专利名称：一种基于相长干涉的三维立体显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维立体成像领域，更具体涉及一种基于相长干涉的三维立体显示装置，适用于三维立体显示、虚拟现实、计算机人机交换、机器人视觉等领域。
背景技术：
用于三维立体显示的光学系统根据其采用的光源是非相干光源还是相干光源可分为非相干三维立体显示系统和相干三维立体显示系统。光波的两个基本特征是振幅和位相，其中振幅反映了物体亮度信息，而位相反映了物体空间位置和形状信息，非相干三维立体显示系统和相干三维立体显示系统之间的最大区别在于前者仅仅利用振幅信息，而后者往往同时利用振幅和位相信息，从而使得立体显示更加轻松简洁。非相干三维立体显示系统，最典型的如基于双目视差的立体成像系统，虽然它们取得了很大的商业成功，但由于它·们采用各种方法把两幅拍摄视角不同的图像分别传送给观察者的左右眼，使其产生立体幻觉,长时间观看容易引起疲劳。其他非相干成像技术,如集成成像和体成像技术虽然可以生成真实的立体图像，但在视场景深、分辨率、刷新速率等各方面还存在不足，很难大规模推广。相干三维立体显示系统，最典型的如全息技术，它充分利用了激光光源的相干特性，可以把真实立体图像成像在自由空间，重建光波场的光学波前与物体轮廓相吻合，观众可以像观看真实物体一样自然观看。然而由于可见光波长很短，全息干涉条纹的密度远远超过显示器的分辨率，因此需要采用高分辨率全息干板。全息干板的最大缺点是不能进行实时动态显示。而且一幅全息图包含的信息太大，即使数值化后也不便于实时传输和读写存储。为了实现高像质大场景的全息立体显示，一般需要大尺寸全息干板，这使得全息图的信息量进一步加大。近年来Sub-holography通过产生一系列离散体元显著降低了全息图的信息量，为了使得干涉条纹充分稀疏(达到数十微米量级)，以便于用液晶显示器代替全息干板动态显示干涉条纹，在Sub-holography成像技术中每个体元发出的光锥仅仅覆盖观察者的眼睛，锥角小于I度，这样必须时刻跟踪观察者眼睛的位置，而且必须为每一只眼睛产生一套立体图像，由于总的立体体元数目有限，观看人越多，每个人分配的体元数目越少，图像清晰度越低。专利号为201010190482. 3的发明和申请号为201210262034. 9的发明提出了基于
数字光学位相共轭原理的相干立体显示技术，该技术的核心是采用一个绝热锥形光波导束把复杂光波分解为许许多多单模光波导的基模，然后采用现有低分辨率空间光调制器实时数字化产生这些简单基模的共轭光波。由于光学波前形状相同但传播方向相反的两个光波其复振幅呈共轭关系，基于光路的可逆性，这些数字化实时产生的共轭光波逆向传播，原路返回，从而重建出一个个体元，并由这些体元构成一幅立体图像。由于该方法充分利用了光路的可逆性，因此不存在传统光学系统的像差，所生成的光学波前的精度可以达到衍射极限精度，同时由于微透镜阵列板的引入，在实现大尺寸立体图像显示的同时还保证了大观察角。该方法的唯一不足是必须借助绝热锥形光波导束，一个绝热锥形光波导束由成千上万根单模光波导组成，在绝热锥形光波导束的细端，各个单模光波导彼此相互耦合，从细端到粗端，单模光波导之间的间距逐步增加，在绝热锥形光波导束的粗端，单模光波导彼此相互隔离，借助该绝热锥形光波导束可实现任意复杂光学波前的分解与合成，但绝热锥形光波导束需要采用专业技术进行制作。专利号为200810046861.8的发明和专利号为200910093002.9的发明提出了基
于随机相长干涉原理的相干立体显示技术，该技术的核心是采用微透镜阵列板对经过空间光调制器进行复振幅调制后的光波进行聚焦，产生随机分布的点光源阵列，再通过这些点光源的相长干涉在空间产生体元，由许许多多体元构成离散立体图像。该方法的不足是一个微透镜对应空间光调制器的一个像素，由每个微透镜聚焦产生的点光源发出的光锥覆盖整个立体成像空间，即使仅产生一个体元时也是如此，而发射到该体元以外的光线其实是杂散光，降低了光能利用率，同时也限制了总的体元数目。本发明是对专利号为200810046861. 8的发明和专利号为200910093002. 9的发明的改进或继续，其最大改进在于让一个微透镜对应空间光调制器的多个像素，这样经过每个像素调制后的光波聚焦后仅发射到三维成像空间的一个小光锥角范围内，提高了产生每一个体元时的光 能利用率，同时也有利于提高总的体元数目。本发明也可看作是对专利号为201010190482. 3的发明和申请号为201210262034. 9的发明的一种简化，因为点光源发出的球面光波经透镜阵列分解后垂直照射空间光调制器，对这种垂直入射的平面光波可以很简单地产生其共轭光波，从而重建出点光源像，即体元，不再需要借助绝热锥形光波导束，从而可大大简化显示装置的结构。