基於隨機相長幹涉原理的立體顯示裝置的製作方法
2023-10-04 06:42:24 1
專利名稱：基於隨機相長幹涉原理的立體顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及三維成像技術領域，更具體地涉及一種基於隨機相長幹涉原理的立體 顯示裝置，特別適用於做計算機與電視顯示屏，智能人機交換，機器人視覺等，可廣泛應用 於教學、科研、娛樂、廣告等領域。
背景技術：
近一、二十年來，液晶顯示技術得到了飛速發展，從零點幾英寸的投影液晶顯示板 到幾十英寸的平板液晶顯示器都已經商品化。但現有液晶顯示器主要用於二維平面顯示， 即使小尺寸投影機液晶板，其像素尺寸也在十微米量級，與可見光波長相比，其解析度還非 常低，還不能用它們代替全息膠片，進行大視場、高質量的三維全息立體顯示。發明專利「基 於隨機相長幹涉的三維顯示方法及裝置」(申請號200810046861.8)提出了一種採用低 解析度液晶顯示器進行三維立體顯示的新方法，其核心思想是把液晶顯示器的每個像素轉 化為一個個獨立的子光源，通過這些子光源的相長幹涉在三維空間形成一系列離散立體像 點，為了抑制高階衍射產生的多重像，子光源的位置呈隨機分布。上述發明給出了一系列設 計示例，而且重點討論了如何利用現有商品化的二維平面液晶顯示器，實現基於隨機相長 幹涉原理的立體成像。如果專門針對基於隨機相長幹涉原理的立體成像的特點來設計液晶 顯示器，將會得到更好的效果，本發明給出了一些新的結構與部件設計，一方面提升基於隨 機相長幹涉原理的三維立體成像裝置的各方面性能，一方面簡化結構，降低加工難度和生 產成本。發明內容
本發明的目的在於提供一種基於隨機相長幹涉原理的立體顯示裝置，同時達到更 高的光能利用率，更好的像質，更低的加工難度和生產成本。
本發明的實現上述目的的基於隨機相長幹涉的立體成像裝置，包括
發射三基元色相干雷射的相干光源；
將所述相干光源發出的細光束三基元色相干雷射擴束轉換成多束均勻的且三基 元色分離的寬光束三基元色相干雷射的照明光學系統；
振幅位相調節器陣列，其每個振幅位相調節器分別對所述照明光學系統發出的寬 光束三基元色相干雷射的振幅位相進行調節以生成相互獨立的子光束陣列；以及
相干子光源發生器陣列，其每個相干子光源發生器分別對準所述振幅位相調節器 陣列的一個相應的振幅位相調節器，使得所述相互獨立的子光束一一對應地入射到相干子 光源發生器陣列中的每個相干子光源發生器，並匯聚產生位置呈隨機分布的相干子光源陣 列，且使每個相干子光源發出的光錐與三維立體像所在的三維區間重疊。
其中，相干子光源發生器陣列是透射式全息光學元件陣列，其每個透射式全息光 學元件上配置的幹涉條紋使得透射後匯聚形成的子光源的位置呈隨機分布；或者
相干子光源發生器陣列是反射式全息光學元件陣列，其每個反射式全息光學元件上配置的幹涉條紋使得反射後匯聚形成的子光源的位置呈隨機分布。
其中，所述每個透射式全息光學元件上配置的幹涉條紋為三塊分別針對三種基元 色的單色透射式全息光學元件的幹涉條紋的疊加；或者
所述每個反射式全息光學元件上的幹涉條紋為三塊分別針對三種基元色的單色 反射式全息光學元件的幹涉條紋的疊加。
其中，相干子光源發生器陣列是二元光學元件陣列，其每個二元光學元件是具有 微透鏡和微稜鏡組合功能的元件，其每個二元光學元件表面的微結構使得匯聚形成的子光 源的位置呈隨機分布。
其中，相干子光源發生器陣列是具有多個反射式微透鏡的反射式微透鏡陣列，通 過偏轉每個反射式微透鏡的光軸方向，使得其匯聚後形成的子光源的位置呈隨機分布；或 者
相干子光源發生器陣列是具有多個透射式微透鏡的透射式微透鏡陣列，通過偏轉 每個反射式微透鏡的光軸方向，使得其匯聚後形成的子光源的位置呈隨機分布。
