一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法

一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法
一、技术领域
1.本发明涉及全息近眼显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法。
二、

背景技术：

2.近眼显示能为观看者提供沉浸式的三维场景再现，在增强现实和虚拟现实领域应用广泛。其中，利用空间光调制器精确调控光波前的全息近眼显示技术，能提供三维场景的所有深度信息，因而被看作最具有潜力的近眼显示技术之一。然而，现有的全息近眼显示存在着视场角较小的问题，这限制了全息近眼显示的应用。为了扩大全息近眼显示的视场角，日本大阪产业技术研究所的研究者利用角锥全息光学元件产生大角度的发散球面波，实现了水平观看视角和垂直观看视角的同时扩展。微软研究院的研究者利用发散光束照射空间光调制器，配合使用高放大倍率的目镜，实现了大视角的全息近眼显示。美国加州大学伯克利分校的研究者通过在空间光调制器的共轭面引入随机相位掩膜，突破了空间带宽积的限制，增大了全息近眼显示系统的视场角。目前，如何以简单的系统结构实现大视角的全息近眼显示是研究的热点。
三、

技术实现要素：

3.本发明提出一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法，如附图1所示，该方法包括三个步骤：第一步，首先计算倾斜角度为θ1，θ2，
……
，θn的n个载波的相位因子，将被记录物体分别与n个载波的相位因子叠加并根据近场衍射原理计算得到被记录物体的n个子全息图；第二步，将n个加载了不同载波相位因子的子全息图叠加得到复合全息图，并将复合全息图加载到空间光调制器上；第三步，利用线偏光照射空间光调制器，对零级衍射像和高阶衍射像对应的杂散光进行滤波后，在4f系统的频谱面得到n个再现光的频谱点，利用液晶锥透镜对n个频谱点进行调制，从而得到2
×
n个再现像，实现视角的连续扩大。
4.在步骤一中，如附图2所示，以傅里叶透镜的焦点为坐标原点建立x-y-z坐标轴，载波的倾斜角度记为θ1，θ2，
……
，θn，子全息图加载了倾斜角度为θi(1≤i≤n)的载波，其再现光经过傅里叶透镜后频谱点的坐标为(xi,yi)，根据几何关系，倾斜角度为θi的载波的相位因子ui计算为：
[0005][0006][0007]
ui＝exp[jk(xsinθ
xi
ysinθ
yi
)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0008]
其中θ
xi
和θ
yi
分别是倾角θi在x方向和y方向的分量，f是傅里叶透镜的焦距，j是虚数，k是波数，与波长λ满足关系被记录物体的光场分布为i(x,y),叠加载波的相位
因子ui，被记录物体的光场复振幅分布ai(x,y)为：
[0009]ai
(x,y)＝i(x,y)exp[jk(xsinθ
xi
ysinθ
yi
)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0010]
基于公式(4)，根据近场衍射原理计算得到叠加了载波的相位因子ui的子全息图hi(x1,y1)为：
[0011][0012]
其中z是衍射距离，f
x
和fy是空间频率，φ是傅里叶变换，φ-1
是傅里叶逆变换。
[0013]
在步骤二中，将步骤一中计算得到的n个加载了不同载波相位因子的子全息图hi(x1,y1)叠加，得到复合全息图h(x1,y1)为：
[0014][0015]
将得到的复合全息图h(x1,y1)加载到空间光调制器上。
[0016]
