專利名稱：一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維立體成像領(lǐng)域，更具體涉及一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，適用于三維立體顯示、虛擬現(xiàn)實、計算機人機交換、機器人視覺等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
用于三維立體顯示的光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)其采用的光源是非相干光源還是相干光源可分為非相干三維立體顯示系統(tǒng)和相干三維立體顯示系統(tǒng)。光波的兩個基本特征是振幅和位相，其中振幅反映了物體亮度信息，而位相反映了物體空間位置和形狀信息，非相干三維立體顯示系統(tǒng)和相干三維立體顯示系統(tǒng)之間的最大區(qū)別在于前者僅僅利用振幅信息，而后者往往同時利用振幅和位相信息，從而使得立體顯示更加輕松簡潔。非相干三維立體顯示系統(tǒng)，最典型的如基于雙目視差的立體成像系統(tǒng)，雖然它們?nèi)〉昧撕艽蟮纳虡I(yè)成功，但由于它·們采用各種方法把兩幅拍攝視角不同的圖像分別傳送給觀察者的左右眼，使其產(chǎn)生立體幻覺,長時間觀看容易引起疲勞。其他非相干成像技術(shù),如集成成像和體成像技術(shù)雖然可以生成真實的立體圖像，但在視場景深、分辨率、刷新速率等各方面還存在不足，很難大規(guī)模推廣。相干三維立體顯示系統(tǒng)，最典型的如全息技術(shù)，它充分利用了激光光源的相干特性，可以把真實立體圖像成像在自由空間，重建光波場的光學(xué)波前與物體輪廓相吻合，觀眾可以像觀看真實物體一樣自然觀看。然而由于可見光波長很短，全息干涉條紋的密度遠遠超過顯示器的分辨率，因此需要采用高分辨率全息干板。全息干板的最大缺點是不能進行實時動態(tài)顯示。而且一幅全息圖包含的信息太大，即使數(shù)值化后也不便于實時傳輸和讀寫存儲。為了實現(xiàn)高像質(zhì)大場景的全息立體顯示，一般需要大尺寸全息干板，這使得全息圖的信息量進一步加大。近年來Sub-holography通過產(chǎn)生一系列離散體元顯著降低了全息圖的信息量，為了使得干涉條紋充分稀疏(達到數(shù)十微米量級)，以便于用液晶顯示器代替全息干板動態(tài)顯示干涉條紋，在Sub-holography成像技術(shù)中每個體元發(fā)出的光錐僅僅覆蓋觀察者的眼睛，錐角小于I度，這樣必須時刻跟蹤觀察者眼睛的位置，而且必須為每一只眼睛產(chǎn)生一套立體圖像，由于總的立體體元數(shù)目有限，觀看人越多，每個人分配的體元數(shù)目越少，圖像清晰度越低。專利號為201010190482. 3的發(fā)明和申請?zhí)枮?01210262034. 9的發(fā)明提出了基于
數(shù)字光學(xué)位相共軛原理的相干立體顯示技術(shù)，該技術(shù)的核心是采用一個絕熱錐形光波導(dǎo)束把復(fù)雜光波分解為許許多多單模光波導(dǎo)的基模，然后采用現(xiàn)有低分辨率空間光調(diào)制器實時數(shù)字化產(chǎn)生這些簡單基模的共軛光波。由于光學(xué)波前形狀相同但傳播方向相反的兩個光波其復(fù)振幅呈共軛關(guān)系，基于光路的可逆性，這些數(shù)字化實時產(chǎn)生的共軛光波逆向傳播，原路返回，從而重建出一個個體元，并由這些體元構(gòu)成一幅立體圖像。由于該方法充分利用了光路的可逆性，因此不存在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的像差，所生成的光學(xué)波前的精度可以達到衍射極限精度，同時由于微透鏡陣列板的引入，在實現(xiàn)大尺寸立體圖像顯示的同時還保證了大觀察角。該方法的唯一不足是必須借助絕熱錐形光波導(dǎo)束，一個絕熱錐形光波導(dǎo)束由成千上萬根單模光波導(dǎo)組成，在絕熱錐形光波導(dǎo)束的細端，各個單模光波導(dǎo)彼此相互耦合，從細端到粗端，單模光波導(dǎo)之間的間距逐步增加，在絕熱錐形光波導(dǎo)束的粗端，單模光波導(dǎo)彼此相互隔離，借助該絕熱錐形光波導(dǎo)束可實現(xiàn)任意復(fù)雜光學(xué)波前的分解與合成，但絕熱錐形光波導(dǎo)束需要采用專業(yè)技術(shù)進行制作。專利號為200810046861.8的發(fā)明和專利號為200910093002.9的發(fā)明提出了基
于隨機相長干涉原理的相干立體顯示技術(shù)，該技術(shù)的核心是采用微透鏡陣列板對經(jīng)過空間光調(diào)制器進行復(fù)振幅調(diào)制后的光波進行聚焦，產(chǎn)生隨機分布的點光源陣列，再通過這些點光源的相長干涉在空間產(chǎn)生體元，由許許多多體元構(gòu)成離散立體圖像。該方法的不足是一個微透鏡對應(yīng)空間光調(diào)制器的一個像素，由每個微透鏡聚焦產(chǎn)生的點光源發(fā)出的光錐覆蓋整個立體成像空間，即使僅產(chǎn)生一個體元時也是如此，而發(fā)射到該體元以外的光線其實是雜散光，降低了光能利用率，同時也限制了總的體元數(shù)目。本發(fā)明是對專利號為200810046861. 8的發(fā)明和專利號為200910093002. 9的發(fā)明的改進或繼續(xù)，其最大改進在于讓一個微透鏡對應(yīng)空間光調(diào)制器的多個像素，這樣經(jīng)過每個像素調(diào)制后的光波聚焦后僅發(fā)射到三維成像空間的一個小光錐角范圍內(nèi)，提高了產(chǎn)生每一個體元時的光 能利用率，同時也有利于提高總的體元數(shù)目。本發(fā)明也可看作是對專利號為201010190482. 3的發(fā)明和申請?zhí)枮?01210262034. 9的發(fā)明的一種簡化，因為點光源發(fā)出的球面光波經(jīng)透鏡陣列分解后垂直照射空間光調(diào)制器，對這種垂直入射的平面光波可以很簡單地產(chǎn)生其共軛光波，從而重建出點光源像，即體元，不再需要借助絕熱錐形光波導(dǎo)束，從而可大大簡化顯示裝置的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、光能利用率高的基于相干干涉的三維立體顯示裝置，實現(xiàn)大尺寸、大視角立體顯示。