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种结构简单、光能利用率高的基于相干干涉的三维立体显示装置，实现大尺寸、大视角立体显示。为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施一种基于相长干涉的三维立体显示装置，包括相干光源装置，产生激光光束；照明光学系统，接受相干光源装置发出的激光光束，并对该激光光束进行扩束；复振幅空间光调节器，接受照明光学系统发出的扩束后的激光光束，并对扩束后的激光光束的振幅和位相进行逐像素调节；透镜阵列，接受经过复振幅空间光调节器调节后的光波，透镜阵列中的每个透镜覆盖复振幅空间光调节器的2个以上像素，使得经过复振幅空间光调节器每个象素调节后的光波，经过透镜阵列中对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被透镜阵列中所对应不同透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理在空中形成体元，由众多体元构成离散三维立体图像。如上所述的相干光源装置同时产生三基元色激光光束；照明光学系统，接受相干光源装置发出的三基元色激光光束，并对该激光光束进行扩束和三基元色分离，使得透镜阵列中的透镜依次被不同基元色激光照明。如上所述的照明光学系统包括二维光栅阵列和第三光学透镜，二维光栅阵列垂直放置在第三光学透镜的焦平面，二维光栅阵列包含三块二维光栅，每块二维光栅接受一种基元色激光，设计每块二维光栅的光栅参数，同时安排每块二维光栅的横向空间位置，使得经每块二维光栅衍射后的光斑阵列与透镜阵列对准，而且不同基元色衍射光斑依次照明透镜阵列中的不同透镜。如上所述的透镜阵列中每个透镜的位置呈随机排列，使得高阶衍射像可以忽略不计。如上所述的透镜阵列中每个透镜的位置呈周期排列，设定排列周期的大小，使得高阶衍射像可以忽略不计。如上所述的复振幅空间光调节器包含依次放置的第一偏振片、第一空间光调制器、第二偏振片、第二空间光调制器和第三偏振片，通过调节第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片的偏振方向，使得第一空间光调制器工作在位相调节为主模式，第二空间光调制器工作在振幅调解为主模式；或者使得第一空间光调制器工作在振幅调节为主模式，第二空间光调制器工作在位相调解为主模式；第一空间光调制器和第二空间光调制器的像素相互对准；同时选择第一空间光调制器和第二空间光调制器的像素间距使得2个以上像素对·应透镜阵列中的一个对应透镜。如上所述的复振幅空间光调节器包括依次叠放的后面板、第一液晶层、中间面板、第二液晶层、前面板和偏振片；后面板、第一液晶层、中间面板、第二液晶层和前面板集成制作为一个整体，偏振片紧贴在前面板上；后面板、第一液晶层与中间面板构成第一块灰度液晶板，中间面板、第二液晶层、前面板和偏振片构成第二块灰度液晶板，第一块灰度液晶板和第二块灰度液晶板上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；第一块灰度液晶板和第二块灰度液晶板的2个以上像素对应透镜阵列中的一个对应透镜；设置后面板上朝向第一液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向，使其与中间面板上朝向第一液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向平行，使得第一块灰度液晶板工作于纯位相调节模式，设定后面板与中间面板之间的间隔以及第一液晶层的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板的位相调节范围达到(Γ2π ;设定中间面板上朝向第二液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向、前面板上朝向第二液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片的偏振方向，使得第二块灰度液晶板工作于振幅调节为主模式。如上所述的复振幅空间光调节器包括第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第一投影镜头、工作于位相调节为主模式的第一透射式液晶板和工作于位相调节为主模式的第二透射式液晶板；第一透射式液晶板与第二半透半反镜的半透半反面成45度夹角，第一透射式液晶板和第二透射式液晶板相对于第二半透半反镜的半透半反面呈镜像对称放置，第一透射式液晶板和第二透射式液晶板位于第一投影镜头的一倍焦距至两倍焦距之间，使得第一透射式液晶板和第二透射式液晶板的像素被放大成实像投影到透镜阵列上；第一半透半反镜接受照明光学系统发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第一束光和第二束光，设定第一半透半反镜、第一反射镜和第二反射镜的位置，使得第一束光被第一反射镜反射后垂直照射第一透射式液晶板，而第二束光被第二反射镜反射后垂直照射第二透射式液晶板，穿过第一透射式液晶板的第一束光和穿过第二透射式液晶板的第二束光再分别经过第二半透半反镜后被第一投影镜头成像到透镜阵列上，设定第一投影镜头的放大倍数使得第一透射式液晶板和第二透射式液晶板的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列中的一个对应透镜。