CN118584685A - 一种基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3d显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统，该系统包括白光激光器、同步控制模块、空间光调制器、空间滤波器、准直镜、半透半反镜、傅里叶透镜、滤波器和时序消色差液晶光栅，其中，所提系统的核心器件时序消色差液晶光栅时序对红色、绿色和蓝色重建光进行二次衍射调制，并分别产生±M阶二次衍射像，时序消色差液晶光栅对红色、绿色和蓝色重建光调制的衍射角相同，从而将所提系统的视角扩大到(2M+1)倍。观看者在时序消色差液晶光栅的后方观看到大视角且无色差的彩色全息3D重建像。

Description

一种基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统

一、技术领域

本发明涉及全息3D显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统。

二、背景技术

近年来随着虚拟现实、增强现实和混合现实的蓬勃发展，市场对于能够提供沉浸式观看体验的3D显示技术的需求日益增加。全息3D显示能再现出任意3D物体的全部深度信息，从根本上解决了观看者的眩晕和视觉疲劳等问题，被视为极具潜力的真3D显示技术之一。具有大视角和彩色显示效果的全息3D显示是市场的需求，也是科研人员追求的目标。2011年，日本情报通信研究机构的研究人员提出了一种基于三块液晶显示面板的大视角彩色全息3D显示系统。在这个系统中，红、绿、蓝三色再现光时序照射三块液晶显示面板，实现了彩色显示，但是该系统光路结构复杂且空间对准难度高。2020年，暨南大学的研究者利用像素尺寸为亚波长量级的超表面结构记录全息图，在实现彩色显示的同时有效扩大了全息重建像的视角。所设计的超表面全息图基于角度复用的原理对红、绿、蓝入射光分别进行调制，并使三色重建像在空间中重合。超表面全息图能以超小的面积实现大视角彩色全息3D显示，但是加工复杂、加工成本高。如今，如何以简单的光路结构、低廉的成本实现大视角彩色全息3D显示是近年来研究的热点。

三、发明内容

本发明提出一种基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统，如附图1所示，该系统包括白光激光器、同步控制模块、空间光调制器、空间滤波器、准直镜、半透半反镜、傅里叶透镜、滤波器和时序消色差液晶光栅。其中，白光激光器用于时序产生红色、绿色和蓝色激光。同步控制模块用于控制白光激光器的出射激光、空间光调制器上所加载的红、绿、蓝三色全息图和时序消色差液晶光栅的驱动电压切换同步。空间滤波器和准直镜配合使用，用于将激光扩束并产生准直平行的入射光。半透半反镜将入射光反射，使其照射到时序加载了红、绿、蓝三色全息图的空间光调制器。经过空间光调制器波前调制的重建光携带着被记录3D物体的所有信息，通过半透半反镜后被傅里叶透镜会聚到傅里叶平面，并被光阑滤掉杂散光。位于傅里叶平面附近的时序消色差液晶光栅时序对红色、绿色和蓝色重建光进行二次衍射调制，并分别产生±M阶二次衍射像，时序消色差液晶光栅对红色、绿色和蓝色重建光调制的衍射角相同，从而将所提系统的视角扩大到(2M+1)倍。观看者在时序消色差液晶光栅的后方观看到大视角且无色差的彩色全息3D重建像。

本发明所提出的系统的核心光学器件是时序消色差液晶光栅，其结构如附图2所示。时序消色差液晶光栅由下玻璃基板，液晶层Ⅰ、中玻璃基板、液晶层Ⅱ和上玻璃基板组成。其中，下玻璃基板上层涂覆像素电极Ⅰ和公共电极Ⅰ，中玻璃基板下层涂覆像素电极Ⅱ和公共电极Ⅱ，中玻璃基板上层涂覆像素电极Ⅲ和公共电极Ⅲ。像素电极Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ外接驱动电压，公共电极Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ接地。像素电极Ⅰ和公共电极Ⅰ的电极宽度均为w₁，它们之间的电极间隙为l₁。像素电极Ⅱ和公共电极Ⅱ的电极宽度均为w₂，它们之间的电极间隙为l₂。像素电极Ⅲ和公共电极Ⅲ的电极宽度均为w₃，它们之间的电极间隙为l₃。像素电极Ⅰ、像素电极Ⅱ和像素电极Ⅲ时序外接驱动电压。像素电极Ⅰ外接驱动电压V₁时，时序消色差液晶光栅的光栅节距为d₁。像素电极Ⅱ外接驱动电压V₂时，时序消色差液晶光栅的光栅节距为d₂。像素电极Ⅲ外接驱动电压V₃时，时序消色差液晶光栅的光栅节距为d₃。

