CN105487245B - 基于全息光学元件的悬浮式集成成像3d显示 - Google Patents
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Abstract
本发明提出基于全息光学元件的悬浮式集成成像3D显示，包括倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录和悬浮式集成成像3D显示两个过程。倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录过程中，信号波倾斜入射微透镜阵列，经过微透镜阵列会聚后变为倾斜球面波，该倾斜球面波与参考波发生干涉，在全息材料上记录下干涉条纹，获得全息干板。在悬浮式集成成像3D显示过程中，照明波携带微图像阵列信息，并以与记录时的参考波相同的入射角照射全息干板，重建出与记录时相同的倾斜球面波，该倾斜球面波携带微图像阵列信息，再现出全真的集成成像3D图像，实现悬浮式的集成成像3D显示。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮显示技术和集成成像3D显示技术，特别涉及基于全息光学元件的悬浮式集成成像3D显示。
背景技术
随着显示技术的发展，人们对显示影像的要求越来越高，不再限于通过显示屏来观看图像。悬浮显示是一种在无任何介质的空间中显示影像的梦幻般的技术，它能显示悬浮在空中的图像，将具有更好的人机交互特性。悬浮显示技术能更好地还原出物体的真实形貌，悬浮的图像可触摸，且显示的虚拟影像还可与空间中的真实物体融合在一起，增强了观看者的乐趣和沉浸感。悬浮显示如果只显示平面的2D图像，就失去了3D信息，而且显示的虚拟2D图像没有深度暗示，与真实物体融合后将引起调节与集合的矛盾，产生立体观看视疲劳。
集成成像显示是一种真3D显示技术，通过在显示屏前附加微透镜阵列来实现，显示过程中微透镜阵列将微图像阵列发出的光线聚集还原，重建出原3D物体的光场信息。集成成像3D显示能再现出3D场景发出或反射的光线信息，从而构建出全真的3D图像。集成成像3D显示具有无需辅助观看设备、全真3D再现、无视疲劳、提供正确的深度暗示和准连续的观看视点等优点，是一种真3D显示。将悬浮显示与集成成像3D显示相结合可以在空间中还原出全真的3D图像，并且解决立体观看视疲劳问题。
发明内容
本发明提出基于全息光学元件的悬浮式集成成像3D显示，包括倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录和悬浮式集成成像3D显示两个过程。倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录过程中，信号波倾斜入射微透镜阵列，经过微透镜阵列会聚后变为倾斜球面波，该倾斜球面波与参考波发生干涉，在全息材料上记录下干涉条纹，获得全息干板。在悬浮式集成成像3D显示过程中，照明波携带微图像阵列信息，并以与记录时的参考波相同的入射角照射全息干板，重建出与记录时相同的倾斜球面波，该倾斜球面波携带微图像阵列信息，再现出全真的集成成像3D图像，实现悬浮式的集成成像3D显示。
所述倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录过程，如附图1所示。微透镜阵列中透镜元节距为p，焦距为f。全息材料敷涂于透明玻璃基底上，并与微透镜阵列紧密贴合。信号波为一束平行光，倾斜入射微透镜阵列，入射角度为θ 1，信号波在每个透镜元的后焦平面上形成会聚点，并组成会聚点阵列，各会聚点相对于其对应透镜元光轴的偏移量d由公式（1）得到，
d=f tanθ 1 (1)
相邻会聚点的间距等于透镜元节距p。信号波经过微透镜阵列会聚为会聚点阵列后向外发散，变为倾斜球面波，该倾斜球面波的倾斜角度θ 2与信号波的入射角度θ 1相等。参考波也为一束平行光，与信号波具有相同的波长和偏振态，参考波与信号波分别从微透镜阵列的两侧入射。参考波以入射角θ 3照射微透镜阵列，并与倾斜球面波发生干涉，在全息材料上记录下干涉条纹，完成倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录。经过显影、定影处理后的全息干板记录下了微透镜阵列对倾斜入射的平行光的会聚特性。
悬浮式集成成像3D显示过程，如附图2所示。照明波为一束平行光，其与记录时参考波和信号波的波长及偏振态相同。照明波包含微图像阵列的信息并倾斜照射全息干板，入射角与记录时参考波的入射角相同，都为θ 3。再现时的照明波与记录时的参考波满足布拉格匹配条件。微图像阵列中图像元节距与微透镜阵列中透镜元节距相同，且图像元的投影区域与透镜元的记录区域相重合。全息衍射的光线再现出记录时的倾斜球面波，该倾斜球面波再次形成会聚点阵列，与记录时微透镜阵列产生的会聚点阵列完全相同。全息干板平躺放置，携带微图像阵列信息的倾斜球面波再现出全真的3D图像，该3D图像悬浮在全息干板上，其观看方向为倾斜观看，观看角度θ 4与全息记录时信号波的入射角度θ 1相等，实现了悬浮式的集成成像3D显示效果。
附图说明
附图1为倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录示意图
附图2为悬浮式集成成像3D显示示意图
上述附图中的图示标号为：