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，包括相干光源裝置，產(chǎn)生激光光束；照明光學(xué)系統(tǒng)，接受相干光源裝置發(fā)出的激光光束，并對該激光光束進行擴束；復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器，接受照明光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的擴束后的激光光束，并對擴束后的激光光束的振幅和位相進行逐像素調(diào)節(jié)；透鏡陣列，接受經(jīng)過復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的光波，透鏡陣列中的每個透鏡覆蓋復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器的2個以上像素，使得經(jīng)過復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器每個象素調(diào)節(jié)后的光波，經(jīng)過透鏡陣列中對應(yīng)透鏡聚焦后照明三維立體成像空間的一個子空間，不同像素調(diào)節(jié)后的光波被透鏡陣列中所對應(yīng)不同透鏡聚焦后形成的子空間相互交疊，基于相長干涉原理在空中形成體元，由眾多體元構(gòu)成離散三維立體圖像。如上所述的相干光源裝置同時產(chǎn)生三基元色激光光束；照明光學(xué)系統(tǒng)，接受相干光源裝置發(fā)出的三基元色激光光束，并對該激光光束進行擴束和三基元色分離，使得透鏡陣列中的透鏡依次被不同基元色激光照明。如上所述的照明光學(xué)系統(tǒng)包括二維光柵陣列和第三光學(xué)透鏡，二維光柵陣列垂直放置在第三光學(xué)透鏡的焦平面，二維光柵陣列包含三塊二維光柵，每塊二維光柵接受一種基元色激光，設(shè)計每塊二維光柵的光柵參數(shù)，同時安排每塊二維光柵的橫向空間位置，使得經(jīng)每塊二維光柵衍射后的光斑陣列與透鏡陣列對準，而且不同基元色衍射光斑依次照明透鏡陣列中的不同透鏡。如上所述的透鏡陣列中每個透鏡的位置呈隨機排列，使得高階衍射像可以忽略不計。如上所述的透鏡陣列中每個透鏡的位置呈周期排列，設(shè)定排列周期的大小，使得高階衍射像可以忽略不計。如上所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器包含依次放置的第一偏振片、第一空間光調(diào)制器、第二偏振片、第二空間光調(diào)制器和第三偏振片，通過調(diào)節(jié)第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片的偏振方向，使得第一空間光調(diào)制器工作在位相調(diào)節(jié)為主模式，第二空間光調(diào)制器工作在振幅調(diào)解為主模式；或者使得第一空間光調(diào)制器工作在振幅調(diào)節(jié)為主模式，第二空間光調(diào)制器工作在位相調(diào)解為主模式；第一空間光調(diào)制器和第二空間光調(diào)制器的像素相互對準；同時選擇第一空間光調(diào)制器和第二空間光調(diào)制器的像素間距使得2個以上像素對·應(yīng)透鏡陣列中的一個對應(yīng)透鏡。如上所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器包括依次疊放的后面板、第一液晶層、中間面板、第二液晶層、前面板和偏振片；后面板、第一液晶層、中間面板、第二液晶層和前面板集成制作為一個整體，偏振片緊貼在前面板上；后面板、第一液晶層與中間面板構(gòu)成第一塊灰度液晶板，中間面板、第二液晶層、前面板和偏振片構(gòu)成第二塊灰度液晶板，第一塊灰度液晶板和第二塊灰度液晶板上的像素呈相同的二維周期分布，且一一互相對準；第一塊灰度液晶板和第二塊灰度液晶板的2個以上像素對應(yīng)透鏡陣列中的一個對應(yīng)透鏡；設(shè)置后面板上朝向第一液晶層一側(cè)的液晶分子定向膜的取向，使其與中間面板上朝向第一液晶層一側(cè)的液晶分子定向膜的取向平行，使得第一塊灰度液晶板工作于純位相調(diào)節(jié)模式，設(shè)定后面板與中間面板之間的間隔以及第一液晶層的液晶材料的雙折射率差，使得第一塊灰度液晶板的位相調(diào)節(jié)范圍達到(Γ2π ;設(shè)定中間面板上朝向第二液晶層一側(cè)的液晶分子定向膜的取向、前面板上朝向第二液晶層一側(cè)的液晶分子定向膜的取向以及偏振片的偏振方向，使得第二塊灰度液晶板工作于振幅調(diào)節(jié)為主模式。如上所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器包括第一半透半反鏡、第二半透半反鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一投影鏡頭、工作于位相調(diào)節(jié)為主模式的第一透射式液晶板和工作于位相調(diào)節(jié)為主模式的第二透射式液晶板；第一透射式液晶板與第二半透半反鏡的半透半反面成45度夾角，第一透射式液晶板和第二透射式液晶板相對于第二半透半反鏡的半透半反面呈鏡像對稱放置，第一透射式液晶板和第二透射式液晶板位于第一投影鏡頭的一倍焦距至兩倍焦距之間，使得第一透射式液晶板和第二透射式液晶板的像素被放大成實像投影到透鏡陣列上；第一半透半反鏡接受照明光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的擴束后的激光光束，并將其分成為第一束光和第二束光，設(shè)定第一半透半反鏡、第一反射鏡和第二反射鏡的位置，使得第一束光被第一反射鏡反射后垂直照射第一透射式液晶板，而第二束光被第二反射鏡反射后垂直照射第二透射式液晶板，穿過第一透射式液晶板的第一束光和穿過第二透射式液晶板的第二束光再分別經(jīng)過第二半透半反鏡后被第一投影鏡頭成像到透鏡陣列上，設(shè)定第一投影鏡頭的放大倍數(shù)使得第一透射式液晶板和第二透射式液晶板的兩個以上像素被投影放大后充填透鏡陣列中的一個對應(yīng)透鏡。