CN107422623B - 一种基于液体透镜的彩色全息变焦*** - Google Patents

一种基于液体透镜的彩色全息变焦*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于液体透镜的彩色全息变焦***。本发明的目的是解决现有全息3D变焦***存在的结构复杂、操作困难和再现像的质量差的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种基于液体透镜的彩色全息变焦***，其包括三色光源、分光棱镜、空间光调制器、计算机、液体透镜、接收屏和同步控制电路；所述三色光源设在分光棱镜的入射光路上，所述空间光调制器设在分光棱镜的反射光路上，所述液体透镜设在空间光调制器的后面，所述接收屏设在液体透镜的后面；所述三色光源经过分光棱镜后分别照射在空间光调制器上，经空间光调制器控制的光源通过液体透镜的变焦投射到接收屏；所述同步控制电路保证光源、全息图和液体透镜的切换时间一致。

Description

一种基于液体透镜的彩色全息变焦***
技术领域
本发明涉及一种基于液体透镜的彩色全息变焦***，它属于全息显示技术领域。
背景技术
三维(3D)显示自上世纪80年代以来先后出现了眼镜式3D显示、多视点3D显示、全息3D显示等多种方式。其中全息3D显示能够完整记录和重建3D物体的波前，提供人眼视觉***所需全部深度信息，因而在国际上被广泛地认为是3D显示的终极目标。为了调节再现像的大小，传统的方法是通过机械地移动透镜的位置或透镜组之间的相对位置来改变再现像的位置，从而改变再现像的大小。这种方法的***通常比较复杂难以操作，若想实现彩色全息再现，***将更难操作。一些学者提出使用缩放的菲涅耳衍射实现无透镜的全息缩放投影。通过计算投影图像和全息面上的不同采样率，实现变焦的效果。然而随着采样率的改变，再现像的质量也会有所影响。当采样率超过一定范围时，再现像甚至会出现畸变等问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有全息3D变焦***存在的结构复杂、操作困难和再现像的质量差的技术问题，提供一种基于液体透镜的彩色全息变焦***。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于液体透镜的彩色全息变焦***，其包括准直红色光源、准直绿色光源、准直蓝色光源、分光棱镜、空间光调制器、计算机、液体透镜、接收屏和同步控制电路；所述准直红色光源、准直绿色光源和准直蓝色光源设在分光棱镜的入射光路上，所述空间光调制器设在分光棱镜的反射光路上，所述液体透镜设在空间光调制器的后面，所述接收屏设在液体透镜的后面；所述空间光调制器的信号输出端与计算机的信入输出端连接，所述同步控制电路的信号输入端与液体透镜的信号输出端连接，同步控制电路的信号输出端与计算机的信号输入端连接，同步控制电路的控制端与准直红色光源、准直绿色光源和准直蓝色光源的控制端连接；所述准直红色光源、准直绿色光源和准直蓝色光源经过分光棱镜后分别照射在空间光调制器上，经空间光调制器控制的光源通过液体透镜的变焦投射到接收屏；所述同步控制电路保证光源、全息图和液体透镜的切换时间一致。
进一步地，所述液体透镜由透明硬质腔体、上基板、下基板、中间基板、透明导电液体、介电层和ITO电极层组成，其中，中间基板上依次镀有ITO电极层和介电层；透明导电液体周围填充互不相溶的透明非导电液体；中间基板中央设有一个圆孔，周围均匀分布若干个小孔作为透明导电液体流通的通道，所述下基板设在透明硬质腔体的底部，透明导电液***于下基板的上面，镀有ITO电极层和介电层的中间基板设在透明导电液体上，上基板设在透明硬质腔体的顶面；初始状态时，填充的两种液体在液-液界面形成一个凸面，此时，光束经过液体透镜后，光束汇聚，即正透镜的功能；当在ITO电极层和透明导电液体之间外加电压后，由于电润湿效应的左右，导电液体会通过中间基板的小孔向外涌出，此时会将中央圆孔中的导电液体抽离，故此时液-液界面为凹面，此时，光束经过液体透镜后，光束发散，即负透镜的功能。
进一步地，所述透明硬质腔体长D1≥10mm且D1≤12mm，宽D2＝D1，高D3≥8mm且D3≤10mm；中间基板中央圆孔直径D4≥5mm且D4≤6mm；周边小孔直径D5≥1mm且D5≤2mm，厚度D6≥2mm且D6≤3mm。
