专利名称：基于随机相长干涉原理的立体显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维成像技术领域，更具体地涉及一种基于随机相长干涉原理的立体 显示装置，特别适用于做计算机与电视显示屏，智能人机交换，机器人视觉等，可广泛应用 于教学、科研、娱乐、广告等领域。
背景技术：
近一、二十年来，液晶显示技术得到了飞速发展，从零点几英寸的投影液晶显示板 到几十英寸的平板液晶显示器都已经商品化。但现有液晶显示器主要用于二维平面显示， 即使小尺寸投影机液晶板，其像素尺寸也在十微米量级，与可见光波长相比，其分辨率还非 常低，还不能用它们代替全息胶片，进行大视场、高质量的三维全息立体显示。发明专利“基 于随机相长干涉的三维显示方法及装置”(申请号200810046861.8)提出了一种采用低 分辨率液晶显示器进行三维立体显示的新方法，其核心思想是把液晶显示器的每个像素转 化为一个个独立的子光源，通过这些子光源的相长干涉在三维空间形成一系列离散立体像 点，为了抑制高阶衍射产生的多重像，子光源的位置呈随机分布。上述发明给出了一系列设 计示例，而且重点讨论了如何利用现有商品化的二维平面液晶显示器，实现基于随机相长 干涉原理的立体成像。如果专门针对基于随机相长干涉原理的立体成像的特点来设计液晶 显示器，将会得到更好的效果，本发明给出了一些新的结构与部件设计，一方面提升基于随 机相长干涉原理的三维立体成像装置的各方面性能，一方面简化结构，降低加工难度和生 产成本。发明内容
本发明的目的在于提供一种基于随机相长干涉原理的立体显示装置，同时达到更 高的光能利用率，更好的像质，更低的加工难度和生产成本。
本发明的实现上述目的的基于随机相长干涉的立体成像装置，包括
发射三基元色相干激光的相干光源；
将所述相干光源发出的细光束三基元色相干激光扩束转换成多束均勻的且三基 元色分离的宽光束三基元色相干激光的照明光学系统；
振幅位相调节器阵列，其每个振幅位相调节器分别对所述照明光学系统发出的宽 光束三基元色相干激光的振幅位相进行调节以生成相互独立的子光束阵列；以及
相干子光源发生器阵列，其每个相干子光源发生器分别对准所述振幅位相调节器 阵列的一个相应的振幅位相调节器，使得所述相互独立的子光束一一对应地入射到相干子 光源发生器阵列中的每个相干子光源发生器，并汇聚产生位置呈随机分布的相干子光源阵 列，且使每个相干子光源发出的光锥与三维立体像所在的三维区间重叠。
其中，相干子光源发生器阵列是透射式全息光学元件阵列，其每个透射式全息光 学元件上配置的干涉条纹使得透射后汇聚形成的子光源的位置呈随机分布；或者
相干子光源发生器阵列是反射式全息光学元件阵列，其每个反射式全息光学元件上配置的干涉条纹使得反射后汇聚形成的子光源的位置呈随机分布。
其中，所述每个透射式全息光学元件上配置的干涉条纹为三块分别针对三种基元 色的单色透射式全息光学元件的干涉条纹的叠加；或者
所述每个反射式全息光学元件上的干涉条纹为三块分别针对三种基元色的单色 反射式全息光学元件的干涉条纹的叠加。
其中，相干子光源发生器阵列是二元光学元件阵列，其每个二元光学元件是具有 微透镜和微棱镜组合功能的元件，其每个二元光学元件表面的微结构使得汇聚形成的子光 源的位置呈随机分布。
其中，相干子光源发生器阵列是具有多个反射式微透镜的反射式微透镜阵列，通 过偏转每个反射式微透镜的光轴方向，使得其汇聚后形成的子光源的位置呈随机分布；或 者
相干子光源发生器阵列是具有多个透射式微透镜的透射式微透镜阵列，通过偏转 每个反射式微透镜的光轴方向，使得其汇聚后形成的子光源的位置呈随机分布。
其中，振幅位相调节器阵列包含透射式纯位相调节液晶板，透射式纯位相调节液 晶板的液晶层两侧的面板上的液晶分子定向膜的取向互相平行，使得液晶分子的扭曲角度 为零，同时液晶层的厚度和液晶材料的双折射率差使得透射式纯位相调节液晶板的位相调 节范围达到0 ；或者