如上所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器包括第三半透半反鏡、第二投影鏡頭、工作于位相調(diào)節(jié)為主模式的第一 LCOS反射式液晶板和工作于位相調(diào)節(jié)為主模式的第二 LCOS反射式液晶板；第一 LCOS反射式液晶板與第三半透半反鏡的半透半反面呈45度夾角，第一 LCOS反射式液晶板和第二 LCOS反射式液晶板相對于第三半透半反鏡的半透半反面互成鏡像對稱放置，第一 LCOS反射式液晶板和第二 LCOS反射式液晶板位于第二投影鏡頭的一倍焦距至兩倍焦距之間，使得第一 LCOS反射式液晶板和第二 LCOS反射式液晶板的像素被放大成實像投影到透鏡陣列上；第三半透半反鏡接受照明光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的擴束后的激光光束，并將其分成為第三束光和第四束光，設(shè)定第三半透半反鏡的位置，使得第三束光垂直照射第一 LCOS反射式液晶板，而第四束光垂直照射第二 LCOS反射式液晶板，被第一 LCOS反射式液晶板反射后的第三束光和被第二 LCOS反射式液晶板反射的第四束光再次經(jīng)過第三半透半反鏡后被第二投影鏡頭成像到透鏡陣列上，設(shè)定第二投影鏡頭的放大倍數(shù)使得第一 LCOS反射式液晶板和第二 LCOS反射式液晶板的兩個以上像素被投影放大后充填透鏡陣列中的一個對應(yīng)透鏡。如上所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器包括第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器、第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器、第三投影鏡頭及具有一個出光面和 三個進光面的立方分光棱鏡；第三投影鏡頭放置在立方分光棱鏡的出光面前，第三投影鏡頭的光軸與立方分光棱鏡的出光面的中心軸重合；第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器和第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器分別放置在立方分光棱鏡的三個進光面前，第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器和第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器的中心軸分別與立方分光棱鏡的三個進光面的中心軸重合；立方分光棱鏡由相同結(jié)構(gòu)的第一直角棱鏡、第二直角棱鏡、第三直角棱鏡和第四直角棱鏡按直角棱相抵的方式粘合而成，第一直角棱鏡、第二直角棱鏡、第三直角棱鏡和第四直角棱鏡的直角面分別蒸鍍有針對某一基元色激光的反射膜，使得分別從立方分光棱鏡的三個進光面入射的三基元色激光能夠透射或反射后穿過立方分光棱鏡，并從立方分光棱鏡的出光面出射，立方分光棱鏡的所有進光面與出光面均蒸鍍有寬帶增透膜；第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器和第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器的像素互相一一對準，距離第三投影鏡頭一倍焦距至兩倍焦距之間，使得通過第三投影透鏡放大成像后在像面一一互相重疊，設(shè)定第三投影鏡頭的放大倍數(shù)使得第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器和第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器的兩個以上像素被投影放大后充填透鏡陣列中的一個對應(yīng)透鏡；所述第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器、第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器均包括依次疊放的后面板、第一液晶層、中間面板、第二液晶層、前面板和偏振片；后面板、第一液晶層、中間面板、第二液晶層和前面板集成制作為一個整體，偏振片緊貼在前面板上；后面板、第一液晶層與中間面板構(gòu)成第一塊灰度液晶板，中間面板、第二液晶層、前面板和偏振片構(gòu)成第二塊灰度液晶板，第一塊灰度液晶板和第二塊灰度液晶板上的像素呈相同的二維周期分布，且一一互相對準；其中后面板上朝向第一液晶層一側(cè)的液晶分子定向膜與中間面板上朝向第一液晶層一側(cè)的液晶分子定向膜取向平行，使得第一塊灰度液晶板工作于純位相調(diào)節(jié)模式，設(shè)定后面板與中間面板之間的間隔以及第一液晶層的液晶材料的雙折射率差，使得第一塊灰度液晶板的位相調(diào)節(jié)范圍達到(Γ2 ;同時改變中間面板上朝向第二液晶層一側(cè)的液晶分子定向膜、前面板上朝向第二液晶層一側(cè)的液晶分子定向膜的取向以及偏振片的偏振方向，使得第二塊灰度液晶板工作于振幅調(diào)節(jié)為主模式。
下面對本發(fā)明使用的術(shù)語進行說明。I、透鏡位置呈隨機分布是指透鏡陣列中每個透鏡的位置可位于某一空間或平面上的任意位置，或位于任一位置的概率相等，當(dāng)然需限定在一定范圍內(nèi)且透鏡相互不重疊；相對應(yīng)地，透鏡位置呈周期 分布指透鏡陣列中每個透鏡的位置只能位于規(guī)則的格點上。本發(fā)明是對專利號為200810046861. 8的發(fā)明和專利號為200910093002. 9的發(fā)明的改進或繼續(xù)，因此它秉承了上述兩項專利所提出的基于相長干涉的立體顯示原理的核心思想，即通過空間光調(diào)制器和透鏡陣列聚焦產(chǎn)生復(fù)振幅可實時數(shù)字調(diào)節(jié)的點光源陣列，每個點光源發(fā)出的光錐在立體成像空間相互交疊，如果調(diào)節(jié)這些點光源的復(fù)振幅使得它們發(fā)出的光波到達空間某一點時同位相，則由于相長干涉在該點將產(chǎn)生一個體兀，由許許多多體元構(gòu)成一幅離散立體圖像。本發(fā)明相對于專利號為200810046861. 