一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统

摘要

本发明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。

权利要求

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。

2.根据权利要求1所述的基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统，其中所述的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。

3.根据权利要求2所述的基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统，所述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：hc＝hp·exp[ikz(x,y)]其中hc和hp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：其中R代表曲面全息图的曲率半径，wh代表平面全息图的宽度，曲面全息图的弯曲中心角 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：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，…，βM。

4.根据权利要求1所述的基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统，所述纯相位复合曲面全息图的生成方法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：

e(x,y)＝A(x,y)exp[iφ(x,y)]‑exp[iφ(x,y)]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：其中f是数字透镜的焦距；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。

5.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，所述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；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；以此类推，当空间光调制器组的弯曲中心角等于βM时，能看到第M个3D物体的重建像，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。

说明书

一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统

一、技术领域

[0001] 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纯相位复合曲面全息图的全息显示系统。
二、背景技术

[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、发明内容

[0003] 本发明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，本发明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] hc＝hp·exp(ikz(x,y))                      (1)

[0007] 其中hc和hp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，wh代表平面全息图的宽度，曲面全息图的弯曲中心角 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，…，βM。

[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βM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为本发明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是本发明的纯相位复合曲面全息图的生成方法示意图。

[0020] 附图3是本发明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是本发明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βM时的
全息重建示意图。

[0022] 上述各附图中的图示标号为：

[0023] (1)光源、(2)锥镜、(3)空间光调制器组、(4)控制模组。

[0024] 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

[0025] 下面详细说明本发明提出的一种基于纯相位复合曲面全息图的全息显示系统的实施例，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。

[0026] 本发明的一个实施例为：在实验中，光源的波长为532nm，空间光调制器组由三个型号相同的相位型空间光调制器排列而成。空间光调制器的像素间距为8μm，分辨率为1920
×1080，刷新速度是60Hz，相位调制能力是2π。控制模组由3个最大转速为130°/s，精度为
0.1°的电控旋转台排列而成。使用“荷花”、“云朵”、和“树木”作为三个被记录的3D物体，用
角谱算法计算这三个3D物体的平面全息图，而后在此基础上，计算得到他们的曲面全息图。
“荷花”、“云朵”和“树木”的曲面全息图的弯曲中心角分别为3°、5°、10°。将这三幅曲面全息
图复合得到复合曲面全息图。对复合曲面全息图进行误差扩散的处理和添加数字透镜的优
化操作，然后进行相位提取，得到纯相位复合曲面全息图，该全息图的分辨率为5760×
1080。将该纯相位复合曲面全息图分为分辨率为1920×1080的三个子全息图，然后依次加
载到三个空间光调制器上。三个电控旋转台分别控制三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。当空间光调制器组的弯曲中心角为3°时，光束照射在
空间光调制器组上，人眼能看到“荷花”的重建像。同理，当空间光调制器组的弯曲中心角分
别为5°和10°时，人眼能分别看到“云朵”和“树木”的重建像。在电控转台的控制下，当空间
光调制器组的弯曲中心角变化得足够快时，由于人眼的视觉暂留效应，能同时看到“荷花”、
“云朵”和“树木”的重建像。