一种全息投影装置论文和设计

全文摘要

本实用新型公开了一种全息投影装置，通过微处理器基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图，然后由DMD芯片动态加载全息图，再利用准直扩束系统对激光发生器产生的激光光束扩束成平行光束，并将平行光束所汇聚形成的光斑出射至DMD芯片上，对全息图进行完整覆盖，最后再通过光学4f系统对DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理后，出射至三维成像介质上进行三维全息投影。由于DMD芯片具有更高的刷新率和衍射效率，可以有效提高成像帧率，保证动态三维成像效果。

主设计要求

1.一种全息投影装置，其特征在于，包括激光发生器、准直扩束系统、微处理器、数字微镜DMD芯片、光学4f系统以及三维成像介质；所述微处理器用于基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图；所述DMD芯片用于动态加载所述全息图；所述准直扩束系统用于对所述激光发生器产生的激光光束扩束成平行光束，并将所述平行光束所汇聚形成的光斑出射至所述DMD芯片上，对所述全息图进行完整覆盖；所述光学4f系统用于对所述DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理后，出射至所述三维成像介质上进行三维全息投影。

设计方案

1.一种全息投影装置，其特征在于，包括激光发生器、准直扩束系统、微处理器、数字微镜DMD芯片、光学4f系统以及三维成像介质；

所述微处理器用于基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图；

所述DMD芯片用于动态加载所述全息图；

所述准直扩束系统用于对所述激光发生器产生的激光光束扩束成平行光束，并将所述平行光束所汇聚形成的光斑出射至所述DMD芯片上，对所述全息图进行完整覆盖；

所述光学4f系统用于对所述DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理后，出射至所述三维成像介质上进行三维全息投影。

2.如权利要求1所述的全息投影装置，其特征在于，还包括：分束器；所述激光发生器包括：红色激光发生器、绿色激光发生器和蓝色激光发生器；

所述分束器用于对所述红色激光发生器、绿色激光发生器和蓝色激光发生器分别产生的激光光束进行合束，并将合束后的激光光束出射至所述准直扩束系统。

3.如权利要求2所述的全息投影装置，其特征在于，所述红色激光发生器、绿色激光发生器和蓝色激光发生器的波长分别为：633nm、532nm和473nm。

4.如权利要求1所述的全息投影装置，其特征在于，所述光学4f系统包括：同轴设置的第一傅里叶变换透镜以及第二傅里叶变换透镜，所述第一傅里叶变换透镜以及第二傅里叶变换透镜的焦距均为f；

所述DMD芯片位于所述第一傅里叶变换透镜的前焦面，且距离所述第一傅里叶变换透镜的距离为f，所述第一傅里叶变换透镜与第二傅里叶变换透镜之间的距离为2f，所述三维成像介质位于所述第二傅里叶变换透镜的后焦面，且距离所述第二傅里叶变换透镜的距离为f。

5.如权利要求1所述的全息投影装置，其特征在于，还包括：设置于所述光学4f系统与三维成像介质之间的滤波器；

所述滤波器用于对所述光学4f系统衍射处理后的激光光束进行过滤，并将过滤所得到的第一衍射级的激光光束出射至所述三维成像介质上进行三维全息投影。

6.如权利要求1所述的全息投影装置，其特征在于，所述三维成像介质包括：厚度高于预设厚度阈值的玻璃板以及覆盖于所述玻璃板表面的全息膜，所述全息膜的外表面为所述光学4f系统出射的激光光束在所述三维成像介质上的入射面。

7.如权利要求1所述的全息投影装置，其特征在于，还包括：设置于所述激光发生器的光路上的孔径光阑；

所述孔径光阑用于对所述激光发生器产生的激光光束进行整形。

8.如权利要求1所述的全息投影装置，其特征在于，所述准直扩束系统和\/或所述光学4f系统中的透镜为消色差透镜。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及投影技术领域，尤其涉及一种全息投影装置。

背景技术

全息投影技术是利用相干光波的干涉原理来记录物体的三维信息，然后利用光波的衍射原理来重建物体的技术。这种显示技术具有很强的可观性，所重建的影像和人们实际观看到的空间物体的情况相同，因而被大多数学者认为是未来最为理想的三维显示技术。

