CN110058333B - 一种基于高光焦度液体透镜的大视角全息显示*** - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于高光焦度液体透镜的大视角全息显示***。该***包括准直光束、SLM、高光焦度液体透镜、光阑和CCD，其中SLM和高光焦度液体透镜是***的两个核心部件。当准直光照射SLM时，衍射光经过高光焦度液体透镜和光阑，通过CCD可以捕获到重建的图像。高光焦度液体透镜由上下两个基板、一个多层基板和两个腔室组成。通过使用高光焦度液体透镜，扩大了再现像的视角。

Description

一种基于高光焦度液体透镜的大视角全息显示***
一、技术领域
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高光焦度液体透镜的大视角全息显示***。
二、背景技术
随着光电器件的迅速发展，计算全息由于其高效、低成本、信息记录方便等优点而备受关注。然而，计算全息发展至今，依然有一些问题限制其进一步发展。其中最重要的问题是观看视角比较小。目前，可以动态刷新全息图的设备的像素尺寸只有几微米。因此，全息再现像的视角只有几度，严重影响了观看效果。为了扩大视角，国内外研究人员提出了很多方法。例如，通过并行排列多个空间光调制器(SLM)来扩大全息再现像的视角。虽然平行排列SLM的方法可以扩大视角，但是SLM之间存在一定的间隙。2011年，研究人员提出了使用12个SLM拼接在一起的弧形全息显示***。2017年，基于两个SLM和时空复用的全息显示方法被用于扩大彩色全息显示***的视角。考虑到多SLM拼接会增加***的成本和复杂性，日本的研究人员在2018年使用凸抛物镜扩大全息显示的视角。虽然凸抛物镜能在一定程度上扩大视角，但它对SLM的参数有一定的要求。目前，亟需研究一种大视角、低成本和高集成度的全息显示***。
三、发明内容
本发明提出一种基于高光焦度液体透镜的大视角全息显示***。如附图1所示，该***包括准直光束、SLM、高光焦度液体透镜、光阑和CCD。附图2是该全息显示***的原理图，其中SLM和高光焦度液体透镜是***的两个核心部件。当准直光照射SLM时，衍射光经过高光焦度液体透镜和光阑，通过CCD可以捕获到重建的图像。再现像的视角、SLM的大小和高光焦度液体透镜的焦距满足以下关系：
Figure GDA0002392424220000011
其中θ是再现像的视角，w表示SLM的大小，F是高光焦度液体透镜的焦距。通过使用高光焦度液体透镜来扩大再现像的视角。
高光焦度液体透镜的结构如附图3(a)所示，它由上下两个基板、一个多层基板和两个腔室组成。多层基板中间为通孔且通孔的大小沿第二液体到第一液体方向依次变大，从而基板的单侧沿第二液体到第一液体的方向呈台阶状，两个腔室内分别填充着两种不相溶的透明液体，并通过第一通道和第二通道分别与两个注射器相连接，从而能在腔室内注入/抽出液体。当第一液体从第一腔室中注入、第二液体从第二腔室中抽出时，由于液体和多层基板之间的表面张力和吸附力作用，液-液界面的曲率会发生相应的改变，如附图3(b)所示。在驱动过程中，液-液界面始终是凹形的，因此，高光焦度液体透镜的焦距可以连续地变化。多层基板能增大表面张力和吸附力，该液体透镜具有较高的光焦度。当第二液体从第二腔室中注入、第一液体从第一腔室中抽出时，液-液界面在多层基板的不同层形成透镜，如附图3(c)所示。该高光焦度液体透镜可以很容易地实现多焦点功能。高光焦度液体透镜的焦距用下式表示：
Figure GDA0002392424220000021
其中R是高光焦度液体透镜中液-液界面的曲率半径，n1和n2分别是两种液体的折射率。在理想情况下，液-液界面是球形面，界面曲率在驱动过程中会发生凸凹变化，液体的体积变化ΔV与高光焦度液体透镜的焦距满足以下关系：
Figure GDA0002392424220000022
Figure GDA0002392424220000023
其中Ri是第i层液-液界面的曲率半径，ri是第i层基板中间通孔的半径。
如附图4所示，在第一层和第二层基板上，总附加压力ΔP为：
Figure GDA0002392424220000024
其中ΔP1是单层基板的表面张力f1引起的附加压力，ΔP2是由多层基板的表面张力f2引起的附加压力，α2是f2与垂直分量f2v之间的夹角。ΔP>ΔP1，因此，所提出的高光焦度液体透镜比传统的液体透镜具有更高的光焦度，ΔP1和ΔP2满足以下公式：
Figure GDA0002392424220000025
Figure GDA0002392424220000026
f2v＝f2 cosα2＝γ[2π(r1+r2)]cosα2 (8)
Figure GDA0002392424220000027
其中γ是表面张力系数，R1是第一层基板的液体透镜的半径，a是第二层基板的高度，b是两层基板中间通孔孔径的差，β是a和b构成的三角形的一个锐角且同时满足公式(9)，r1、r2分别是两层基板中间通孔的半径。所提出的高光焦度液体透镜可以扩大再现像的视角，再现像的视角与高光焦度液体透镜之间的关系满足以下公式：
Figure GDA0002392424220000031
四、附图说明
附图1为本发明的一种基于高光焦度液体透镜的大视角全息显示***的结构示意图。
附图2为本发明的一种基于高光焦度液体透镜的大视角全息显示***的原理示意图。
附图3为高光焦度液体透镜的原理示意图。附图3(a)是高光焦度液体透镜的结构示意图，附图3(b)是注入液体时的通光状态示意图，附图3(c)是抽出液体时的通光状态示意图。
附图4为高光焦度液体透镜的液体表面张力分析示意图。
上述各附图中的图示标号为：
(1)准直光束、(2)SLM、(3)高光焦度液体透镜、(4)光阑、(5)CCD、(6)上基板、(7)下基板、(8)多层基板、(9)第一腔室、(10)第二腔室、(11)第一液体、(12)第二液体、(13)第一通道、(14)第二通道、(15)第四层基板、(16)第三层基板、(17)第二层基板、(18)第一层基板。
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
下面详细说明本发明提出的一种基于高光焦度液体透镜的大视角全息显示***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。
本发明的一个实施例为：使用波长为532nm的激光器，SLM的大小为12.29mm×6.91mm，将通道与聚甲基丙烯酸甲酯制成的基板相连作为腔室。腔室的高度为5mm，半径为9mm。两个通道的直径均为1mm。将四个环形板设计为多层基板，其半径分别为5.5mm，4.5mm，3.5mm和2.5mm。环形板的高度均为1mm。通过UV-331胶将两个圆柱形腔室、多层基板和两个基板粘连在一起。高光焦度液体透镜的总高度为15mm。用盐水作为第一液体(密度为1.03g/cm3，粘度为1.1mpa·s，折射率n1＝1.33)，用苯基甲基硅油(密度为1.03g/cm3，粘度为150mpa·s，折射率n2＝1.48)作为第二液体。填充在腔室中的两种液体的密度相匹配，因此，该高光焦度液体透镜具有较好的机械稳定性。通过在全息显示***中使用高光焦度液体透镜，可以实现大视角的全息显示效果。