如上所述的复振幅空间光调节器包括第三半透半反镜、第二投影镜头、工作于位相调节为主模式的第一 LCOS反射式液晶板和工作于位相调节为主模式的第二 LCOS反射式液晶板；第一 LCOS反射式液晶板与第三半透半反镜的半透半反面呈45度夹角，第一 LCOS反射式液晶板和第二 LCOS反射式液晶板相对于第三半透半反镜的半透半反面互成镜像对称放置，第一 LCOS反射式液晶板和第二 LCOS反射式液晶板位于第二投影镜头的一倍焦距至两倍焦距之间，使得第一 LCOS反射式液晶板和第二 LCOS反射式液晶板的像素被放大成实像投影到透镜阵列上；第三半透半反镜接受照明光学系统发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第三束光和第四束光，设定第三半透半反镜的位置，使得第三束光垂直照射第一 LCOS反射式液晶板，而第四束光垂直照射第二 LCOS反射式液晶板，被第一 LCOS反射式液晶板反射后的第三束光和被第二 LCOS反射式液晶板反射的第四束光再次经过第三半透半反镜后被第二投影镜头成像到透镜阵列上，设定第二投影镜头的放大倍数使得第一 LCOS反射式液晶板和第二 LCOS反射式液晶板的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列中的一个对应透镜。如上所述的复振幅空间光调节器包括第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器、第三子复振幅空间光调节器、第三投影镜头及具有一个出光面和 三个进光面的立方分光棱镜；第三投影镜头放置在立方分光棱镜的出光面前，第三投影镜头的光轴与立方分光棱镜的出光面的中心轴重合；第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器和第三子复振幅空间光调节器分别放置在立方分光棱镜的三个进光面前，第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器和第三子复振幅空间光调节器的中心轴分别与立方分光棱镜的三个进光面的中心轴重合；立方分光棱镜由相同结构的第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜和第四直角棱镜按直角棱相抵的方式粘合而成，第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜和第四直角棱镜的直角面分别蒸镀有针对某一基元色激光的反射膜，使得分别从立方分光棱镜的三个进光面入射的三基元色激光能够透射或反射后穿过立方分光棱镜，并从立方分光棱镜的出光面出射，立方分光棱镜的所有进光面与出光面均蒸镀有宽带增透膜；第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器和第三子复振幅空间光调节器的像素互相一一对准，距离第三投影镜头一倍焦距至两倍焦距之间，使得通过第三投影透镜放大成像后在像面一一互相重叠，设定第三投影镜头的放大倍数使得第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器和第三子复振幅空间光调节器的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列中的一个对应透镜；所述第一子复振幅空间光调节器、第二子复振幅空间光调节器、第三子复振幅空间光调节器均包括依次叠放的后面板、第一液晶层、中间面板、第二液晶层、前面板和偏振片；后面板、第一液晶层、中间面板、第二液晶层和前面板集成制作为一个整体，偏振片紧贴在前面板上；后面板、第一液晶层与中间面板构成第一块灰度液晶板，中间面板、第二液晶层、前面板和偏振片构成第二块灰度液晶板，第一块灰度液晶板和第二块灰度液晶板上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；其中后面板上朝向第一液晶层一侧的液晶分子定向膜与中间面板上朝向第一液晶层一侧的液晶分子定向膜取向平行，使得第一块灰度液晶板工作于纯位相调节模式，设定后面板与中间面板之间的间隔以及第一液晶层的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板的位相调节范围达到(Γ2 ;同时改变中间面板上朝向第二液晶层一侧的液晶分子定向膜、前面板上朝向第二液晶层一侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片的偏振方向，使得第二块灰度液晶板工作于振幅调节为主模式。