进一步地，光源和空间光调制器之间的距离为d1，空间光调制器和液体透镜之间的距离为d2，接收屏和液体透镜之间的距离为d3，f1是加载到空间光调制器上的数字透镜的焦距，f2是液体透镜的焦距；当***的元件位置保持不变时，通过改变数字透镜和液体透镜的焦距，可以实现再现像的缩放；再现像的位置满足再现像的大小为
Figure BDA0001421053910000022
式中：λ是波长，p是空间光调制器的像素大小；三种颜色再现像的大小关系为：
Figure BDA0001421053910000023
式中：Hr、Hg和Hb是红、绿、蓝三种颜色再现像的大小，f1r、f1g和f1b是分别加载到三种颜色全息图上的数字透镜的焦距，λr、λg和λb分别是相应颜色的波长，为了补偿因波长引起的色差，加载到三种颜色全息图上的数字透镜的焦距需满足
Figure BDA0001421053910000031
本发明的有益效果是：本发明使用液体透镜来配合数字透镜调节再现像的大小，实现了高质量的变焦效果，解决了现有全息3D变焦***存在的结构复杂、操作困难和再现像的质量差的技术问题。与背景技术相比，本发明具有结构简单、操作方便和再现像的质量好等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的变焦原理图；
图3是电润湿驱动液体透镜结构示意图。
图中：1-准直红色光源、2-准直绿色光源、3-准直蓝色光源、4-分光棱镜、5-空间光调制器、6-计算机、7-液体透镜、8-接收屏、9-同步控制电路、10-透明硬质腔体、11-上基板、12-下基板、13-中间基板、14-透明导电液体、15-介电层、16-ITO电极层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的一种基于液体透镜的彩色全息变焦***，其包括准直红色光源1、准直绿色光源2、准直蓝色光源3、分光棱镜4、空间光调制器(SLM)5、计算机6、液体透镜7、接收屏8和同步控制电路9；所述准直红色光源1、准直绿色光源2和准直蓝色光源3设在分光棱镜4的入射光路上，所述空间光调制器5设在分光棱镜4的反射光路上，所述液体透镜7设在空间光调制器5的后面，所述接收屏8设在液体透镜7的后面；所述空间光调制器5的信号输出端与计算机6的信入输出端连接，所述同步控制电路9的信号输入端与液体透镜7的信号输出端连接，同步控制电路9的信号输出端与计算机6的信号输入端连接，同步控制电路9的控制端与准直红色光源1、准直绿色光源2和准直蓝色光源3的控制端连接；所述准直红色光源1、准直绿色光源2和准直蓝色光源3经过分光棱镜4后分别照射在空间光调制器5上，经空间光调制器5控制的光源通过液体透镜7的变焦投射到接收屏8；所述同步控制电路9保证光源、全息图和液体透镜的切换时间一致。
如图3所示，所述液体透镜7由透明硬质腔体10、上基板11、下基板12、中间基板13、透明导电液体14、介电层15和ITO电极层16组成，其中，中间基板13上依次镀有ITO电极层16和介电层15；透明导电液体14周围填充互不相溶的透明非导电液体；中间基板13中央设有一个圆孔，周围均匀分布若干个小孔作为透明导电液体流通的通道，所述下基板12设在透明硬质腔体10的底部，透明导电液体14位于下基板12的上面，镀有ITO电极层16和介电层15的中间基板13设在透明导电液体14上，上基板11设在透明硬质腔体10的顶面；初始状态时，填充的两种液体在液-液界面形成一个凸面，此时，光束经过液体透镜后，光束汇聚，即正透镜的功能；当在ITO电极层16和透明导电液体14之间外加电压后，由于电润湿效应的左右，导电液体会通过中间基板的小孔向外涌出，此时会将中央圆孔中的导电液体抽离，故此时液-液界面为凹面，此时，光束经过液体透镜后，光束发散，即负透镜的功能。
进一步地，所述透明硬质腔体10长D1≥10mm且D1≤12mm，宽D2＝D1，高D3≥8mm且D3≤10mm；中间基板13中央圆孔直径D4≥5mm且D4≤6mm，周边小孔直径D5≥1mm且D5≤2mm，厚度D6≥2mm且D6≤3mm。
进一步地，光源和空间光调制器之间的距离为d1，空间光调制器和液体透镜之间的距离为d2，接收屏和液体透镜之间的距离为d3，f1是加载到空间光调制器上的数字透镜的焦距，f2是液体透镜的焦距；当***的元件位置保持不变时，通过改变数字透镜和液体透镜的焦距，可以实现再现像的缩放；再现像的位置满足
