CN211857190U - 一种矢量全息成像显示*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种矢量全息成像显示***，包括沿光传输方向依次设置的激光器、扩束准直组件、4f光学***、第一偏振片和CCD相机，其中，所述4f光学***包括沿光学传输方向的空间光调制器、第一透镜、空间滤波器、第二透镜和朗奇光栅；所述空间光调制器包括全息光栅，所述全息光栅加载附加振幅信息和相位信息，所述全息光栅携带两种以上光信息。本申请的矢量全息成像显示***能够实现包含更为复杂的，完全不同信息的全息图的复现，为产生丰富的全息图显示提供了一种新的方法和途径；同时本申请的矢量全息成像显示***操作简单，易于掌握，成本低，应用广泛。

Description

一种矢量全息成像显示***

技术领域

本申请属于全息显示技术领域，具体涉及一种矢量全息成像显示***。

背景技术

全息术是Gabor在1948年申请的方法，其中不仅可以记录振幅，而且可以记录光场的相位。“全息”一词结合了两个希腊词的一部分：holos(意为“完整”)和graphein(意为“书写或记录”)，全息术是指完整信息的记录。

因此，在全息过程中，记录介质记录原始复振幅，即物波的复振幅的振幅和相位。记录的强度变化的结果现在称为全息图。当稍后适当地照亮全息图时，我们的眼睛会观察到同一复杂场所产生的强度。

只要恢复了精确的复数场，我们就可以在以后的时间观察原始的复数场。还原的复数域像原始复数域一样保留了整个视差和深度信息，并且被我们的大脑解释为相同的三维对象。

发明内容

本申请的目的是为了提供一种矢量全息成像显示***，该***可生成同时复现携带不同信息的全息图。

本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：一种矢量全息成像显示***，包括沿光传输方向依次设置的激光器、扩束准直组件、4f光学***、第一偏振片和CCD相机，其中，所述4f光学***包括沿光学传输方向的空间光调制器、第一透镜、空间滤波器、第二透镜和朗奇光栅；所述空间光调制器包括全息光栅，所述全息光栅加载附加振幅信息和相位信息，所述全息光栅携带两种以上光信息。

其中，CCD为电荷耦合器件。

其中，所述全息光栅包含用于选择出现的图案、字母或汉字的光信号的全息光栅。

其中，所述全息光栅为利用透过率函数计算机产生的计算全息光栅，所述全息光栅的透过率函数为t(x,y)＝1/2+γ[a_x(x,y)cos(2πf₀x)+a_y(x,y)cos(2πf₀y)]/4，其中，t_(x,y)为透过率，f₀为全息光栅的空间频率，γ为调制深度，a_x(x，y)，a_y(x，y)分别为施加在水平与垂直全息光栅的附加的信息振幅分布。

其中，所述激光器发出的光经过所述空间光调制器产生一级衍射，所述一级衍射产生四个光束，所述四个光束分别是x轴上携带a_x(x，y)的±1级衍射级，y轴上携带a_y(x，y)的±1级衍射级。

其中，所述空间滤波器包括沿x轴设置的第一开口部和沿y轴设置的第二开口部，所述x轴和y轴垂直，且所述x轴和所述y轴垂直于所述光传输方向。

作为其中一个优选方案，所述空间滤波器包括第二偏振片和第三偏振片，所述第一开口部设置于所述第二偏振片上，所述第二开口部设置于所述第三偏振片上，所述第二偏振片和所述第三偏振片正交设置且贴合成所述空间滤波器。

作为其中另一个优选方案，所述空间滤波器包括第一四分之一波片和第二四分之一波片，所述第一开口部设置于所述第一四分之一波片上，所述第二开口部设置于所述第二四分之一波片上，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片正交设置且贴合成所述空间滤波器。

其中，所述空间光调制器位于所述第一透镜的前焦面上，所述空间滤波器设置在所述第一透镜的后焦面上，所述空间滤波器是所述第二透镜的傅里叶平面，所述朗奇光栅位于所述第二透镜的后焦面上。其中，第一透镜和第二透镜焦距相等，均为f。

