息图的分割原理示意图。

附图4为本发明的可调液晶光栅的频谱分布示意图。

上述各附图中的图示标号为：

(1)激光器、(2)滤波器、(3)扩束镜、(4)半透半反镜、(5)空间光调制器、(6)透镜I、(7)光阑、(8)可调液晶光栅、(9)偏振片、(10)透镜II、(11)接收屏、(12)信号控制器、(13)上玻璃基板、(14)上电极、(15)液晶层、(16)下电极、(17)接地电极、(18)下玻璃基板。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

五、具体实施方式

下面详细说明本发明提出的一种基于可调液晶光栅的全息真3D显示系统及方法的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明的系统实施例为：在实验系统中，激光器的波长为532nm，空间光调制器为反射式纯相位型空间光调制器，型号为FSLM-4K70-P，空间光调制器的像素间距为3.74μm，分辨率为3840×2060，刷新速度是60HZ，相位调制能力是2π，透镜Ⅰ和透镜Ⅱ的焦距均为27cm。信号控制器同步控制空间光调制器上的全息图生成、加载和可调液晶光栅的电压。可调液晶光栅中，下电极宽度w

为了实现大视角全息真3D显示，使用具有一定深度信息的“骆驼”作为被记录的3D物体，其分辨率为1400×942，再现距离为15cm，使用信号控制器生成3D物体的全息图，全息图的分辨率为3840×2060，调节光阑的大小从而保证仅一个级次的衍射像通过。在初始状态时，可调液晶光栅上不施加电压，此时系统的横向观看视角为～3.5°。当在可调液晶光栅上施加电压时，通过调节电压使衍射像经过可调液晶光栅后发生二次衍射，从而产生10个二次衍射像，调节偏振片的偏振状态，使10个二次衍射像通过偏振片和透镜II后强度均匀地显示在接收屏上，从而实现大视角的全息真3D显示效果，此时横向观看视角为～35°。

为了实现大尺寸全息真3D显示，使用具有一定深度信息的“荷花”作为被记录的3D物体，该3D物体的分辨率为1422×942，再现距离为15cm，使用信号控制器生成3D物体的全息图，所得到的全息图的分辨率为7680×2060，将该全息图分为分辨率均为3840×2060的两幅子全息图，即子全息图Ⅰ和子全息图Ⅱ。在T