[发明专利]一种消不良光的全息变焦系统

说明书

技术领域

本发明涉及全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种消不良光的全息变焦技术。

背景技术

近年来，为了满足动态、实时显示的需求，基于空间光调制器（SLM）的全息显示技术受到广泛的关注。作为SLM的一种，硅基液晶（LCOS）以其高集成化、大开口率、响应时间快等优势被越来越多的应用于显示系统中。然而，由于LCOS自身像素结构的影响，再现像的观看效果会受到多级衍射光和多级再现像的干扰。为了消除这些不良光，有学者提出在全息图上加载会聚的球面波，从而将多级衍射光和多级再现像分开；也有学者提出使用线性的相位偏移来实现分离。2009年，北京理工大学的学者将上述两种方法结合起来，消除了多级衍射光。为了消除多级再现像，目前常用的方法是使用4f系统，再结合光阑的使用，可以实现在接收屏上只观看到一级再现像。因此，如果要将不良光全部消除，得到理想的一级再现像，系统将会变得更加复杂。

发明内容

本发明提出一种消不良光的全息变焦系统。如附图1所示，该系统包括激光器、滤波器I、准直透镜、LCOS、固体透镜、滤波器II、液体透镜、接收屏。其中滤波器I、准直透镜用于将激光器发出的激光扩束形成准直平面光，固体透镜位于LCOS的后面，滤波器II位于固体透镜的焦平面位置，液体透镜位于接收屏和滤波器II之间。

附图2为该系统的原理示意图。当使用准直光照射LCOS时，再现像由两部分组成，一部分是全息图衍射形成的多级衍射像，另一部分是由LCOS本身的像素结构引起的多级衍射光。其中d₁是LCOS和固体透镜之间的距离，d₂是固体透镜和滤波器II之间的距离，d₃是多级衍射光和多级再现像之间的距离，d₄是液体透镜与多级衍射像之间的距离，接收屏和液体透镜的距离是d₅。为了消除多级衍射光，我们使用发散球面波来分离多级衍射像和多级衍射光。根据透镜的成像公式，可以得到：

（1）

式中r是发散球面波的半径，固体透镜的放大倍率为M₁=-d₂/(d₁-r-d₂)。加载了发散球面波以后，多级衍射像的聚焦位置向后移，而由LCOS像素结构引起的多级衍射光的位置保持不变。因此，多级衍射光经过滤波器II后被消除，多级衍射像经过液体透镜后照射在接收屏上，其关系为：

（2）

式中f是液体透镜的焦距，液体透镜的放大倍率为M₂=-(d₅-f)/f。由于液体透镜的孔径比较小，可以限制多级衍射像，最终我们可以在接收屏上看到理想的再现像。由公式（1）-（2）可以得到：

（3）

再现像的大小H满足：

（4）

式中p是LCOS的像素间距，λ是再现光的的波长。从公式（3）-（4）可以看出，当LCOS、固体透镜、滤波器II、液体透镜和接收屏的位置保持不变时，对于给定的r，可以计算出f的值，我们可以通过改变r和f来调节再现像的大小。因此，该系统可以实现变焦的功能。

优选地，发散球面波的相位φ_s满足：

（5）

式中k=2π/λ，x, y分别表示发散球面波上的点到光轴在水平方向和竖直方向上的距离。

优选地，滤波器II位于固体透镜的焦平面处，固体透镜的焦距等于d₂。

优选地，液体透镜是基于电湿润效应原理，通过改变外加电压来改变它的焦距。为了消除多级衍射像，液体透镜的孔径d≥3mm且d≤5mm，附图3是液体透镜的焦距随电压变化的示意图。

附图说明

附图1为一种消不良光的全息变焦系统的示意图。

附图2为一种消不良光的全息变焦系统的原理示意图。

附图3为液体透镜的焦距随电压变化的示意图。

附图4为再现像的大小随发散球面波的半径变化的示意图。

上述各附图中的图示标号为：