其中，所述第一偏振片相对于所述光传输方向的角度可调节，通过调节所述偏振片的角度，以控制CCD相机中捕获不同振幅信息的全息图的复现图像。

进一步地，显示***还包括角度调节机构，所述角度调节机构与所述第一偏振片连接，用于调节所述第一偏振片的角度。

进一步地，显示***还包括光阑，所述光阑设置于所述扩束准直组件和所述空间光调制器之间，所述光阑用于过滤所述扩束准直组件发出的准直光束，以获得出射光均匀的光斑。

进一步地，空间光调制器上可加载任意的数值全息片。

进一步地，本申请的矢量全息成像显示***可同时产生两种不同的光信息或者两者其中一种光信息。

进一步地，其中每一种信息的强度可根据空间滤波器中沿x轴，y轴分立第一开口部和第二开口部后贴合正交的第二偏振片和第三偏振片，或正交的第一四分之一波片和第二四分之一波片，与第一偏振片的偏振方向的相对角度进行调控。

进一步地，所述空间光调制器加载的附加振幅和相位信息的计算全息片也可以根据实际要求蚀刻成包含所需信息的光栅用于专门显示特定复杂的光信息，从而做成独立的显示装置。

有益效果：

本申请的矢量全息成像显示***，全息光栅可以加载任意的数值全息片，通过全息光栅上加载两种以上光信息，通过调节第一偏振片与空间滤波器的角度可以光信息的强度以实现更为复杂的完全不同信息的全息图的复现，为能够产生丰富的全息图；本申请的矢量全息成像显示***用于专门显示特定复杂的光信息，从而做成独立的显示装置，复现的全息光信息中可以包含两种以上信息，而且可以选择性显示不同的信息，包括信息强度、种类和个数，可生成同时复现携带不同信息的全息图；同时本申请的矢量全息成像显示***操作简单，易于掌握，成本低，应用广泛。

附图说明

图1为本申请矢量全息成像显示***的CCD相机所捕获的第一实施例的光信息示意图；

图2为本申请矢量全息成像显示***的CCD相机所捕获的第二实施例的光信息示意图；

图3为本申请矢量全息成像显示***的CCD相机所捕获的第三实施例的光信息示意图；

图4为本申请所述的矢量全息成像显示***一实施例的结构示意图。

其中，10-激光器；20-扩束准直组件；30-4f光学***；50-第一偏振片；60-CCD相机；11-导轨；12-可固定滑块；13-光学支架；14-调节旋钮；15-光学调节杆；21-针孔滤波器；23-第三透镜；31-空间光调制器；32-第一透镜；33-空间滤波器；34-第二透镜；35-朗奇光栅；341-第一开口部；342-第二开口部。

具体实施方式

下面结合附图对本申请做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

一种矢量全息成像显示***，如图4所示，包括沿光传输方向依次设置的激光器10、扩束准直组件20、4f光学***30、第一偏振片50和CCD相机60，其中，所述4f光学***30包括沿光学传输方向的空间光调制器31、第一透镜32、空间滤波器33、第二透镜34和朗奇光栅35；所述空间光调制器31包括全息光栅，所述全息光栅加载附加振幅信息和相位信息，全息光栅携带两种以上光信息。

本申请实施例的矢量全息成像显示***，通过全息光栅可以加载任意的数值全息片，通过加载两种以上光信息，调节第一偏振片50与空间滤波器33的角度可以调节不同光信息的强度，以实现更为复杂的完全不同信息的全息图的复现，为能够产生丰富的全息图；本申请的矢量全息成像显示***用于专门显示特定复杂的光信息，从而做成独立的显示装置，复现的全息光信息中可以包含两种以上信息，而且可以选择性显示不同的信息，包括信息强度、种类和个数，可生成同时复现携带不同信息的全息图；同时本申请的矢量全息成像显示***操作简单，易于掌握，成本低，应用广泛。