振幅位相调节器阵列包含反射式纯位相调节液晶板，反射式纯位相调节液晶板的 液晶层两侧的面板上的液晶分子定向膜的取向互相平行，使得液晶分子的扭曲角度为零， 同时液晶层的厚度和液晶材料的双折射率差使得反射式纯位相调节液晶板的位相调节范 围达至Ij 0 2 31。
其中，振幅位相调节器阵列包括集成制作为一个整体的后面板、第一液晶层、中间 面板、第二液晶层、前面板和紧贴在前面板上的偏振片；后面板、第一液晶层与中间面板构 成第一块灰度液晶板，中间面板、第二液晶层、前面板和偏振片构成第二块液晶板，第一块 灰度液晶板和第二块灰度液晶板上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准；
其中第一块灰度液晶板为透射式纯位相调节液晶板，同时改变属于第二块灰度液 晶板的中间面板和前面板上的液晶分子定向膜的取向以及偏振片的偏振方向，使得第二块 灰度液晶板工作于振幅调节为主模式。
其中接收相干激光光源发出的三种基元色细光束激光，并对其进行扩束的照明光 学系统包括两组相互垂直放置的平行平板分束器阵列；
其中第一组平行平板分束器阵列中的每块平行平板分束器尺寸形状相同，朝向相 同相互平行地沿同一轴线等间隔放置，调整第一组平行平板分束器阵列中每块平行平板分 束器的间隔，同时沿光线传播方向依次增强每块平行平板分束器的反射率，使得偏振相干 光源发出的平行细光束经第一组平行平板分束器阵列反射后转换成强度均勻且连续分布 的平行线光束；
其中，第二组平行平板分束器阵列中的每块平行平板分束器尺寸形状相同，朝向 相同相互平行地沿同一轴线等间隔放置，调整第二组平行平板分束器阵列中每块平行平板 分束器的间隔，同时沿光线传播方向依次增强每块平行平板分束器的反射率，使得第一组 平行平板分束器阵列发出的平行线光束经第二组平行平板分束器阵列反射后转换成强度均勻且连续分布的平行面光束；
其中，两组平行平板分束器阵列中的每块分束器整体或分区域地分别蒸镀同时反 射三基元色的宽带反射膜或仅反射某一基元色的窄带反射膜，使得第二组平行平板分束器 阵列发出的平行面光束在其横截面上沿行或沿列或同时沿行和列两个方向三基元色依次 周期分布；两组平行平板分束器阵列的进光口与出光口光学抛光且蒸镀宽带增透膜。
其中，振幅位相调节器由三个子振幅位相调节器、一个具有一个出光面和三个进 光面的立方分光棱镜和一个光学镜头组成；光学镜头放置在立方分光棱镜的出光面前，光 学镜头的光轴与立方分光棱镜的出光面的中心轴重合；三个子振幅位相调节器分别放置在 立方分光棱镜的三个进光面前，三个子振幅位相调节器的中心轴分别与立方分光棱镜的三 个进光面的中心轴重合；立方分光棱镜由四块相同的直角棱镜按直角棱相抵的方式粘合而 成，直角棱镜的直角面分别蒸镀有针对某一基元色的窄带反射膜，使得分别从立方分光棱 镜的三个进光面入射的三基元色激光能够反射或透射穿过立方分光棱镜，并从立方分光棱 镜的出光面出射，立方分光棱镜的所有进光面与出光面皆蒸镀有宽带增透膜；三个子振幅 位相调节器的像素互相一一对准使得通过光学透镜投影成像后在像面一一互相重叠。
本发明与现有技术相比，特别是与申请号为200810046861.8的发明专利相比具 有以下优点和效果
第一，采取三基元色分区照明方式，能量利用率提高三倍；第二，采用全息光学元 件或二元光学元件，简化了结构，增加了系统稳定性；第三，采用灰度液晶板和扭曲角度为 零的纯位相调节液晶板，以及集成为一个整体的振幅调节器与位相调节器，进一步简化了 结构，增加了系统稳定性，同时降低了生产成本和组装难度。
图1为本发明在采用集成式振幅位相调节器和透射式全息光学元件时的结构示 意图。