其中，振幅位相調節器陣列包含透射式純位相調節液晶板，透射式純位相調節液 晶板的液晶層兩側的面板上的液晶分子定向膜的取向互相平行，使得液晶分子的扭曲角度 為零，同時液晶層的厚度和液晶材料的雙折射率差使得透射式純位相調節液晶板的位相調 節範圍達到0 ；或者
振幅位相調節器陣列包含反射式純位相調節液晶板，反射式純位相調節液晶板的 液晶層兩側的面板上的液晶分子定向膜的取向互相平行，使得液晶分子的扭曲角度為零， 同時液晶層的厚度和液晶材料的雙折射率差使得反射式純位相調節液晶板的位相調節範 圍達至Ij 0 2 31。
其中，振幅位相調節器陣列包括集成製作為一個整體的後面板、第一液晶層、中間 面板、第二液晶層、前面板和緊貼在前面板上的偏振片；後面板、第一液晶層與中間面板構 成第一塊灰度液晶板，中間面板、第二液晶層、前面板和偏振片構成第二塊液晶板，第一塊 灰度液晶板和第二塊灰度液晶板上的像素呈相同的二維周期分布，且一一互相對準；
其中第一塊灰度液晶板為透射式純位相調節液晶板，同時改變屬於第二塊灰度液 晶板的中間面板和前面板上的液晶分子定向膜的取向以及偏振片的偏振方向，使得第二塊 灰度液晶板工作于振幅調節為主模式。
其中接收相干雷射光源發出的三種基元色細光束雷射，並對其進行擴束的照明光 學系統包括兩組相互垂直放置的平行平板分束器陣列；
其中第一組平行平板分束器陣列中的每塊平行平板分束器尺寸形狀相同，朝向相 同相互平行地沿同一軸線等間隔放置，調整第一組平行平板分束器陣列中每塊平行平板分 束器的間隔，同時沿光線傳播方向依次增強每塊平行平板分束器的反射率，使得偏振相干 光源發出的平行細光束經第一組平行平板分束器陣列反射後轉換成強度均勻且連續分布 的平行線光束；
其中，第二組平行平板分束器陣列中的每塊平行平板分束器尺寸形狀相同，朝向 相同相互平行地沿同一軸線等間隔放置，調整第二組平行平板分束器陣列中每塊平行平板 分束器的間隔，同時沿光線傳播方向依次增強每塊平行平板分束器的反射率，使得第一組 平行平板分束器陣列發出的平行線光束經第二組平行平板分束器陣列反射後轉換成強度均勻且連續分布的平行面光束；
其中，兩組平行平板分束器陣列中的每塊分束器整體或分區域地分別蒸鍍同時反 射三基元色的寬帶反射膜或僅反射某一基元色的窄帶反射膜，使得第二組平行平板分束器 陣列發出的平行面光束在其橫截面上沿行或沿列或同時沿行和列兩個方向三基元色依次 周期分布；兩組平行平板分束器陣列的進光口與出光口光學拋光且蒸鍍寬帶增透膜。
其中，振幅位相調節器由三個子振幅位相調節器、一個具有一個出光面和三個進 光面的立方分光稜鏡和一個光學鏡頭組成；光學鏡頭放置在立方分光稜鏡的出光面前，光 學鏡頭的光軸與立方分光稜鏡的出光面的中心軸重合；三個子振幅位相調節器分別放置在 立方分光稜鏡的三個進光面前，三個子振幅位相調節器的中心軸分別與立方分光稜鏡的三 個進光面的中心軸重合；立方分光稜鏡由四塊相同的直角稜鏡按直角稜相抵的方式粘合而 成，直角稜鏡的直角面分別蒸鍍有針對某一基元色的窄帶反射膜，使得分別從立方分光稜 鏡的三個進光面入射的三基元色雷射能夠反射或透射穿過立方分光稜鏡，並從立方分光稜 鏡的出光面出射，立方分光稜鏡的所有進光面與出光面皆蒸鍍有寬帶增透膜；三個子振幅 位相調節器的像素互相一一對準使得通過光學透鏡投影成像後在像面一一互相重疊。
本發明與現有技術相比，特別是與申請號為200810046861.8的發明專利相比具 有以下優點和效果
第一，採取三基元色分區照明方式，能量利用率提高三倍；第二，採用全息光學元 件或二元光學元件，簡化了結構，增加了系統穩定性；第三，採用灰度液晶板和扭曲角度為 零的純位相調節液晶板，以及集成為一個整體的振幅調節器與位相調節器，進一步簡化了 結構，增加了系統穩定性，同時降低了生產成本和組裝難度。
圖1為本發明在採用集成式振幅位相調節器和透射式全息光學元件時的結構示 意圖。
