全息顯示系統和全息顯示方法與流程

本發明涉及顯示技術領域，尤其涉及一種全息顯示系統以及全息顯示方法。

背景技術：

傳統的全息圖像可以在較大的觀察區域內被觀察。然而，在這個較大的觀察區域中，只利用了對應于觀察者雙眼視窗的全息圖像信息，其余區域中的全息圖像信息都被浪費了。因此，可以僅計算對雙眼視窗有貢獻的全息圖像信息，并藉由眼球追蹤技術追蹤眼球位置；由此，觀察者可以看到全息圖像，還大大減小了計算量。

技術實現要素：

發明人意識到，這種“視窗”技術導致了觀察視角小的問題，觀察者只能在固定的觀察窗口內觀察全息圖像；這種全息圖像的觀察范圍受限，并且不適合多人觀看。

為此，本發明實施例提出了一種全息顯示系統以及全息顯示方法，利用光源模塊和空間光調制器之至少一者的移動（shift），能夠在較大范圍內向多個靜止或移動的觀察者提供全息圖像。

根據本發明的一個方面，本發明實施例提供了一種全息顯示系統。所述全息顯示系統包括：光源模塊，用于產生相干光束；空間光調制器，利用所述相干光束產生全息圖像；位置檢測裝置，用于檢測至少一個觀察者的眼睛位置；以及致動裝置，所述致動裝置能夠根據所述至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者，從而將所述全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。

在本發明實施例中，致動裝置根據至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者，從而將全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。利用上述配置，在存在多個觀察者和/或觀察者在運動的情況下，全息圖像都能以時分復用的方式實時地投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置，從而改善了全息圖像的顯示效果和質量。并且，對于全息顯示的光路來說，利用本申請實施例的配置，無需在光路中插入額外的器件，避免了光的損失以及系統復雜度的增加。

可選地，所述全息顯示系統進一步包括：布置在所述空間光調制器的出光側的液晶透鏡陣列。

液晶透鏡陣列能夠根據至少一個觀察者的眼睛位置（包括觀察者相對于所述全息顯示系統的距離和方位角），將觀察視窗更加準確地調整到至少一個觀察者的眼睛位置處。本領域技術人員能夠理解，對應于多個觀察者，可以使用多個液晶透鏡陣列。

可選地，所述致動裝置是三維致動裝置。

利用三維致動裝置，能夠在三維方向上移動所述相干光源、透鏡和空間光調制器之至少一者。當觀察者相對于全息顯示系統的位置（例如：距離和方位角）發生變化時，利用例如三維致動裝置來移動所述相干光源、透鏡和空間光調制器之至少一者，能夠高效和精確地保持全息圖像對于觀察者的顯示質量。相反，如果使用單獨的折射裝置來偏折全息顯示系統中的光束，那么當觀察者相對于全息顯示系統的距離發生變化時，為了確保全息圖像的顯示質量，還應當協同地調節諸如成像透鏡的焦距，這極大地增加了系統復雜度。

可選地，所述致動裝置是壓電致動裝置或微機電系統（MEMS，Micro Electro Mechanical System）致動裝置。

壓電致動裝置和微機電系統致動裝置都具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等優點，因此可以有利地應用在全息顯示系統中。

可選地，所述全息顯示裝置進一步包括：眼圖處理裝置，用于根據所述至少一個觀察者的眼睛的瞳孔中心獲取所述至少一個觀察者的注視點坐標。

利用眼圖處理裝置獲取所述至少一個觀察者的注視點坐標，可以更精確地基于觀察者的注視點坐標來確定觀察者最關注的全息圖像的部位，從而進一步減小全息圖像的數據量和運算量。

可選地，所述光源模塊包括激光光源和布置在所述激光光源出光側的透鏡。

可選地，所述激光光源至少包括紅色激光器、綠色激光器和藍色激光器。

為了實現彩色全息顯示，可以使用例如紅色激光器（或，紅色相干光源）、綠色激光器（或，綠色相干光源）和藍色激光器（或，藍色相干光源），以時分復用的方式分別地顯示紅色、綠色和藍色的全息圖像，從而由觀察者感知為彩色的全息圖像。類似地，也可以使用至少包括紅色LED、綠色LED和藍色LED的LED光源陣列來實現光源模塊。本領域技術人員能夠理解，還可以使用其他的顏色組合來產生彩色的全息圖像。