其中，本申请实施例的空间光调制器31可以为数字全息光栅，空间光调制器31包含用于选择出现的图案、字母或汉字的光信号。

进一步地，所述空间滤波器33包括沿x轴设置的第一开口部341和沿y轴设置的第二开口部342，所述x轴和y轴垂直，且所述x轴和所述y轴垂直于所述光传输方向。通过设置第一开口部341和第二开口部342，可以使得光束经过第一开口和第二开口部342可以产生衍射。本申请实施例中，x轴指如图4所示的水平方向，y轴指竖直方向，z轴为光传输方向，z轴与x轴和y轴垂直。

具体地，本申请实施例中，所述空间滤波器33包括第二偏振片和第三偏振片，所述第一开口部341设置于所述第二偏振片上，所述第二开口部342设置于所述第三偏振片上，所述第二偏振片和所述第三偏振片正交设置且贴合成所述空间滤波器33。在其他实施例中，空间滤波器33也可以包括第一四分之一波片和第二四分之一波片，所述第一开口部341设置于所述第一四分之一波片上，所述第二开口部342设置于所述第二四分之一波片上，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片正交设置且贴合成所述空间滤波器33。

具体地，本申请实施例中，激光器10是用于产生偏振方向为水平的线偏振基模高斯光束，作为本申请实施例的一优选方案，激光器10选用发射光波长为632.8nm的He-Ne激光器10。

本申请实施例中，扩束准直组件20用于对激光器10产生的激光依次进行扩束与准直处理，具体地，本申请实施例中的扩束准直组件20离激光器10尽可能近一点。其中，本申请实施例中，扩束准直组件20包括针孔滤波器21与第三透镜23，其中，针孔滤波器21设置于激光器10与第三透镜23之间，针孔滤波器21用于扩束激光器10发出的线偏振基模高斯光束，第三透镜23用于准直经过针孔滤波器21扩束的线偏振基模高斯光束。

作为本申请实施例的另一优选方案，为了滤掉不需要的光获得出射光均匀的光斑，在第三透镜23与空间光调制器31之间设置光阑(图未示)，光阑用于过滤所述扩束准直组件20发出的准直光束，从而对光束起约束作用，以获得出射光均匀的光斑。

本申请实施例中的空间光调制器31所采用的全息光栅为利用透过率函数计算机产生的计算全息光栅HG，我们给定全息光栅的透过率函数为：

t(x,y)＝1/2+γ[a_x(x,y)cos(2πf₀x)+a_y(x,y)cos(2πf₀y)]/4

其中，t_(x,y)为透过率，f₀为全息光栅的空间频率，γ为调制深度。a_x(x，y)，a_y(x，y)分别为施加在水平和垂直全息光栅的附加的信息振幅分布。

激光器10发出的光，经过扩束准直组件20的形成准直光束，照射至全息光栅，对于入射到全息光栅上的线偏振光，其一级衍射将产生四个光束，分别是x轴上携带a_x(x，y)的±1级衍射级，y轴上携带a_y(x，y)的±1级衍射级。

本申请实施例中，其中，所述空间光调制器31位于所述第一透镜32的前焦面上，所述空间滤波器33设置在所述第一透镜32的后焦面上，所述空间滤波器33是所述第二透镜34的傅里叶平面，所述朗奇光栅35位于所述第二透镜34的后焦面上。第一透镜32和第二透镜34的焦距相同，均为f。照射至全息光栅经过第一透镜32，并至空间滤波器33，其中空间滤波器33允许通过x轴和y轴上a_x(x，y)和a_y(x，y)的一级衍射级，第二透镜34出射的光经过朗奇光栅35的合束，通过第一偏振片50到达CCD相机60，获得与空间光调制器31条纹形状匹配的目标光束在CCD相机60产生目标形状的成像。