圖加和圖2b分別為採用三基元色分區照明時各基元色的排列分布示意圖。
圖3為照明光學系統在採用兩組相互垂直放置的平行平板分束器陣列時的結構 示意圖。
圖4為集成式振幅位相調節器中液晶分子的排列結構示意圖。
圖5為反射式純位相調節液晶板中液晶分子的排列結構示意圖。
圖6為闡述全息光學元件製作與聚光原理的座標系示意圖。
圖7a 圖7d分別為透射式和反射式全息光學元件製作與聚光原理示意圖。
圖8為二元光學元件表面微結構示意圖。
圖9a和圖9b分別為採用傾斜反射式與透射式微透鏡陣列製作相干子光源發生器 的結構示意圖。
圖10為相干子光源陣列的空間發光特性調節原理示意圖。
圖11為本發明在採用透射式純位相調節液晶板和二元光學元件進行投影式彩色 三維顯示時的結構示意圖。
圖13為本發明在採用液晶光柵純位相調節器和透射式傾斜微透鏡陣列進行投影 式彩色三維顯示時的結構示意圖。
圖14為本發明在採用集成式振幅位相調節器和反射式全息光學元件進行投影式 彩色三維顯示時的結構示意圖。
具體實施方式
下面對本發明使用的術語進行說明。
1、振幅位相調節器陣列對入射光的振幅和位相進行逐點調節，類似於空間光調節 器。但一塊空間光調節器一般只能調節位相或振幅，因此本發明所述振幅位相調節器陣列 相當於兩塊空間光調節器的組合，這兩塊空間光調節器的像素一一互相對準，其中一塊空 間光調節器主要用於調節位相，另一塊空間光調節器主要用於調節振幅，振幅位相調節器 陣列中的一個振幅位相調節器相當於兩塊空間光調節器中相互耦合的一對像素。
2、液晶板是指具有很多像素的液晶空間光調節器，其結構類似普通向列液晶顯示 器，但主要用于振幅或位相調節。
3、子光源位置呈隨機分布是指子光源的位置可位於某一空間或平面上的任意位 置，或位於任一位置的概率相等，當然需在一定範圍內；相對應地周期分布只能位於規則的 格點上。
本發明是對申請號為200810046861. 8，名稱為「基於隨機相長幹涉的三維顯示方 法及裝置」的發明專利申請的改進或繼續。基於隨機相長幹涉的三維立體成像原理主要依 據兩點，第一，根據光學幹涉原理，利用許多相干子光源的相長幹涉可在空間任意指定位置 形成亮點，並通過許多這樣的亮點構成離散三維立體像；第二，如果使得所有相干子光源的 位置呈隨機分布，可消除高階衍射產生的多重像，得到單一高質量立體像。
本發明提出的基於上述隨機相長幹涉原理的三維顯示裝置，從結構上可分為四個 功能模塊，下面對這四個功能模塊一一進行說明
第一， 雷射光源基於隨機相長幹涉原理的三維顯示裝置屬於相干成像系統， 因此必須採用相干性好的雷射光源，而且為了實現彩色成像，需要雷射光源能夠發出三種 基元色雷射。三基元色雷射可由單一雷射器發出，或者採用三套獨立的三基元色雷射，本發 明對此不做區別，統稱為「發射三基元色相干雷射的相干光源」。
第二， 照明光學系統用於雷射擴束，即將上述相干光源發出的細光束三基元 色雷射轉換成均勻的、且三基元色分離的寬光束三基元色雷射。普通非相干二維顯示裝置， 例如目前市面上流行的液晶顯示器，往往採用寬光譜光源，同時因為不需要控制光波的位 相，為了增加觀察角度，往往採用發散白光源進行照明。另外在普通二維平板液晶顯示器 中，一個像素實際由三個相鄰的子像素組成，每個子像素蒸鍍有不同的濾色膜，只允許一種 基元色通過，而白色照明光同時照明整個液晶顯示器，這樣三分之二的光能被濾色片擋住。 上述非相干二維顯示裝置所採用的照明方式和照明光學系統不適合用於本發明提出的相 幹顯示裝置。在本發明中，為了實現相長幹涉成像，必須嚴格控制光波的位相，因此我們採 用平行寬光束三基元色雷射進行照明，並且為了提高光能利用效率，採用三基元色分離的 分區方式進行照明，即一個區域內的所有像素統一用同一種基元色雷射進行照明，不同區 域輪流採用三種不同基元色雷射進行照明，這樣既省掉了濾光片，簡化了結構，又把光能利用率提高了三倍。