下面对本发明使用的术语进行说明。I、透镜位置呈随机分布是指透镜阵列中每个透镜的位置可位于某一空间或平面上的任意位置，或位于任一位置的概率相等，当然需限定在一定范围内且透镜相互不重叠；相对应地，透镜位置呈周期 分布指透镜阵列中每个透镜的位置只能位于规则的格点上。本发明是对专利号为200810046861. 8的发明和专利号为200910093002. 9的发明的改进或继续，因此它秉承了上述两项专利所提出的基于相长干涉的立体显示原理的核心思想，即通过空间光调制器和透镜阵列聚焦产生复振幅可实时数字调节的点光源阵列，每个点光源发出的光锥在立体成像空间相互交叠，如果调节这些点光源的复振幅使得它们发出的光波到达空间某一点时同位相，则由于相长干涉在该点将产生一个体兀，由许许多多体元构成一幅离散立体图像。本发明相对于专利号为200810046861. 8的发明和专利号为200910093002. 9的发明的最大改进在于让一个透镜覆盖空间光调制器的多个像素，这样经过每个像素调制后的光波聚焦后仅照射三维立体成像空间一个小光锥角范围，提高了产生每一个体元时的光能利用率，同时它还将带来其他一些好处。例如，由于透镜尺寸的增加，它聚焦产生的点光源阵列的周期也相应增大，而高阶衍射与点光源周期成反比，当透镜尺寸增加到一定程度时，由高阶衍射产生的多重像重叠在一起，可以认为是分辨率略有增加的单重像，这意味着透镜阵列可以采取周期排列结构，这将极大地简化透镜阵列的制作难度。当然如果透镜尺寸还不是足够大，由高阶衍射产生的多重像相互分离，形成多重立体图像，此时仍然需要随机排列透镜的位置，这样就可破坏所聚焦产生的点光源的空间排列周期结构，使得高阶立体像无法产生，仅产生单一零阶立体图像。再例如，由于每个像素调制后的光波聚焦后仅照射立体成像空间一个子空间，换句话说，该像素仅负责产生该子空间内的体元，而同一透镜覆盖的其他像素负责产生剩余空间的体元，在每个像素所能产生的体元数目一定的情况下，总的体元数目随着每个透镜所覆盖的像素数目成倍增加。本发明提出的基于上述相长干涉原理的三维立体显示装置，主要包括四个功能模块，即相干光源装置，用于产生相干激光光束；照明光学系统，用于接受相干光源装置发出的激光光束，并对该激光光束进行扩束；复振幅调节器，用于接受照明光学系统发出的扩束后的激光光束，并对扩束后的激光光束的振幅和位相进行逐像素调节；透镜阵列，用于接受经过复振幅调节器调节后的光波，并对其进行聚焦，使得经过复振幅调节器每个象素调节后的光波，经过对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被对应不同透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理形成体元，由众多体元构成三维立体图像，其中应该设计透镜阵列中每个透镜的通光口径，使每个透镜覆盖复振幅调节器的2个以上像素。为了进行彩色立体显示，相干光源装置需要发出三种基元色激光。三基元色激光可按照时间先后依次发出，此时同步调节复振幅调节器，依次产生三基元色立体图像，基于视觉暂留效应实现彩色立体显示。三基元色激光也可同时发出，此时由照明光学系统对其进行分离，使得透镜阵列中的不同透镜依次被三种基元色激光照明，通过在同一空间位置同时产生三种基元色体元实现彩色立体显示。为了对三基元色进行分离，可以采用专利号为200910093002. 9的发明所提出的分束器阵列，也可以采用三块二维光栅，每块二维光栅接受一种基元色激光，设计每块二维光栅的光栅参数，同时安排每块二维光栅的空间位置，使得经每块二维光栅衍射后的光斑阵列与透镜阵列对准，而且不同基元色衍射光斑依次照明透镜阵列中的不同透镜。为了让被二维光栅衍射后的光斑垂直照射复振幅空间光调制器，还应增加一块光学透镜，三块二维光栅垂直放置在该光学透镜的焦平面；或者增加一块微棱镜阵列板，让被二维光栅衍射后的光斑经微棱镜折射后垂直照射复振幅空间光调制器。单一一块空间光调节器一般只能调节位相或振幅，因此本发明所述复振幅空间光调节器由两块空间光调节器组成。两块空间光调节器可贴合在一起，它们的像素一一互相对准，其中一块空间光调节器主要用于调节位相，另一块空间光调节器主要用于调节振幅，照明光依次通过两块空间光调制器，通过矢量相乘的方式实现复振幅调节；或者两块空间光调节器皆工作于位相调节模式，它们的像素一一互相对准并通过投影方式放大，分别属
于两块空间光调制器的像素被放大成像后--相互重叠，通过矢量相加的方式实现复振幅