图加和图2b分别为采用三基元色分区照明时各基元色的排列分布示意图。
图3为照明光学系统在采用两组相互垂直放置的平行平板分束器阵列时的结构 示意图。
图4为集成式振幅位相调节器中液晶分子的排列结构示意图。
图5为反射式纯位相调节液晶板中液晶分子的排列结构示意图。
图6为阐述全息光学元件制作与聚光原理的座标系示意图。
图7a 图7d分别为透射式和反射式全息光学元件制作与聚光原理示意图。
图8为二元光学元件表面微结构示意图。
图9a和图9b分别为采用倾斜反射式与透射式微透镜阵列制作相干子光源发生器 的结构示意图。
图10为相干子光源阵列的空间发光特性调节原理示意图。
图11为本发明在采用透射式纯位相调节液晶板和二元光学元件进行投影式彩色 三维显示时的结构示意图。
图13为本发明在采用液晶光栅纯位相调节器和透射式倾斜微透镜阵列进行投影 式彩色三维显示时的结构示意图。
图14为本发明在采用集成式振幅位相调节器和反射式全息光学元件进行投影式 彩色三维显示时的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明使用的术语进行说明。
1、振幅位相调节器阵列对入射光的振幅和位相进行逐点调节，类似于空间光调节 器。但一块空间光调节器一般只能调节位相或振幅，因此本发明所述振幅位相调节器阵列 相当于两块空间光调节器的组合，这两块空间光调节器的像素一一互相对准，其中一块空 间光调节器主要用于调节位相，另一块空间光调节器主要用于调节振幅，振幅位相调节器 阵列中的一个振幅位相调节器相当于两块空间光调节器中相互耦合的一对像素。
2、液晶板是指具有很多像素的液晶空间光调节器，其结构类似普通向列液晶显示 器，但主要用于振幅或位相调节。
3、子光源位置呈随机分布是指子光源的位置可位于某一空间或平面上的任意位 置，或位于任一位置的概率相等，当然需在一定范围内；相对应地周期分布只能位于规则的 格点上。
本发明是对申请号为200810046861. 8，名称为“基于随机相长干涉的三维显示方 法及装置”的发明专利申请的改进或继续。基于随机相长干涉的三维立体成像原理主要依 据两点，第一，根据光学干涉原理，利用许多相干子光源的相长干涉可在空间任意指定位置 形成亮点，并通过许多这样的亮点构成离散三维立体像；第二，如果使得所有相干子光源的 位置呈随机分布，可消除高阶衍射产生的多重像，得到单一高质量立体像。
本发明提出的基于上述随机相长干涉原理的三维显示装置，从结构上可分为四个 功能模块，下面对这四个功能模块一一进行说明
第一， 激光光源基于随机相长干涉原理的三维显示装置属于相干成像系统， 因此必须采用相干性好的激光光源，而且为了实现彩色成像，需要激光光源能够发出三种 基元色激光。三基元色激光可由单一激光器发出，或者采用三套独立的三基元色激光，本发 明对此不做区别，统称为“发射三基元色相干激光的相干光源”。
第二， 照明光学系统用于激光扩束，即将上述相干光源发出的细光束三基元 色激光转换成均勻的、且三基元色分离的宽光束三基元色激光。普通非相干二维显示装置， 例如目前市面上流行的液晶显示器，往往采用宽光谱光源，同时因为不需要控制光波的位 相，为了增加观察角度，往往采用发散白光源进行照明。另外在普通二维平板液晶显示器 中，一个像素实际由三个相邻的子像素组成，每个子像素蒸镀有不同的滤色膜，只允许一种 基元色通过，而白色照明光同时照明整个液晶显示器，这样三分之二的光能被滤色片挡住。 上述非相干二维显示装置所采用的照明方式和照明光学系统不适合用于本发明提出的相 干显示装置。在本发明中，为了实现相长干涉成像，必须严格控制光波的位相，因此我们采 用平行宽光束三基元色激光进行照明，并且为了提高光能利用效率，采用三基元色分离的 分区方式进行照明，即一个区域内的所有像素统一用同一种基元色激光进行照明，不同区 域轮流采用三种不同基元色激光进行照明，这样既省掉了滤光片，简化了结构，又把光能利用率提高了三倍。