专利名称：共焦球面镜立体显示装置的制作方法
技术领域：
共焦球面镜立体显示装置
技术领域：
本实用新型属于立体显示技术领域，更具体地说，是涉及到一种共焦球面镜立体 显示装置。
背景技术：
传统的图像是一种二维信息载体，它只能表现出景物的内容而忽略了物体的远近 位置等深度信息，因此是不完整的。立体显示技术能够真实地重现客观世界的景象，表现出 场景的深度感、层次感和真实性，成为当前显示技术发展的重要方向。现在最常用的自由立 体显示技术都是基于光栅的，常用的有狭缝光栅和柱面光栅两种，其产生立体效果的原理 都是分光原理。这两种方式都是现有的自由立体显示中比较成熟适用的方法，但是对光栅 精度要求高，且立体图像合成烦琐，并且制作成本比较高，不利于技术的推广应用。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于针对传统光栅显示技术中存在的缺陷，提供 一种共焦球面镜立体显示装置，能将电脑制作的影像显现成生动逼真的立体影像。本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的共焦球面镜立体显示装 置，包括一台激光器，一套对所述激光器发出的光束进行准直和扩束的准直扩束系统，—台将电脑制作的影像加载到所述所述准直扩束系统射出光束上并进行调制的 光调制器，一个提高照射到所述光调制器上的光线均勻性的衍射光学元件，一面设置在所述光调制器和所述共焦球面镜之间的凸透镜，一个由两个具有共同曲率半径和焦距的上、下球面镜组成的共焦球面镜，其中与 所述凸透镜相对应的是上球面镜，其中心位置开有供光线射入的通孔。本实用新型原理是共焦球面镜由两个具有共同曲率半径和焦距的上、下球面镜 Ml、M2组成(参见附图5)，也就是说，上球面镜Ml底部的中心点是下球面镜M2的焦点，下 球面镜M2的底部中心点是上球面镜Ml的焦点，上球面镜Ml上部开有一个供光线射入的小 孔。其成像原理是光的反射原理，将实物放在下球面镜M2的镜底，入射光照射在实物上经 过两次反射，就能在上球面镜Ml镜口空间中形成一倒立等大的立体实像。本实用新型利用 这一原理，用激光器发出的光，经过准直扩束系统到达衍射光学元件，变为均勻的与光调制 器形状匹配的光束，电脑通过软件将平面影像转换成用平面表示的立体影像，然后通过光 调制器对所述光束进行调制，加载到所述光束中；经过调制的光束经凸透镜聚焦，在下球面 镜M2的镜底成像，再经下球面镜M2反射后在上球面镜Ml镜口空间中成像，这样就能够看 到悬浮在空间的立体影像。虽然送入的是用平面显示的立体影像，但成像是在空间中，利用 人眼的视差及影像的前后左右转动而感觉到浮在空间中的动态立体影像。如果输入的是动态影像，还能够观察更加生动逼真的动态立体影像。本实用新型的优点在于本实用新型是立体影像显示的一种新途径，对于动静态 立体艺术品展示，医疗教学与显示，商业产品的展示与应用，体育休闲娱乐以及模拟训练等 领域都有重要的意义。同时，其成本低，制作简单，具有广阔的市场应用前景。
下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的描述。图1是本实用新型的原理示意图图2是本实用新型扩束准直系统的一种具体实施方式
示意图图3是本实用新型扩束准直后的光束振幅分布示意图图4是本实用新型经过衍射光学元件后的光束振幅分布示意图图5是本实用新型的共焦球面镜的光学成像原理示意图
具体实施方式如图1所示，本实用新型由激光器1、准直扩束系统2、衍射光学元件3、光调制器 4、凸透镜5和共焦球面镜6六部分组成。激光器1 一般用半导体激光器，半导体激光器体积小、功率大等，由于其发出的光 准直性和光斑大小不满足应用要求，需要进行准直和扩束。准直扩束系统2是对激光器1发出的光进行重整，使它满足要求。一般包括透镜 组(至少两个透镜)和光阑，光阑孔径可以调节。图2是一个具体的准直扩束系统的实例， 应用了两个凸透镜21和23，凸透镜21的像方焦距和凸透镜23的物方焦距重合，确保出射 光是平行光，光阑22可以起到滤波和扩束的作用。需要说明的是，图2中的准直扩束系统2 只是为了完成激光束的准直和扩束之目的。本领域技术人员可以对其进行修改，根据实际 情况可以选择其它的组合，光阑的位置也可以根据实际情况改变，只要能够完成激光束的 准直和扩束即可。