调节。专利号为200910093002. 9的发明提出了很多复振幅空间光调节器的构造，皆可用于 本发明，但必须保证透镜阵列中的不同透镜覆盖复振幅空间光调节器的多个像素。本发明与现有几种典型三维立体显示技术相比，具有以下优点和效果第一，通过增加每一个透镜所覆盖的空间光调制器的像素数目，使得每个象素聚焦后产生的光锥所覆盖的子空间更加狭窄集中，提高了产生每个体元的光能利用率，有利于增加总体元数目；第二，不同基元色激光相互分离，依次照明复振幅空间光调制器的不同区域，省去了普通液晶板中每个像素后的彩色滤光膜，增加了光能利用率；第三，通过使用相干光源和复振幅空间光调制器，充分利用光波的位相信息，实现了相干成像，克服了非相干集成成像系统视场纵深范围小、分辨率低的缺陷；第四，通过透镜阵列直接把点光源发出的球面波分解为不同角度的平面波，并直接产生这些平面波的共轭光波，与基于数字光学位相共轭的相干立体显示系统相比，不需要绝热锥形光波导束，简化了结构。第五、在实现大尺寸立体图像显示的同时保证了大的观察角，与Sub-holography技术相比，不需要跟踪观察者的眼睛的位置，可以多人同时观看。
图I为本发明采用两块大尺寸空间光调制器构成复振幅空间光调制器时的一种实施方式的示意图。图2为照明光学系统采用二维光栅阵列时的结构示意图(左侧三块二维光栅的放大正视图；右侧照明光学系统侧视图)。图3为采用空分方式进行彩色立体显示时三基元色激光依次照明透镜阵列中不同透镜的示意图。图4为透镜阵列中的透镜呈随机分布时的结构示意图。图5为本发明采用大尺寸集成式复振幅空间光调制器时的一种实施方式的示意图。图6为本发明采用两块透射式空间光调制器进行投影式三维立体显示时的一种实施方式的示意图。图7为本发明采用两块反射式空间光调制器进行投影式三维立体显示时的一种实施方式的示意图。图8为本发明采用三块小尺寸集成式空间光调制器进行投影式彩色三维立体显示时的一种实施方式的示意图。图中1_相干光源装置；2_照明光学系统；3_复振幅空间光调节器；4_透镜阵列；5_第一光学透镜；6_第二光学透镜；7_第一偏振片；8_第一空间光调制器；9_第二偏振片；10_第二空间光调制器；11_第三偏振片；12_离散立体图像；V-离散立体图像12的一个体元；13_ 二维光栅阵列；14_第三光学透镜；15_透镜(透镜阵列4中的一个透镜)；16-像素(复振幅空间光调节器3的一个像素);17_第一块灰度液晶板；18_第二块灰度液晶板；19_后面板；20_第一液晶层；21_中间面板；22_第二液晶层；23_如面板；24_偏振片；25-第一半透半反镜；26_第二半透半反镜；27_第一透射式液晶板；28_第二透射式液晶板；29_第一反射镜；30_第二反射镜；31_第一投影镜头；32_菲涅尔透镜；33_第三半透半反镜；34_第一 LCOS反射式液晶板；35_第二 LCOS反射式液晶板；36_第二投影镜头；37_微棱镜阵列板；38_第一子复振幅空间光调节器；39_第二子复振幅空间光调节器；40_第三子复振幅空间光调节器；41_第一基原色；42_第二基原色；43_第三基原色；44_第三投影 镜头；45_立方分光棱镜；46_第一直角棱镜；47_第二直角棱镜；48_第三直角棱镜；49_第四直角棱镜；50_集成为一个整体的透镜阵列与微棱镜阵列。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述图I给出了本发明采用两块大尺寸空间光调制器构成复振幅空间光调制器时的一种实施方式的示意图。图I所示基于相长干涉的相干三维立体显示装置包括相干光源装置1，用于产生激光光束；照明光学系统2，用于接受相干光源装置I发出的激光光束，并对该激光光束进行扩束；复振幅空间光调节器3，用于接受照明光学系统2发出的扩束后的激光光束，并对扩束后的激光光束的振幅和位相进行逐像素调节；透镜阵列4，用于接受经过复振幅空间光调节器3调节后的光波，设计透镜阵列4中每个透镜的通光口径，让每个透镜覆盖复振幅空间光调节器3的2个以上像素，使得经过复振幅空间光调节器3每个象素调节后的光波，经过对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被对应透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理形成体元，由众多体元构成三维立体图像12。在图I中，透镜阵列4中的每个透镜的通光口径的宽度等于复振幅空间光调节器3的3个像素间距，也就是说，一个透镜覆盖复振幅空间光调节器3的3 X 3=9个像素。在图I所示剖面图中，如果把复振幅空间光调节器3的像素和透镜阵列4中的每个透镜从上至下依次编号，则被复振幅空间光调节器3的第f 3个像素调节后的光波被第I个透镜聚焦到焦点F1，被复振幅空间光调节器的第4飞个像素调节后的光波被第2个透镜聚焦到焦点F2,而被复振幅空间光调节器3的第7、个像素调节后的光波被第3个透镜聚焦到焦点F3。从图I中还可以看出被复振幅空间光调节器3的第f 3个像素调节后的光波被第I个透镜聚焦后，形成以F1为顶点的子光锥(卜3，被复振幅空间光调节器3的第4飞个像素调节后的光波被第2个透镜聚焦后，形成以F2为顶点的子光锥C4 6，被复振幅空间光调节器3的第
