[发明专利]一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置

说明书

技术领域

    本发明涉及三维成像和光学波前重构领域，更具体涉及一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，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，其中振幅反映了亮度信息，而位相反映了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。

专利号为201010190482.3 的发明提出了“一种实现数字光学位相共轭的装置”，该装置可实时重建出任意复杂光学波前，其核心是把复杂光波分解为离散的简单光波，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离散光波的共轭光波。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，从而重建恢复出初始输入光波。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。但是由于空间光调制器的像素数目有限，采用数字光学位相共轭装置重建的光学波前面积很小，例如，采用具有1百万个像素的空间光调制器时所重建的光学波前横截面面积在1平方毫米量级，这意味着采用该方法直接进行三维立体显示由于尺寸太小并不实用。如果采用传统光学镜头对其进行放大，虽然立体图像可以放大，但角放大倍率与立体图像横向放大倍率成反比。这样虽然立体图像尺寸被放大，但由于观察角变小，观察者只能看到整个立体图像的一小部分，同样不实用。本发明将提出一种新的光学转换系统，它一方面可以把在小范围内精确重建的光学波前转换成大体积范围内的立体图像，一方面可以保持大的观察角。同时本发明还将简化光波复振幅调节器的结构，采用单块空间光调制器实现光波振幅和位相的独立调节。

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，提供一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，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：     

一种基于光学波前重建的相干三维立体显示装置，包括

光学波前发生器，用于产生共轭光波，使得所产生的共轭光波基于光路可逆性传播展宽到达第一微透镜阵列板，并被第一微透镜阵列板聚焦散射后重建出三维立体图像；

第一微透镜阵列板，接受光学波前发生器产生的共轭光波，每个微透镜聚焦产生一个光锥，增加基于光路可逆性原理重建的三维立体图像的观察角。

如上所述的光学波前发生器为数字光学位相共轭装置，数字光学位相共轭装置包括：

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；

第二微透镜阵列板，包括若干个微透镜，微透镜个数与复振幅调节器中的像素个数适配，每个微透镜接受经过复振幅调节器对应像素调节后的光波，并将该光波聚焦到绝热锥形光波导束的粗端的对应的单模光波导的芯层，产生共轭光波；以及