目前在进行全息投影时，通常是采用液晶空间光调制器作为全息投影的基本单元，然而液晶空间光调制器的刷新率较低、幅度和相位无法独立调制，只能实现静止的全息投影，应用场景较为局限。

实用新型内容

本实用新型实施例的主要目的在于提供一种全息投影装置，至少能够解决相关技术中采用基于液晶空间光调制器的全息投影技术进行全体投影时，刷新率较低、幅度和相位无法独立调制的问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种全息投影装置，包括激光发生器、准直扩束系统、微处理器、数字微镜DMD芯片、光学4f系统以及三维成像介质；

所述微处理器用于基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图；

所述DMD芯片用于动态加载所述全息图；

所述光学4f系统用于对所述DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理后，出射至所述三维成像介质上进行三维全息投影。

进一步地，还包括：分束器；所述激光发生器包括：红色激光发生器、绿色激光发生器和蓝色激光发生器；

更进一步地，所述红色激光发生器、绿色激光发生器和蓝色激光发生器的波长分别为：633nm、532nm和473nm。

进一步地，所述光学4f系统包括：同轴设置的第一傅里叶变换透镜以及第二傅里叶变换透镜，所述第一傅里叶变换透镜以及第二傅里叶变换透镜的焦距均为f；

进一步地，还包括：设置于所述光学4f系统与三维成像介质之间的滤波器；

进一步地，所述三维成像介质包括：厚度高于预设厚度阈值的玻璃板以及覆盖于所述玻璃板表面的全息膜，所述全息膜的外表面为所述光学4f系统出射的激光光束在所述三维成像介质上的入射面。

进一步地，还包括：设置于所述激光发生器的光路上的孔径光阑；

所述孔径光阑用于对所述激光发生器产生的激光光束进行整形。

进一步地，所述准直扩束系统和\/或所述光学4f系统中的透镜为消色差透镜。

根据本实用新型实施例提供的全息投影装置，通过微处理器基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图，然后由DMD芯片动态加载全息图，再利用准直扩束系统对激光发生器产生的激光光束扩束成平行光束，并将平行光束所汇聚形成的光斑出射至DMD芯片上，对全息图进行完整覆盖，最后再通过光学4f系统对DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理后，出射至三维成像介质上进行三维全息投影。由于DMD芯片具有更高的刷新率和衍射效率，可以有效提高成像帧率，保证动态三维成像效果。

本实用新型其他特征和相应的效果在说明书的后面部分进行阐述说明，且应当理解，至少部分效果从本实用新型说明书中的记载变的显而易见。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型第一实施例提供的一种全息投影装置的结构示意图；

图2为本实用新型第一实施例提供的另一种全息投影装置的结构示意图；

图3为本实用新型第一实施例提供的光学4f系统的示意图；

图4为本实用新型第二实施例提供的全息投影方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

第一实施例：

为了解决现有技术中采用基于液晶空间光调制器的全息投影技术进行全体投影时，刷新率较低、幅度和相位无法独立调制的技术问题，本实施例提出了一种全息投影装置，具体请参见图1，本实施例提出的全息投影装置包括：激光发生器11、准直扩束系统12、微处理器13、数字微镜DMD芯片14、光学4f系统15以及三维成像介质16；

微处理器13用于基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图；

DMD芯片14用于动态加载全息图；

准直扩束系统12用于对激光发生器11产生的激光光束扩束成平行光束，并将平行光束所汇聚形成的光斑出射至DMD芯片14上，对全息图进行完整覆盖；

光学4f系统15用于对DMD芯片14反射的激光光束进行衍射处理后，出射至三维成像介质16上进行三维全息投影。

具体的，作为一种反射式的空间光调制器，DMD芯片是一种全数字化的显示器件。在同一块芯片上，DMD芯片将反射微镜阵列和COMS SRAM集成于一体。DMD芯片具有极高的光能利用率，相比于液晶空间光调制器件具有更高的刷新率以及衍射效率，而且DMD芯片作为半导体器件，具有较好的耐高温性能以及较长的使用时间。DMD芯片工作时，微反射镜上的一个寻址电极加载电平“1”，另外一个电极加载电平“0”就会产生差动电压，然后形成的力矩会使得附着在转动铰链上的反射镜产生旋转。根据反射镜上加载电平的不同，每个DMD的像素单元均有三种状态，分别是“开态”、“平态”和“关态”。将微镜进行排列，组成整列后就变成了DMD的面板。按照单个像素微镜的工作原理，在基准电压和寻址电压的共同作用下，每片微镜的转动状态得以控制，于是就可以实现图像的显示以及刷新。