7、个像素调节后的光波被第3个透镜聚焦后，形成以F3为顶点的子光锥C7~9。子光锥CV3合并起来后照亮从上至下整个三维立体成像空间，同样子光锥C4^6合并起来后，以及子光锥C7~9合并起来后都可照亮从上至下整个三维立体成像空间。换句话说，在三维立体成像空间任一点可以接收到来自透镜阵列4中的所有透镜的光线，例如，图I中立体图像12上所标出的体元V，它同时被来自第I个透镜的子光锥C1、来自第2个透镜的子光锥C5和来自第3个透镜的子光锥C9照亮。对应地，分别调节复振幅空间光调节器3的第1、5和9个像素的复振幅，使得来自它们的光锥在到达V点时同位相，则由于相长干涉，在V点可产生出一个体元。类似地许多体元可形成三维立体图像12。假设复振幅空间光调节器3的第i个像素为产生第j个体元所需做出的振幅和位相调节分别为Ai, j和Φ i, j,且第i个像素总共产生N个体元，则第i个像素所应做出的总复振幅调节量为
权利要求
1.一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于包括 相干光源装置(1)，产生激光光束； 照明光学系统(2)，接受相干光源装置(I)发出的激光光束，并对该激光光束进行扩束； 复振幅空间光调节器(3)，接受照明光学系统(2)发出的扩束后的激光光束，并对扩束后的激光光束的振幅和位相进行逐像素调节； 透镜阵列(4)，接受经过复振幅空间光调节器(3)调节后的光波，透镜阵列(4)中的每个透镜(15)覆盖复振幅空间光调节器(3)的2个以上像素(16)，使得经过复振幅空间光调节器(3)每个象素调节后的光波，经过透镜阵列(4)中对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被透镜阵列(4)中所对应不同透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理在空中形成体元，由众多体元构成离散三维立体图 像。
2.根据权利要求I所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其中，相干光源装置(I)同时产生三基元色激光光束； 照明光学系统(2)，接受相干光源装置(I)发出的三基元色激光光束，并对该激光光束进行扩束和三基元色分离，使得透镜阵列(4)中的透镜(15)依次被不同基元色激光照明。
3.根据权利要求I所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其中，照明光学系统(2)包括二维光栅阵列(13)和第三光学透镜(14)，二维光栅阵列(13)垂直放置在第三光学透镜(14)的焦平面，二维光栅阵列(13)包含三块二维光栅，每块二维光栅接受一种基元色激光，设计每块二维光栅的光栅参数，同时安排每块二维光栅的横向空间位置，使得经每块二维光栅衍射后的光斑阵列与透镜阵列(4)对准，而且不同基元色衍射光斑依次照明透镜阵列(4)中的不同透镜(15)。
4.根据权利要求I所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的透镜阵列(4)中每个透镜(15)的位置呈随机排列，使得高阶衍射像可以忽略不计。
5.根据权利要求I所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的透镜阵列(4)中每个透镜(15)的位置呈周期排列，设定排列周期的大小，使得高阶衍射像可以忽略不计。
6.根据权利要求I所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包含依次放置的第一偏振片(7)、第一空间光调制器(8)、第二偏振片(9)、第二空间光调制器(10)和第三偏振片(11)，通过调节第一偏振片(7)、第二偏振片(9)和第三偏振片(11)的偏振方向，使得第一空间光调制器(8)工作在位相调节为主模式，第二空间光调制器(10)工作在振幅调解为主模式；或者使得第一空间光调制器(8)工作在振幅调节为主模式，第二空间光调制器(10)工作在位相调解为主模式；第一空间光调制器(8)和第二空间光调制器(10)的像素相互对准；同时选择第一空间光调制器(8)和第二空间光调制器(10)的像素间距使得2个以上像素对应透镜阵列(4)中的一个对应透镜。