採用這種基元色分離的分區照明方式主要基於二個理由。其一，儘管屏幕 上不同區域呈現為不同基元色，不再適用於普通二維彩色顯示，但在本發明中由於三維立 體像遠離屏幕，一個立體像素由許多來自屏幕不同區域的子光源疊加形成，因此一個立體 像素仍然可表現任意的彩色。其二，儘管採用分區照明，而且為了方便，三基元色按行或按 列或同時按行和列周期分為許多不同區域，這樣對某一基元色而言，相干子光源只能分布 在指定的區域，而不能分布在其他區域，嚴格地說，隨機相長幹涉的條件被破環。但我們同 時應注意到這樣一個事實，衍射是與周期大小成反比的，由於每個區域包含很多子光源，即 使不同區域內子光源的位置呈相同的隨機分布，由於區域之間的重複周期非常大大，由此 引起的高階衍射可以忽略不計，況且不同區域內子光源的位置呈不同的隨機分布。為了實 現三基元色分區照明，本發明給出了由兩個互相垂直的分束器陣列組成的照明光學系統， 為了實現基元色分離不同分束器蒸鍍有針對不同基元色的窄帶反射膜，進一步為了保證整 個區域照明強度均勻一致，沿光波前進方向，由於光能不斷減弱，排在後面的分束器所蒸鍍 的反射膜的反射率是遞增的。
第三， 振幅位相調節器陣列根據上述隨機相長幹涉原理，為了實現相長幹 涉，需要構造一個大型相干子光源陣列，並隨時準確調控各個相干子光源的振幅和位相。一 個相干子光源需要一個振幅位相調節器，成千上萬個振幅位相調節器構成一個二維振幅位 相調節器陣列。我們可以採用液晶顯示器來進行振幅和位相調控，液晶顯示器的一個像素 相當於一個振幅位相調節器。但是普通液晶顯示器其振幅和位相是互相關聯的，必須調整 其兩側的偏振片使其工作在位相調節為主或振幅調節為主模式，同時把兩塊像素嚴格一一 對準的液晶顯示器按照相乘或相加的方式組合起來，以實現振幅和位相的獨立調節。本發 明專門針對基於隨機相長幹涉原理的三維成像特點，同時結合上述三基元色分區照明方 式，設計了專用的液晶板，其特點在於去掉了彩色液晶顯示器中的濾光膜，變彩色液晶顯示 器為灰度液晶板，同時使得液晶層兩側面板上液晶分子定向膜的指向互相平行，這樣液晶 分子的扭曲角度為零，入射線偏振光在通過該液晶板時偏振方向不發生任何變化，因此光 束強度也不發生改變，僅僅只是位相發生改變，液晶板工作於理想的純位相調節模式。當然 應該選擇液晶層的厚度與液晶材料的雙折射率差，使得位相調節範圍達到0 2 π範圍。進 一步，可以把這樣一塊純位相調節液晶板與一塊工作于振幅調節為主的液晶板集成製作成 一個整體，這樣既可以省略中間一塊偏振片和面板，簡化結構，同時大大增加穩定性，減少 後期組裝時的難度，因為在刻蝕製作時，兩塊液晶板的像素已經嚴格一一對準。
第四， 相干子光源發生器陣列由於照明光為平行雷射束，它們在穿過振幅位 相調節器陣列後，產生相互獨立的子光束陣列，但這些子光束仍然為平行光，不能在一個大 空間範圍內互相交匯，實現相干疊加，另外由於子光束呈周期排列，會產生許多高階衍射。 相干子光源發生器陣列的作用包括兩個方面，其一把相互獨立的子光束匯聚成點狀子光 源，這樣從每個子光源發出的光形成一個發散光錐，同時通過改變匯聚產生的子光源的位 置可調整發散光錐的方向和錐角大小，使所有子光源發出的發散光錐指向同一空間區域， 相互交匯。其二使所產生的子光源位置在空間呈隨機分布，消除高階衍射產生的多重像。因 此從功能上看，一個相干子光源發生器相當於一個光軸平行於子光束的微透鏡和一個微稜 鏡的組合或者相當於一個光軸傾斜的微透鏡，其中微透鏡起光束匯聚作用，其通光口徑大 小與子光束的大小相同，以保證每個子光束全部被聚焦，微透鏡與振幅位相調節器對準，即8與液晶板的每個像素一一對準，因此微透鏡與液晶板的像素一樣呈二維周期排列；如果微 透鏡的光軸平行於子光束，則它匯聚後產生的子光源與液晶板的像素呈相同的二維周期排 列，此時需要一個微稜鏡，對光束進行偏轉，使微透鏡匯聚產生的子光源的位置發生偏移， 且不同微稜鏡的稜角不同，對光束的偏轉角度不同，從而保證子光源的位置呈隨機分布；如 果微透鏡的光軸不平行於子光束，且不同微透鏡的傾角不同，則可保證所匯聚產生的子光 源的位置呈隨機分布。