本实施例中的DMD芯片选取4100系列中0.95英寸芯片，由于DMD芯片具有超高速的刷新率，可以得到帧率很高的全息图图组，DMD芯片可以根据输入的全息图来控制微镜的闭合，从而达到调制光的目的。

应当说明的是，在本实施例中，待投影对象可以是实物也可以是虚物，若待投影对象是实物，则通过扫描装置将实物进行扫描并将扫描信息传送至微处理器，而若是虚物，则可以是微处理器直接生成或直接导入至微处理器的虚拟图像。在实际应用中，为实现三维动态全息投影，DMD芯片需要动态加载不同的全息图，而为了得到不同的全息图，若对实物进行全息投影，则可以以一定的角度旋转物体，而若是对虚物进行全息投影，则未处理器需要持续对不同的虚拟图像进行编码。

在实际应用中，将实物扫描到微处理器或在微处理器虚构一物体，并将其不同时刻的物光波的数学描述进行编码，得到可以再现像的数字化全息图，然后将全息图加载到DMD芯片中，在实际应用中，不同的编码方法最后所得到的成像效果不同。在本实施例中，微处理器基于待投影对象的离散三维数据确定待投影对象的初始振幅信息，将初始振幅信息与随机相位信息所组成的初始光场信息进行傅里叶逆变换；微处理器将傅里叶逆变换后所得到的光场信息中的振幅信息替换为初始振幅信息，并进行傅里叶变换；微处理器循环执行傅里叶逆变换和傅里叶变换；微处理器在确定满足预设的迭代终止条件时停止迭代，并根据最终所得到的光场信息中的相位信息生成对应的全息图。

具体的，本实施例中在进行编码时，首先对目标图像附加随机相位，通过傅里叶逆变换生成目标图像的全息相位图像，然后全息相位图像的相位保持不变，振幅修正为初始振幅得到量化全息图像，然后对量化全息图像进行傅里叶变换得到目标图像对应的重建图像，以此构成一个循环，在满足迭代终止条件时，输出相位信息生成全息图。

应当说明的是，本实施例中的迭代终止条件包括但不限于以下两种：其一，傅里叶变换后所得到的待投影对象对应的重建图像的精度满足预设的精度阈值；其二，迭代次数满足预设的迭代次数阈值。

另外，本实施例中通过准直扩束系统对激光光束准直为严格的平行光，并进行扩束后使得光斑完整覆盖于DMD芯片表面，从而保证全息投影的影像完整的展示出待投影对象。

如图2所示为本实施例提供的另一种全息投影装置的结构示意图，在本实施例的一种实施方式中，全息投影装置还包括：分束器17；激光发生器11包括：红色激光发生器111、绿色激光发生器112和蓝色激光发生器113；分束器17用于对红色激光发生器111、绿色激光发生器112和蓝色激光发生器113分别产生的激光光束进行合束，并将合束后的激光光束出射至准直扩束系统12。应当理解的是，为了实现对本实施例中的三个激光发生器的激光光束进行合束，本实施例中设置有两个分束器17，其中红色激光发生器111的激光光束直接透过这两个分束器17，而绿色激光发生器112的激光光束则是以45°角入射第一个分束器17，然后发生反射后透过第二个分束器17，而使得激光光束与红色激光发生器111的激光光束合束，蓝色激光发生器113的激光光束则是直接在第二个分束器17上发生反射后与其它激光光束进行合束。此外，还应当说明的是，可选的，本实施例中的红色激光发生器111、绿色激光发生器112和蓝色激光发生器113的波长分别为：633nm、532nm和473nm。并且，请继续参阅图2，进一步地，本实施例中的全息投影装置还包括：设置于激光发生器的光路上的孔径光阑；在本实施例中包括：第一孔径光阑181、第二孔径光阑182和第三孔径光阑183，孔径光阑用于对激光发生器产生的激光光束进行整形。

