CN107656431B

CN107656431B - 一种基于液体器件的全息变焦***

Info

Publication number: CN107656431B
Application number: CN201710890526.5A
Authority: CN
Inventors: 王迪; 刘超
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: CN107656431A

Abstract

本发明涉及一种基于液体器件的全息变焦***。本发明主要是解决现有全息显示***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：一种基于液体器件的全息变焦***，其包括准直光源、SLM、液体透镜、液体光阑和接收屏，所述准直光源设在SLM的入射光路上，所述液体透镜设在SLM的后面，所述液体光阑设在液体透镜的后面，所述接收屏设在液体光阑的后面。本发明在SLM上编码菲涅耳透镜，通过改变菲涅耳透镜和液体透镜的焦距，可以在不改变***元件位置的前提下改变再现像的大小。为了在接收屏上获得高质量的全息再现像，使用液体光阑来消除全息变焦***中的高级衍射像，从而实现高质量的全息变焦显示。

Description

一种基于液体器件的全息变焦***

技术领域

本发明涉及一种基于液体器件的全息变焦***，它属于全息显示技术领域。

背景技术

作为三维显示的一种，全息显示技术既能够记录物体的全部光场信息，又能将光场中的相位和振幅信息用干涉条纹的形式记录下来，因此被认为是最理想的三维显示方式之一。近年来，为了满足动态三维显示的需求，基于空间光调制器(SLM)的全息显示受到了广泛的关注。然而，由于SLM自身像素结构的影响，在计算全息再现的过程中，会存在彩色色差、零级衍射、高级衍射、视角受限等问题，严重影响了再现像的质量，从而制约着全息显示的发展。为了实现无杂光干扰的全息再现，传统的方法是将不良光和再现像进行分离，再使用4f***和滤波器进行消除，***通常比较复杂，若想再实现变焦效果，***则更难以搭建。

发明内容

本发明的目的是解决现有全息显示***存在的结构复杂、操作困难和再现像的质量差的技术问题，提供一种基于液体器件的全息变焦***。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于液体器件的全息变焦***，其包括准直光源、空间光调制器、液体透镜、液体光阑和接收屏，所述准直光源设在空间光调制器的入射光路上，所述液体透镜设在空间光调制器的后面，所述液体光阑设在液体透镜的后面，所述接收屏设在液体光阑的后面。

进一步地，所述空间光调制器和液体透镜组成变焦模块，d₁是光源到空间光调制器之间的距离，当光源完全准直时，d₁等于无穷；d₂是空间光调制器和液体透镜之间的距离，d₃是液体透镜和接收屏之间的距离；为了实现变焦的功能，在空间光调制器上编码菲涅耳透镜，并将其焦距记为f_F，f_L是液体透镜的焦距；根据Nazarathy和Shamir算法将该变焦模块的传递函数T表示为：

式中：Q是二次相指数的乘法运算，Ff是对全息面的傅里叶变换，V是傅里叶缩放，λ是光波的波长；在夫琅和费衍射条件下得到：

因此公式(1)可以用公式(3)表示：

当M＝λ[d₂+d₃-d₂×d₃(1/f_L)]时，接收屏上的复振幅分布函数U(ξ,η)表示为：

此时全息面的傅里叶变换正好位于d₃处，且放大倍率为M；当***中每个元件的位置固定时，d₁、d₂和d₃为常量，此时通过改变f_F和f_L来调节再现像的大小，从而实现变焦的效果。

进一步地，所述液体光阑包括上基板、透明硬质腔体、下基板、中间基板、黑色导电液体、介电层、中部ITO电极层、底部ITO电极层、无色透明液体和环形垫圈；其中，在中间基板上镀有中部ITO电极层，且中间基板中心设有通光孔，所述通光孔为液体光阑的最大通光孔径，其周边均匀分布有若干个小孔；环形垫圈与下基板紧密粘合，在环形垫圈孔内的下基板上镀有底部ITO电极层，底部ITO电极层和中部ITO电极层的上面设有介电层；环形垫圈与下基板设在透明硬质腔体内的下部，黑色导电液体设在环形垫圈的上面且中间形成一个圆环形状孔，无色透明液体设在黑色导电液体的圆环形状孔中且黑色导电液体与无色透明液体互不相溶，中间基板设在黑色导电液体的上面，上基板设在透明硬质腔体的顶面；当外加电压于黑色导电液体与底部ITO电极层时，由于电润湿效应驱动，黑色导电液体会向中心位置涌动，由于液体表面能的驱使，黑色导电液体会形成一个圆环形状，即液体光阑通光孔径呈收缩状态；当外加电压于黑色导电液体与中部ITO电极层时，同样由于电润湿效应驱动，黑色导电液体会从中间基板的小孔中涌出，此时，会将黑色导电液体从下基板上抽离，导致此时所形成的圆环直径扩大，即液体光阑通光孔径增大。