根據本發明的另一方面，本發明實施例提供了一種全息顯示方法。所述全息顯示方法包括：利用光源模塊產生相干光束；利用空間光調制器和所述相干光束產生全息圖像；檢測至少一個觀察者的眼睛位置；以及根據所述至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者，從而將所述全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。

在本發明實施例中，根據至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者，從而將全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。利用上述配置，在存在多個觀察者和/或觀察者在運動的情況下，全息圖像都能以時分復用的方式實時地投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置，從而改善了全息圖像的顯示效果和質量。并且，對于全息顯示的光路來說，利用本申請實施例的配置，無需在光路中插入額外的器件，避免了光的損失以及系統復雜度的增加。

可選地，根據所述至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者包括：根據所述至少一個觀察者的眼睛位置，在三維方向上移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者。

當觀察者相對于全息顯示系統的位置（例如：距離和方位角）發生變化時，利用例如三維致動裝置來移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者，能夠高效和精確地保持全息圖像對于觀察者的顯示質量。相反，如果使用單獨的折射裝置來偏折全息顯示系統中的光束，那么當觀察者相對于全息顯示系統的距離發生變化時，為了確保全息圖像的顯示質量，還應當協同地調節諸如成像透鏡的焦距，這極大地增加了系統的復雜度。

可選地，根據所述至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者包括：根據所述至少一個觀察者的眼睛位置，利用壓電致動裝置或微機電系統致動裝置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者。

壓電致動裝置和微機電系統致動裝置都具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等優點，因此可以有利地應用在全息顯示系統中。

可選地，所述方法還包括：根據所述至少一個觀察者的眼睛的瞳孔中心獲取所述至少一個觀察者的注視點坐標。

根據所述至少一個觀察者的眼睛的瞳孔中心獲取所述至少一個觀察者的注視點坐標，可以更精確地基于觀察者的注視點坐標來確定觀察者最關注的全息圖像的部位，從而進一步減小全息圖像的數據量和運算量。

可選地，所述方法還包括：根據所述至少一個觀察者的眼睛位置，利用液晶透鏡陣列將所述全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。

液晶透鏡陣列能夠根據至少一個觀察者的眼睛位置（包括觀察者相對于所述全息顯示系統的距離和方位角），將觀察視窗更加準確地調整到至少一個觀察者的眼睛位置處。本領域技術人員能夠理解，對應于多個觀察者，可以使用多個液晶透鏡陣列。

可選地，利用空間光調制器和所述相干光束產生全息圖像包括：采用時分復用的方式，利用空間光調制器和所述光源模塊產生至少紅色全息圖像、綠色全息圖像和藍色全息圖像。

為了實現彩色全息顯示，可以使用例如紅色激光器（或，紅色相干光源）、綠色激光器（或，綠色相干光源）和藍色激光器（或，藍色相干光源），以時分復用的方式分別地顯示紅色、綠色和藍色的全息圖像，從而由觀察者感知為彩色的全息圖像。類似地，也可以使用至少包括紅色LED、綠色LED和藍色LED的LED光源陣列來實現光源模塊。本領域技術人員能夠理解，還可以使用其他的顏色組合來產生彩色的全息圖像。

可選地，所述方法還包括：根據所述至少一個觀察者的數量來確定所述光源模塊和空間光調制器之至少一者的移動周期。

所述光源模塊和空間光調制器之至少一者的移動周期T可以包括N個階段P，其中N是所述至少一個觀察者的數量；例如，可以將所有階段P的時長設置為相同的。對于每個階段來說，P=（S+D），其中S是每個所述周期中所述光源模塊和空間光調制器之至少一者的移動時間，D是每個所述周期中所述全息顯示系統的顯示時間。為確保所述光源模塊和空間光調制器之至少一者的移動不會被觀察者察覺，所述光源模塊和空間光調制器之至少一者在各個工作位置之間的切換應當在人眼的視覺暫留時間（0.05-0.2秒）內完成。