如前所述基於隨機相長幹涉原理的三維顯示裝置屬於相干成像系 統，只包含三種不同基元色雷射，針對這一特點本發明採用全息光學元件或二元光學元件 來構造相干子光源發生器。全息光學元件和二元光學元件都是很成熟的技術，它們可以把 幾個傳統光學元件的功能綜合在一起，例如可以把上述微透鏡和微稜鏡集成為一體，而且 可以採用熱壓、灌注、滾壓、複製等技術大規模生產，這樣在簡化結構，提高系統穩定性的同 時，還可降低生產成本。
下面進一步結合附圖對本發明原理和具體實施方法進行說明。
圖1給出了本發明的一種採用一塊集成式振幅位相調節器陣列和透射式全息光 學元件進行三維顯示的原理結構示意圖。該裝置由偏振相干光源1、照明光學系統2、振幅 位相調節器陣列3和相干子光源發生器陣列4組成，下面對上述4個功能模塊一一進行詳 細介紹。
在圖1中，相干光源1可以發出波長分別為λ」入2和λ 3的三基元色雷射，以實 現彩色立體顯示。因為採用液晶板進行振幅和位相調製，相干光源1直接採用線偏振光，這 樣光能全部被利用，如果相干光源1發出的三基元色雷射不是線偏振光，則需添加一個起 偏器，把它們變為線偏振光，但會損失大約一半光能。
在圖1中，照明光學系統2把相干光源1發出的細光束雷射擴束變為光強均勻分 布的寬光束平行雷射束，同時為了提高光能利用率，採用三基元色分離的分區照明方式。分 區照明的效果如圖2所示，其中每個方格代表一個照明子區域，波長分別為入3的 三基元色雷射按行或按列(圖2b)或同時按行和列(圖2a)周期性地照明整個區域。為了 達到圖2所示的三基元色分離的分區照明效果，照明光學系統2採用了兩組相互垂直放置 的平行平板分束器陣列，詳細結構如圖3所示。在圖3中第一組平行平板分束器陣列17中 的每塊平行平板分束器尺寸形狀相同，都為正方形，朝向相同相互平行地沿同一水平軸線 等間隔放置，並以45度入射角接收偏振相干光源發出的平行細光束，調整第一組平行平板 分束器陣列17中每塊平行平板分束器的間隔，同時沿光線傳播方向依次增強每塊平行平 板分束器的反射率，使得入射平行細光束經第一組平行平板分束器陣列17反射後轉換成 強度均勻且連續分布的平行線光束。具體地說，在忽略材料吸收損耗條件下，某一塊平行平 板分束器的反射率等於前一塊平行平板分束器的反射率除以前一塊平行平板分束器的透 射率，這樣被每塊平行平板分束器反射的光能相等。另外如果平行平板分束器陣列17中每 塊平行平板分束器的間隔過大，則被每塊平行平板分束器反射的光束互不相連；反之若間 隔過小，則被每塊平行平板分束器反射的光束互相重疊，兩種情況都造成光能分布不均勻。 同樣第二組平行平板分束器陣列18中的每塊平行平板分束器尺寸形狀相同，皆為長方形， 朝向相同相互平行地沿同一垂直軸線等間隔放置，並以例如45度入射角(也可以是其他角 度)接收第一組平行平板分束器陣列17發出的平行線光束。類似地，調整第二組平行平板 分束器陣列18中每塊平行平板分束器的間隔，同時沿光線傳播方向依次增強每塊平行平板分束器的反射率，使得第一組平行平板分束器陣列17發出的平行線光束經第二組平行 平板分束器陣列18反射後轉換成強度均勻且連續分布的平行面光束。進一步，為了實現圖 2所示三基元色分離的分區照明效果，兩組平行平板分束器陣列17、18中的每塊分束器整 體或分區域地分別蒸鍍同時反射三基元色的寬帶反射膜或僅反射某一基元色的窄帶反射 膜。