进一步地，所述透明硬质腔体长d₄≥10mm且d₄≤12mm，宽d₅＝d₄，高d₆≥8mm且d₆≤10mm；中间基板中心通光孔直径d₇≥5mm且d₇≤6mm，周边小孔直径d₈≥1mm且d₈≤2mm，厚度d₉≥2mm且d₉≤3mm；环形垫圈外径d₁₀＝d₄，内径d₁₁＝d₇，厚度d₁₂≥1mm且d₁₂≤2mm；所述无色透明液体和黑色导电液体密度相同。

本发明的有益效果为：本发明采用SLM和液体透镜组成变焦模块，在SLM上编码菲涅耳透镜，通过改变菲涅耳透镜和液体透镜的焦距，可以在不改变***元件位置的前提下改变再现像的大小，并使用液体光阑来消除全息变焦***中的高级衍射像，从而实现高质量的全息变焦显示。解决了现有全息显示***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的优点。

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是液体光阑的原理示意图，其中(a)是外加电压于黑色导电液体与底部ITO电极层时的俯视图，(b)是外加电压于黑色导电液体与中部ITO电极层时的俯视图，(c)是外加电压于黑色导电液体与底部ITO电极层时的侧视图，(d)是外加电压于黑色导电液体与中部ITO电极层时的侧视图。

图中：1-准直光源、2-空间光调制器、3-液体透镜、4-液体光阑、5-接收屏、6-上基板、7-透明硬质腔体、8-下基板、9-中间基板、10-黑色导电液体、11-介电层、12-中部ITO电极层、13-底部ITO电极层、14-无色透明液体、15-环形垫圈。

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器件的全息变焦***，其包括准直光源1、空间光调制器(SLM)2、液体透镜3、液体光阑4和接收屏5，所述准直光源1设在空间光调制器2的入射光路上，所述液体透镜3设在空间光调制器2的后面，所述液体光阑4设在液体透镜3的后面，所述接收屏5设在液体光阑4的后面。

如图2所示，所述空间光调制器2和液体透镜3组成变焦模块，d₁是光源到空间光调制器之间的距离，当光源完全准直时，d₁等于无穷；d₂是空间光调制器和液体透镜之间的距离，d₃是液体透镜和接收屏之间的距离；为了实现变焦的功能，在空间光调制器上编码菲涅耳透镜，并将其焦距记为f_F，f_L是液体透镜的焦距；根据Nazarathy和Shamir算法将该变焦模块的传递函数T表示为：

因此公式(1)可以用公式(3)表示：

此时全息面的傅里叶变换正好位于d₃处，且放大倍率为M；当***中每个元件的位置固定时，d₁、d₂和d₃为常量，此时通过改变f_F和f_L来调节再现像的大小，从而实现变焦的效果，f_F和f_L的值满足公式(2)。

如图3所示，所述液体光阑包括上基板6、透明硬质腔体7、下基板8、中间基板9、黑色导电液体10、介电层11、中部ITO电极层12、底部ITO电极层13、无色透明液体14和环形垫圈15；其中，在中间基板9上镀有中部ITO电极层12，且中间基板9中心设有通光孔，所述通光孔为液体光阑的最大通光孔径，其周边均匀分布有若干个小孔；环形垫圈15与下基板8紧密粘合，在环形垫圈孔内的下基板8上镀有底部ITO电极层13，底部ITO电极层13和中部ITO电极层12的上面设有介电层11；环形垫圈15与下基板8设在透明硬质腔体7内的下部，黑色导电液体10设在环形垫圈15的上面且中间形成一个圆环形状孔，无色透明液体14设在黑色导电液体10的圆环形状孔中且黑色导电液体10与无色透明液体14互不相溶，中间基板9设在黑色导电液体10的上面，上基板6设在透明硬质腔体7的顶面；当外加电压于黑色导电液体10与底部ITO电极层13时，由于电润湿效应驱动，黑色导电液体10会向中心位置涌动，由于液体表面能的驱使，黑色导电液体10会形成一个圆环形状，即液体光阑通光孔径呈收缩状态；当外加电压于黑色导电液体10与中部ITO电极层12时，同样由于电润湿效应驱动，黑色导电液体10会从中间基板9的小孔中涌出，此时，会将黑色导电液体10从下基板8上抽离，导致此时所形成的圆环直径扩大，即液体光阑通光孔径增大。