具体的，彩色全息显示相对于单色全息显示具有更高的视觉体验，而为了实现彩色全息显示，本实施例中设置有三原色激光器，而为了使三原色激光器能够汇聚成彩色，通过设置在激光器光路上的分束器对光路进行调整，而使得三个激光器所发出的激光光束合束。

此外，还应当说明的是，在实际应用中，彩色全息存在一定的色差问题，，主要体现在倍率色差、横向位置色差以及轴向位置色差。基于此，本实施例中，在生成全息图之前，微处理器还提取目标图像的R、G、B分量信息，然后分别进行图像缩放以及位置调整操作，得到消除倍率色差、横向位置色差以及轴向位置色差后的分量图，然后把个分量图转化为CGH图后进行合成，再加载随机相位后编码为对应的全息图。

请继续参阅图2，在本实施例的一种实施方式中，光学4f系统15包括：同轴设置的第一傅里叶变换透镜151以及第二傅里叶变换透镜152，第一傅里叶变换透镜151以及第二傅里叶变换透镜152的焦距均为f；DMD芯片14位于第一傅里叶变换透镜151的前焦面，且距离第一傅里叶变换透镜151的距离为f，第一傅里叶变换透镜151与第二傅里叶变换透镜152之间的距离为2f，三维成像介质16位于第二傅里叶变换透镜152的后焦面，且距离第二傅里叶变换透镜152的距离为f。如图3所示为本实施例提供的光学4f系统的示意图。

具体的，光学4f系统是一种特殊的、应用较广的光学系统，用于将输入的光处理为衍射谱。在本实施例中光学4f系统有两个同轴共焦放置的焦距为f的透镜，4f系统的变换过程，使人们可以物理地实现对光信息进行频谱分析和在频域进行处理。

请继续参阅图2，在本实施例的一种实施方式中，全息投影装置还包括：设置于光学4f系统与三维成像介质之间的滤波器19；滤波器19用于对光学4f系统15衍射处理后的激光光束进行过滤，并将过滤所得到的第一衍射级的激光光束出射至三维成像介质16上进行三维全息投影。

在本实施例的一种实施方式中，三维成像介质包括：厚度高于预设厚度阈值的玻璃板以及覆盖于玻璃板表面的全息膜，全息膜的外表面为光学4f系统出射的激光光束在三维成像介质上的入射面。

具体的，为实现三维全息投影，需要提供三维成像空间，本实施例中的玻璃板具有一定的厚度，作为全息膜的基板，玻璃板朝向光学4f系统的表面用于贴附全息膜。全息膜由全息记录材料制成，用于记录光束所携带与的图像信息。

此外，还应当说明的是，为了对光线的色差进行校正，本实施例中可以将准直扩束系统和\/或所述光学4f系统中的透镜设置为消色差透镜，以提升最终的成像效果。

本实施例提供的全息投影装置，通过微处理器基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图，然后由DMD芯片动态加载全息图，再利用准直扩束系统对激光发生器产生的激光光束扩束成平行光束，并将平行光束所汇聚形成的光斑出射至DMD芯片上，对全息图进行完整覆盖，最后再通过光学4f系统对DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理后，出射至三维成像介质上进行三维全息投影。由于DMD芯片具有更高的刷新率和衍射效率，可以有效提高成像帧率，保证动态三维成像效果。

第二实施例：

为了解决现有技术中采用基于液晶空间光调制器的全息投影技术进行全体投影时，刷新率较低、幅度和相位无法独立调制的技术问题，本实施例还提供了一种全息投影方法，应用于上面实施例中所述的包括激光发生器、准直扩束系统、微处理器、数字微镜DMD芯片、光学4f系统以及三维成像介质的全息投影装置，如图4所示，本实施例提出的全息投影方法包括以下的步骤：

步骤401、微处理器基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图；

步骤402、DMD芯片动态加载全息图；

步骤403、准直扩束系统对激光发生器产生的激光光束扩束成平行光束，并将平行光束所汇聚形成的光斑出射至DMD芯片上，对全息图进行完整覆盖；

步骤404、光学4f系统对DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理后，出射至三维成像介质上进行三维全息投影。