Claims (2)

1.一种基于高光焦度液体透镜的大视角全息显示***，其特征在于，该***包括准直光束、SLM、高光焦度液体透镜、光阑和CCD，当准直光照射SLM时，衍射光经过高光焦度液体透镜和光阑，通过CCD可以捕获到重建的图像，再现像的视角θ为
Figure FDA0002392424210000011
其中w表示SLM的大小，F是高光焦度液体透镜的焦距；
高光焦度液体透镜由上下两个基板、一个多层基板和两个腔室组成，多层基板中间为通孔且通孔的大小沿第二液体到第一液体方向依次变大，从而基板的单侧沿第二液体到第一液体的方向呈台阶状，两个腔室内分别填充着两种不相溶的透明液体，并通过第一通道和第二通道分别与两个注射器相连接，从而能在腔室内注入/抽出液体；当第一液体从第一腔室中注入、第二液体从第二腔室中抽出时，由于液体和多层基板之间的表面张力和吸附力作用，液-液界面的曲率会发生相应的改变，在驱动过程中，液-液界面始终是凹形的，高光焦度液体透镜的焦距可以连续地变化；多层基板能增大表面张力和吸附力，该液体透镜具有较高的光焦度；当第二液体从第二腔室中注入、第一液体从第一腔室中抽出时，液-液界面在多层基板的不同层形成透镜，该高光焦度液体透镜很容易地实现多焦点功能；高光焦度液体透镜的焦距用下式表示：
Figure FDA0002392424210000012
其中R是高光焦度液体透镜中液-液界面的曲率半径，n1和n2分别是两种液体的折射率；在理想情况下，液-液界面是球形面，界面曲率在驱动过程中会发生凸凹变化，液体的体积变化ΔV与高光焦度液体透镜的焦距满足以下关系：
Figure FDA0002392424210000013
Figure FDA0002392424210000014
其中Ri是第i层液-液界面的曲率半径，ri是第i层基板中间通孔的半径。
2.根据权利要求1所述的一种基于高光焦度液体透镜的大视角全息显示***，其特征在于，在第一层和第二层基板上，总附加压力ΔP为：
Figure FDA0002392424210000015
其中ΔP1是单层基板的表面张力f1引起的附加压力，ΔP2是由多层基板的表面张力f2引起的附加压力，α2是f2与垂直分量f2v之间的夹角；ΔP>ΔP1，ΔP1和ΔP2满足以下公式：
Figure FDA0002392424210000021
Figure FDA0002392424210000022
其中γ是表面张力系数，R1是第一层基板的液体透镜的半径，a是第二层基板的高度，b是两层基板中间通孔孔径的差，β是a和b构成的三角形的一个锐角且同时满足
Figure FDA0002392424210000023
r1、r2分别是两层基板中间通孔的半径，再现像的视角与高光焦度液体透镜之间的关系满足以下公式：
Figure FDA0002392424210000024
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