空间光调制器及其光场三维显示系统技术方案

一种裸眼立体显示技术领域的空间光调制器及其光场三维显示系统，该空间光调制器采用一个二维阵列或由一个一维阵列和与之相连的一维扫描机械装置构成的模拟二维阵列得以实现；阵列中的每一个像素由一个光线偏转器进行控制。该光场三维显示系统包括：光源模块和与之相连的空间光调制器。本发明专利技术具有大偏转角、高偏转精度，快速响应的优点，来实现大可视角、大再现深度、高分辨率的光场三维显示。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种裸眼立体显示
的空间光调制器及其光场三维显示系统，该空间光调制器采用一个二维阵列或由一个一维阵列和与之相连的一维扫描机械装置构成的模拟二维阵列得以实现；阵列中的每一个像素由一个光线偏转器进行控制。该光场三维显示系统包括：光源模块和与之相连的空间光调制器。本专利技术具有大偏转角、高偏转精度，快速响应的优点，来实现大可视角、大再现深度、高分辨率的光场三维显示。【专利说明】空间光调制器及其光场三维显示系统
本专利技术涉及的是一种裸眼立体显示
的装置，具体是一种空间光调制器及其光场三维显示系统。
技术介绍
近几十年，显示技术发展突飞猛进，对比度、视角、分辨率、色彩保真度等性能越来越高，体积重量越来越小。然而传统显示器件只能提供二维平面图像，缺少深度信息(第三维)。而周围的现实世界是三维的，二维显示限制了感知和理解复杂的现实世界，三维显示逐渐成为显示领域的新发展趋势。光场三维显示是一种重要的三维显示技术。光场显示通过模拟真实三维场景中物体发光的方式来重建物体周围的光场分布，从而重现三维影像。自由空间中，对于给定的波长和时刻，可以用一个五维函数L(x，y，z，Θ, Ψ)表示以一个静止光场，其中:x、y、z为光线中任一点的三维坐标，?、Ψ分别为光线的传播方向，λ为光线的波长，t为时间。对于现实生活中的物体，无论是自身发光还是漫反射其它光源，都会在自己周围形成独特的光场分布。光场显示的原理是通过空间光调制器(SLM)调制产生不同强度和方向的空间光线，重现整个光场分布。用于光场重构的空间光调制器可以看做光场在空间中的一个二维截面，这个截面与无数个包含强度和三维方向的矢量(光线)相交。然而，实际上空间光调制器不可能同时调制无数个连续矢量，只能显示有限个离散的矢量。实现光场显示的方法有以下几种:1)用高速投影机和高速旋转的纵向散射屏，投影到散射屏上的光线在横向上反射，在纵向上被散射开，使不同方向投影出不同图像，而其他视角被遮挡。当左右眼 分别横跨两个视点时，经过大脑融合成像就能产生真实的三维感受。但旋转屏不可避免的导致图像不稳定，且快速机械装置体积庞大，功率高。2)由多台投影机和全息定向屏实现。各台不同的投影机从不同方向投影图案，构成了不同的视角图像，全息定向屏控制发光的角度使其组合成连续分布的视角图像，从而形成一幅完整的画面。然而多个投影仪系统造价昂贵，校准困难。3)通过空间光调制器分别控制光线的位置和方向，来重现三维物体。但是该方案受限于几个关键因素:a)现有空间光调制器的偏转角小。传统的相位型空间光调制器依靠相邻像素之间的相位差产生光线角度偏转。像素尺寸越小，所能达到的偏转角越大。目前商用的空间光调制的像素一般在6 μ m-8 μ m，导致偏转角度只有2到3度。b)空间光调制器的响应速度慢。Gordon Wetzstein等人在2012年提出用多层空间光调制器隔开一定距离，用不同空间光调制器层的特定像素组来定义光的方向和强度(文献“Tensor displays:compressive light field synthesis using multilayer displayswith directional backlighting,，，ACM Transactions on Graphics (TOG),31,80,2012)。但是其响应速度大于2ms，因此为了重现不同方向的角度，光场显示需要以牺牲空间分辨率来提供角度信息Jordon Wetzstein在同篇文献中提到也可以由单层空间光调制器配合多角度出射的背光源来实现光场显示。但是因为空间光调制器的响应速度不够快，需要牺牲空间分辨率来换取角度信息。