Figure BDA0001421053910000041
再现像的大小为
Figure BDA0001421053910000042
式中：λ是波长，p是空间光调制器的像素大小；三种颜色再现像的大小关系为：
Figure BDA0001421053910000051
式中：Hr、Hg和Hb是红、绿、蓝三种颜色再现像的大小，f1r、f1g和f1b是分别加载到三种颜色全息图上的数字透镜的焦距，λr、λg和λb分别是相应颜色的波长，为了补偿因波长引起的色差，加载到三种颜色全息图上的数字透镜的焦距需满足
Figure BDA0001421053910000052
图2为本发明的变焦原理图。图中P是光源，P1是SLM后像的位置，d1是光源和SLM之间的距离，d2是SLM和液体透镜之间的距离，d3是接收屏和液体透镜之间的距离。f1是加载到SLM上的数字透镜的焦距，f2是液体透镜的焦距。首先分别记录下物体的全息图和数字透镜的全息图，其次将数字透镜的全息图与物体的全息图相加，生成一幅新的全息图，新生成的全息图的相位满足以下公式：
Figure BDA0001421053910000053
其中
Figure BDA0001421053910000054
是物体的全息图，λ是波长，P1位于SLM的后面，P1与SLM的距离为f1。根据衍射理论可知P1处像的大小为h＝f1λ/p。再现像的位置满足：
Figure BDA0001421053910000055
因此再现像的大小为：
Figure BDA0001421053910000056
式中：p是SLM的像素大小，由公式(3)可知，当***的元件位置保持不变时，通过改变数字透镜和液体透镜的焦距，可以实现再现像的缩放。三种颜色再现像的大小关系为：
Figure BDA0001421053910000057
其中Hr、Hg和Hb是红、绿、蓝三种颜色再现像的大小，f1r、f1g和f1b是分别加载到三种颜色全息图上的数字透镜的焦距，λr、λg和λb分别是相应颜色的波长。
为了实现变焦的效果，首先将一幅彩色图片进行红、绿、蓝分色处理，并分别生成三幅不同颜色场景的全息图，其相位分别记为
Figure BDA0001421053910000061
和
Figure BDA0001421053910000062
对于不同波长的再现像，其大小也不同。为了补偿因波长引起的色差，加载到三种颜色全息图上的数字透镜的焦距需满足
Figure BDA0001421053910000063
然后根据公式(1)生成三幅具有特定焦距的新全息图，其相位分别记为
Figure BDA0001421053910000064
和
Figure BDA0001421053910000065
为了再现出物体的彩色再现像，在T1时刻，在SLM上加载相位为
Figure BDA0001421053910000066
的红色全息图，并用准直红色光源照射SLM，此时在接收屏上能看到红色物体的再现像；在T2时刻，在SLM上加载相位为
Figure BDA0001421053910000067
的绿色全息图，并用准直绿色光源照射SLM，此时在接收屏上能看到绿色再现像；同理，在T3时刻，在SLM上加载相位为的蓝色全息图，并用准直蓝色光源照射SLM，此时在接收屏上能看到蓝色再现像；当切换时间足够快时，根据人眼的视觉暂留效应，可以看到彩色的全息再现像。当数字透镜的焦距改变时，通过计算可以得到液体透镜的焦距。使用同步控制电路保证光源、全息图和液体透镜的切换时间一致。
为了实现高质量的变焦效果，本发明使用液体透镜7来配合数字透镜调节再现像的大小。图3是电润湿驱动液体透镜结构示意图。如图3(a)所示，该图示意性的画出四个小孔作为透明导电液体流通的通道，小孔具体个数需根据实验要求设计；初始状态时，如图3(c)所示，填充的两种液体在液-液界面形成一个凸面，此时，光束经过液体透镜7后，光束汇聚，即正透镜的功能；当在ITO电极层和透明导电液体之间外加电压后，由于电润湿效应的左右，导电液体会通过中间基板的小孔向外涌出，此时会将中央圆孔中的导电液体抽离，故此时液-液界面为凹面，此时，光束经过液体透镜7后，光束发散，即负透镜的功能，如图3(b)和3(d)所示。