例如在圖3中可把第一組平行平板分束器陣列17中的九塊平行平板分束器依次輪流蒸 鍍紅、綠、藍窄帶反射膜，而第二組平行平板分束器陣列18中的三塊平行平板分束器全部 蒸鍍同時反射紅、綠藍三基元色的寬帶反射膜，則如圖2b所示，最後經第二組平行平板分 束器陣列18反射後形成的強度均勻且連續分布的平行面光束會分成九列，每列輪流呈現 一種基元色。再如在圖3中可把第一組平行平板分束器陣列17中的九塊平行平板分束器 全部蒸鍍同時反射紅、綠藍三基元色的寬帶反射膜，而第二組平行平板分束器陣列18中的 三塊平行平板分束器每塊等分為三行九列共27個小方格，每個小方格依次輪流蒸鍍僅反 射一種基元色的窄帶反射膜，則如圖加所示，最後經第二組平行平板分束器陣列18反射後 形成的強度均勻且連續分布的平行面光束會分成九行九列，共81個小方格，每個小方格沿 行和列兩個方向周期輪流呈現一種基元色。當然每個小方格會照明液晶板上的許多像素， 例如100X100個像素，即使所有小方格內由相干子光源發生器陣列產生的相干子光源呈 完全相同的隨機分布，由於小方格的排列周期很大，由此引起的高階衍射可忽略不計。實際 上所有小方格內的相干子光源可呈完全不同的隨機分布，這樣可進一步抑制高階衍射。為 了減輕重量，兩組平行平板分束器陣列17和18可採用薄片式分光器，但片與片之間的間隔 不能減小，或者採用有機玻璃製造，這樣在減輕重量的同時保證足夠的機械強度。另外兩組 平行平板分束器陣列17和18的進光口與出光口，如圖3中第一組平行平板分束器陣列17 的進光口 GHIJ和出光口 HKLI以及第二組平行平板分束器陣列18的進光口 DCFE和出光口 ABCD，皆需光學拋光且蒸鍍寬帶增透膜，以減少光能損失。另外還可添加空間濾波器、直角 稜鏡等配件，進一步完善照明光學系統2的光學與機械結構。例如在圖1中，採用了一個由 光學透鏡13、14組成的望遠鏡系統，對相干光源發出的細光束進行預擴束，使其與圖3中平 行平板分束器陣列17的通光口大小一致，另外可把一個小孔可放置在圖1中的光學透鏡13 和14的公共焦點上進行空間濾波，遮擋雷射器發出的高階模。
在圖1中，振幅位相調節器陣列1採用一塊集成式液晶板，它由集成製作為一個整 體的後面板7、第一液晶層8、中間面板9、第二液晶層10、前面板11和緊貼在前面板上的偏 振片12組成。後面板7、第一液晶層8與中間面板9構成第一塊灰度液晶板5，中間面板9、 第二液晶層10、前面板11和偏振片12構成第二塊液晶板6，第一塊灰度液晶板5和第二塊 灰度液晶板6上的像素呈相同的二維周期分布，且一一互相對準。第一塊灰度液晶板5用 於進行位相調節，第二塊灰度液晶板6用於進行振幅調節。參見圖4，在兩塊灰度液晶板5 和6中，各個面板上液晶定向膜的取向分別如後面板7、中間面板9和前面板11左下方的箭 頭所示。其中屬於第一塊灰度液晶板5的後面板7與中間面板9上的液晶分子定向膜取向 平行，即液晶分子的扭曲角度為零，此類液晶板無論是透射式還是反射式都可工作於純位 相調節模式，具體原理解釋如下。
在液晶顯示器或液晶空間光調製器中，一般採用向列液晶分子。在分析液晶分子 對入射光的作用時，可以把整個液晶層細分成很多薄層，在每一薄層內，向列液晶分子的取 向是一致的，而靠近定向膜的薄層內，液晶分子的排列方向與定向膜的取向一致。在第一塊灰度液晶板5中，由於後面板7與中間面板9上的液晶分子定向膜取向平行，使得所有薄層 內液晶分子的排列方向都與定向膜的取向一致。當照明平行雷射束從後面板7下方入射 時，如果照明雷射束為線偏振光，且偏振方向平行於後面板7與中間面板9上的液晶分子定 向膜的取向，這時照明雷射束穿過第一塊灰度液晶板5時其偏振方向不發生任何改變，因 此其強度也不發生任何改變，僅僅是位相發生改變。當在後面板7與中間面板9之間施加 電壓時，液晶分子的排列趨向於與外加電場一致，隨著所施加驅動電壓從小變大，液晶分子 也逐步從平躺狀態向垂直站立狀態過渡，但棒狀液晶分子在的後面板7或中間面板9上的 投影仍然平行於定向膜的取向，此時液晶板5對入射光的位相調節量逐步減小。因此第一 塊灰度液晶板5是一種理想的純位相調節器。假設面板之間的間距為d，液晶材料的正常折 射率和異常折射率分別為η。和ne，入射光的波長為λ，則透射式液晶板所能達到的最大位 相調節量為
