一种曲面全息显示装置及方法与流程

本申请涉及显示领域，特别涉及一种曲面全息显示装置及方法。

背景技术：

传统的全息显示使用空间光调制器(spatiallightmodulator，slm)进行光学调制，然而，slm的面板尺寸受像素间距和像素数量的影响，使得三维显示场景的尺寸被限制在几毫米或几厘米。为了获得大尺寸大视场的基于slm的全息显示，常见的方法是时空复用技术，即通过多个slm的空间复用，多个全息图进行时间复用在空间上进行叠加显示。然而，利用时空复用技术的全息显示系统复杂而且昂贵，在商业上很难推广和使用。

基于此，亟需一种解决方案实现轻便、大尺寸的全息显示。

技术实现要素：

本申请提供一种大尺寸的曲面全息显示装置，至少解决现有技术中存在的至少一个问题。

为解决上述问题，一方面，本申请实施例提供的一种曲面全息显示装置，包括光源、空间滤波器和曲面显示面板，其中，

所述光源发出的光束经过空间滤波器后照射到所述曲面显示面板上；

所述曲面显示面板用于加载曲面全息图，并根据经过空间滤波器的光将所述曲面全息图调制成像。

可选地，所述曲面显示面板的弧面朝向观察者位置设置。

可选地，所述曲面显示面板包括透射式曲面显示面板或反射式曲面显示面板中的任一种。

可选地，所述装置还包括：

光束扩束器，所述光束扩束器设置于所述空间滤波器与所述曲面显示面板中间，用于扩大光束的照射面积。

可选地，若所述曲面显示面板为所述透射式曲面显示面板，则所述装置还包括：

准直透镜，所述准直透镜设置于所述光束扩束器与所述曲面显示面板中间，用于将照射其上的准直为平面光波。

另一方面，本申请实施例提供一种曲面全息显示方法，应用上述曲面全息显示装置，所述方法包括：

计算得到曲面全息图；

将所述曲面全息图加载到所述曲面显示面板上，并经过所述曲面显示面板的调制成像。

可选地，若所述曲面显示面板为透射式曲面显示面板，则所述计算得到曲面全息图包括：

将三维场景分割为一系列子块，每个子块进行离散化取样；

将全息曲面进行离散化取样，利用几何关系将离散后各点的三维坐标进行表示；

利用基于点源模型的快速生成算法逐块计算物空间中各点在与之对应的全息图曲面分块上的复振幅分布，整个子全息图上的复振幅分布为所有物点波前分布的叠加；

将每块对应的子全息图按照几何关系进行拼接得到曲面全息图。

可选地，若所述曲面显示面板为反射式曲面显示面板，则所述计算得到曲面全息图包括：

将三维场景进行离散化取样；

将全息曲面进行离散化取样，利用几何关系将离散后各点的三维坐标进行表示；

利用基于点源模型的快速生成算法计算物空间中各点在全息图曲面上的复振幅分布，得到所述曲面全息图。

可选地，所述方法还包括：

模拟再现时，对所述曲面全息图增加位相补偿，以得到角谱法计算所需的平面全息图；

利用角谱法对所述平面全息图进行回代计算，并调制生成再现图像，以验证其曲面全息图的准确性。

可选地，所述基于点源模型的快速生成算法包括c-lut算法、lut算法、n-lut算法、s-lut算法中的任一种。

本申请实施例公开的曲面全息显示装置，包括光源、空间滤波器和曲面显示面板，其中，所述光源发出的光束经过空间滤波器后照射到所述曲面显示面板上，所述曲面显示面板用于加载曲面全息图，并根据经过空间滤波器的光将所述曲面全息图调制成像。本申请公开的曲面全息显示装置，用曲面显示面板代替空间光调制器进行调制，摆脱了空间光调制器的尺寸在再现成像的尺寸限制，可以实现大尺寸、大视场的全息显示。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本申请的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本申请进行任何限制，在附图中：

图1为本申请实施例中的全息显示装置结构图；

图2为本申请中另一全息显示装置结构图；

图3为本申请中另一全息显示装置结构图；

图4为本申请中另一全息显示装置结构图；

图5为本申请实施例中的全息显示方法。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请实施例提供的一种曲面全息显示装置，如图1所示，包括光源、空间滤波器和曲面显示面板，其中，所述光源发出的光束经过准直透镜后照射到所述曲面显示面板上，所述曲面显示面板用于加载曲面全息图，并根据经过空间滤波器的光将所述曲面全息图调制成像。

在该实施例中，光源可以为激光光源或者其他可实现的任一光源，为了防止光源刺伤人眼，可以在光源处设置衰减片等装置来调整光源强度，经光源强度控制在适合人眼观察的范围。光源发出的照射光束，照射到空间滤波器上，用于将光源发射的光束积分成均匀发散的球面波。

曲面显示面板用于加载曲面全息图，利用照射其上的光束对曲面全息图进行调制成像。本申请所公开的一实施例中的曲面显示面板包括透射式曲面显示面板，具体的可以是曲面手机屏、曲面平板显示屏、柱面显示屏、球面显示屏、自由曲面显示屏中任一液晶显示面板，其像素间距根据实际情况适当选择。曲面全息图的计算可以通过曲面分块c-lut算法计算得到，具体计算方法后面会详细描述，在此不详述。