衍射光学元件3的作用是使照射到光调制器4上的光线分布均勻。由于扩束准直 后的激光束振幅呈高斯分布(如图3所示)，光束均勻性较差，要使其变成振幅呈矩形分布 的均勻光束(如图4所示)。另外，还确保了照明区域与光调制器4在形状上的匹配，保证光 能的高利用率。衍射光学元件3的设计与制作通常是基于光波的衍射理论，运用计算机辅 助设计，利用微细加工技术把台阶化的表面浮雕图案制作在介质(传统光学器件表面上) 的表面或金属片基上而形成的纯位相，同轴再现，具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。 它除了具有体积小、重量轻、容易复制等明显有点外，还具有高衍射效率、独特的色散性能、 更多的设计自由度、宽广的材料可选型、特殊的光学功能。光调制器4是将电脑制作的平面立体影像加载到入射光束上进行调制后送入共 焦球面镜。光调制器可以是液晶调制器LCOS或LCD器件，或是其他类型的能对激光进行调 制的光调制器。凸透镜5设置在共焦球面镜和光调制器之间，距离光调制器和共焦球面镜底部的 距离都是2f (f是凸透镜焦距)，可以将影像按照原始尺寸输入到共焦球面镜底部。共焦球面镜6是本实用新型的核心部件，能够把输入其底部的影像成像在镜口空间中，呈现悬浮的立体效果。如图5所示，共焦球面镜由两个具有共同曲率半径和焦距的 上、下球面镜M1、M2组成，上球面镜Ml底部的中心点是下球面镜M2的焦点，下球面镜M2的 底部中心点是上球面镜Ml的焦点，上球面镜Ml上部开有一个供光线射入的小孔。共焦球面镜6由于能够使位于底部的影像悬浮在镜口空间中，并且制作简单，成 本低廉，已经成为立体显示技术的一个新的发展方向。随着电脑三维制作技术的发展，通过 电脑制作的平面-立体影像，利用共焦球面立体显示装置，完全可以呈现出生动逼真的立 体影像。这使得共焦球面立体显示技术发展迅速，大大拓展了其发展空间，具有广阔的市场 应用前景。尽管已经在实施例中描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
权利要求共焦球面镜立体显示装置，其特征在于所述立体显示装置包括一台激光器，一套对所述激光器发出的光束进行准直和扩束的准直扩束系统，一台将电脑制作的平面立体影像加载到所述准直扩束系统射出光束上并进行调制的光调制器，一个提高照射到所述光调制器上的光线均匀性的衍射光学元件，一面设置在所述光调制器和所述共焦球面镜之间的凸透镜，一个由两个具有共同曲率半径和焦距的球面镜组成的共焦球面镜，其中与所述凸透镜对应的球面镜中心位置开有供光线射入的通孔。
2.根据权利要求1所述的一种共焦球面镜立体显示装置，其特征在于所述激光器是 半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种共焦球面镜立体显示装置，其特征在于所述准直扩束 系统包括透镜组和光阑。
4.根据权利要求1所述的一种共焦球面镜立体显示装置，其特征在于所述光调制器 是液晶调制器LCOS或IXD器件。
5.根据权利要求1所述的一种共焦球面镜立体显示装置，其特征在于所述凸透镜与 所述光调制器之间的距离，以及所述凸透镜与所述共焦球面镜底部之间的距离，均等于所 述凸透镜焦距的两倍。
专利摘要本实用新型属于立体显示技术领域，更具体地说，是涉及到一种共焦球面镜立体显示装置，包括激光器，一套激光束准直扩束系统，一台将立体影像加载到光束上并进行调制的光调制器，一个提高照射光线均匀性的衍射光学元件，一面设置在光调制器和共焦球面镜之间的凸透镜，一个由两个具有共同曲率半径和焦距的球面镜组成的共焦球面镜，其中与所述凸透镜相对应的球面镜中心位置开有供光线射入的通孔。本实用新型成本低，制作简单，是立体影像显示的一种新途径，对于动静态立体艺术品展示，医疗教学与显示，商业产品的展示与应用，体育休闲娱乐以及模拟训练等领域都有重要的意义。
文档编号G02B27/22GK201622391SQ200920180318
公开日2010年11月3日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者吴华夏, 张春光, 张涛, 李园, 董戴 申请人:安徽华东光电技术研究所