全息图可以加载到空间光调制器31上以进行全息图重建。计算机生成的全息图CGH具有以下优点：三维物体不必存在于现实世界中。也就是说，想要显示的对象可以是虚构的。但是目前全息成像大部分是基于标量光场这种只含有单一偏振态信息的光，即只包含一种光信息。本申请主要是基于两个正交的偏振态携带的不同信息，包含多信息贮藏的矢量全息成像显示***。可以实现两种以上信息同时存储并选择性显示不同的信息，包括信息强度、种类和信息个数。

其中为了预防CCD相机60捕捉到离轴之外多余的光强分布，本申请实施例中，CCD相机60与朗奇光栅35的距离为小于等于10cm。

本申请实施例中，所述第一偏振片50相对于所述光传输方向的角度可调节，通过调节所述偏振片的角度，以控制CCD相机60中捕获不同振幅信息的全息图的复现图像。例如：空间光调制器31上加载的包含振幅和偏振信息的计算全息光栅，其中x轴上携带关于D字母的相关信息，y轴上携带关于H字母相关的信息，当第一偏振片50与空间滤波器33上沿x轴第一开口部341后放置的第一偏振片50偏振方向一致，即第一偏振片50为水平偏振片，如图1所示，便只获得输入光场中沿x方向的信息分量D。相反，如果第一偏振片50与空间滤波器33上沿y轴第二开口部342后放置的第一偏振片50偏振方向一致，即第一偏振片50为竖直偏振片，如图2所示，便只获得输入光场中沿y方向的信息分量H。如果第一偏振片50偏振方向与空间滤波器33后第一开口部341和第二开口部342放置的第一偏振片50方向均不相同，那么所复现的全息图的信息则包含了不同振幅的D和H的两种信息，具体信息分量D和信息分量H所占光强的权重由第一偏振片50与空间滤波器33后第一开口部341和第二开口部342放置的第二偏振片和第三偏振片方向决定，比如，第一偏振片50方向恰好与空间滤波器33后第一开口部341和第二开口部342放置的第二偏振片和第三偏振片夹角均为45°，即第一偏振片50的偏振方向在第二偏振片和第三偏振片偏振方向中间，那么则复现如图3获得水平偏振分量和竖直偏振分量所携带的信息的叠加，所示信息分量D和信息分量H两种光强减半的叠加信息，以此类推。以上只给出了空间滤波器33后第一开口部341和第二开口部342放置的是两个正交偏振片的情况。当然也可以放置正交的第一四分之一波片和第二四分之一波片。

其中，本申请实施例中，还包括角度调节机构(图未示)，所述角度调节机构与所述第一偏振片50连接，用于调节所述第一偏振片50的角度。本申请实施例中，角度调节机构包括驱动机构(图未示)和转动机构(图未示)，通过驱动机构驱动转动机构转动以带动第一偏振片50转动。通过控制第一偏振片50转动，可以形成两种或多种不同光强的信息分量。

进一步地，所述空间光调制器31加载的附加振幅和相位信息的计算全息片也可以根据实际要求蚀刻成包含所需信息的光栅用于专门显示特定复杂的光信息，从而做成独立的显示装置。作为空间光调制器31的数字全息光栅波片制作过程：首先用空间光调制器31或MATLAB模拟特定间距和条纹的数字全息光栅，通过MATLAB程序将数字全息光栅图转化为二元光学光栅图，再将二元光学光栅图转换为可以用于工业加工的矢量图，再利用其制成光栅所需的掩模版，最后将掩模版附着在光刻机上，以及对JGS1融石英进行清洗、涂胶、光刻、刻蚀等过程制作出数字全息光栅波片。

作为上述实施方式的进一步优选，该***还包括高度调节组件，其包括光学导轨11、导轨11上可固定滑块12、光学支架13、调节旋钮14、光学调节杆15。转动旋钮14，可以驱动调节杆15沿竖直方向在上下滑动，从而实现高度调节组件对上述各组件的高度调整。滑块12包括对应固定连接到光学支架13下方的若干个。滑块12滑动连接到导轨11上，带动高度调节组件上的各个器件整体移动，相较于普通光学平台，实现各器件之间能够在同一平面内灵活连续可调节间距，以保证满足后续光束在CCD相机60上的稳定成像。

