一种大视角全息三维显示系统

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1.本发明涉及三维全息显示技术领域，具体为一种大视角全息三维显示系统。

背景技术：

2.全息显示是裸眼三维显示中的一种，全息是一种基于干涉和衍射的光场记录和再现技术，能够再现光场的完整振幅和相位信息，是最为理想的三维显示技术。长期以来，人们为实现3d立体显示付出了不懈的努力，开展了不少研究工作。3d立体显示技术有视差显示法，体显示法和全息显示法等。而全息显示作为最理想的3d立体显示技术应满足人眼视觉的全部感知功能，即能够提供给观察者原物体所有的深度感知信息，并且观察者不需借助任何辅助装置。这种特性极其适用于教育和工业制造，比如在设计飞机、汽车等工业产品时，在实际产品生产之前，就能获得几乎与实际物体相同的外观效果，可以提高设计制造工程的工作效率，大幅度缩短产品的制造周期。再比如体三维显示的透明效果，特别适用于医疗图像ct显示，可以让医生清晰地定位病灶的位置，观察患者的身体状况，从而进行针对性。除此以外，立体显示技术在视频游戏、广告娱乐、教育等领域也有很大的应用前景，随着研究的深入，三维显示已经走向了民用商用化的道路，今后的三维显示不仅能用在看电影和玩游戏上，也会给人们的生活带来巨大的变化。
3.在计算全息三维显示视场角扩大技术中，传统的扩大视场角方法通常利用多个空间光调制器拼接，从而扩大视场角。但是在实际的操作中，由于空间光调制器后方需要有控制电路板，所以无法做到无缝拼接，那么利用多个空间光调制器拼接的方法就会存在缺陷，导致部分信息丢失，并且光路操作起来也是十分的复杂。手动无法做到精确的拼接，这样也会导致重构图不完整。而且空间光调制器价格比较昂贵，拼接的方法也会大大增加成本。因此，为了解决成本高，操作困难，精度不高等问题，研究出一种简洁快速且具有普适性的扩大视场角方法也是计算全息三维显示领域亟待解决的一个关键问题。本发明正是在充分地考虑了上述问题而提出了一种具有普适性的扩大视场角方法。该方法可以极大的扩大全息显示的视场角，操作简单，预算较少。在光学全息三维显示领域具有潜在的应用前景和实用价值。