由于现有空间光调制器偏转角度小、响应速度慢，造成光场三维显示观察视角小、再现深度浅和空间分辨率低。D.E.Smalley等人在2013年提出采用声波调制的空间光调制器来增加响应速度(文献“Anisotropic leaky-mode modulator for holographic videodisplays，” Nature，498，313，2013)，也能一定程度上扩大了偏转角。但是这些方案需要将角度信息转化为高频信号，并需要机械扫描装置，使系统变得更加复杂。聚合物稳定蓝相液晶(以下称蓝相液晶)是聚合物稳定的一种液晶特殊相。蓝相液晶具有双螺旋结构，有较短的相干长度，因此有很快的响应速度，可以达到微秒级(文献“A low voltage and submiIlisecond-response polymer-stabilized blue phase liquidcrystal, ” Appl.Phys.Lett., 102,141116, 2013),且该材料不需要配相层，工艺简单，容易制造。经过对现有技术的检索发现，宋世军等，在《变焦纳米液晶透镜的体三维立体显示器的初步研究》(现代显示AdvancedDisplay,总第83/84期)中提出一种基于电动变焦纳米液晶透镜的3D立体显示器。该变焦透镜具有50Hz的高速响应以达到无闪烁的显示。梯度折射率纳米聚合物分散液晶透镜通过紫外掩模制作，具有透明性好，响应速度快的优点。采用快速阴极射线管作为二维显示器。因为蓝相液晶透镜只能实现开关切换，无法改变焦距。因此需要由多个不同位置的像素来提供多个方向信息，大大降低了分辨率；而且因为蓝相液晶透镜靠非均匀电场产生的相位差小，焦距长，导致该3D显示的可视范围小；而且因为蓝相液晶透镜米用的结构中，电场方向、液晶盒厚方向和光传播方向在同一个方向:增大液晶盒厚，可以增加一些相位差，但是电压也大大增加。中国专利文献号CN102713732A，公开(公告)日2012.10.03，公开了一种光偏转器以及采用该光偏转器的液晶显示装置，该技术使光偏转向规定的偏转方向且能够对光的偏转角度进行调制的光偏转器，其具备在规定的偏转方向上排列配置的多个液晶偏转元件。在至少一组相邻的成对的液晶偏转元件中，一方的液晶偏转元件在规定的偏转方向上的大小与另一方的液晶偏转元件在规定的偏转方向上的大小不同。但该技术由于采用普通向列型液晶，响应速度慢、角度数量太少，偏转精度低。因此景深很小。其次，由于其液晶做在三角形的基板上，需要配相层，导入液晶的工序非常复杂，因此较难实现大规模量产。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种空间光调制器及其光场三维显示系统，具有大偏转角、高偏转精度，快速响应的优点，完全不用牺牲空间分辨率并保持电压不必增加的基础上实现大可视角、大再现深度、高分辨率的光场三维显示。本专利技术是通过以下技术方案实现的:本专利技术涉及一种光场三维显示系统，包括:光源模块和与之相连的空间光调制器，其中:空间光调制器通过时序方法，以像素为单位对光源模块各个方向上的光线进行强度调制，使得光源模块重现三维物体的光场，从而实现三维显示。所述的光源可采用单不限于:激光的相干光源、发光二极管(LED)等非相干光源坐寸ο所述的光源为单个整体背光光源或由多个亚背光光源组成，其中:每个亚背光源对空间光调制器的一个或一组像素提供背光。所述的整体背光光源以及亚背光光源均可以在时序上调制强度或是强度不变。所述的空间光调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间光调制器，其特征在于，采用一个二维阵列或由一个一维阵列和与之相连的一维扫描机械装置构成的模拟二维阵列得以实现；所述的阵列中的每一个像素由一个光线偏转器进行控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李燕，苏翼凯，荣娜，陈超平，陆建钢，吴佳旸，高武然，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31