其中，本实施例中的DMD芯片是一种全数字化的显示器件，在基准电压和寻址电压的共同作用下，DMD芯片上的每片微镜的转动状态得以控制，于是就可以实现图像的显示以及刷新，具有极高的光能利用率，相比于液晶空间光调制器件具有更高的刷新率以及衍射效率。优选的，本实施例中的DMD芯片为4100系列中0.95英寸芯片。

在实际应用中，将实物扫描到微处理器或在微处理器虚构一物体，并将其不同时刻的物光波的数学描述进行编码，得到可以再现像的数字化全息图，然后将全息图加载到DMD芯片中。可选的，微处理器基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图包括：微处理器基于待投影对象的离散三维数据确定待投影对象的初始振幅信息，将初始振幅信息与随机相位信息所组成的初始光场信息进行傅里叶逆变换；微处理器将傅里叶逆变换后所得到的光场信息中的振幅信息替换为初始振幅信息，并进行傅里叶变换；微处理器循环执行傅里叶逆变换和傅里叶变换；微处理器在确定满足预设的迭代终止条件时停止迭代，并根据最终所得到的光场信息中的相位信息生成对应的全息图。

在本实施例的一些实施方式中，全息投影装置还包括：分束器；激光发生器包括：红色激光发生器、绿色激光发生器和蓝色激光发生器；在准直扩束系统对激光发生器产生的激光光束扩束成平行光束之前，还包括：分束器对红色激光发生器、绿色激光发生器和蓝色激光发生器分别产生的激光光束进行合束，并将合束后的激光光束出射至准直扩束系统。此外，还应当说明的是，可选的，本实施例中的红色激光发生器、绿色激光发生器和蓝色激光发生器的波长分别为：633nm、532nm和473nm。并且，进一步地，本实施例中的全息投影装置还包括：设置于激光发生器的光路上的孔径光阑；孔径光阑用于对激光发生器产生的激光光束进行整形。

在本实施例的一些实施方式中，在编码生成对应的全息图之前，微处理器还提取目标图像的R、G、B分量信息，然后分别进行图像缩放以及位置调整操作，得到消除倍率色差、横向位置色差以及轴向位置色差后的分量图，然后把个分量图转化为CGH图后进行合成，再加载随机相位后编码生成对应的全息图。

在本实施例的一些实施方式中，光学4f系统包括：同轴设置的第一傅里叶变换透镜以及第二傅里叶变换透镜，第一傅里叶变换透镜以及第二傅里叶变换透镜的焦距均为f；DMD芯片位于第一傅里叶变换透镜的前焦面，且距离第一傅里叶变换透镜的距离为f，第一傅里叶变换透镜与第二傅里叶变换透镜之间的距离为2f，三维成像介质位于第二傅里叶变换透镜的后焦面，且距离第二傅里叶变换透镜的距离为f。

在本实施例的一些实施方式中，全息投影装置还包括：设置于光学4f系统与三维成像介质之间的滤波器；光学4f系统对DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理后，出射至三维成像介质上进行三维全息投影包括：光学4f系统对DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理；滤波器对光学4f系统衍射处理后的激光光束进行过滤，并将过滤所得到的第一衍射级的激光光束出射至三维成像介质上进行三维全息投影。

在本实施例的一些实施方式中，三维成像介质包括：厚度高于预设厚度阈值的玻璃板以及覆盖于玻璃板表面的全息膜，全息膜的外表面为光学4f系统出射的激光光束在三维成像介质上的入射面。

在本实施例的一些实施方式中，为了对光线的色差进行校正，本实施例中可以将准直扩束系统和\/或所述光学4f系统中的透镜设置为消色差透镜，以提升最终的成像效果。

采用本实施例提供的全息投影方法，通过微处理器基于待投影对象的离散三维数据，编码生成对应的全息图，然后由DMD芯片动态加载全息图，再利用准直扩束系统对激光发生器产生的激光光束扩束成平行光束，并将平行光束所汇聚形成的光斑出射至DMD芯片上，对全息图进行完整覆盖，最后再通过光学4f系统对DMD芯片反射的激光光束进行衍射处理后，出射至三维成像介质上进行三维全息投影。由于DMD芯片具有更高的刷新率和衍射效率，可以有效提高成像帧率，保证动态三维成像效果。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型实施例所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

设计图

一种全息投影装置论文和设计

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主设计要求

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