1 微透镜阵列，2全息材料，3信号波， 4参考波，5会聚点阵列，6倾斜球面波， 7全息干板，8照明波，9 3D图像，10观看者。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
下面详细说明本发明的基于全息光学元件的悬浮式集成成像3D显示的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。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本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。
本发明提出基于全息光学元件的悬浮式集成成像3D显示，包括倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录和悬浮式集成成像3D显示两个过程。
所述倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录过程，如附图1所示。微透镜阵列中透镜元节距为p=1mm，焦距为f=3.3mm。全息材料敷涂于透明玻璃基底上，并与微透镜阵列紧密贴合。信号波为一束平行光，倾斜入射微透镜阵列，入射角度为θ 1=45°，信号波在每个透镜元的后焦平面上形成会聚点，并组成会聚点阵列，各会聚点相对于其对应透镜元光轴的偏移量d由公式（1）计算得出，d=3.3mm，相邻会聚点的间距等于透镜元节距1mm。信号波经过微透镜阵列会聚为会聚点阵列后向外发散，变为倾斜球面波，该倾斜球面波的倾斜角度θ 2与信号波的入射角度θ 1相等，都为45°。参考波也为一束平行光，与信号波具有相同的波长和偏振态，波长为731nm，偏振态为垂直偏振，参考波与信号波分别从微透镜阵列的两侧入射。参考波以入射角θ 3=60°照射微透镜阵列，并与倾斜球面波发生干涉，在全息材料上记录下干涉条纹，完成倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录。经过显影、定影处理后的全息干板记录下了微透镜阵列对倾斜入射的平行光的会聚特性。
悬浮式集成成像3D显示过程，如附图2所示。照明波为一束平行光，其与记录时参考波和信号波的波长及偏振态相同，波长为731nm，偏振态为垂直偏振。照明波包含微图像阵列的信息并倾斜照射全息干板，入射角与记录时参考波的入射角相同，都为θ 3=60°。再现时的照明波与记录时的参考波满足布拉格匹配条件。微图像阵列中图像元节距与微透镜阵列中透镜元节距相同，都为1mm，且图像元的投影区域与透镜元的记录区域相重合。全息衍射的光线再现出记录时的倾斜球面波，该倾斜球面波再次形成会聚点阵列，与记录时微透镜阵列产生的会聚点阵列完全相同。全息干板平躺放置，携带微图像阵列信息的倾斜球面波再现出全真的3D图像，该3D图像悬浮在全息干板上，其观看方向为倾斜观看，观看角度θ 4与全息记录时信号波的入射角度θ 1相等，都为45°，观看者在观看时，感觉该3D图像脱离了全息干板，悬浮在空间中，实现了悬浮式的集成成像3D显示效果。
Claims (1)
1.基于全息光学元件的悬浮式集成成像3D显示方法，其特征在于，包括倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录和悬浮式集成成像3D显示两个过程，在倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录过程中，微透镜阵列中透镜元节距为p，焦距为f，全息材料敷涂于透明玻璃基底上，并与微透镜阵列紧密贴合，信号波为一束平行光，倾斜入射微透镜阵列，入射角度为θ 1，信号波在每个透镜元的后焦平面上形成会聚点，并组成会聚点阵列，各会聚点相对于其对应透镜元光轴的偏移量d由公式d = f tanθ 1得到，相邻会聚点的间距等于透镜元节距p，信号波经过微透镜阵列会聚为会聚点阵列后向外发散，变为倾斜球面波，该倾斜球面波与水平方向的倾斜角度θ 2与信号波的入射角度θ 1相等，参考波也为一束平行光，与信号波具有相同的波长和偏振态，参考波与信号波分别从微透镜阵列的两侧入射，参考波以入射角θ 3照射微透镜阵列，并与倾斜球面波发生干涉，在全息材料上记录下干涉条纹，完成倾斜微透镜阵列全息光学元件的全息记录，经过显影、定影处理后的全息干板记录下了微透镜阵列对倾斜入射的平行光的会聚特性；在悬浮式集成成像3D显示过程中，照明波为一束平行光，其与记录时参考波和信号波的波长及偏振态相同，照明波包含微图像阵列的信息并倾斜照射全息干板，入射角与记录时参考波的入射角相同，都为θ 3，再现时的照明波与记录时的参考波满足布拉格匹配条件，微图像阵列中图像元节距与微透镜阵列中透镜元节距相同，且图像元的投影区域与透镜元的记录区域相重合，全息衍射的光线再现出记录时的倾斜球面波，该倾斜球面波再次形成会聚点阵列，与记录时微透镜阵列产生的会聚点阵列完全相同，全息干板平躺放置，携带微图像阵列信息的倾斜球面波再现出全真的3D图像，该3D图像悬浮在全息干板上，其观看方向为倾斜观看，观看者视线与全息干板的水平夹角构成的观看角度θ 4与全息记录时信号波的入射角度θ 1相等，实现了悬浮式的集成成像3D显示效果。
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