權利要求
1.一種基於隨機相長幹涉的立體成像裝置，包括發射三基元色相干雷射的相干光源(1)；將所述相干光源(1)發出的細光束三基元色相干雷射擴束轉換成多束均勻的且三基 元色分離的寬光束三基元色相干雷射的照明光學系統O)；振幅位相調節器陣列(3)，其每個振幅位相調節器分別對所述照明光學系統( 發出 的寬光束三基元色相干雷射的振幅位相進行調節以生成相互獨立的子光束陣列；以及相干子光源發生器陣列，其每個相干子光源發生器分別對準所述振幅位相調節器 陣列(3)的一個相應的振幅位相調節器，使得所述相互獨立的子光束一一對應地入射到相 乾子光源發生器陣列(4)中的每個相干子光源發生器，並匯聚產生位置呈隨機分布的相干 子光源陣列，且使每個相干子光源發出的光錐與三維立體像所在的三維區間重疊。
2.根據權利要求1所述的立體成像裝置，其中，相干子光源發生器陣列(4)是透射式全 息光學元件陣列，其每個透射式全息光學元件(1 上配置的幹涉條紋使得透射後匯聚形 成的相干子光源的位置呈隨機分布；或者相干子光源發生器陣列(4)是反射式全息光學元件陣列，其每個反射式全息光學元件 (58)上配置的幹涉條紋使得反射後匯聚形成的相干子光源的位置呈隨機分布。
3.根據權利要求1或2所述的立體成像裝置，其中，所述每個透射式全息光學元件 (15)上配置的幹涉條紋為三塊分別針對三種基元色的單色透射式全息光學元件的幹涉條 紋的疊加；或者所述每個反射式全息光學元件(58)上的幹涉條紋為三塊分別針對三種基元色的單色 反射式全息光學元件的幹涉條紋的疊加。
4.根據權利要求1所述的立體成像裝置，其中，相干子光源發生器陣列(4)是二元光學 元件陣列，其每個二元光學元件(21，36)是組合了微透鏡和微稜鏡功能的元件，其每個二 元光學元件(21，36)表面的微結構被配置成使得匯聚形成的子光源的位置呈隨機分布。
5.根據權利要求1所述的立體成像裝置，其中，相干子光源發生器陣列(4)是具有多個 反射式微透鏡的反射式微透鏡陣列(22)，通過偏轉每個反射式微透鏡的光軸方 向，使得其匯聚後形成的子光源的位置呈隨機分布；或者相干子光源發生器陣列(4)是具有多個透射式微透鏡0 的透射式微透鏡陣列04)， 通過偏轉每個反射式微透鏡0 的光軸方向，使得其匯聚後形成的子光源的位置呈隨機 分布。
6.根據權利要求1所述的立體成像裝置，其中，振幅位相調節器陣列C3)包含透射式純 位相調節液晶板(5，33，34)，透射式純位相調節液晶板(5，33，34)的液晶層兩側的面板上 的液晶分子定向膜的取向互相平行，使得液晶分子的扭曲角度為零，同時液晶層的厚度和 液晶材料的雙折射率差使得透射式純位相調節液晶板(5，33，34)的位相調節範圍達到O 2 π ；或者振幅位相調節器陣列( 包含反射式純位相調節液晶板(38，39，41，42)，反射式純位 相調節液晶板(38，39，41，42)的液晶層兩側的面板上的液晶分子定向膜的取向互相平行， 使得液晶分子的扭曲角度為零，同時液晶層的厚度和液晶材料的雙折射率差使得反射式純 位相調節液晶板(38，39，41，42)的位相調節範圍達到O 2 π。