进一步地，所述透明硬质腔体7长d₄≥10mm且d₄≤12mm，宽d₅＝d₄，高d₆≥8mm且d₆≤10mm；中间基板9中心通光孔直径d₇≥5mm且d₇≤6mm，周边小孔直径d₈≥1mm且d₈≤2mm，厚度d₉≥2mm且d₉≤3mm；环形垫圈15外径d₁₀＝d₄，内径d₁₁＝d₇，厚度d₁₂≥1mm且d₁₂≤2mm；所述无色透明液体14和黑色导电液体10密度相同。

本发明的一个实施例为：激光器为波长为532nm的绿色信号光，LCOS的像素间距为8微米，分辨率为1920×1080，液体透镜和LCOS的距离为20cm，液体光阑位于固体透镜后20cm处，接收屏和液体光阑的距离为20cm。液体光阑中的黑色导电液体为墨水和盐水的混合溶液，透明硬质腔体长d₄＝12mm，宽d₅＝d₄，高d₆＝10mm。中间基板厚度d₉＝2mm，中心通光孔直径d₇＝6mm，周边分布为6个相同直径的小孔，直径均为d₈＝1mm。环形垫圈外径d₁₀＝12mm，内径d₁₁＝5mm，厚度d₁₂＝1mm。当外加电压于底部ITO电极层和黑色导电液体时，所加电压为65V，黑色导电液体向下基板中心涌动，收缩为3.2mm，即此时光阑孔径为3.2mm；当外加电压于中部ITO电极层和黑色导电液体时，所加电压为65V，黑色导电液体由于电润湿驱动从中层基板的小孔中涌出，黑色导电液体向下基板***涌动，扩张为4.8mm，即此时光阑孔径为4.8mm。将参数带到公式(2)中，可以得到：

因此，在不改变位置的前提下，通过上述公式调节液体透镜的焦距和菲涅耳透镜的焦距，可以在不改变***元件位置的前提下实现再现像的缩放。高级衍射像经过液体光阑后会被消除。当再现像的大小改变时，可以通过调节液体光阑的大小，从而消除高级衍射像。

Claims

1.一种基于液体器件的全息变焦***，其特征在于：包括准直光源、空间光调制器、液体透镜、液体光阑和接收屏，所述准直光源设在空间光调制器的入射光路上，所述液体透镜设在空间光调制器的后面，所述液体光阑设在液体透镜的后面，所述接收屏设在液体光阑的后面；为了实现变焦的功能，在空间光调制器上编码菲涅耳透镜，当***中每个元件的位置固定时，通过改变空间光调制器上编码菲涅耳透镜的焦距f_F和液体透镜的焦距f_L来调节再现像的大小，从而实现变焦的效果；所述液体光阑是基于电润湿效应驱动；

所述液体光阑包括上基板、透明硬质腔体、下基板、中间基板、黑色导电液体、介电层、中部ITO电极层、底部ITO电极层、无色透明液体和环形垫圈；其中，在中间基板上镀有中部ITO电极层，且中间基板中心设有通光孔，所述通光孔为液体光阑的最大通光孔径，其周边均匀分布有若干个小孔；环形垫圈与下基板紧密粘合，在环形垫圈孔内的下基板上镀有底部ITO电极层，底部ITO电极层和中部ITO电极层的上面设有介电层；环形垫圈与下基板设在透明硬质腔体内的下部，黑色导电液体设在环形垫圈的上面且中间形成一个圆环形状孔，无色透明液体设在黑色导电液体的圆环形状孔中且黑色导电液体与无色透明液体互不相溶，中间基板设在黑色导电液体的上面，上基板设在透明硬质腔体的顶面；当外加电压于黑色导电液体与底部ITO电极层时，由于电润湿效应驱动，黑色导电液体会向中心位置涌动，由于液体表面能的驱使，黑色导电液体会形成一个圆环形状，即液体光阑通光孔径呈收缩状态；当外加电压于黑色导电液体与中部ITO电极层时，同样由于电润湿效应驱动，黑色导电液体会从中间基板的小孔中涌出，此时，会将黑色导电液体从下基板上抽离，导致此时所形成的圆环直径扩大，即液体光阑通光孔径增大。

2.根据权利要求1所述的一种基于液体器件的全息变焦***，其特征在于：所述中间基板中心通光孔直径d₇≥5mm且d₇≤6mm，周边小孔直径d₈≥1mm且d₈≤2mm，厚度d₉≥2mm且d₉≤3mm；环形垫圈外径d₁₀＝d₄，内径d₁₁＝d₇，厚度d₁₂≥1mm且d₁₂≤2mm；所述无色透明液体和黑色导电液体密度相同。