在步骤三中，如附图3所示，利用线偏光照射加载了复合全息图的空间光调制器进行全息再现，利用两个傅里叶透镜和滤波器组成的4f系统对零级衍射像和高阶衍射像对应的杂散光进行滤波，使得n个子全息图对应的一级衍射像均通过放置在4f系统频谱面后方的滤波器，在4f系统的频谱面得到n个再现光场的频谱。液晶锥透镜紧挨滤波器，位于4f系统的频谱面，利用液晶锥透镜的偏振选择特性对再现光进行调制。液晶锥透镜的偏振选择特性如附图4所示，入射的左旋圆偏光经过液晶锥透镜后变为右旋圆偏光并以α角度向光轴偏转，入射的右旋圆偏光经过液晶锥透镜后变为左旋圆偏光并以-α角度向远离光轴方向偏转。当一束线偏再现光入射液晶锥透镜时，出射光为传播方向和旋性相反的两束圆偏再现光，再现像的视角扩大了两倍。当n束线偏再现光入射液晶锥透镜时，出射光为2
×
n束再现光，产生2
×
n个衍射像。出射的2
×
n束再现光经过半透半反镜折转后，人眼观看到大视角的虚实融合再现像。当再现像的大小、衍射距离和载波的倾斜角度确定时，控制液晶锥透镜的偏折角α使2
×
n个衍射像视角连续。
[0017]
优选地，载波的倾斜角度θi在x方向和y方向的分量θ
xi
和θ
yi
满足其中为空间光调制器的最大衍射角。改变载波的倾斜角度和载波数量，能实现视角的水平方向和垂直方向的连续扩大。
四、附图说明
[0018]
附图1为本发明一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法的方法示意图。
[0019]
附图2是本发明的载波的计算方法示意图。
[0020]
附图3是本发明一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法的光路示意图。
[0021]
附图4是本发明的液晶锥透镜的偏振特性的示意图。附图4(a)为入射光为左旋圆偏光时液晶锥透镜的调制结果示意图，附图4(b)为入射光为右旋圆偏光时液晶锥透镜的调制结果示意图，附图4(c)为入射光为线偏光时液晶锥透镜的调制结果示意图。
[0022]
附图5是本发明一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法的实施例的视区扩大示意图。
[0023]
上述各附图中的图示标号为：
[0024]
(1)子全息图、(2)载波、(3)第一傅里叶透镜、(4)空间光调制器、(5)滤波器、(6)液
晶锥透镜、(7)第二傅里叶透镜、(8)半透半反镜、(9)人眼、(10)右旋圆偏光、(11)左旋圆偏光、(12)线偏光、(13)频谱点a、(14)频谱点b。
[0025]
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
[0026]
下面详细说明本发明提出的一种基于液晶锥透镜的大视角全息近眼显示方法的实施例，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。
[0027]
本发明的一个实施例为：在实验中，再现光的波长为532nm，空间光调制器为纯相位型，像素间距为6.4μm，分辨率为1920
×
1080，相位调制能力是2π，最大衍射角约为2.8
°
。傅里叶透镜的焦距为25cm，液晶锥透镜的通光孔径为20mm，偏折角为1
°
。子全息图1和子全息图2加载载波后，其再现光经过傅里叶透镜分别汇聚在坐标为(9mm，0)、(0，9mm)的两个频谱点a、b，根据公式(1)-(2)计算出载波的倾斜角θ1和θ2在x方向和y方向的分量分别为θ
x1
＝2.06
°
，θ
y1
＝0
°
，θ
x2
＝0
°
，θ
y2
＝2.06
°
，均小于最大衍射角。使用字母“m”作为被记录的物体，其分辨率为1920
×
1080，再现距离为30cm，根据公式(5)计算得到分辨率为1920
×
1080的子全息图1和子全息图2，叠加得到分辨率为1920
×
1080的复合全息图。将该复合全息图加载到空间光调制器上，利用线偏平行光垂直照射进行再现，并滤除杂散光。如附图5所示，频谱点a对应的再现光经过放置在傅里叶平面的液晶锥透镜后，出射光为横向扩展的两束再现光，在水平方向产生2个衍射像；频谱点b对应的再现光经过放置在傅里叶平面的液晶锥透镜后，出射光为纵向扩展的两束再现光，在垂直方向产生2个衍射像。垂直方向产生的2个衍射像位于水平方向产生的2个衍射像中右边衍射像的正上方，从而将水平视角扩大了2倍、垂直视角扩大了3倍，实现了大视角全息近眼显示效果。