时序消色差液晶光栅满足以下光栅方程：

d₁ sinθ₁＝Mλ_r (1)

d₂sinθ₂＝Mλ_g (2)

d₃ sinθ₃＝Mλ_b (3)

其中θ₁为波长为λ_r的红光经过光栅节距为d₁的时序消色差液晶光栅后的衍射角，θ₂为波长为λ_g的绿光经过光栅节距为d₂的时序消色差液晶光栅后的衍射角，θ₃为波长为λ_b的蓝光经过光栅节距为d₃的时序消色差液晶光栅后的衍射角。M为衍射级次，其值为整数。通过调节光栅节距、三色光波长和像素电极的外接驱动电压，保证公式(1)-(3)中M≥2。

根据光栅方程得出，时序消色差液晶光栅的衍射角与光栅节距和波长均相关。为了使经过时序消色差液晶光栅二次衍射调制后的红光、绿光和蓝光具有相同的衍射角，d₁、d₂、d₃满足公式(4)：

本发明所提出的系统中不同电压下时序消色差液晶光栅的结构图如附图3所示。当下玻璃基板上层的像素电极上加载的电压V₁不为0，中玻璃基板的下层和上层像素电极上加载的电压V₂和V₃均为0时，液晶层Ⅰ在电场的作用下产生如附图3(a)所示的液晶分子分布。此时白光激光器发出红光，空间光调制器加载红色全息图，时序消色差液晶光栅处于液晶分子分布Ⅰ状态，其节距为d₁，对波长为λ_r的红光进行二次衍射调制，产生±M阶红色二次衍射像。当中玻璃基板的下层像素电极上加载的电压V₂不为0，下玻璃基板上层和中玻璃基板上层像素电极上加载的电压V₁和V₃均为0，液晶层Ⅰ在电场的作用下产生如附图3(b)所示的液晶分子分布Ⅱ。此时白光激光器发出绿光，空间光调制器加载绿色全息图，时序消色差液晶光栅处于液晶分子分布Ⅱ状态，其节距为d₂，对波长为λ_g的绿光进行二次衍射调制，产生±M阶绿色二次衍射像。当中玻璃基板上层的像素电极上加载的电压V₃不为0，下玻璃基板上层和中玻璃下层的像素电极上加载的电压V₁和V₂均为0，液晶层Ⅱ在电场的作用下产生如附图3(c)所示的液晶分子分布。此时白光激光器发出蓝光，空间光调制器加载蓝色全息图，时序消色差液晶光栅处于液晶分子分布Ⅲ状态，其节距为d₃，对波长为λ_b的蓝光进行二次衍射调制，产生±M阶蓝色二次衍射像。经过时序消色差液晶光栅二次衍射调制的±M阶红、绿、蓝三色重建像具有相同的衍射角。由于激光器的切换速度、全息图的切换速度和时序消色差液晶光栅的刷新速度足够快，基于人眼视觉暂留效应，±M阶红、绿、蓝三色重建像在空间中重合生成无色差的大视角彩色全息重建像。当系统不使用时序消色差液晶光栅时，全息3D显示系统的视角为β，满足以下公式：

其中p为空间光调制器的像素间距。使用所提出的时序消色差液晶光栅后，所提全息3D显示系统的视角为(2M+1)β。

四、附图说明

附图1为本发明的基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统示意图。

附图2为本发明的时序消色差液晶光栅的结构示意图。

附图3为本发明的不同电压下时序消色差液晶光栅的结构图。

上述各附图中的图示标号为：

(1)白光激光器、(2)同步控制模块、(3)空间滤波器、(4)准直镜、(5)空间光调制器、(6)半透半反镜、(7)傅里叶透镜、(8)光阑、(9)消色差液晶光栅、(10)下玻璃基板、(11)中玻璃基板、(12)上玻璃基板、(13)液晶层Ⅰ、(14)液晶层Ⅱ、(15)公共电极Ⅰ、(16)像素电极Ⅰ、(17)公共电极Ⅱ、(18)像素电极Ⅱ、(19)像素电极Ⅲ、(20)公共电极Ⅲ。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