技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种大视角全息三维显示系统，解决了上述背景技术中的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大视角全息三维显示系统，包括试验台和计算机模块，所述试验台上端固定安装有激光发射器，所述激光发射器后侧固定安装有扩束镜，所述扩束镜后侧固定安装有准直透镜，所述准直透镜后侧固定安装有空间光调制器，所述空间光调制器后侧固定安装有傅里叶透镜一，所述傅里叶透镜一后端固定
安装有空间光滤波器，所述空间光滤波器后端固定安装有傅里叶透镜二。所述傅里叶透镜二后端固定安装有ccd相机。激光依次通过扩束镜，准直透镜，空间光调制器，然后发生衍射。空间光调制器事先加载好计算全息图。衍射后的光线经过双透镜和空间光滤波器，实现零级光斑的滤除和视场角的扩大。
8.优选的，所述单纵模激光器发射激光通过扩束镜将扩大激光光束直径和发散角，再通过准直透镜使光束平行照射空间光调制器。
9.优选的，所述空间光调制器需要加载计算全息图并对其照射光线发生衍射。
10.优选的，计算机模块信号连接有空间光调制器并向其传输计算全息图。
11.优选的，所述空间光调制器衍射后的光线依次通过傅里叶透镜一，空间光滤波器，傅里叶透镜二达到零级光斑的滤除和视场角的扩大。
12.优选的，所述ccd相机代替人眼来记录经过大视角系统的全息重构图。
13.(三)有益效果
14.本发明提供了一种大视角全息三维显示系统，具备以下有益效果：
15.(1)、本发明不需要多个空间光调制器拼接，大大节约了成本。
16.(2)、本发明的第一个透镜和空间光调制器的距离接近，将衍射光线全部集中到傅里叶透镜中，减少了信息的丢失。不会对重构图的质量造成影响，反而会提高重构图的质量。
17.(3)、本发明系统操作简单，在不改变系统复杂度的情况下，将滤波和视场角扩大的优点集中于一个系统中。
附图说明
18.图1为本发明整体系统图；
19.图2为本发明的视场角扩大系统原理图；
20.图3为本发明透镜2控制衍射角示意图；
21.图4为本发明整体系统结构示意图。
22.图中：(1)试验台，(2)单纵模激光器，(3)扩束镜，(4)准直透镜，(5)空间光调制器，(6)傅里叶透镜一，(7)空间光滤波器，(8)傅里叶透镜二，(9)ccd相机，(10)反射镜，(11)电脑。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1-4所示，本发明提供一种技术方案：一种大视角全息三维显示系统，所述试验台1上端固定安装有单纵模激光器2所述单纵模激光器2后侧固定安装有扩束镜3，所述扩束镜3后侧固定安装有准直透镜4，所述准直透镜4后侧固定安装有空间光调制器5，所述空间光调制器5后侧固定安装有傅里叶透镜一6，所述傅里叶透镜一6后端固定安装有空间光滤波器7，所述空间光滤波器(7)后端固定安装有傅里叶透镜二8。所述傅里叶透镜二8后端
固定安装有ccd相机9。
25.一种具有普适性的大视角全息三维显示系统，其特征在于，包括以下步骤：
26.如图2所示，在该系统中，dmd作为一个复杂的光栅。由于该系统考虑透镜足够大，所以需要透镜尽可能靠近dmd，以保证透镜可以接收所有衍射的光线。dmd的振幅透射系数为t(x1，y1)，用单纵模激光器(532nm)照射dmd发生衍射。根据透镜的傅里叶变换性质就可以得到频谱面上复振幅的分布为：
[0027][0028]
其中f[t(x1+y1)]为物体的频谱，当：
[0029][0030]
则f[t(x1+y1)]＝t(a，b).而在第二次衍射中，式(1)中的二次相位因子将会被消除，然后得到该物体的频谱。光波经过第二次衍射通过空间光滤波器可以看作是菲涅尔球面波，则像面上光场的复振幅分布为：
[0031][0032]
其中：
[0033][0034]
在式(4)中和像面坐标(x，y)相关的二次相位因子对最终的像没有任何影响，所以可以省去。再将(1)式代入式(3)可以得到：
[0035][0036]
其中c为常数，为如图2所示，我们以透镜作为主轴坐标原点，向左为负，向右为正，物距为l，透镜焦距为f，相距为l
′
。根据透镜的高斯成像原理可以得到：
[0037][0038]
再根据相似三角形和透镜放大原理推导得到放大倍数β：
[0039][0040]
这里的β就是图像第一步的放大倍数，而通过上面的推导公式可知，放大倍数与透镜的焦距以及像距的位置相关。焦距越大，放大倍数越小，像距越小，放大倍数越大。
[0041]
如图3所示，由透镜成像原理可知，轴点a成像于a
′
，由图可得：
[0042]
l
·
tanα＝l
′
·
tanα
′ꢀꢀ
(8)
[0043]
根据牛顿公式：
[0044]
[0045]
结合共轴球面系统近轴区的拉式公式nyα＝n
′y′
uα
′
得到两焦距之间的关系式：
[0046][0047]
根据上式可以将高斯公式改写成：
[0048][0049]
其中称为折合像距，为折合物距。他们的倒数称为光线会聚度。折合像距越小，则发散的越厉害，即l越小。则透镜和空间光滤波器的距离越近，衍射发散的角度越大，重构图放大倍数越大。
[0050]
需要说明的是：尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种大视角全息三维显示系统，包括试验台(1)和计算机模块，其特征在于：所述试验台(1)上端固定安装有单纵模激光器(2)所述单纵模激光器(2)后侧固定安装有扩束镜(3)，所述扩束镜(3)后侧固定安装有准直透镜(4)，所述准直透镜(4)后侧固定安装有空间光调制器(5)，所述空间光调制器(5)后侧固定安装有傅里叶透镜一(6)，所述傅里叶透镜一(6)后端固定安装有空间光滤波器(7)，所述空间光滤波器(7)后端固定安装有傅里叶透镜二(8)。所述傅里叶透镜二(8)后端固定安装有ccd相机(9)；激光依次通过扩束镜(3)、准直透镜(4)、空间光调制器(5)，然后发生衍射，空间光调制器(5)通过计算机模块事先加载好计算全息图，衍射后的光线依次经过傅里叶透镜一(6)、空间光滤波器(7)、傅里叶透镜二(8)，实现零级光斑的滤除和视场角的扩大。2.根据权利要求1所述的一种大视角全息三维显示系统，其特征在于：所述单纵模激光器(2)能够通过扩束镜(3)将扩大激光光束直径和发散角，所述单纵模激光器(2)能够通过准直透镜(4)使光束平行照射空间光调制器(5)。3.根据权利要求1所述的一种大视角全息三维显示系统，其特征在于：所述空间光调制器(5)需要加载计算全息图并对其照射光线发生衍射。4.根据权利要求1所述的一种大视角全息三维显示系统，其特征在于：计算机模块信号连接有空间光调制器(5)并向其传输计算全息图。5.根据权利要求1所述的一种大视角全息三维显示系统，其特征在于：所述空间光调制器(5)衍射后的光线依次通过傅里叶透镜一(6)，空间光滤波器(7)，傅里叶透镜二(8)达到零级光斑的滤除和视场角的扩大。6.根据权利要求1所述的一种大视角全息三维显示系统，其特征在于：所述ccd相机(9)代替人眼来记录经过大视角系统的全息重构图。

技术总结

本发明涉及计算全息三维显示技术领域，且公开了一种大视角全息三维显示系统，包括试验台和计算机模块，所述试验台上端固定安装有激光发射器，所述激光发射器后侧固定安装有扩束镜，所述扩束镜后侧固定安装有准直透镜，所述准直透镜后侧固定安装有空间光调制器，所述空间光调制器后侧固定安装有傅里叶透镜一，所述傅里叶透镜一后端固定安装有空间光滤波器，所述空间光滤波器后端固定安装有傅里叶透镜二。所述傅里叶透镜二后端固定安装有CCD相机。经过空间光调制器的衍射光线通过透镜和空间光滤波器，使得重构图能够有效消除零级光斑和多级衍射，提高成像质量。通过不同焦距的傅里叶透镜来扩大衍射光线的角度，从而扩大重构图的视场角。视场角。视场角。