8的發(fā)明和專利號為200910093002. 9的發(fā)明的最大改進在于讓一個透鏡覆蓋空間光調(diào)制器的多個像素，這樣經(jīng)過每個像素調(diào)制后的光波聚焦后僅照射三維立體成像空間一個小光錐角范圍，提高了產(chǎn)生每一個體元時的光能利用率，同時它還將帶來其他一些好處。例如，由于透鏡尺寸的增加，它聚焦產(chǎn)生的點光源陣列的周期也相應(yīng)增大，而高階衍射與點光源周期成反比，當(dāng)透鏡尺寸增加到一定程度時，由高階衍射產(chǎn)生的多重像重疊在一起，可以認為是分辨率略有增加的單重像，這意味著透鏡陣列可以采取周期排列結(jié)構(gòu)，這將極大地簡化透鏡陣列的制作難度。當(dāng)然如果透鏡尺寸還不是足夠大，由高階衍射產(chǎn)生的多重像相互分離，形成多重立體圖像，此時仍然需要隨機排列透鏡的位置，這樣就可破壞所聚焦產(chǎn)生的點光源的空間排列周期結(jié)構(gòu)，使得高階立體像無法產(chǎn)生，僅產(chǎn)生單一零階立體圖像。再例如，由于每個像素調(diào)制后的光波聚焦后僅照射立體成像空間一個子空間，換句話說，該像素僅負責(zé)產(chǎn)生該子空間內(nèi)的體元，而同一透鏡覆蓋的其他像素負責(zé)產(chǎn)生剩余空間的體元，在每個像素所能產(chǎn)生的體元數(shù)目一定的情況下，總的體元數(shù)目隨著每個透鏡所覆蓋的像素數(shù)目成倍增加。本發(fā)明提出的基于上述相長干涉原理的三維立體顯示裝置，主要包括四個功能模塊，即相干光源裝置，用于產(chǎn)生相干激光光束；照明光學(xué)系統(tǒng)，用于接受相干光源裝置發(fā)出的激光光束，并對該激光光束進行擴束；復(fù)振幅調(diào)節(jié)器，用于接受照明光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的擴束后的激光光束，并對擴束后的激光光束的振幅和位相進行逐像素調(diào)節(jié)；透鏡陣列，用于接受經(jīng)過復(fù)振幅調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的光波，并對其進行聚焦，使得經(jīng)過復(fù)振幅調(diào)節(jié)器每個象素調(diào)節(jié)后的光波，經(jīng)過對應(yīng)透鏡聚焦后照明三維立體成像空間的一個子空間，不同像素調(diào)節(jié)后的光波被對應(yīng)不同透鏡聚焦后形成的子空間相互交疊，基于相長干涉原理形成體元，由眾多體元構(gòu)成三維立體圖像，其中應(yīng)該設(shè)計透鏡陣列中每個透鏡的通光口徑，使每個透鏡覆蓋復(fù)振幅調(diào)節(jié)器的2個以上像素。為了進行彩色立體顯示，相干光源裝置需要發(fā)出三種基元色激光。三基元色激光可按照時間先后依次發(fā)出，此時同步調(diào)節(jié)復(fù)振幅調(diào)節(jié)器，依次產(chǎn)生三基元色立體圖像，基于視覺暫留效應(yīng)實現(xiàn)彩色立體顯示。三基元色激光也可同時發(fā)出，此時由照明光學(xué)系統(tǒng)對其進行分離，使得透鏡陣列中的不同透鏡依次被三種基元色激光照明，通過在同一空間位置同時產(chǎn)生三種基元色體元實現(xiàn)彩色立體顯示。為了對三基元色進行分離，可以采用專利號為200910093002. 9的發(fā)明所提出的分束器陣列，也可以采用三塊二維光柵，每塊二維光柵接受一種基元色激光，設(shè)計每塊二維光柵的光柵參數(shù)，同時安排每塊二維光柵的空間位置，使得經(jīng)每塊二維光柵衍射后的光斑陣列與透鏡陣列對準，而且不同基元色衍射光斑依次照明透鏡陣列中的不同透鏡。為了讓被二維光柵衍射后的光斑垂直照射復(fù)振幅空間光調(diào)制器，還應(yīng)增加一塊光學(xué)透鏡，三塊二維光柵垂直放置在該光學(xué)透鏡的焦平面；或者增加一塊微棱鏡陣列板，讓被二維光柵衍射后的光斑經(jīng)微棱鏡折射后垂直照射復(fù)振幅空間光調(diào)制器。單一一塊空間光調(diào)節(jié)器一般只能調(diào)節(jié)位相或振幅，因此本發(fā)明所述復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器由兩塊空間光調(diào)節(jié)器組成。兩塊空間光調(diào)節(jié)器可貼合在一起，它們的像素一一互相對準，其中一塊空間光調(diào)節(jié)器主要用于調(diào)節(jié)位相，另一塊空間光調(diào)節(jié)器主要用于調(diào)節(jié)振幅，照明光依次通過兩塊空間光調(diào)制器，通過矢量相乘的方式實現(xiàn)復(fù)振幅調(diào)節(jié)；或者兩塊空間光調(diào)節(jié)器皆工作于位相調(diào)節(jié)模式，它們的像素一一互相對準并通過投影方式放大，分別屬
于兩塊空間光調(diào)制器的像素被放大成像后--相互重疊，通過矢量相加的方式實現(xiàn)復(fù)振幅
調(diào)節(jié)。專利號為200910093002. 9的發(fā)明提出了很多復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器的構(gòu)造，皆可用于 本發(fā)明，但必須保證透鏡陣列中的不同透鏡覆蓋復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器的多個像素。本發(fā)明與現(xiàn)有幾種典型三維立體顯示技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果第一，通過增加每一個透鏡所覆蓋的空間光調(diào)制器的像素數(shù)目，使得每個象素聚焦后產(chǎn)生的光錐所覆蓋的子空間更加狹窄集中，提高了產(chǎn)生每個體元的光能利用率，有利于增加總體元數(shù)目；第二，不同基元色激光相互分離，依次照明復(fù)振幅空間光調(diào)制器的不同區(qū)域，省去了普通液晶板中每個像素后的彩色濾光膜，增加了光能利用率；第三，通過使用相干光源和復(fù)振幅空間光調(diào)制器，充分利用光波的位相信息，實現(xiàn)了相干成像，克服了非相干集成成像系統(tǒng)視場縱深范圍小、分辨率低的缺陷；第四，通過透鏡陣列直接把點光源發(fā)出的球面波分解為不同角度的平面波，并直接產(chǎn)生這些平面波的共軛光波，與基于數(shù)字光學(xué)位相共軛的相干立體顯示系統(tǒng)相比，不需要絕熱錐形光波導(dǎo)束，簡化了結(jié)構(gòu)。第五、在實現(xiàn)大尺寸立體圖像顯示的同時保證了大的觀察角，與Sub-holography技術(shù)相比，不需要跟蹤觀察者的眼睛的位置，可以多人同時觀看。


