一种消不良光的全息变焦系统.pdf

本发明提出一种消不良光的全息变焦系统。该系统包括激光器、滤波器I、准直透镜、LCOS、固体透镜、滤波器II、液体透镜、接收屏。其中滤波器I、准直透镜用于将激光器发出的激光扩束形成准直平面光，固体透镜位于LCOS的后面，滤波器II位于固体透镜的焦平面位置，液体透镜位于接收屏和滤波器II之间。该系统不仅可以消除全息系统中的不良光，而且可以实现变焦的功能。

1.  一种消不良光的全息变焦系统，包括：激光器、滤波器I、准直透镜、LCOS、固体透镜、滤波器II、液体透镜、接收屏；其中滤波器I、准直透镜用于用于将激光器发出的激光扩束形成准直平面光，固体透镜位于LCOS的后面，滤波器II位于固体透镜的焦平面位置，液体透镜位于接收屏和滤波器II之间。

2.  根据权利要求1所述的一种消不良光的全息变焦系统，其特征在于，d₁是LCOS和固体透镜之间的距离，d₂是固体透镜和滤波器II之间的距离，d₃是多级衍射光和多级再现像之间的距离，d₄是液体透镜与多级衍射像之间的距离，接收屏和液体透镜的距离是d₅；为了消除多级衍射光，使用发散球面波来分离多级衍射像和多级衍射光，根据透镜的成像公式，可以得到：                                                ，其中r是发散球面波的半径，固体透镜的放大倍率为M₁=-d₂/(d₁+r-d₂)，加载了发散球面波以后，多级衍射像的聚焦位置向后移，而由LCOS像素结构引起的多级衍射光的位置保持不变，因此，多级衍射光经过滤波器II后被消除，多级衍射像经过液体透镜后照射在接收屏上，其关系为：，其中f是液体透镜的焦距，液体透镜的放大倍率为M₂=-(d₅-f)/f，由于液体透镜的孔径比较小，可以限制多级衍射像，最终可以在接收屏上看到理想的再现像，固体透镜和液体透镜之间的距离可以由得到，再现像的大小H为：,其中p是LCOS的像素间距，λ是再现光的的波长。

3.  根据权利要求1所述的一种消不良光的全息变焦系统，其特征在于，当LCOS、固体透镜、滤波器II、液体透镜和接收屏的位置保持不变时，对于给定的r，可以计算出f的值，可以通过改变r和f来调节再现像的大小，该系统可以实现变焦的功能。

4.  根据权利要求1所述的一种消不良光的全息变焦系统，其特征在于，发散球面波的相位φ_s为：，其中k=2π/λ，x, y分别表示发散球面波上的点到光轴在水平方向和竖直方向上的距离。

5.  根据权利要求1所述的一种消不良光的全息变焦系统，其特征在于，滤波器II位于固体透镜的焦平面处，固体透镜的焦距等于d₂。

6.  根据权利要求1所述的一种消不良光的全息变焦系统，其特征在于，液体透镜是基于电湿润效应原理，通过改变外加电压来改变它的焦距，为了消除多级衍射像，液体透镜的孔径d≥3mm且d≤5mm。