采用这种基元色分离的分区照明方式主要基于二个理由。其一，尽管屏幕 上不同区域呈现为不同基元色，不再适用于普通二维彩色显示，但在本发明中由于三维立 体像远离屏幕，一个立体像素由许多来自屏幕不同区域的子光源叠加形成，因此一个立体 像素仍然可表现任意的彩色。其二，尽管采用分区照明，而且为了方便，三基元色按行或按 列或同时按行和列周期分为许多不同区域，这样对某一基元色而言，相干子光源只能分布 在指定的区域，而不能分布在其他区域，严格地说，随机相长干涉的条件被破环。但我们同 时应注意到这样一个事实，衍射是与周期大小成反比的，由于每个区域包含很多子光源，即 使不同区域内子光源的位置呈相同的随机分布，由于区域之间的重复周期非常大大，由此 引起的高阶衍射可以忽略不计，况且不同区域内子光源的位置呈不同的随机分布。为了实 现三基元色分区照明，本发明给出了由两个互相垂直的分束器阵列组成的照明光学系统， 为了实现基元色分离不同分束器蒸镀有针对不同基元色的窄带反射膜，进一步为了保证整 个区域照明强度均勻一致，沿光波前进方向，由于光能不断减弱，排在后面的分束器所蒸镀 的反射膜的反射率是递增的。
第三， 振幅位相调节器阵列根据上述随机相长干涉原理，为了实现相长干 涉，需要构造一个大型相干子光源阵列，并随时准确调控各个相干子光源的振幅和位相。一 个相干子光源需要一个振幅位相调节器，成千上万个振幅位相调节器构成一个二维振幅位 相调节器阵列。我们可以采用液晶显示器来进行振幅和位相调控，液晶显示器的一个像素 相当于一个振幅位相调节器。但是普通液晶显示器其振幅和位相是互相关联的，必须调整 其两侧的偏振片使其工作在位相调节为主或振幅调节为主模式，同时把两块像素严格一一 对准的液晶显示器按照相乘或相加的方式组合起来，以实现振幅和位相的独立调节。本发 明专门针对基于随机相长干涉原理的三维成像特点，同时结合上述三基元色分区照明方 式，设计了专用的液晶板，其特点在于去掉了彩色液晶显示器中的滤光膜，变彩色液晶显示 器为灰度液晶板，同时使得液晶层两侧面板上液晶分子定向膜的指向互相平行，这样液晶 分子的扭曲角度为零，入射线偏振光在通过该液晶板时偏振方向不发生任何变化，因此光 束强度也不发生改变，仅仅只是位相发生改变，液晶板工作于理想的纯位相调节模式。当然 应该选择液晶层的厚度与液晶材料的双折射率差，使得位相调节范围达到0 2 π范围。进 一步，可以把这样一块纯位相调节液晶板与一块工作于振幅调节为主的液晶板集成制作成 一个整体，这样既可以省略中间一块偏振片和面板，简化结构，同时大大增加稳定性，减少 后期组装时的难度，因为在刻蚀制作时，两块液晶板的像素已经严格一一对准。
第四， 相干子光源发生器阵列由于照明光为平行激光束，它们在穿过振幅位 相调节器阵列后，产生相互独立的子光束阵列，但这些子光束仍然为平行光，不能在一个大 空间范围内互相交汇，实现相干叠加，另外由于子光束呈周期排列，会产生许多高阶衍射。 相干子光源发生器阵列的作用包括两个方面，其一把相互独立的子光束汇聚成点状子光 源，这样从每个子光源发出的光形成一个发散光锥，同时通过改变汇聚产生的子光源的位 置可调整发散光锥的方向和锥角大小，使所有子光源发出的发散光锥指向同一空间区域， 相互交汇。其二使所产生的子光源位置在空间呈随机分布，消除高阶衍射产生的多重像。因 此从功能上看，一个相干子光源发生器相当于一个光轴平行于子光束的微透镜和一个微棱 镜的组合或者相当于一个光轴倾斜的微透镜，其中微透镜起光束汇聚作用，其通光口径大 小与子光束的大小相同，以保证每个子光束全部被聚焦，微透镜与振幅位相调节器对准，即8与液晶板的每个像素一一对准，因此微透镜与液晶板的像素一样呈二维周期排列；如果微 透镜的光轴平行于子光束，则它汇聚后产生的子光源与液晶板的像素呈相同的二维周期排 列，此时需要一个微棱镜，对光束进行偏转，使微透镜汇聚产生的子光源的位置发生偏移， 且不同微棱镜的棱角不同，对光束的偏转角度不同，从而保证子光源的位置呈随机分布；如 果微透镜的光轴不平行于子光束，且不同微透镜的倾角不同，则可保证所汇聚产生的子光 源的位置呈随机分布。