圖I為本發(fā)明采用兩塊大尺寸空間光調(diào)制器構(gòu)成復(fù)振幅空間光調(diào)制器時的一種實施方式的示意圖。圖2為照明光學(xué)系統(tǒng)采用二維光柵陣列時的結(jié)構(gòu)示意圖(左側(cè)三塊二維光柵的放大正視圖；右側(cè)照明光學(xué)系統(tǒng)側(cè)視圖)。圖3為采用空分方式進行彩色立體顯示時三基元色激光依次照明透鏡陣列中不同透鏡的示意圖。圖4為透鏡陣列中的透鏡呈隨機分布時的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明采用大尺寸集成式復(fù)振幅空間光調(diào)制器時的一種實施方式的示意圖。圖6為本發(fā)明采用兩塊透射式空間光調(diào)制器進行投影式三維立體顯示時的一種實施方式的示意圖。圖7為本發(fā)明采用兩塊反射式空間光調(diào)制器進行投影式三維立體顯示時的一種實施方式的示意圖。圖8為本發(fā)明采用三塊小尺寸集成式空間光調(diào)制器進行投影式彩色三維立體顯示時的一種實施方式的示意圖。圖中1_相干光源裝置；2_照明光學(xué)系統(tǒng)；3_復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器；4_透鏡陣列；5_第一光學(xué)透鏡；6_第二光學(xué)透鏡；7_第一偏振片；8_第一空間光調(diào)制器；9_第二偏振片；10_第二空間光調(diào)制器；11_第三偏振片；12_離散立體圖像；V-離散立體圖像12的一個體元；13_ 二維光柵陣列；14_第三光學(xué)透鏡；15_透鏡(透鏡陣列4中的一個透鏡)；16-像素(復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的一個像素);17_第一塊灰度液晶板；18_第二塊灰度液晶板；19_后面板；20_第一液晶層；21_中間面板；22_第二液晶層；23_如面板；24_偏振片；25-第一半透半反鏡；26_第二半透半反鏡；27_第一透射式液晶板；28_第二透射式液晶板；29_第一反射鏡；30_第二反射鏡；31_第一投影鏡頭；32_菲涅爾透鏡；33_第三半透半反鏡；34_第一 LCOS反射式液晶板；35_第二 LCOS反射式液晶板；36_第二投影鏡頭；37_微棱鏡陣列板；38_第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器；39_第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器；40_第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器；41_第一基原色；42_第二基原色；43_第三基原色；44_第三投影 鏡頭；45_立方分光棱鏡；46_第一直角棱鏡；47_第二直角棱鏡；48_第三直角棱鏡；49_第四直角棱鏡；50_集成為一個整體的透鏡陣列與微棱鏡陣列。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述圖I給出了本發(fā)明采用兩塊大尺寸空間光調(diào)制器構(gòu)成復(fù)振幅空間光調(diào)制器時的一種實施方式的示意圖。圖I所示基于相長干涉的相干三維立體顯示裝置包括相干光源裝置1，用于產(chǎn)生激光光束；照明光學(xué)系統(tǒng)2，用于接受相干光源裝置I發(fā)出的激光光束，并對該激光光束進行擴束；復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3，用于接受照明光學(xué)系統(tǒng)2發(fā)出的擴束后的激光光束，并對擴束后的激光光束的振幅和位相進行逐像素調(diào)節(jié)；透鏡陣列4，用于接受經(jīng)過復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3調(diào)節(jié)后的光波，設(shè)計透鏡陣列4中每個透鏡的通光口徑，讓每個透鏡覆蓋復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的2個以上像素，使得經(jīng)過復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3每個象素調(diào)節(jié)后的光波，經(jīng)過對應(yīng)透鏡聚焦后照明三維立體成像空間的一個子空間，不同像素調(diào)節(jié)后的光波被對應(yīng)透鏡聚焦后形成的子空間相互交疊，基于相長干涉原理形成體元，由眾多體元構(gòu)成三維立體圖像12。在圖I中，透鏡陣列4中的每個透鏡的通光口徑的寬度等于復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的3個像素間距，也就是說，一個透鏡覆蓋復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的3 X 3=9個像素。在圖I所示剖面圖中，如果把復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的像素和透鏡陣列4中的每個透鏡從上至下依次編號，則被復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的第f 3個像素調(diào)節(jié)后的光波被第I個透鏡聚焦到焦點F1，被復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器的第4飛個像素調(diào)節(jié)后的光波被第2個透鏡聚焦到焦點F2,而被復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的第7、個像素調(diào)節(jié)后的光波被第3個透鏡聚焦到焦點F3。從圖I中還可以看出被復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的第f 3個像素調(diào)節(jié)后的光波被第I個透鏡聚焦后，形成以F1為頂點的子光錐(卜3，被復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的第4飛個像素調(diào)節(jié)后的光波被第2個透鏡聚焦后，形成以F2為頂點的子光錐C4 6，被復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的第
