一种基于液晶偏振光栅的双目全息近眼3D显示系统
一、本发明涉及全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于液晶偏振光栅的双目全息近眼3d显示系统。
背景技术：
0、二、背景技术
1、全息3d显示技术基于干涉原理和衍射原理对3d物体进行记录和重建，能够完全保留物体的波前信息，实现逼真的显示效果，被视为最理想的3d显示技术之一。全息近眼3d显示技术可以抑制传统3d近眼显示技术的辐辏-调节冲突，在近眼3d显示方面拥有巨大的潜力。剑桥大学微软研究院的研究人员提出了一种基于相位型全息图的单目近眼显示器，并将宽视场和多焦点功能集成到显示设备中，但该近眼显示器仅支持单目观看，双目显示内容缺失。为了实现双目全息近眼显示，中国计量大学的研究人员将3d场景在左、右视区的全息图分别加载在两个空间光调制器上进行重建，实现了具有正确深度信息的双目全息近眼显示。北京理工大学的研究人员使用时分复用方法和液晶快门装置搭建了双目全息近眼显示系统，该系统中虽然仅使用了一个空间光调制器，但增加了反射镜等其他光学元件。目前，使用两个空间光调制器或额外光学元件所搭建的双目全息显示系统结构复杂，难以满足近眼显示轻量化、集成化的要求。因此，如何设计结构紧凑的双目全息近眼3d显示系统是亟待解决的问题。
技术实现思路
0、三、
技术实现要素：
1、本发明提出了一种基于液晶偏振光栅的双目全息近眼3d显示系统。如附图1所示，该系统包括激光器、扩束器、准直透镜、半透半反镜ⅰ、空间光调制器、4f滤波系统、半透半反镜ⅱ、偏振片和液晶偏振光栅。其中，4f滤波系统包括透镜ⅰ、滤波器和透镜ⅱ。激光器发出的激光经过扩束器的扩束和准直透镜的准直后，经过半透半反镜ⅰ透射到空间光调制器上。空间光调制器上加载了计算机预先生成的3d物体的全息图。光束经过空间光调制器的衍射后进入4f滤波系统，使得零级光和杂散光被消除掉。消除了零级光和杂散光的光束经过偏振片后被调制为线偏振光，线偏振光经过半透半反镜ii的反射后垂直入射液晶偏振光栅，线偏振光中所包含的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过液晶偏振光栅后分别沿光轴向相反的方向偏转，从而分别在左、右视区产生偏转角度相同的3d重建像。设置全息重建像的衍射位置与相机所处的位置相同，使用移动的相机模拟双眼，分别记录左、右视区的重建像，以获取双目全息近眼3d显示效果。
2、本发明所提出的系统中的液晶偏振光栅具有介电各向异性，且衍射效率高。液晶偏振光栅是基于几何相位调控的，其工作原理如附图2所示，激光入射液晶偏振光栅后仅产生两个衍射级次，即+1级和-1级。液晶偏振光栅根据入射光的偏振状态选择性地出射+1级或-1级衍射光。当激光照射液晶偏振光栅时，由于几何相位调控，+1级和-1级衍射光偏离原来的入射方向。当线偏振光垂直于液晶偏振光栅入射时，+1级和-1级衍射光的衍射角α满足以下公式：
3、
4、其中，λ和λg分别是液晶偏振光栅的周期和工作波长。如图2(a)所示，当左旋圆偏振光垂直入射液晶偏振光栅时，衍射光的偏振状态被调制为右旋圆偏振光，且偏离光轴以α角度出射。如图2(b)所示，当右旋圆偏振光垂直入射液晶偏振光栅时，衍射光的偏振状态被调制为左旋圆偏振光，且偏离光轴以-α角度出射。由于线偏振光被视为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的集合，因此，如图2(c)所示，当线偏振光垂直入射液晶偏振光栅时，其中的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的偏振状态分别被改变，从而分别形成+1级和-1级衍射光，并以α和-α的角度分别偏转至左、右视区。
5、双目全息近眼3d显示要求重建像分别进入观看者的左、右眼中，因此左、右视区的两个重建像之间的距离需要与双眼瞳孔间距对应。衍射角α与双眼瞳孔间距d满足以下公式：
6、
7、其中l为液晶偏振光栅与人眼之间的距离。本发明基于液晶偏振光栅与人眼之间的距离、双眼瞳孔间距来计算衍射角大小，从而确定液晶偏振光栅的周期，以满足双目全息近眼3d显示观看的需求。
技术特征：
1.一种基于液晶偏振光栅的双目全息近眼3d显示系统，其特征在于，该系统包括激光器、扩束器、准直透镜、半透半反镜ⅰ、空间光调制器、4f滤波系统、半透半反镜ⅱ、偏振片和液晶偏振光栅，其中，4f滤波系统包括透镜ⅰ、滤波器和透镜ⅱ，激光器发出的激光经过扩束器的扩束和准直透镜的准直后，经过半透半反镜ⅰ透射到空间光调制器上，空间光调制器上加载了计算机预先生成的3d物体的全息图，光束经过空间光调制器的衍射后进入4f滤波系统，使得零级光和杂散光被消除掉，消除了零级光和杂散光的光束经过偏振片后被调制为线偏振光，线偏振光经过半透半反镜ii的反射后垂直入射液晶偏振光栅，线偏振光中所包含的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过液晶偏振光栅后分别沿光轴向相反的方向偏转，从而分别在左、右视区产生偏转角度相同的3d重建像，设置全息重建像的衍射位置与相机所处的位置相同，使用移动的相机模拟双眼，分别记录左、右视区的重建像，以获取双目全息近眼3d显示效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏振光栅的双目全息近眼3d显示系统，其特征在于，液晶偏振光栅是基于几何相位调控的，具有介电各向异性，激光入射液晶偏振光栅后仅产生两个衍射级次，即+1级和-1级，液晶偏振光栅根据入射光的偏振状态选择性地出射+1级或-1级衍射光，当激光照射液晶偏振光栅时，由于几何相位调控，+1级和-1级衍射光偏离原来的入射方向，当线偏振光垂直于液晶偏振光栅入射时，+1级和-1级衍射光的衍射角α满足以下方程：
3.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏振光栅的双目全息近眼3d显示系统，其特征在于，双目全息近眼3d显示要求重建像分别进入观看者的左、右眼中，因此左、右视区的两个重建像之间的距离需要与双眼瞳孔间距对应，衍射角α与双眼瞳孔间距d满足以下公式：
技术总结
本发明提出了一种基于液晶偏振光栅的双目全息近眼3D显示系统，该系统包括激光器、扩束器、准直透镜、半透半反镜Ⅰ、空间光调制器、4f滤波系统、半透半反镜Ⅱ、偏振片和液晶偏振光栅。其中，激光器发出的激光经过扩束器的扩束和准直透镜的准直后，经过半透半反镜Ⅰ透射到空间光调制器上。空间光调制器上加载了计算机预先生成的3D物体的全息图。光束经过空间光调制器的衍射后进入4f滤波系统，使得零级光和杂散光被消除掉。消除了零级光和杂散光的光束经过偏振片后被调制为线偏振光，线偏振光经过半透半反镜II的反射后垂直入射液晶偏振光栅，线偏振光中所包含的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过液晶偏振光栅后分别沿光轴向相反的方向偏转，从而分别在左、右视区产生偏转角度相同的3D重建像，实现双目全息近眼3D显示。
技术研发人员：王迪,林凡川,王琼华,黄倩
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23