如前所述基于随机相长干涉原理的三维显示装置属于相干成像系 统，只包含三种不同基元色激光，针对这一特点本发明采用全息光学元件或二元光学元件 来构造相干子光源发生器。全息光学元件和二元光学元件都是很成熟的技术，它们可以把 几个传统光学元件的功能综合在一起，例如可以把上述微透镜和微棱镜集成为一体，而且 可以采用热压、灌注、滚压、复制等技术大规模生产，这样在简化结构，提高系统稳定性的同 时，还可降低生产成本。
下面进一步结合附图对本发明原理和具体实施方法进行说明。
图1给出了本发明的一种采用一块集成式振幅位相调节器阵列和透射式全息光 学元件进行三维显示的原理结构示意图。该装置由偏振相干光源1、照明光学系统2、振幅 位相调节器阵列3和相干子光源发生器阵列4组成，下面对上述4个功能模块一一进行详 细介绍。
在图1中，相干光源1可以发出波长分别为λ”入2和λ 3的三基元色激光，以实 现彩色立体显示。因为采用液晶板进行振幅和位相调制，相干光源1直接采用线偏振光，这 样光能全部被利用，如果相干光源1发出的三基元色激光不是线偏振光，则需添加一个起 偏器，把它们变为线偏振光，但会损失大约一半光能。
在图1中，照明光学系统2把相干光源1发出的细光束激光扩束变为光强均勻分 布的宽光束平行激光束，同时为了提高光能利用率，采用三基元色分离的分区照明方式。分 区照明的效果如图2所示，其中每个方格代表一个照明子区域，波长分别为入3的 三基元色激光按行或按列(图2b)或同时按行和列(图2a)周期性地照明整个区域。为了 达到图2所示的三基元色分离的分区照明效果，照明光学系统2采用了两组相互垂直放置 的平行平板分束器阵列，详细结构如图3所示。在图3中第一组平行平板分束器阵列17中 的每块平行平板分束器尺寸形状相同，都为正方形，朝向相同相互平行地沿同一水平轴线 等间隔放置，并以45度入射角接收偏振相干光源发出的平行细光束，调整第一组平行平板 分束器阵列17中每块平行平板分束器的间隔，同时沿光线传播方向依次增强每块平行平 板分束器的反射率，使得入射平行细光束经第一组平行平板分束器阵列17反射后转换成 强度均勻且连续分布的平行线光束。具体地说，在忽略材料吸收损耗条件下，某一块平行平 板分束器的反射率等于前一块平行平板分束器的反射率除以前一块平行平板分束器的透 射率，这样被每块平行平板分束器反射的光能相等。另外如果平行平板分束器阵列17中每 块平行平板分束器的间隔过大，则被每块平行平板分束器反射的光束互不相连；反之若间 隔过小，则被每块平行平板分束器反射的光束互相重叠，两种情况都造成光能分布不均勻。 同样第二组平行平板分束器阵列18中的每块平行平板分束器尺寸形状相同，皆为长方形， 朝向相同相互平行地沿同一垂直轴线等间隔放置，并以例如45度入射角(也可以是其他角 度)接收第一组平行平板分束器阵列17发出的平行线光束。类似地，调整第二组平行平板 分束器阵列18中每块平行平板分束器的间隔，同时沿光线传播方向依次增强每块平行平板分束器的反射率，使得第一组平行平板分束器阵列17发出的平行线光束经第二组平行 平板分束器阵列18反射后转换成强度均勻且连续分布的平行面光束。进一步，为了实现图 2所示三基元色分离的分区照明效果，两组平行平板分束器阵列17、18中的每块分束器整 体或分区域地分别蒸镀同时反射三基元色的宽带反射膜或仅反射某一基元色的窄带反射 膜。