7、個像素調(diào)節(jié)后的光波被第3個透鏡聚焦后，形成以F3為頂點的子光錐C7~9。子光錐CV3合并起來后照亮從上至下整個三維立體成像空間，同樣子光錐C4^6合并起來后，以及子光錐C7~9合并起來后都可照亮從上至下整個三維立體成像空間。換句話說，在三維立體成像空間任一點可以接收到來自透鏡陣列4中的所有透鏡的光線，例如，圖I中立體圖像12上所標出的體元V，它同時被來自第I個透鏡的子光錐C1、來自第2個透鏡的子光錐C5和來自第3個透鏡的子光錐C9照亮。對應(yīng)地，分別調(diào)節(jié)復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的第1、5和9個像素的復(fù)振幅，使得來自它們的光錐在到達V點時同位相，則由于相長干涉，在V點可產(chǎn)生出一個體元。類似地許多體元可形成三維立體圖像12。假設(shè)復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器3的第i個像素為產(chǎn)生第j個體元所需做出的振幅和位相調(diào)節(jié)分別為Ai, j和Φ i, j,且第i個像素總共產(chǎn)生N個體元，則第i個像素所應(yīng)做出的總復(fù)振幅調(diào)節(jié)量為

權(quán)利要求
1.一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其特征在于包括 相干光源裝置(1)，產(chǎn)生激光光束； 照明光學(xué)系統(tǒng)(2)，接受相干光源裝置(I)發(fā)出的激光光束，并對該激光光束進行擴束； 復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(3)，接受照明光學(xué)系統(tǒng)(2)發(fā)出的擴束后的激光光束，并對擴束后的激光光束的振幅和位相進行逐像素調(diào)節(jié)； 透鏡陣列(4)，接受經(jīng)過復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(3)調(diào)節(jié)后的光波，透鏡陣列(4)中的每個透鏡(15)覆蓋復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(3)的2個以上像素(16)，使得經(jīng)過復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(3)每個象素調(diào)節(jié)后的光波，經(jīng)過透鏡陣列(4)中對應(yīng)透鏡聚焦后照明三維立體成像空間的一個子空間，不同像素調(diào)節(jié)后的光波被透鏡陣列(4)中所對應(yīng)不同透鏡聚焦后形成的子空間相互交疊，基于相長干涉原理在空中形成體元，由眾多體元構(gòu)成離散三維立體圖 像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其中，相干光源裝置(I)同時產(chǎn)生三基元色激光光束； 照明光學(xué)系統(tǒng)(2)，接受相干光源裝置(I)發(fā)出的三基元色激光光束，并對該激光光束進行擴束和三基元色分離，使得透鏡陣列(4)中的透鏡(15)依次被不同基元色激光照明。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其中，照明光學(xué)系統(tǒng)(2)包括二維光柵陣列(13)和第三光學(xué)透鏡(14)，二維光柵陣列(13)垂直放置在第三光學(xué)透鏡(14)的焦平面，二維光柵陣列(13)包含三塊二維光柵，每塊二維光柵接受一種基元色激光，設(shè)計每塊二維光柵的光柵參數(shù)，同時安排每塊二維光柵的橫向空間位置，使得經(jīng)每塊二維光柵衍射后的光斑陣列與透鏡陣列(4)對準，而且不同基元色衍射光斑依次照明透鏡陣列(4)中的不同透鏡(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其特征在于，所述的透鏡陣列(4)中每個透鏡(15)的位置呈隨機排列，使得高階衍射像可以忽略不計。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其特征在于，所述的透鏡陣列(4)中每個透鏡(15)的位置呈周期排列，設(shè)定排列周期的大小，使得高階衍射像可以忽略不計。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其特征在于，所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(3)包含依次放置的第一偏振片(7)、第一空間光調(diào)制器(8)、第二偏振片(9)、第二空間光調(diào)制器(10)和第三偏振片(11)，通過調(diào)節(jié)第一偏振片(7)、第二偏振片(9)和第三偏振片(11)的偏振方向，使得第一空間光調(diào)制器(8)工作在位相調(diào)節(jié)為主模式，第二空間光調(diào)制器(10)工作在振幅調(diào)解為主模式；或者使得第一空間光調(diào)制器(8)工作在振幅調(diào)節(jié)為主模式，第二空間光調(diào)制器(10)工作在位相調(diào)解為主模式；第一空間光調(diào)制器(8)和第二空間光調(diào)制器(10)的像素相互對準；同時選擇第一空間光調(diào)制器(8)和第二空間光