本发明的一个实施例为，准直红色光源为波长为671nm的红色信号光，准直绿色光源为波长为532nm的绿色信号光，准直蓝色光源为波长为473nm的蓝色信号光，SLM的像素间距为8微米，分辨率为1920×1080，液体透镜和SLM的距离为15cm，液体透镜和接收屏的距离为30cm。将参数带到公式(1)-(3)中，可以得到：
Figure BDA0001421053910000071
液体透镜7中的透明导电液体为NaCl溶液，周围填充为二甲基硅油，透明硬质腔体10长D1＝12mm，宽D2＝d1，高D3＝10mm。中间基板厚度D6＝2mm，中心通光孔直径D4＝6mm，周边分布为4个相同直径的小孔，直径均为D5＝1mm。初始状态时，两种液体在液-液界面形成一个凸面，测量得到其光焦度为+5.5D；当在ITO电极层和NaCl溶液之间外加电压60V DC后，由于电润湿效应的左右，NaCl溶液会通过中间基板的小孔向外涌出，此时液-液界面由凸面切换为凹面，测量得到其光焦度为-3.2D，该实施例说明设计的液体透镜具有变焦功能。通过调节数字透镜和液体透镜的焦距，***可以实现变焦的功能。

Claims (2)

1.一种基于液体透镜的彩色全息变焦***，其特征在于：包括准直红色光源、准直绿色光源、准直蓝色光源、分光棱镜、空间光调制器、计算机、液体透镜、接收屏和同步控制电路；所述准直红色光源、准直绿色光源和准直蓝色光源设在分光棱镜的入射光路上，所述空间光调制器设在分光棱镜的反射光路上，所述液体透镜设在空间光调制器的后面，所述接收屏设在液体透镜的后面；所述空间光调制器的信号输出端与计算机的信入输出端连接，所述同步控制电路的信号输入端与液体透镜的信号输出端连接，同步控制电路的信号输出端与计算机的信号输入端连接，同步控制电路的控制端与准直红色光源、准直绿色光源和准直蓝色光源的控制端连接；所述准直红色光源、准直绿色光源和准直蓝色光源经过分光棱镜后分别照射在空间光调制器上，经空间光调制器控制的光源通过液体透镜的变焦投射到接收屏；所述同步控制电路保证光源、全息图和液体透镜的切换时间一致；
所述液体透镜由透明硬质腔体、上基板、下基板、中间基板、透明导电液体、介电层和ITO电极层组成，其中，中间基板上依次镀有ITO电极层和介电层；透明导电液体周围填充互不相溶的透明非导电液体；中间基板中央设有一个圆孔，周围均匀分布若干个小孔作为透明导电液体流通的通道，所述下基板设在透明硬质腔体的底部，透明导电液***于下基板的上面，镀有ITO电极层和介电层的中间基板设在透明导电液体上，上基板设在透明硬质腔体的顶面；初始状态时，填充的两种液体在液-液界面形成一个凸面，此时，光束经过液体透镜后，光束汇聚，即正透镜的功能；当在ITO电极层和透明导电液体之间外加电压后，由于电润湿效应的左右，导电液体会通过中间基板的小孔向外涌出，此时会将中央圆孔中的导电液体抽离，故此时液-液界面为凹面，此时，光束经过液体透镜后，光束发散，即负透镜的功能；
光源和空间光调制器之间的距离为d1，空间光调制器和液体透镜之间的距离为d2，接收屏和液体透镜之间的距离为d3，f1是加载到空间光调制器上的数字透镜的焦距，f2是液体透镜的焦距；首先分别记录下物体的全息图和数字透镜的全息图，其次将数字透镜的全息图与物体的全息图相加，生成一幅新的全息图，新生成的全息图的相位满足以下公式：
Figure FDA0002209091140000021
其中
Figure FDA0002209091140000022
是物体的全息图，λ是波长；当***的元件位置保持不变时，通过改变数字透镜和液体透镜的焦距，可以实现再现像的缩放；再现像的位置满足再现像的大小为式中：p是空间光调制器的像素大小；三种颜色再现像的大小关系为：
Figure FDA0002209091140000025
式中：Hr、Hg和Hb是红、绿、蓝三种颜色再现像的大小，f1r、f1g和f1b是分别加载到三种颜色全息图上的数字透镜的焦距，λr、λg和λb分别是相应颜色的波长，为了补偿因波长引起的色差，加载到三种颜色全息图上的数字透镜的焦距需满足
Figure FDA0002209091140000026
2.根据权利要求1所述的一种基于液体透镜的彩色全息变焦***，其特征在于：所述中间基板中央圆孔直径D4≥5mm且D4≤6mm，周边小孔直径D5≥1mm且D5≤2mm。
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