例如在图3中可把第一组平行平板分束器阵列17中的九块平行平板分束器依次轮流蒸 镀红、绿、蓝窄带反射膜，而第二组平行平板分束器阵列18中的三块平行平板分束器全部 蒸镀同时反射红、绿蓝三基元色的宽带反射膜，则如图2b所示，最后经第二组平行平板分 束器阵列18反射后形成的强度均勻且连续分布的平行面光束会分成九列，每列轮流呈现 一种基元色。再如在图3中可把第一组平行平板分束器阵列17中的九块平行平板分束器 全部蒸镀同时反射红、绿蓝三基元色的宽带反射膜，而第二组平行平板分束器阵列18中的 三块平行平板分束器每块等分为三行九列共27个小方格，每个小方格依次轮流蒸镀仅反 射一种基元色的窄带反射膜，则如图加所示，最后经第二组平行平板分束器阵列18反射后 形成的强度均勻且连续分布的平行面光束会分成九行九列，共81个小方格，每个小方格沿 行和列两个方向周期轮流呈现一种基元色。当然每个小方格会照明液晶板上的许多像素， 例如100X100个像素，即使所有小方格内由相干子光源发生器阵列产生的相干子光源呈 完全相同的随机分布，由于小方格的排列周期很大，由此引起的高阶衍射可忽略不计。实际 上所有小方格内的相干子光源可呈完全不同的随机分布，这样可进一步抑制高阶衍射。为 了减轻重量，两组平行平板分束器阵列17和18可采用薄片式分光器，但片与片之间的间隔 不能减小，或者采用有机玻璃制造，这样在减轻重量的同时保证足够的机械强度。另外两组 平行平板分束器阵列17和18的进光口与出光口，如图3中第一组平行平板分束器阵列17 的进光口 GHIJ和出光口 HKLI以及第二组平行平板分束器阵列18的进光口 DCFE和出光口 ABCD，皆需光学抛光且蒸镀宽带增透膜，以减少光能损失。另外还可添加空间滤波器、直角 棱镜等配件，进一步完善照明光学系统2的光学与机械结构。例如在图1中，采用了一个由 光学透镜13、14组成的望远镜系统，对相干光源发出的细光束进行预扩束，使其与图3中平 行平板分束器阵列17的通光口大小一致，另外可把一个小孔可放置在图1中的光学透镜13 和14的公共焦点上进行空间滤波，遮挡激光器发出的高阶模。
在图1中，振幅位相调节器阵列1采用一块集成式液晶板，它由集成制作为一个整 体的后面板7、第一液晶层8、中间面板9、第二液晶层10、前面板11和紧贴在前面板上的偏 振片12组成。后面板7、第一液晶层8与中间面板9构成第一块灰度液晶板5，中间面板9、 第二液晶层10、前面板11和偏振片12构成第二块液晶板6，第一块灰度液晶板5和第二块 灰度液晶板6上的像素呈相同的二维周期分布，且一一互相对准。第一块灰度液晶板5用 于进行位相调节，第二块灰度液晶板6用于进行振幅调节。参见图4，在两块灰度液晶板5 和6中，各个面板上液晶定向膜的取向分别如后面板7、中间面板9和前面板11左下方的箭 头所示。其中属于第一块灰度液晶板5的后面板7与中间面板9上的液晶分子定向膜取向 平行，即液晶分子的扭曲角度为零，此类液晶板无论是透射式还是反射式都可工作于纯位 相调节模式，具体原理解释如下。
在液晶显示器或液晶空间光调制器中，一般采用向列液晶分子。在分析液晶分子 对入射光的作用时，可以把整个液晶层细分成很多薄层，在每一薄层内，向列液晶分子的取 向是一致的，而靠近定向膜的薄层内，液晶分子的排列方向与定向膜的取向一致。在第一块灰度液晶板5中，由于后面板7与中间面板9上的液晶分子定向膜取向平行，使得所有薄层 内液晶分子的排列方向都与定向膜的取向一致。当照明平行激光束从后面板7下方入射 时，如果照明激光束为线偏振光，且偏振方向平行于后面板7与中间面板9上的液晶分子定 向膜的取向，这时照明激光束穿过第一块灰度液晶板5时其偏振方向不发生任何改变，因 此其强度也不发生任何改变，仅仅是位相发生改变。当在后面板7与中间面板9之间施加 电压时，液晶分子的排列趋向于与外加电场一致，随着所施加驱动电压从小变大，液晶分子 也逐步从平躺状态向垂直站立状态过渡，但棒状液晶分子在的后面板7或中间面板9上的 投影仍然平行于定向膜的取向，此时液晶板5对入射光的位相调节量逐步减小。因此第一 块灰度液晶板5是一种理想的纯位相调节器。假设面板之间的间距为d，液晶材料的正常折 射率和异常折射率分别为η。和ne，入射光的波长为λ，则透射式液晶板所能达到的最大位 相调节量为