7.根据权利要求I所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包括依次叠放的后面板(19)、第一液晶层(20)、中间面板(21)、第二液晶层(22)、前面板(23)和偏振片(24);后面板(19)、第一液晶层(20)、中间面板(21)、第二液晶层(22)和前面板(23)集成制作为一个整体，偏振片(24)紧贴在前面板(23)上；后面板(19)、第一液晶层(20)与中间面板(21)构成第一块灰度液晶板(17)，中间面板(21)、第二液晶层(22)、前面板(23)和偏振片(24)构成第二块灰度液晶板(18)，第一块灰度液晶板(17)和第二块灰度液晶板(18)上的像素呈相同的二维周期分布，且--互相对准；第一块灰度液晶板(17)和第二块灰度液晶板(18)的2个以上像素对应透镜阵列(4)中的一个对应透镜； 设置后面板(19)上朝向第一液晶层(20) —侧的液晶分子定向膜的取向，使其与中间面板(21)上朝向第一液晶层(20)—侧的液晶分子定向膜的取向平行，使得第一块灰度液晶板(17)工作于纯位相调节模式，设定后面板(19)与中间面板(21)之间的间隔以及第一液晶层(20)的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板(17)的位相调节范围达到0^2 π ;设定中间面板(21)上朝向第二液晶层(22)—侧的液晶分子定向膜的取向、前面板(23)上朝向第二液晶层(22)—侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片(24)的偏振方向， 使得第二块灰度液晶板(18)工作于振幅调节为主模式。
8.根据权利要求I所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包括第一半透半反镜(25)、第二半透半反镜(26)、第一反射镜(29)、第二反射镜(30)、第一投影镜头(31)、工作于位相调节为主模式的第一透射式液晶板(27)和工作于位相调节为主模式的第二透射式液晶板(28);第一透射式液晶板(27)与第二半透半反镜(26)的半透半反面(Α1-Α2)成45度夹角，第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)相对于第二半透半反镜(26)的半透半反面(Α1-Α2)呈镜像对称放置，第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)位于第一投影镜头(31)的一倍焦距至两倍焦距之间，使得第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)的像素被放大成实像投影到透镜阵列(4)上；第一半透半反镜(25)接受照明光学系统(2)发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第一束光和第二束光，设定第一半透半反镜(25)、第一反射镜(29)和第二反射镜(30)的位置,使得第一束光被第一反射镜(29)反射后垂直照射第一透射式液晶板(27)，而第二束光被第二反射镜(30)反射后垂直照射第二透射式液晶板(28)，穿过第一透射式液晶板(27)的第一束光和穿过第二透射式液晶板(28)的第二束光再分别经过第二半透半反镜(26)后被第一投影镜头(31)成像到透镜阵列(4)上，设定第一投影镜头(31)的放大倍数使得第一透射式液晶板(27)和第二透射式液晶板(28)的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列(4)中的一个对应透镜。
9.根据权利要求I的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包括第三半透半反镜(33)、第二投影镜头(36)、工作于位相调节为主模式的第一 LCOS反射式液晶板(34)和工作于位相调节为主模式的第二 LCOS反射式液晶板(35);第一 LCOS反射式液晶板(34)与第三半透半反镜(33)的半透半反面(Α1-Α2)呈45度夹角，第一 LCOS反射式液晶板(34)和第二 LCOS反射式液晶板(35)相对于第三半透半反镜(33)的半透半反面(Α1-Α2)互成镜像对称放置，第一 LCOS反射式液晶板(34)和第二 LCOS反射式液晶板(35)位于第二投影镜头(36)的一倍焦距至两倍焦距之间，使得第一LCOS反射式液晶板(34)和第二 LCOS反射式液晶板(35)的像素被放大成实像投影到透镜阵列(4)上；第三半透半反镜(33)接受照明光学系统(2)发出的扩束后的激光光束，并将其分成为第三束光和第四束光，设定第三半透半反镜(33)的位置，使得第三束光垂直照射第一 LCOS反射式液晶板(34)，而第四束光垂直照射第二 LCOS反射式液晶板(35),被第一LCOS反射式液晶板(34)反射后的第三束光和被第二 LCOS反射式液晶板(35)反射的第四束光再次经过第三半透半反镜(33 )后被第二投影镜头(36 )成像到透镜阵列(4 )上，设定第二投影镜头(36)的放大倍数使得第一 LCOS反射式液晶板(34)和第二 LCOS反射式液晶板(35)的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列(4)中的一个对应透镜。