一种消不良光的全息变焦系统
技术领域
本发明涉及全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种消不良光的全息变焦技术。
背景技术
近年来，为了满足动态、实时显示的需求，基于空间光调制器（SLM）的全息显示技术受到广泛的关注。作为SLM的一种，硅基液晶（LCOS）以其高集成化、大开口率、响应时间快等优势被越来越多的应用于显示系统中。然而，由于LCOS自身像素结构的影响，再现像的观看效果会受到多级衍射光和多级再现像的干扰。为了消除这些不良光，有学者提出在全息图上加载会聚的球面波，从而将多级衍射光和多级再现像分开；也有学者提出使用线性的相位偏移来实现分离。2009年，北京理工大学的学者将上述两种方法结合起来，消除了多级衍射光。为了消除多级再现像，目前常用的方法是使用4f系统，再结合光阑的使用，可以实现在接收屏上只观看到一级再现像。因此，如果要将不良光全部消除，得到理想的一级再现像，系统将会变得更加复杂。
发明内容
本发明提出一种消不良光的全息变焦系统。如附图1所示，该系统包括激光器、滤波器I、准直透镜、LCOS、固体透镜、滤波器II、液体透镜、接收屏。其中滤波器I、准直透镜用于将激光器发出的激光扩束形成准直平面光，固体透镜位于LCOS的后面，滤波器II位于固体透镜的焦平面位置，液体透镜位于接收屏和滤波器II之间。
附图2为该系统的原理示意图。当使用准直光照射LCOS时，再现像由两部分组成，一部分是全息图衍射形成的多级衍射像，另一部分是由LCOS本身的像素结构引起的多级衍射光。其中d₁是LCOS和固体透镜之间的距离，d₂是固体透镜和滤波器II之间的距离，d₃是多级衍射光和多级再现像之间的距离，d₄是液体透镜与多级衍射像之间的距离，接收屏和液体透镜的距离是d₅。为了消除多级衍射光，我们使用发散球面波来分离多级衍射像和多级衍射光。根据透镜的成像公式，可以得到：
                     （1）
式中r是发散球面波的半径，固体透镜的放大倍率为M₁=-d₂/(d₁-r-d₂)。加载了发散球面波以后，多级衍射像的聚焦位置向后移，而由LCOS像素结构引起的多级衍射光的位置保持不变。因此，多级衍射光经过滤波器II后被消除，多级衍射像经过液体透镜后照射在接收屏上，其关系为：
                          （2）
式中f是液体透镜的焦距，液体透镜的放大倍率为M₂=-(d₅-f)/f。由于液体透镜的孔径比较小，可以限制多级衍射像，最终我们可以在接收屏上看到理想的再现像。由公式（1）-（2）可以得到：
               （3）
再现像的大小H满足：
                    （4）
式中p是LCOS的像素间距，λ是再现光的的波长。从公式（3）-（4）可以看出，当LCOS、固体透镜、滤波器II、液体透镜和接收屏的位置保持不变时，对于给定的r，可以计算出f的值，我们可以通过改变r和f来调节再现像的大小。因此，该系统可以实现变焦的功能。
优选地，发散球面波的相位φ_s满足：
                      （5）
式中k=2π/λ，x, y分别表示发散球面波上的点到光轴在水平方向和竖直方向上的距离。
优选地，滤波器II位于固体透镜的焦平面处，固体透镜的焦距等于d₂。
优选地，液体透镜是基于电湿润效应原理，通过改变外加电压来改变它的焦距。为了消除多级衍射像，液体透镜的孔径d≥3mm且d≤5mm，附图3是液体透镜的焦距随电压变化的示意图。
附图说明
附图1为一种消不良光的全息变焦系统的示意图。
附图2为一种消不良光的全息变焦系统的原理示意图。
附图3为液体透镜的焦距随电压变化的示意图。
附图4为再现像的大小随发散球面波的半径变化的示意图。
上述各附图中的图示标号为：
1激光器、2滤波器I、3准直透镜、4 LCOS、5固体透镜、6滤波器II、7液体透镜、8接收屏。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种消不良光的全息变焦系统的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的一个实施例为，激光器为波长为532nm的绿色信号光，LCOS的像素间距为8微米，分辨率为1920×1080，固体透镜的焦距为30cm，固体透镜和LCOS的距离为10cm，滤波器II位于固体透镜后30cm处，它和液体透镜的距离为40cm，液体透镜和接收屏的距离为15cm。将参数带到公式（1）-（3）中，可以得到：
                      (6)
                      (7)
高级衍射光经过滤波器后被消除，当发散球面波的半径一定时，我们可以通过调节液体透镜的焦距得到清晰的再现像。因此，通过调节发散球面波的半径和液体透镜的焦距，系统可以实现变焦的功能。附图4是以半径为25cm时的再现像为单位1时，再现像的大小随着发散球面波的半径变化的示意图。