权利要求
1.一种基于随机相长干涉的立体成像装置，包括发射三基元色相干激光的相干光源(1)；将所述相干光源(1)发出的细光束三基元色相干激光扩束转换成多束均勻的且三基 元色分离的宽光束三基元色相干激光的照明光学系统O)；振幅位相调节器阵列(3)，其每个振幅位相调节器分别对所述照明光学系统( 发出 的宽光束三基元色相干激光的振幅位相进行调节以生成相互独立的子光束阵列；以及相干子光源发生器阵列，其每个相干子光源发生器分别对准所述振幅位相调节器 阵列(3)的一个相应的振幅位相调节器，使得所述相互独立的子光束一一对应地入射到相 干子光源发生器阵列(4)中的每个相干子光源发生器，并汇聚产生位置呈随机分布的相干 子光源阵列，且使每个相干子光源发出的光锥与三维立体像所在的三维区间重叠。
2.根据权利要求1所述的立体成像装置，其中，相干子光源发生器阵列(4)是透射式全 息光学元件阵列，其每个透射式全息光学元件(1 上配置的干涉条纹使得透射后汇聚形 成的相干子光源的位置呈随机分布；或者相干子光源发生器阵列(4)是反射式全息光学元件阵列，其每个反射式全息光学元件 (58)上配置的干涉条纹使得反射后汇聚形成的相干子光源的位置呈随机分布。
3.根据权利要求1或2所述的立体成像装置，其中，所述每个透射式全息光学元件 (15)上配置的干涉条纹为三块分别针对三种基元色的单色透射式全息光学元件的干涉条 纹的叠加；或者所述每个反射式全息光学元件(58)上的干涉条纹为三块分别针对三种基元色的单色 反射式全息光学元件的干涉条纹的叠加。
4.根据权利要求1所述的立体成像装置，其中，相干子光源发生器阵列(4)是二元光学 元件阵列，其每个二元光学元件(21，36)是组合了微透镜和微棱镜功能的元件，其每个二 元光学元件(21，36)表面的微结构被配置成使得汇聚形成的子光源的位置呈随机分布。
5.根据权利要求1所述的立体成像装置，其中，相干子光源发生器阵列(4)是具有多个 反射式微透镜的反射式微透镜阵列(22)，通过偏转每个反射式微透镜的光轴方 向，使得其汇聚后形成的子光源的位置呈随机分布；或者相干子光源发生器阵列(4)是具有多个透射式微透镜0 的透射式微透镜阵列04)， 通过偏转每个反射式微透镜0 的光轴方向，使得其汇聚后形成的子光源的位置呈随机 分布。
6.根据权利要求1所述的立体成像装置，其中，振幅位相调节器阵列C3)包含透射式纯 位相调节液晶板(5，33，34)，透射式纯位相调节液晶板(5，33，34)的液晶层两侧的面板上 的液晶分子定向膜的取向互相平行，使得液晶分子的扭曲角度为零，同时液晶层的厚度和 液晶材料的双折射率差使得透射式纯位相调节液晶板(5，33，34)的位相调节范围达到O 2 π ；或者振幅位相调节器阵列( 包含反射式纯位相调节液晶板(38，39，41，42)，反射式纯位 相调节液晶板(38，39，41，42)的液晶层两侧的面板上的液晶分子定向膜的取向互相平行， 使得液晶分子的扭曲角度为零，同时液晶层的厚度和液晶材料的双折射率差使得反射式纯 位相调节液晶板(38，39，41，42)的位相调节范围达到O 2 π。