附圖說明

圖1示出了根據本發明實施例的全息顯示裝置的結構示意圖；

圖2示出了根據本發明另一實施例的全息顯示裝置的結構示意圖；

圖3示出了根據本發明實施例的光源的結構示意圖；

圖4示出了根據本發明實施例的全息顯示方法的流程圖；

圖5示出了根據本發明另一實施例的全息顯示方法的流程圖；以及

圖6示出了根據本發明實施例的光源工作和空間光調制器加載全息圖像數據的時序圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明專利保護的范圍。

根據本發明的一個方面，如圖1所示，本發明實施例提供了一種全息顯示系統100。所述全息顯示系統100包括：光源模塊110（包括相干光源101和布置在相干光源101出光側的透鏡102），用于產生相干光束104；空間光調制器103，利用所述相干光束104產生全息圖像105；位置檢測裝置106，用于檢測至少一個觀察者的眼睛位置A、A’；以及致動裝置107，所述致動裝置107能夠根據所述至少一個觀察者的眼睛位置移動所述相干光源101、透鏡102和空間光調制器103之至少一者，從而將所述全息圖像105投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。

在本發明實施例中，致動裝置根據至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者，從而將全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。利用上述配置，在存在多個觀察者和/或觀察者在運動的情況下，全息圖像都能以時分復用的方式實時地投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置，從而改善了全息圖像的顯示效果和質量。并且，對于全息顯示的光路來說，利用本申請實施例的配置，無需在光路中插入額外的器件，避免了光的損失以及系統復雜度的增加。

在本發明的上下文中，實施例中的各個“檢測裝置”和“處理裝置”可以由計算機或者計算機與適當傳感器的結合來實現，各個“檢測裝置”和“處理裝置”的處理過程均可以例如由所述計算機中的處理器來實現。例如，可以利用攝像機和計算機的組合來實現位置檢測裝置；可以利用計算機中的處理器來實現眼圖處理裝置。

原始的全息圖像數據可以經由網絡或存儲器提供給計算機的處理器，所述處理器根據所述至少一個觀察者的眼睛位置計算對應于所述至少一個觀察者的眼睛位置的全息圖像數據；空間光調制器利用計算的全息圖像數據顯示全息圖像，從而將全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。

可選地，如圖2所示，所述全息顯示系統100進一步包括：布置在所述空間光調制器103的出光側的液晶透鏡陣列109。

液晶透鏡陣列109能夠根據至少一個觀察者的眼睛位置（包括觀察者相對于所述全息顯示系統的距離和方位角），將觀察視窗更加準確地調整到至少一個觀察者的眼睛位置處。本領域技術人員能夠理解，對應于多個觀察者，可以使用多個液晶透鏡陣列109。

可選地，所述致動裝置107是三維致動裝置。可以將所述致動裝置布置為支撐所述相干光源、透鏡和空間光調制器之至少一者，從而實現對所述相干光源、透鏡和空間光調制器之至少一者的致動。

利用三維致動裝置，能夠在三維方向上移動所述相干光源、透鏡和空間光調制器之至少一者。當觀察者相對于全息顯示系統的位置（例如：距離和方位角）發生變化時，利用例如三維致動裝置來移動所述相干光源、透鏡和空間光調制器之至少一者，能夠高效和精確地保持全息圖像對于觀察者的顯示質量。相反，如果使用單獨的折射裝置來偏折全息顯示系統中的光束，那么當觀察者相對于全息顯示系統的距離發生變化時，為了確保全息圖像的顯示質量，還應當協同地調節諸如成像透鏡的焦距，這極大地增加了系統復雜度。

可選地，所述致動裝置107是壓電致動裝置或微機電系統致動裝置。

壓電致動裝置和微機電系統致動裝置都具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等優點，因此可以有利地應用在全息顯示系統中。

可選地，如圖1所示，所述全息顯示裝置100可以進一步包括眼圖處理裝置108，用于根據所述至少一個觀察者的眼睛的瞳孔中心獲取所述至少一個觀察者的注視點坐標。

利用眼圖處理裝置獲取所述至少一個觀察者的注視點坐標，可以更精確地基于觀察者的注視點坐標來確定觀察者最關注的全息圖像的部位，從而進一步減小全息圖像的數據量和運算量。