調(diào)制器(10)的像素間距使得2個以上像素對應(yīng)透鏡陣列(4)中的一個對應(yīng)透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其特征在于，所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(3)包括依次疊放的后面板(19)、第一液晶層(20)、中間面板(21)、第二液晶層(22)、前面板(23)和偏振片(24);后面板(19)、第一液晶層(20)、中間面板(21)、第二液晶層(22)和前面板(23)集成制作為一個整體，偏振片(24)緊貼在前面板(23)上；后面板(19)、第一液晶層(20)與中間面板(21)構(gòu)成第一塊灰度液晶板(17)，中間面板(21)、第二液晶層(22)、前面板(23)和偏振片(24)構(gòu)成第二塊灰度液晶板(18)，第一塊灰度液晶板(17)和第二塊灰度液晶板(18)上的像素呈相同的二維周期分布，且--互相對準；第一塊灰度液晶板(17)和第二塊灰度液晶板(18)的2個以上像素對應(yīng)透鏡陣列(4)中的一個對應(yīng)透鏡； 設(shè)置后面板(19)上朝向第一液晶層(20) —側(cè)的液晶分子定向膜的取向，使其與中間面板(21)上朝向第一液晶層(20)—側(cè)的液晶分子定向膜的取向平行，使得第一塊灰度液晶板(17)工作于純位相調(diào)節(jié)模式，設(shè)定后面板(19)與中間面板(21)之間的間隔以及第一液晶層(20)的液晶材料的雙折射率差，使得第一塊灰度液晶板(17)的位相調(diào)節(jié)范圍達到0^2 π ;設(shè)定中間面板(21)上朝向第二液晶層(22)—側(cè)的液晶分子定向膜的取向、前面板(23)上朝向第二液晶層(22)—側(cè)的液晶分子定向膜的取向以及偏振片(24)的偏振方向， 使得第二塊灰度液晶板(18)工作于振幅調(diào)節(jié)為主模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其特征在于，所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(3)包括第一半透半反鏡(25)、第二半透半反鏡(26)、第一反射鏡(29)、第二反射鏡(30)、第一投影鏡頭(31)、工作于位相調(diào)節(jié)為主模式的第一透射式液晶板(27)和工作于位相調(diào)節(jié)為主模式的第二透射式液晶板(28);第一透射式液晶板(27)與第二半透半反鏡(26)的半透半反面(Α1-Α2)成45度夾角，第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)相對于第二半透半反鏡(26)的半透半反面(Α1-Α2)呈鏡像對稱放置，第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)位于第一投影鏡頭(31)的一倍焦距至兩倍焦距之間，使得第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)的像素被放大成實像投影到透鏡陣列(4)上；第一半透半反鏡(25)接受照明光學(xué)系統(tǒng)(2)發(fā)出的擴束后的激光光束，并將其分成為第一束光和第二束光，設(shè)定第一半透半反鏡(25)、第一反射鏡(29)和第二反射鏡(30)的位置,使得第一束光被第一反射鏡(29)反射后垂直照射第一透射式液晶板(27)，而第二束光被第二反射鏡(30)反射后垂直照射第二透射式液晶板(28)，穿過第一透射式液晶板(27)的第一束光和穿過第二透射式液晶板(28)的第二束光再分別經(jīng)過第二半透半反鏡(26)后被第一投影鏡頭(31)成像到透鏡陣列(4)上，設(shè)定第一投影鏡頭(31)的放大倍數(shù)使得第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)的兩個以上像素被投影放大后充填透鏡陣列(4)中的一個對應(yīng)透鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其特征在于，所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(3)包括第三半透半反鏡(33)、第二投影鏡頭(36)、工作于位相調(diào)節(jié)為主模式的第一 LCOS反射式液晶板(34)和工作于位相調(diào)節(jié)為主模式的第二 LCOS反射式液晶板(35);第一 LCOS反射式液晶板(34)與第三半透半反鏡(33)的半透半反面(Α1-Α2)呈45度夾角，第一 LCOS反射式液晶板(34)和第二 LCOS反射式液晶板(35)相對于第三半透半反鏡(33)的半透半反面(Α1-Α2)互成鏡像對稱放置，第一 LCOS反射式液晶板(34)和第二 LCOS反射式液晶板(35)位于第二投影鏡頭(36)的一倍焦距至兩倍焦距之間，使得第一LCOS反射式液晶板(34)和第二 LCOS反射式液晶板(35)的像素被放大成實像投影到透鏡陣列(4)上；第三半透半反鏡(33)接受照明光學(xué)系統(tǒng)(2)發(fā)出的擴束后的激光光束，并將其分成為第三束光和第四束光，設(shè)定第三半透半反鏡(33)的位置，使得第三束光垂直照射第一 LCOS反射式液晶板(34)，而第四束光垂直照射第二 LCOS反射式液晶板(35),被第一LCOS反射式液晶板(34)反射后的第三束光和被第二 LCOS反射式液晶板(35)反射的第四束光再次經(jīng)過第三半透半反鏡(33 )后被第二投影鏡頭(36 )成像到透鏡陣列(4 )上，設(shè)定第二投影鏡頭(36)的放大倍數(shù)使得第一 LCOS反射式液晶板(34)和第二 