通过本申请实施例中的曲面显示装置，用曲面显示面板代替空间光调制器进行调制，摆脱了空间光调制器的尺寸在再现成像的尺寸限制，可以实现大尺寸、大视场的全息显示。

另外，所述曲面显示面板的弧面朝向观察者位置设置。由于曲面显示面板是整面屏幕朝观察者方向包围的一种弧形设计，可减少占用空间，并减少了近距离观看时离轴观看的失真度，提供了更宽广的可视角度，显示出环绕画面效果，因而成像质量会有显著提高，且更符合人眼的观看习惯。

本申请另一实施例中的全息显示装置，如图2所示，在所述空间滤波器与所述曲面显示面板中间还设置光束扩束器，用于扩大光束面积，使其能够与准直透镜和曲面显示面板的尺寸相同或相似，使得照射光束能够照射到整个准直透镜上。对于曲面显示面板为透射式曲面显示面板的全息显示装置，还包括设置于光束扩束器与曲面显示面板中间的准直透镜，用于对照射光束进行光束准直，将球面光波整合为与曲面显示面板等大的平面光波，使其垂直透过与该准直透镜大小几乎相同的曲面显示面板。

经过曲面显示面板调制后的再现图像，可以由观察者逆着照射光束方向观察，即可观察到大尺寸大视场的三维立体图徐翔，如图2所示。当然，可以在曲面显示面板沿着照射光束方向设置一接收屏，观察者可以在接收屏上观察到三维立体图的实像，如图3所示。

更进一步的，如果由计算机得到的曲面全息图以一定的帧频加载到曲面显示面板上，那么观察者即可以看到大尺寸的三维动态全息图像；如果曲面全息图是彩色全息图，同样可以再现出彩色图像。

本申请还公开另一全息显示装置，其中，所述曲面显示面板为反射式曲面显示面板，如图4所述。光源发出的光束经过空间滤波器后照射到反射式曲面显示面板，所述反射式曲面显示面板加载曲面全息图并调制后，反射成像。

值得一提的是，本申请实施例中不需要准直透镜，反射式曲面显示面板直接利用球面波进行调制成像，但是前述实施例中的光束扩束器、接收屏都适用于本实施例，其作用相同，在此不作赘述。

本申请实施例中，曲面显示面板的像素间距足够小，光源发出的照射光束经过衰减片等装置调整强度，经过空间滤波器将光束积分成均匀发散的球面波，光束扩束器将球面波在短距离内分散，使其能够照射整个曲面显示面板。最后，在计算机上加载利用针对发散球面波照射的曲面全息算法计算出的全息图，发散球面波照射曲面显示面板，面板中的每个像素将光波调制到观察区域。当观察者视点处于或接近观察区域时，可以看到3d虚拟场景。

如图5所示，为本申请实施例中的一种全息显示方法，其应用上述的全息显示装置，具体包括计算得到曲面全息图，将所述曲面全息图加载到上述曲面显示面板，并经过所述曲面显示面板的调制成像。

具体的，若所述曲面显示面板为透射式曲面显示面板，则计算得到曲面全息图的方法包括：

步骤1：将三维场景分割为一系列子块，每个子块进行离散化取样。

步骤2：将全息曲面进行离散化取样，利用几何关系将离散后各点的三维坐标进行表示。

步骤3：利用基于点源模型的快速生成算法逐块计算物空间中各点在与之对应的全息图曲面分块上的复振幅分布，整个子全息图上的复振幅分布为所有物点波前分布的叠加；

步骤4：将每块对应的子全息图按照几何关系进行拼接得到曲面全息图。

若曲面显示面板为反射式曲面显示面板，因为计算全息图时使用的发散球面波，且像素间距较小，所以不需要进行分块计算，故计算得到曲面全息图的方法包括：

步骤1：将三维场景进行离散化取样。

步骤2：将全息曲面进行离散化取样，利用几何关系将离散后各点的三维坐标进行表示。

步骤3：利用基于点源模型的快速生成算法计算物空间中各点在全息图曲面上的复振幅分布，得到曲面全息图。

值得一提的是，在曲面显示面板为反射式曲面显示面板时计算曲面全息图的算法中需要将光源设置为发散的球面波。另外，上述基于点源模型的快速生成算法包括c-lut算法、lut算法、n-lut算法、s-lut算法中的任一种。

基于前述曲面显示装置的全息显示方法，利用曲面显示面板代替空间光调制器，摆脱了空间光调制器在再现成像的尺寸限制，可以实现大尺寸、大视场的全息显示。

除此之外，该方法还包括，

步骤5：模拟再现时，对所述曲面全息图增加位相补偿，以得到角谱法计算所需的平面全息图。

步骤6：利用角谱法对所述平面全息图进行回代计算，并调制生成再现图像，以验证其曲面全息图的准确性。

基于该验证方法，可以提高成像质量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。