专利名称：基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置及方法
技术领域：
本发明涉及新型显示领域，尤其是基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置及方法。
背景技术：
全息技术的特点是具有再现空间三维影像的独特优势，且在全息片的前后既能再现虚像，也能再现实像，因此被视为三维立体显示的发展技术之一。以全息以空间光调制器为代表的光电器件代替传统的全息片，实现了全息显不的动态性，这种光电全息显不方式由于受空间光调制器阵列尺寸的限制，较难获得大尺寸的虚像。但如何在空间承载光电全息再现的实像，一直是获得空间立体悬浮影像的一个瓶颈问题。基于全息原理的光电全息技术，在空间再现的立体实像是很多衍射光束在空间的聚焦点，如果投射到一般的平面型的幕布上，就变成了这些再现光束的平面投影，从而又变成平面图像，失去了空间的立体性。目前研究者提出了几种承载光电全息再现空间实像的方法，包括水雾屏、透明固态凝胶等。从目前的效果上看，由于光束穿过介质时的散射效应引起拖影，大大影响了显示效果。同时，利用水雾及透明固态凝胶承载空间影像的方法，机理上的可行性还有待理论探讨和认可。或者将影像投射到可控开、关的多层液晶屏上，通过次序地快速的开、关各层液晶屏并利用人眼的视觉暂留效应产生立体感。但这种方法造价比较昂贵，显示图像的立体感及空间分辨率也非常有限。为实现光电全息空间立体显示，本发明利用上转化材料的激励波长和荧光波长的差异性，提出一种基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置和方法。通过本专利方法提出的装置和方法，投射光源采用不可见的红外光，而再现的全息影像为可见光，因此不但具有抑制背景噪声的作用，而且具有良好的新颖的展示效果。
发明内容
本发明所提出基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置和方法，利用了上转换材料激励波长与荧光波长的差异特性，即当选择合适的上转换材料时，激发光可以采用不可见的红外光，投射到上转换材料时所激发出荧光可以是可见的荧光，如红光、绿光等。本发明的具体思路是利用全息光电再现原理，以空间光调制器为全息图光电承载器件，采用不可见的红外光为光源，全息再现光束投射到均匀分布了纳米级尺度上转换材料的透明固态物质或气体中，再现的立体影像以可见的荧光形式出现，从而使观察者观察到悬浮于空间中的立体影像。该发明的优点是，具有抑制背景光干扰的作用，从而具有良好的新颖的展示效果。一种实现上述发明思路的装置方案是基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置由红外激光器、全息光电影像再现系统、空间影像承载容器和计算机等构成，其特征在于所述红外激光器的位置能保证投射的激光束进入全息光电再现系统，全息光电影像再现系统位于空间影像承载容器的一侧，所再现的影像光束能充满空间影像承载容器，计算机与空间再现影像系统相连接。如图I所示。上述红外激光器一般是半导体激光器，发出的激光中心波长与所选用的上转换材料的激发中心波长相一致。红外激光器具有较高功率，保证全息再现影像的聚焦点的能量高于上转换材料的激发能量。上述全息光电影像再现系统由投射光束扩束系统、电寻址空间光调制器、再现影像放大系统等组成，如图2所示。上述全息光电影像再现系统中，投射光束扩束系统由一个显微物镜、两个凸透镜组成，显微物镜与两个透镜成同一轴线放置。其中显微物镜将光束变成球面波，经过两个透镜后变成合适会聚角和口径的会聚光，然后投射到电寻址空间光调制器上。要求投射到空间光调制器上的光束要充满空间光调制器件的像素阵列平面，并使衍射光束会聚在空间光调制器像素阵列平面的后侧(针对透射型空间光调制器)或前侧(针对反射型空间光调制器)。 上述全息光电影像再现系统中，再现影像放大系统由两个凸透镜组成。两个透镜成同一轴线放置这两个透镜参数和空间放置距离的选择，根据所需要的空间再现影像的大小确定。上述空间影像承载容器可以有三种类型，即固态介质型、液态介质型和气态介质型。固态介质型的空间影像承载容器是将上转换材料均匀地制备在固态介质中并放在透明的容器中，或固态介质单独作为影像承载介质使用。液态介质型的空间影像承载容器是将上转换材料均匀地制备在具有相容性的液态介质中并放在透明的容器中。气态介质型的空间影像承载容器是将上转换材料均匀地悬浮在气体介质中并充满在透明的容器中。该气体介质一般通过气体发生器，如雾化器等产生。上述所利用的上转换材料，要求其具有纳米级尺度的颗粒，激发波长是红外波段，且激发能量具有阶跃性。该上转换材料所产生的荧光波长为可见光，如红光或绿光等。上述所使用的计算机，具有与电寻址空间光调制器进行通讯的接口，能将计算全息图发送到空间光调制器上显示，且其发送速率与空间光调制器的刷新速率相匹配。一种基于上转换材料的光电全息空间立体显示方法，采用上述装置进行显示，其特征在于红外激光器发出的激光束，经过投射光束扩束系统后，变成充满电寻址空间光调制器像素阵列平面的会聚光束。空间光调制器上显示从计算机传输过来的计算全息图。投射光束经过空间光调制器时发生了衍射，从而使光波的位相或振幅受到调制，在空间以光束会聚点的形式再现出立体影像。但该立体影像尺寸较小，再现像放大系统将其放大到合适的尺寸，以充满影像承载容器的空间。由于全息再现实像时实际光束的会聚点，理论上该成像会聚点的光强要高于其它点，因此只要控制好激光器的输出功率，使成像会聚点的光强满足上转换材料的激发光强，就可在成像会聚点看到可见的荧光影像，而其它点不发荧光，从而在影像承载容器中可以看到空间三维立体影像。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步