LCOS反射式液晶板(35)的兩個以上像素被投影放大后充填透鏡陣列(4)中的一個對應(yīng)透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，其特征在于，所述的復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(3)包括第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(38)、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(39)、第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(40)、第三投影鏡頭(44)及具有一個出光面和三個進光面的立方分光棱鏡(45);第三投影鏡頭(44)放置在立方分光棱鏡(45)的出光面前，第三投影鏡頭(44)的光軸與立方分光棱鏡(45)的出光面的中心軸重合；第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(38)、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(39)和第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(40)分別放置在立方分光棱鏡(45)的三個進光面前，第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(38)、第二子復(fù) 振幅空間光調(diào)節(jié)器(39)和第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(40)的中心軸分別與立方分光棱鏡(45)的三個進光面的中心軸重合；立方分光棱鏡(45)由相同結(jié)構(gòu)的第一直角棱鏡(46)、第二直角棱鏡(47)、第三直角棱鏡(48)和第四直角棱鏡(49)按直角棱相抵的方式粘合而成，第一直角棱鏡(46)、第二直角棱鏡(47)、第三直角棱鏡(48)和第四直角棱鏡(49)的直角面分別蒸鍍有針對某一基元色激光的窄帶反射膜，使得分別從立方分光棱鏡(45)的三個進光面入射的三基元色激光能夠透射或反射后穿過立方分光棱鏡(45)，并從立方分光棱鏡(45)的出光面出射，立方分光棱鏡(45)的所有進光面與出光面均蒸鍍有寬帶增透膜；第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(38)、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(39)和第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(40)的像素互相一一對準，距離第三投影鏡頭(44) 一倍焦距至兩倍焦距之間，使得通過第三投影透鏡(44)放大成像后在像面一一互相重疊，設(shè)定第三投影鏡頭(44)的放大倍數(shù)使得第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(38)、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(39)和第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(40)的兩個以上像素被投影放大后充填透鏡陣列(4)中的一個對應(yīng)透鏡； 所述第一子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(38)、第二子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(39)、第三子復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器(40)均包括依次疊放的后面板(19)、第一液晶層(20)、中間面板(21)、第二液晶層(22)、前面板(23)和偏振片(24);后面板(19)、第一液晶層(20)、中間面板(21)、第二液晶層(22)和前面板(23)集成制作為一個整體，偏振片(24)緊貼在前面板(23)上；后面板(19 )、第一液晶層(2 O )與中間面板(21)構(gòu)成第一塊灰度液晶板，中間面板(21 )、第二液晶層(22)、前面板(23)和偏振片(24)構(gòu)成第二塊灰度液晶板，第一塊灰度液晶板和第二塊灰度液晶板上的像素呈相同的二維周期分布，且一一互相對準；其中后面板(19)上朝向第一液晶層(20) —側(cè)的液晶分子定向膜與中間面板(21)上朝向第一液晶層(20) —側(cè)的液晶分子定向膜取向平行，使得第一塊灰度液晶板(17)工作于純位相調(diào)節(jié)模式，設(shè)定后面板(19)與中間面板(21)之間的間隔以及第一液晶層(20)的液晶材料的雙折射率差，使得第一塊灰度液晶板的位相調(diào)節(jié)范圍達到(Γ2 π ;同時改變中間面板(21)上朝向第二液晶層(22)一側(cè)的液晶分子定向膜、前面板(23)上朝向第二液晶層(22) —側(cè)的液晶分子定向膜的取向以及偏振片(24)的偏振方向，使得第二塊灰度液晶板工作于振幅調(diào)節(jié)為主模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于相長干涉的三維立體顯示裝置，包括相干光源裝置，用于產(chǎn)生激光光束；照明光學(xué)系統(tǒng)，用于接受激光光束并進行擴束；復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器，用于接受擴束后的激光光束，并對振幅和位相進行逐像素調(diào)節(jié)；透鏡陣列，用于接受經(jīng)過復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的光波，設(shè)計透鏡陣列中每個透鏡的通光口徑，使每個透鏡覆蓋復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器的2個以上像素，經(jīng)過復(fù)振幅空間光調(diào)節(jié)器每個象素調(diào)節(jié)后的光波，經(jīng)過透鏡陣列中對應(yīng)透鏡聚焦后照明三維立體成像空間的一個子空間，不同像素調(diào)節(jié)后的光波被透鏡陣列中對應(yīng)不同透鏡聚焦后形成的子空間相互交疊，基于相長干涉原理形成體元，由眾多體元構(gòu)成離散三維立體圖像。
文檔編號G02B27/00GK102854630SQ20121036426
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者李志揚 申請人:李志揚