[发明专利]一种基于相长干涉的三维立体显示装置

说明书

技术领域

本发明涉及三维立体成像领域，更具体涉及一种基于相长干涉的三维立体显示装置，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，其中振幅反映了物体亮度信息，而位相反映了物体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。近年来Sub-holography通过产生一系列离散体元显著降低了全息图的信息量，为了使得干涉条纹充分稀疏（达到数十微米量级），以便于用液晶显示器代替全息干板动态显示干涉条纹，在Sub-holography成像技术中每个体元发出的光锥仅仅覆盖观察者的眼睛，锥角小于1度，这样必须时刻跟踪观察者眼睛的位置，而且必须为每一只眼睛产生一套立体图像，由于总的立体体元数目有限，观看人越多，每个人分配的体元数目越少，图像清晰度越低。

专利号为201010190482.3的发明和申请号为201210262034.9的发明提出了基于数字光学位相共轭原理的相干立体显示技术，该技术的核心是采用一个绝热锥形光波导束把复杂光波分解为许许多多单模光波导的基模，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基模的共轭光波。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，从而重建出一个个体元，并由这些体元构成一幅立体图像。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，同时由于微透镜阵列板的引入，在实现大尺寸立体图像显示的同时还保证了大观察角。该方法的唯一不足是必须借助绝热锥形光波导束，一个绝热锥形光波导束由成千上万根单模光波导组成，在绝热锥形光波导束的细端，各个单模光波导彼此相互耦合，从细端到粗端，单模光波导之间的间距逐步增加，在绝热锥形光波导束的粗端，单模光波导彼此相互隔离，借助该绝热锥形光波导束可实现任意复杂光学波前的分解与合成，但绝热锥形光波导束需要采用专业技术进行制作。