(I)本发明装置和方法中利用了上转换材料的激发波长和荧光波长的转换特性，以不
可见光作为光源，再现出可见的影像，消除了目前光电全息立体显示中的背景光的影响，提高了成像质量，为全息显示提供了一种新的思路和方法。(2)在空间展现了全息再现的实像，具有空间悬浮立体感。
图I是本发明提出的基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置的结构框图。图2是图I中全息光电影像再现系统的结构框图。图3是图2中投射光束扩束系统原理图。图4是图2中再现影像放大系统原理图。图5是图I中空间影像承载容器结构示意图。图6是本发明中上转换材料激发和荧光波长示意图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合附图论述如下
实施例一
参见图1，本基于上转换材料的光电全息空间立体显不装置，包括一个红外激光器
(I)、一个全息光电影像再现系统(2)、一个空间影像承载容器(3)和一个计算机(4)。其特征在于所述红外激光器的位置能保证投射的激光束进入全息光电再现系统，全息光电影像再现系统位于空间影像承载容器的一侧，所再现的影像光束能充满空间影像承载容器，计算机与空间再现影像系统相连接。实施例二
参见图I 5，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下所述红外激光器(I)发出的中心波长与所选用的上转换材料的激发中心波长相一致，并具有较高功率，保证全息再现影像的聚焦点的能量高于上转换材料的激发能量。所述全息光电影像再现系统(2)由一个投射光束扩束系统(2-1)经一个电寻址空间光调制器(2-2)连接到一个再现影像放大系统(2-3)构成，其中电寻址空间光调制器(2-2)通过接口与所述计算机(4)相连，将计算全息图传输到空间光调制器。所述全息光电影像再现系统(2)中的投射光束扩束系统(2-1)由一个显微物镜(2-1-1 )、二个透镜(2-1-2、2-1-3 )组成，显微物镜(2-1-1)与两个透镜(2-1-2、2-1-3)成同一轴线放置。4、所述再现影像放大系统(2-3)由两个透镜(2_3_1、2-3-2)组成，两个透镜(2-3-1、2-3-2)成同一轴线放置。所述空间影像承载容器(3)为固态介质型或液态介质型或气体介质型；所述固态介质型空间影像承载容器由一个透明容器(3-6)盛贮固态介质(3-7)和上转换材料(3-8)构成；所述液态介质型空间影像承载容器由一个透明容器(3-9)内盛贮均匀调和上转换材料(3-11)的液态介质(3-10)构成；气体介质型空间影像承载容器由一个雾气发生器(3-12)上放置一个透明容器(3-13)，而该透明容器内盛贮悬浮上转换材料(3-15)的气体介质(14)构成。所用上转换材料具有能量阶跃响应特性。实施例三
参见图1，本发明装置主要包括四个组成部分红外激光器(I)、全息光电影像再现系统(2)、空间影像承载容器(3)和计算机(4)等。参见图2，其中全息光电影像再现系统(2)主要由投射光束扩束系统(2-1)、电寻址空间光调制器(2-2)、再现影像放大系统(2-3)等组成，其中计算机(4)联接电寻址空间光调制器(2-2)，通过接口传输计算全息图到空间光调制器。如图3所示，在全息光电影像再现系统(2-3)中，投射光束扩束系统(2-1)—般由一个显微物镜(2-2-1)和两个透镜(2-1-2、2-1-3)组成。如图4所示，在全息光电影像再现系统(2-3)中，再现影像放大系统(2-3) —般由两个透镜(2-3-1、2-3-2)组成。图5所示是三种形式的空间影像承载容器，图5(a)是固态介质的空间影像承载容器示意图，由透明容器(3-6)、固态介质(3-7)和上转换材料(3-8)组成。图5(b)是液态介质的空间影像承载容器示意图，由透明容器(3-9)、液态介质(3-10)和上转换材料(3-11)组成。图5(c)是气体介质的空间影像承载容器示意图，由雾气发生器(3-12)、透明容器(3-13)、气体介质(3-14)和上转换材料(3-15)组成。图6所示是本发明装置和方法中所用的上转换材料的激发和荧光波长特性要求。实施例四