7.根據權利要求1或6所述的立體成像裝置，其中，振幅位相調節器陣列( 包括集成製作為一個整體的後面板(7)、第一液晶層(8)、中間面板(9)、第二液晶層(10)、前面板 (11)和緊貼在前面板上的偏振片(12)；後面板(7)、第一液晶層⑶與中間面板(9)構成 第一塊灰度液晶板(5)，中間面板(9)、第二液晶層(10)、前面板(11)和偏振片(12)構成第 二塊液晶板(6)，第一塊灰度液晶板( 和第二塊灰度液晶板(6)上的像素呈相同的二維周 期分布，且一一互相對準；其中第一塊灰度液晶板( 為透射式純位相調節液晶板，同時改變屬於第二塊灰度液 晶板(6)的中間面板(9)和前面板(11)上的液晶分子定向膜的取向以及偏振片(12)的偏 振方向，使得第二塊灰度液晶板(6)工作于振幅調節為主模式。
8.根據權利要求1所述的立體成像裝置，其中接收相干雷射光源(1)發出的三種基元 色細光束雷射，並對其進行擴束的照明光學系統( 包括兩組相互垂直放置的平行平板分 束器陣列(17、18)；其中第一組平行平板分束器陣列(17)中的每塊平行平板分束器尺寸形狀相同，朝向 相同相互平行地沿同一軸線等間隔放置，調整第一組平行平板分束器陣列(17)中每塊平 行平板分束器的間隔，同時沿光線傳播方向依次增強每塊平行平板分束器的反射率，使得 偏振相干光源(1)發出的平行細光束經第一組平行平板分束器陣列(17)反射後轉換成強 度均勻且連續分布的平行線光束；其中，第二組平行平板分束器陣列(18)中的每塊平行平板分束器尺寸形狀相同，朝向 相同相互平行地沿同一軸線等間隔放置，調整第二組平行平板分束器陣列(18)中每塊平 行平板分束器的間隔，同時沿光線傳播方向依次增強每塊平行平板分束器的反射率，使得 第一組平行平板分束器陣列(17)發出的平行線光束經第二組平行平板分束器陣列(18)反 射後轉換成強度均勻且連續分布的平行面光束；其中，兩組平行平板分束器陣列(17、18)中的每塊分束器整體或分區域地分別蒸鍍同 時反射三基元色的寬帶反射膜或僅反射某一基元色的窄帶反射膜，使得第二組平行平板分 束器陣列(18)發出的平行面光束在其橫截面上沿行或沿列或同時沿行和列兩個方向三基 元色依次周期分布；兩組平行平板分束器陣列(17、18)的進光口與出光口光學拋光且蒸鍍 寬帶增透膜。
9.根據權利要求1所述的立體成像裝置，其中振幅位相調節器(3)由三個子振幅位相 調節器(50、51、52)、一個具有一個出光面和三個進光面的立方分光稜鏡(5 和一個光學 鏡頭(3 組成；光學鏡頭(3 放置在立方分光稜鏡(5 的出光面前，光學鏡頭(3 的光 軸與立方分光稜鏡(5 的出光面的中心軸重合；三個子振幅位相調節器(50、51、5幻分別 放置在立方分光稜鏡(5 的三個進光面前，三個子振幅位相調節器(50、51、5幻的中心軸 分別與立方分光稜鏡(5 的三個進光面的中心軸重合；立方分光稜鏡(5 由四塊相同的 直角稜鏡(M、55、56、57)按直角稜相抵的方式粘合而成，直角稜鏡(54、55、56、57)的直角 面分別蒸鍍有針對某一基元色的窄帶反射膜，使得分別從立方分光稜鏡(5 的三個進光 面入射的三基元色雷射能夠反射或透射穿過立方分光稜鏡(53)，並從立方分光稜鏡(53) 的出光面出射，立方分光稜鏡(5 的所有進光面與出光面皆蒸鍍有寬帶增透膜；三個子振 幅位相調節器(50、51、5幻的像素互相一一對準使得通過光學透鏡(3 投影成像後在像面 ——互相重疊。
全文摘要
本發明公開了一種基於隨機相長幹涉原理的立體顯示裝置，它採用振幅位相調節器陣列調節入射雷射的振幅和位相，進一步通過反射式或透射式全息光學元件或二元光學元件或傾斜微透鏡匯聚產生位置呈隨機分布的相干子光源陣列，通過這些相干子光源的相長幹涉形成三維立體像。它可採用低解析度的灰度液晶板通過三原色雷射分區照明實現實時彩色立體顯示，可廣泛應用於計算機與電視三維顯示，三維人機交換，機器人視覺等領域。
文檔編號H04N13/00GK102033413SQ20091009300
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月25日 優先權日2009年9月25日
發明者李志揚 申請人:李志揚