技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，具体涉及一种基于复振幅光栅
调制的三维增强现实显示系统。
背景技术：
增强现实(Augmentedreality,AR)显示系统将人工生成的数字
辅助信号与人眼实时观察到的真实三维场景进行结合，极大地丰富
了人类与真实环境之间的交互能力，在医学、军工和工业制造等领
域中存在巨大的应用潜力。
现有的增强现实技术一般显示的是二维图像信号或二维双目视
差图像。虽然在一定程度上可以由人类的视觉习惯和大脑处理形成
立体的三维观感，但由于存在调焦-聚焦
(accommodation-convergence)矛盾，违背人们的观察习惯，长时
间佩戴较容易使人出现视觉疲劳、眩晕等不舒适感。
由于复振幅包含物体的三维波前，因此通过调制复振幅可以有
效获得真实的三维显示效果，进而改善传统增强现实系统在观感上
的不足之处。中国专利CN104375271A公开了一种使用双空间光调
制器生成复振幅波前的方法，并将其应用在波导增强现实显示系统
中。然而该系统中的两个空间光调制器需要做像素级的对准操作，
且相应的伺服系统也较复杂。
综上可知，目前存在降低复振幅调制系统难度和复杂度方面的
要求，解决这些问题将有助于推动真三维增强现实系统的发展。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明实施例提供一种基于复振幅
光栅调制的三维增强现实显示系统。
本发明实施例提出一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显
示系统，包括：
振幅型空间光调制器、4f透镜系统、正弦光栅、相移器和半透
半反镜；其中，
所述振幅型空间光调制器和正弦光栅依次放置在所述4f透镜系
统的输入焦平面和频谱面上，所述相移器靠近所述振幅型空间光调
制器放置，所述半透半反镜置于所述4f透镜系统输出焦平面后一定
距离，
所述振幅型空间光调制器的两个分区分别加载待显示的复振幅
信号分解得到的两个全息图，在激光的照射以及相移器的作用下，
所述两个全息图之间产生π/2的相位差，之后相位相差π/2的两个全
息图于所述4f透镜系统的频域经所述正弦光栅调制后传播到所述4f
透镜系统的输出面合成为目标复振幅波前，所述目标复振幅波前继
续传播并经所述半透半反镜耦合叠加至人眼视野内，其中，两个全
息图分开的距离d和正弦光栅周期常数Λ满足公式：式中λ为
照明波长，f为4f透镜系统的透镜焦距。
本发明实施例提供的基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示
系统，使用单个空间光调制器分区加载全息图，在频率域放置匹配
优化设计的正弦光栅进行合成，从而在4f透镜系统输出面上获得叠
加后的目标复振幅波前，并利用半透半反镜将目标复振幅波前叠加
耦合至人眼视野供人眼观察，能够提供真实的三维观感，消除了调
焦-聚焦矛盾，立体观感舒适度好。与采用双空间光调制器复振幅调
制系统的波导增强现实显示系统相比，由于不需要进行两个空间光
调制器的机械对准，因此调制难度和复杂度大大降低，系统成本造
价可控制在较低水平。
附图说明
图1为本发明一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系
统一实施例的部分结构示意图；
图2为本发明一种基于复振幅光栅调制的三维增强现实显示系
统另一实施例的部分结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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
楚地描述，显然，所描述的实施例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。
参看图1，本实施例公开一种基于复振幅光栅调制的三维增强现
实显示系统，包括：
振幅型空间光调制器(Amplitude-onlyspatiallightmodulator,
A-SLM)1、4f透镜系统(组成4f透镜系统的两个透镜如图1中301
和302所示)、正弦光栅4、相移器(图1中未示出)和半透半反镜
6；其中，
所述振幅型空间光调制器1和正弦光栅4依次放置在所述4f透
镜系统的输入焦平面和频谱面上，所述相移器靠近所述振幅型空间
光调制器1放置，所述半透半反镜6置于所述4f透镜系统输出焦平
面后一定距离，
所述振幅型空间光调制器1的两个分区分别加载待显示的复振
幅信号分解得到的两个全息图，在激光的照射以及相移器的作用下，
所述两个全息图之间产生π/2的相位差，之后相位相差π/2的两个全
息图于所述4f透镜系统的频域经所述正弦光栅4调制后传播到所述
4f透镜系统的输出面合成为目标复振幅波前，所述目标复振幅波前
继续传播并经所述半透半反镜6耦合叠加至人眼视野内，其中，两
个全息图分开的距离d和正弦光栅周期常数Λ满足公式：式
中λ为照明波长，f为4f透镜系统的透镜焦距。
如图1所示，7为观察窗，8为人眼，9为视野内重建的三维物
体图像。振幅型空间光调制器1与透镜301的距离、透镜301与正
弦光栅4的距离、正弦光栅4与透镜302的距离均为透镜的焦距f，
z为半透半反镜至透镜302的距离，FOV表示系统的观察视场角。
半透半反镜6将目标复振幅波前耦合叠加至指定的范围内，当人眼8
从观察窗7处观察时，在人眼的视野内即可看到真实的三维立体场
景，实现真三维信号与外界场景叠加的增强现实显示技术。
物体的三维信息波前可以由一个既有振幅又有相位的复振幅信
号表示，当人眼观察该信号时，就会获得一个真实的三维物体图像。
假设目标物体复振幅信号为Aexp(iθ)，其中A为振幅，θ为相位，
是虚数单位。该复振幅信号能够被分解成一个实部和虚部相加
的复数形式：
Aexp(iθ)=Acosθ+i·Asinθ=hr+hiexp(iπ2)---(1)]]>式中hr和hi为两个振幅型的全息图。但需注意的是，目标复振幅波前
相位分布在[0,2π]，hr和hi都有正值也有负值。由于振幅型空间光调
制器只能加载非负值，因此要对hr和hi做偏移的处理：
hr+hiexp(iπ2)⇒(hr+I0)+(hi+I0)exp(iπ2)=hrm+himexp(iπ2)---(2)]]>式中I0为一个正值，形成背景照明光。hrm和him的常量相位延迟可由
π/2相移器产生。比如可使用λ/4玻片或倾斜玻璃平板等器件产生
π/2相位差，关于相移器使两个全息图产生相位延迟为现有技术，
此处不再赘述。将生成的两个全息图分区加载至空间光调制器上，
以上下分区为例(图1中201和202分别为加载的全息图hrm和him)，
则空间光调制器的透过率函数可表达为：
t(x,y)＝hrm(x,y-d)+i·him(x,y+d)(3)
其中d为两全息图分开的距离。正弦光栅的表达式可由下式表达：
g(x,y)=12+p2cos(2πΛy)---(4)]]>式中的p为正弦光栅振幅调制度，Λ是光栅周期常数。4f透镜系统
输出面上为空间光调制器透过率函数与正弦光栅频谱的卷积：
U(x,y)=t(x,y)⊗FT{g(x,y)