7.根据权利要求1或6所述的立体成像装置，其中，振幅位相调节器阵列( 包括集成制作为一个整体的后面板(7)、第一液晶层(8)、中间面板(9)、第二液晶层(10)、前面板 (11)和紧贴在前面板上的偏振片(12)；后面板(7)、第一液晶层⑶与中间面板(9)构成 第一块灰度液晶板(5)，中间面板(9)、第二液晶层(10)、前面板(11)和偏振片(12)构成第 二块液晶板(6)，第一块灰度液晶板( 和第二块灰度液晶板(6)上的像素呈相同的二维周 期分布，且一一互相对准；其中第一块灰度液晶板( 为透射式纯位相调节液晶板，同时改变属于第二块灰度液 晶板(6)的中间面板(9)和前面板(11)上的液晶分子定向膜的取向以及偏振片(12)的偏 振方向，使得第二块灰度液晶板(6)工作于振幅调节为主模式。
8.根据权利要求1所述的立体成像装置，其中接收相干激光光源(1)发出的三种基元 色细光束激光，并对其进行扩束的照明光学系统( 包括两组相互垂直放置的平行平板分 束器阵列(17、18)；其中第一组平行平板分束器阵列(17)中的每块平行平板分束器尺寸形状相同，朝向 相同相互平行地沿同一轴线等间隔放置，调整第一组平行平板分束器阵列(17)中每块平 行平板分束器的间隔，同时沿光线传播方向依次增强每块平行平板分束器的反射率，使得 偏振相干光源(1)发出的平行细光束经第一组平行平板分束器阵列(17)反射后转换成强 度均勻且连续分布的平行线光束；其中，第二组平行平板分束器阵列(18)中的每块平行平板分束器尺寸形状相同，朝向 相同相互平行地沿同一轴线等间隔放置，调整第二组平行平板分束器阵列(18)中每块平 行平板分束器的间隔，同时沿光线传播方向依次增强每块平行平板分束器的反射率，使得 第一组平行平板分束器阵列(17)发出的平行线光束经第二组平行平板分束器阵列(18)反 射后转换成强度均勻且连续分布的平行面光束；其中，两组平行平板分束器阵列(17、18)中的每块分束器整体或分区域地分别蒸镀同 时反射三基元色的宽带反射膜或仅反射某一基元色的窄带反射膜，使得第二组平行平板分 束器阵列(18)发出的平行面光束在其横截面上沿行或沿列或同时沿行和列两个方向三基 元色依次周期分布；两组平行平板分束器阵列(17、18)的进光口与出光口光学抛光且蒸镀 宽带增透膜。
9.根据权利要求1所述的立体成像装置，其中振幅位相调节器(3)由三个子振幅位相 调节器(50、51、52)、一个具有一个出光面和三个进光面的立方分光棱镜(5 和一个光学 镜头(3 组成；光学镜头(3 放置在立方分光棱镜(5 的出光面前，光学镜头(3 的光 轴与立方分光棱镜(5 的出光面的中心轴重合；三个子振幅位相调节器(50、51、5幻分别 放置在立方分光棱镜(5 的三个进光面前，三个子振幅位相调节器(50、51、5幻的中心轴 分别与立方分光棱镜(5 的三个进光面的中心轴重合；立方分光棱镜(5 由四块相同的 直角棱镜(M、55、56、57)按直角棱相抵的方式粘合而成，直角棱镜(54、55、56、57)的直角 面分别蒸镀有针对某一基元色的窄带反射膜，使得分别从立方分光棱镜(5 的三个进光 面入射的三基元色激光能够反射或透射穿过立方分光棱镜(53)，并从立方分光棱镜(53) 的出光面出射，立方分光棱镜(5 的所有进光面与出光面皆蒸镀有宽带增透膜；三个子振 幅位相调节器(50、51、5幻的像素互相一一对准使得通过光学透镜(3 投影成像后在像面 ——互相重叠。
全文摘要
本发明公开了一种基于随机相长干涉原理的立体显示装置，它采用振幅位相调节器阵列调节入射激光的振幅和位相，进一步通过反射式或透射式全息光学元件或二元光学元件或倾斜微透镜汇聚产生位置呈随机分布的相干子光源阵列，通过这些相干子光源的相长干涉形成三维立体像。它可采用低分辨率的灰度液晶板通过三原色激光分区照明实现实时彩色立体显示，可广泛应用于计算机与电视三维显示，三维人机交换，机器人视觉等领域。
文档编号H04N13/00GK102033413SQ20091009300
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者李志扬 申请人:李志扬