五、具体实施方式

下面详细说明本发明提出的一种基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明的系统实施例为：在实验系统中，白光激光器受同步控制模块控制，时序出射红色、绿色、蓝色激光，其中红光波长为676nm，绿光波长为520nm，蓝光波长为468nm。空间光调制器的像素间距为3.6μm，分辨率为3840×2160，最高刷新率为180Hz，相位调制范围为0-2π，傅里叶透镜的焦距为20cm。同步控制模块用于同步时序控制空间光调制器上的红、绿、蓝单色全息图的加载、白光激光器出射激光的切换和时序消色差液晶光栅的驱动电压。时序消色差液晶光栅中，三层像素电极的宽度分别为w₁＝13μm，w₂＝10μm，w₃＝9μm。

在第一时刻，同步控制模块控制白光激光器出射红光，空间光调制器上加载红色全息图，下玻璃基板上层的像素电极加载电压V₁＝15V，中玻璃基板的下层和上层像素电极分别加载电压V₂＝0V，V₃＝0V，时序消色差液晶光栅处于液晶分子分布Ⅰ状态，其节距d₁＝26μm。红色全息重建光经过时序消色差液晶光栅的二次衍射调制后，产生±4阶的衍射像。在第二时刻，同步控制模块控制白光激光器出射绿光，空间光调制器上加载绿色全息图，下玻璃基板上层的像素电极加载电压V₁＝0V，中玻璃基板的下层和上层像素电极分别加载电压V₂＝13V，V₃＝0V，时序消色差液晶光栅处于液晶分子分布Ⅱ状态，其节距d₂＝20μm。绿色全息重建光经过时序消色差液晶光栅的二次衍射调制后，产生±4阶的衍射像。在第三时刻，同步控制模块控制白光激光器出射蓝光，空间光调制器上加载蓝色全息图，下玻璃基板上层的像素电极加载电压V₁＝0V，中玻璃基板的下层和上层像素电极分别加载电压V₂＝0V，V₃＝12V，时序消色差液晶光栅处于液晶分子分布Ⅲ状态，其节距d₃＝18μm。蓝色全息重建光经过时序消色差液晶光栅的二次衍射调制后，产生±4阶的衍射像。根据视觉暂留效应，人眼能观看到大视角的彩色全息3D重建像。由于时序消色差液晶光栅的二次衍射的调制，时序消色差液晶光栅的后方产生9个二次衍射像，因此，基于时序消色差液晶光栅的彩色全息3D显示系统的视角为传统全息3D显示系统视角的9倍。

Claims (3)

1.一种基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统，该系统包括白光激光器、同步控制模块、空间光调制器、空间滤波器、准直镜、半透半反镜、傅里叶透镜、滤波器和时序消色差液晶光栅；其中，白光激光器用于时序产生红色、绿色和蓝色激光；同步控制模块用于控制白光激光器的出射激光、空间光调制器上所加载的红、绿、蓝三色全息图和时序消色差液晶光栅的驱动电压切换同步；空间滤波器和准直镜配合使用，用于将激光扩束并产生准直平行的入射光；半透半反镜将入射光反射，使其照射到时序加载了红、绿、蓝三色全息图的空间光调制器；经过空间光调制器波前调制的重建光携带着被记录3D物体的所有信息，通过半透半反镜后被傅里叶透镜会聚到傅里叶平面，并被光阑滤掉杂散光；位于傅里叶平面附近的时序消色差液晶光栅时序对红色、绿色和蓝色重建光进行二次衍射调制，并分别产生±M阶二次衍射像，时序消色差液晶光栅对红色、绿色和蓝色重建光调制的衍射角相同，将所提系统的视角扩大到(2M+1)倍；观看者在时序消色差液晶光栅的后方观看到大视角且无色差的彩色全息3D重建像。