实现本发明装置的一个基于上转换材料的光电全息空间立体显示的方法是，红外激光器发出的激光束，经过显微物镜(2-1-1)变成球面波，经过透镜(2-1-2)、(2-1-3)扩束整形 后变成会聚光束，变成充满电寻址空间光调制器阵列的会聚光束。投射光束经过承载了计算全息图的空间光调制器时发生了衍射，形成全息影像，然后经过影像放大系统中的透镜(2-3-1)、(2-3-2)调整到合适的尺寸，进入影像承载容器，与其中的上转换材料发生相互作用，在汇聚成像点激发出荧光，从而使观察者在承载容器的周围可以在承载容器中观察到空间三维立体影像。
权利要求
1.一种基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置，包括一个红外激光器(I)、一个全息光电影像再现系统(2)、一个空间影像承载容器(3)和一个计算机(4); 其特征在于所述红外激光器的位置能保证投射的激光束进入全息光电再现系统，全息光电影像再现系统位于空间影像承载容器的一侧，所再现的影像光束能充满空间影像承载容器，计算机与空间再现影像系统相连接。
2.根据权利要求I所述的基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置，其特征是所述红外激光器(I)发出的中心波长与所选用的上转换材料的激发中心波长相一致，并具有较高功率，保证全息再现影像的聚焦点的能量高于上转换材料的激发能量。
3.根据权利要求I所述的基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置，其特征是所述全息光电影像再现系统(2)由一个投射光束扩束系统(2-1)经一个电寻址空间光调制器(2-2)连接到一个再现影像放大系统(2-3)构成，其中电寻址空间光调制器(2-2)通 过接口与所述计算机(4)相连，将计算全息图传输到空间光调制器。
4.根据权利要求2所述的基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置，其特征是所述全息光电影像再现系统(2)中的投射光束扩束系统(2-1)由一个显微物镜(2_1_1 )、二个透镜(2-1_2、2-1_3)组成,显微物镜(2_1_1)与两个透镜(2-1_2、2-1_3)成同一轴线放置。
5.根据权利要求2所述的基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置，其特征是所述再现影像放大系统(2-3)由两个透镜(2-3-1、2-3-2)组成，两个透镜(2_3_1、2-3-2)成同一轴线放置。
6.根据权利要求I所述的基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置，其特征是所述空间影像承载容器(3)为固态介质型或液态介质型或气体介质型；所述固态介质型空间影像承载容器由一个透明容器(3-6)盛贮固态介质(3-7)和上转换材料(3-8)构成；所述液态介质型空间影像承载容器由一个透明容器(3-9)内盛贮均匀调和上转换材料(3-11)的液态介质(3-10)构成；气体介质型空间影像承载容器由一个雾气发生器(3-12)上放置一个透明容器(3-13)，而该透明容器内盛贮悬浮上转换材料(3-15)的气体介质(14)构成。
7.根据权利要求6所述的基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置，其特征是所用上转换材料具有能量阶跃响应特性。
8.一种基于上转换材料的光电全息空间立体显不方法，米用根据权利要求I所述的基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置进行显示，其特征是红外激光器(I)发出的激光束，经过显微物镜(2-1-1)变成球面波，经过两个透镜(2-1-2)、(2-1-3)扩束整形后变成会聚光束，变成充满电寻址空间光调制器(2-2)像素阵列平面的会聚光束；投射光束经过承载了计算全息图的空间光调制器时发生了衍射，形成全息影像，然后经过再现影像放大系统(2-3)中的两个透镜(2-3-1)、(2-3-2)调整到合适的尺寸，进入空间影像承载容器(3)，与其中的上转换材料发生相互作用，在汇聚成像点激发出荧光，从而在空间影像承载容器(3)的周围可以观察到空间三维立体影像。
全文摘要
本发明公开了一种基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置和方法，利用了上转换材料激励波长与荧光波长的差异特性，以红外光作为光源，激发出可见的荧光，从而抑制了一些光电全息显示中散射背景光的影响。本发明装置主要包括红外激光器、全息光电影像再现系统、空间影像承载容器和计算机等。基于该装置的空间立体显示方法是，红外激光器发出的红外光，照射到全息光电影像再现系统，所产生的影像光束会聚到承载在容器中，与均匀分布于其中的上转换材料相互作用，在成像点激发出可见的荧光，从而使观察者在承载容器周围可观察到具有悬浮感的空间三维立体影像。
文档编号G02B27/22GK102645751SQ20121013015
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者于瀛洁, 孙国栋, 张之江, 郑华东 申请人:上海大学