这里需要说明的是，激光器10、扩束准直组件20、空间光调制器31、第一透镜325、空间滤波器33、第二透镜34、朗奇光栅35、第一偏振片50和CCD相机60通过高度调节组件进行高度调整时，应满足这些器件的光路在同一水平线上。

尽管本申请的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本申请的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本申请并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种矢量全息成像显示***，其特征在于，包括沿光传输方向依次设置的激光器(10)、扩束准直组件(20)、4f光学***(30)、第一偏振片(50)和CCD相机(60)，其中，所述4f光学***(30)包括沿光学传输方向的空间光调制器(31)、第一透镜(32)、空间滤波器(33)、第二透镜(34)和朗奇光栅(35)；所述空间光调制器(31)包括全息光栅，所述全息光栅加载附加振幅信息和相位信息，所述全息光栅携带两种以上光信息。

2.根据权利要求1所述的矢量全息成像显示***，其特征在于，所述全息光栅包含用于选择出现的图案、字母或汉字的光信息。

3.根据权利要求1所述的矢量全息成像显示***，其特征在于，所述全息光栅为利用透过率函数计算机产生的计算全息光栅，所述全息光栅的透过率函数为t(x,y)＝1/2+γ[a_x(x,y)cos(2πf₀x)+a_y(x,y)cos(2πf₀y)]/4，其中，t(x,y)为透过率，f₀为全息光栅的空间频率，γ为调制深度，a_x(x，y)，a_y(x，y)分别为施加在水平与垂直全息光栅的附加的信息振幅分布。

4.根据权利要求3所述的矢量全息成像显示***，其特征在于，所述激光器(10)发出的光经过所述空间光调制器(31)产生一级衍射，所述一级衍射产生四个光束，所述四个光束分别是x轴上携带a_x(x，y)的±1级衍射级，y轴上携带a_y(x，y)的±1级衍射级。

5.根据权利要求1所述的矢量全息成像显示***，其特征在于，所述空间滤波器(33)包括沿x轴设置的第一开口部(341)和沿y轴设置的第二开口部(342)，所述x轴和y轴垂直，且所述x轴和所述y轴垂直于所述光传输方向。

6.根据权利要求5所述的矢量全息成像显示***，其特征在于，所述空间滤波器(33)包括第二偏振片和第三偏振片，所述第一开口部(341)设置于所述第二偏振片上，所述第二开口部(342)设置于所述第三偏振片上，所述第二偏振片和所述第三偏振片正交设置且贴合成所述空间滤波器(33)；或

所述空间滤波器(33)包括第一四分之一波片和第二四分之一波片，所述第一开口部(341)设置于所述第一四分之一波片上，所述第二开口部(342)设置于所述第二四分之一波片上，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片正交设置且贴合成所述空间滤波器(33)。

7.根据权利要求1所述的矢量全息成像显示***，其特征在于，所述空间光调制器(31)位于所述第一透镜(32)的前焦面上，所述空间滤波器(33)设置在所述第一透镜(32)的后焦面上，所述空间滤波器(33)是所述第二透镜(34)的傅里叶平面，所述朗奇光栅(35)位于所述第二透镜(34)的后焦面上。

8.根据权利要求1所述的矢量全息成像显示***，其特征在于，所述第一偏振片(50)相对于所述光传输方向的角度可调节，通过调节所述偏振片的角度，以控制两种以上光信息的强度，控制CCD相机(60)中捕获不同振幅信息的全息图的复现图像。

9.根据权利要求1所述的矢量全息成像显示***，其特征在于，还包括角度调节机构，所述角度调节机构与所述第一偏振片(50)连接，用于调节所述第一偏振片(50)的角度。

10.根据权利要求1所述的矢量全息成像显示***，其特征在于，还包括光阑，所述光阑设置于所述扩束准直组件(20)和所述空间光调制器(31)之间，所述光阑用于过滤所述扩束准直组件(20)发出的准直光束，以获得出射光均匀的光斑。

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