2.根据权利要求1所述的一种基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统，其特征在于，系统的核心光学器件是时序消色差液晶光栅，其由下玻璃基板，液晶层Ⅰ、中玻璃基板、液晶层Ⅱ和上玻璃基板组成；其中，下玻璃基板上层涂覆像素电极Ⅰ和公共电极Ⅰ，中玻璃基板下层涂覆像素电极Ⅱ和公共电极Ⅱ，中玻璃基板上层涂覆像素电极Ⅲ和公共电极Ⅲ；像素电极Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ外接驱动电压，公共电极Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ接地；像素电极Ⅰ和公共电极Ⅰ的电极宽度均为w₁，它们之间的电极间隙为l₁；像素电极Ⅱ和公共电极Ⅱ的电极宽度均为w₂，它们之间的电极间隙为l₂；像素电极Ⅲ和公共电极Ⅲ的电极宽度均为w₃，它们之间的电极间隙为l₃；像素电极Ⅰ、像素电极Ⅱ和像素电极Ⅲ时序外接驱动电压；像素电极Ⅰ外接驱动电压V₁时，时序消色差液晶光栅的光栅节距为d₁；像素电极Ⅱ外接驱动电压V₂时，时序消色差液晶光栅的光栅节距为d₂；像素电极Ⅲ外接驱动电压V₃时，时序消色差液晶光栅的光栅节距为d₃；时序消色差液晶光栅满足以下光栅方程：

d₁sinθ₁＝Mλ_r

d₂sinθ₂＝Mλ_g

d₃sinθ₃＝Mλ_b

其中θ₁为波长为λ_r的红光经过光栅节距为d₁的时序消色差液晶光栅后的衍射角，θ₂为波长为λ_g的绿光经过光栅节距为d₂的时序消色差液晶光栅后的衍射角，θ₃为波长为λ_b的蓝光经过光栅节距为d₃的时序消色差液晶光栅后的衍射角；M为衍射级次，其值为整数，通过调节光栅节距、三色光波长和像素电极的外接驱动电压，保证M≥2；时序消色差液晶光栅的光栅节距d₁、d₂、d₃满足下式：

经过时序消色差液晶光栅二次衍射调制后的红光、绿光和蓝光具有相同的衍射角。

3.根据权利要求1所述的一种基于时序消色差液晶光栅的大视角彩色全息3D显示系统，其特征在于，当下玻璃基板上层的像素电极上加载的电压V₁不为0，中玻璃基板的下层和上层像素电极上加载的电压V₂和V₃均为0时，白光激光器发出红光，空间光调制器加载红色全息图，时序消色差液晶光栅处于液晶分子分布Ⅰ状态，其节距为d₁，对波长为λ_r的红光进行二次衍射调制，产生±M阶红色二次衍射像；当中玻璃基板的下层像素电极上加载的电压V₂不为0，下玻璃基板上层和中玻璃基板上层像素电极上加载的电压V₁和V₃均为0，白光激光器发出绿光，空间光调制器加载绿色全息图，时序消色差液晶光栅处于液晶分子分布Ⅱ状态，其节距为d₂，对波长为λ_g的绿光进行二次衍射调制，产生±M阶绿色二次衍射像；当中玻璃基板上层的像素电极上加载的电压V₃不为0，下玻璃基板上层和中玻璃下层的像素电极上加载的电压V₁和V₂均为0，白光激光器发出蓝光，空间光调制器加载蓝色全息图，时序消色差液晶光栅处于液晶分子分布Ⅲ状态，其节距为d₃，对波长为λ_b的蓝光进行二次衍射调制，产生±M阶蓝色二次衍射像；经过时序消色差液晶光栅二次衍射调制的±M阶红、绿、蓝三色重建像具有相同的衍射角；由于激光器的切换速度、全息图的切换速度和时序消色差液晶光栅的刷新速度足够快，基于人眼视觉暂留效应，±M阶红、绿、蓝三色重建像在空间中重合生成无色差的大视角彩色全息重建像；当系统不使用时序消色差液晶光栅时，全息3D显示系统的视角为β，满足以下公式：

其中p为空间光调制器的像素间距；使用所提出的时序消色差液晶光栅后，所提全息3D显示系统的视角为(2M+1)β。