10.根据权利要求I所述的一种基于相长干涉的三维立体显示装置，其特征在于，所述的复振幅空间光调节器(3)包括第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)、第三子复振幅空间光调节器(40)、第三投影镜头(44)及具有一个出光面和三个进光面的立方分光棱镜(45);第三投影镜头(44)放置在立方分光棱镜(45)的出光面前，第三投影镜头(44)的光轴与立方分光棱镜(45)的出光面的中心轴重合；第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)和第三子复振幅空间光调节器(40)分别放置在立方分光棱镜(45)的三个进光面前，第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复 振幅空间光调节器(39)和第三子复振幅空间光调节器(40)的中心轴分别与立方分光棱镜(45)的三个进光面的中心轴重合；立方分光棱镜(45)由相同结构的第一直角棱镜(46)、第二直角棱镜(47)、第三直角棱镜(48)和第四直角棱镜(49)按直角棱相抵的方式粘合而成，第一直角棱镜(46)、第二直角棱镜(47)、第三直角棱镜(48)和第四直角棱镜(49)的直角面分别蒸镀有针对某一基元色激光的窄带反射膜，使得分别从立方分光棱镜(45)的三个进光面入射的三基元色激光能够透射或反射后穿过立方分光棱镜(45)，并从立方分光棱镜(45)的出光面出射，立方分光棱镜(45)的所有进光面与出光面均蒸镀有宽带增透膜；第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)和第三子复振幅空间光调节器(40)的像素互相一一对准，距离第三投影镜头(44) 一倍焦距至两倍焦距之间，使得通过第三投影透镜(44)放大成像后在像面一一互相重叠，设定第三投影镜头(44)的放大倍数使得第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)和第三子复振幅空间光调节器(40)的两个以上像素被投影放大后充填透镜阵列(4)中的一个对应透镜； 所述第一子复振幅空间光调节器(38)、第二子复振幅空间光调节器(39)、第三子复振幅空间光调节器(40)均包括依次叠放的后面板(19)、第一液晶层(20)、中间面板(21)、第二液晶层(22)、前面板(23)和偏振片(24);后面板(19)、第一液晶层(20)、中间面板(21)、第二液晶层(22)和前面板(23)集成制作为一个整体，偏振片(24)紧贴在前面板(23)上；后面板(19 )、第一液晶层(2 O )与中间面板(21)构成第一块灰度液晶板，中间面板(21 )、第二液晶层(22)、前面板(23)和偏振片(24)构成第二块灰度液晶板，第一块灰度液晶板和第二块灰度液晶板上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；其中后面板(19)上朝向第一液晶层(20) —侧的液晶分子定向膜与中间面板(21)上朝向第一液晶层(20) —侧的液晶分子定向膜取向平行，使得第一块灰度液晶板(17)工作于纯位相调节模式，设定后面板(19)与中间面板(21)之间的间隔以及第一液晶层(20)的液晶材料的双折射率差，使得第一块灰度液晶板的位相调节范围达到(Γ2 π ;同时改变中间面板(21)上朝向第二液晶层(22)一侧的液晶分子定向膜、前面板(23)上朝向第二液晶层(22) —侧的液晶分子定向膜的取向以及偏振片(24)的偏振方向，使得第二块灰度液晶板工作于振幅调节为主模式。
全文摘要
本发明涉及一种基于相长干涉的三维立体显示装置，包括相干光源装置，用于产生激光光束；照明光学系统，用于接受激光光束并进行扩束；复振幅空间光调节器，用于接受扩束后的激光光束，并对振幅和位相进行逐像素调节；透镜阵列，用于接受经过复振幅空间光调节器调节后的光波，设计透镜阵列中每个透镜的通光口径，使每个透镜覆盖复振幅空间光调节器的2个以上像素，经过复振幅空间光调节器每个象素调节后的光波，经过透镜阵列中对应透镜聚焦后照明三维立体成像空间的一个子空间，不同像素调节后的光波被透镜阵列中对应不同透镜聚焦后形成的子空间相互交叠，基于相长干涉原理形成体元，由众多体元构成离散三维立体图像。
文档编号G02B27/00GK102854630SQ20121036426
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者李志扬 申请人:李志扬