可選地，如圖3所示，所述光源模塊110包括激光光源101和布置在所述激光光源出光側的透鏡102。所述激光光源101至少包括紅色激光器1011、綠色激光器1012和藍色激光器1013。可以使用例如分束器201和202將分別發射自紅色激光器1011、綠色激光器1012和藍色激光器1013的光束合并在同一光束中。

為了實現彩色全息顯示，可以使用例如紅色激光器（或，紅色相干光源）、綠色激光器（或，綠色相干光源）和藍色激光器（或，藍色相干光源），以時分復用的方式分別地顯示紅色、綠色和藍色的全息圖像，從而由觀察者感知為彩色的全息圖像。類似地，也可以使用至少包括紅色LED、綠色LED和藍色LED的LED光源陣列來實現光源模塊。本領域技術人員能夠理解，還可以使用其他的顏色組合來產生彩色的全息圖像。

根據本發明的另一方面，如圖4所示，本發明實施例提供了一種全息顯示方法400。所述全息顯示方法400包括：利用光源模塊產生相干光束（S401）；利用空間光調制器和所述相干光束產生全息圖像（S402）；檢測至少一個觀察者的眼睛位置（S403）；以及根據所述至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者，從而將所述全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置（S404）。

在本發明實施例中，根據至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者，從而將全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。利用上述配置，在存在多個觀察者和/或觀察者在運動的情況下，全息圖像都能以時分復用的方式實時地投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置，從而改善了全息圖像的顯示效果和質量。并且，對于全息顯示的光路來說，利用本申請實施例的配置，無需在光路中插入額外的器件，避免了光的損失以及系統復雜度的增加。

可選地，根據所述至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者包括：根據所述至少一個觀察者的眼睛位置，在三維方向上移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者。

當觀察者相對于全息顯示系統的位置（例如：距離和方位角）發生變化時，利用例如三維致動裝置來移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者，能夠高效和精確地保持全息圖像對于觀察者的顯示質量。相反，如果使用單獨的折射裝置來偏折全息顯示系統中的光束，那么當觀察者相對于全息顯示系統的距離發生變化時，為了確保全息圖像的顯示質量，還應當協同地調節諸如成像透鏡的焦距，這極大地增加了系統的復雜度。

可選地，根據所述至少一個觀察者的眼睛位置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者包括：根據所述至少一個觀察者的眼睛位置，利用壓電致動裝置或微機電系統致動裝置移動所述光源模塊和空間光調制器之至少一者。

壓電致動裝置和微機電系統致動裝置都具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等優點，因此可以有利地應用在全息顯示系統中。

可選地，如圖5所示，所述方法400還可以包括：根據所述至少一個觀察者的眼睛的瞳孔中心獲取所述至少一個觀察者的注視點坐標（S403’）。

根據所述至少一個觀察者的眼睛的瞳孔中心獲取所述至少一個觀察者的注視點坐標，可以更精確地基于觀察者的注視點坐標來確定觀察者最關注的全息圖像的部位，從而進一步減小全息圖像的數據量和運算量。

可選地，如參考圖2說明的實施例所述，所述方法還可以包括：根據所述至少一個觀察者的眼睛位置，利用液晶透鏡陣列將所述全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。

液晶透鏡陣列能夠根據至少一個觀察者的眼睛位置（包括觀察者相對于所述全息顯示系統的距離和方位角），將觀察視窗更加準確地調整到至少一個觀察者的眼睛位置處。本領域技術人員能夠理解，對應于多個觀察者，可以使用多個液晶透鏡陣列。

可選地，利用空間光調制器和所述相干光束產生全息圖像包括：采用時分復用的方式，利用空間光調制器和所述光源模塊產生至少紅色全息圖像、綠色全息圖像和藍色全息圖像。

為了實現彩色全息顯示，可以使用例如紅色激光器（或，紅色相干光源）、綠色激光器（或，綠色相干光源）和藍色激光器（或，藍色相干光源），以時分復用的方式分別地顯示紅色、綠色和藍色的全息圖像，從而由觀察者感知為彩色的全息圖像。類似地，也可以使用至少包括紅色LED、綠色LED和藍色LED的LED光源陣列來實現光源模塊。本領域技術人員能夠理解，還可以使用其他的顏色組合來產生彩色的全息圖像。為了實現彩色全息顯示，可以采用如圖6所示的激光器工作和空間光調制器加載全息圖像數據的時序圖。如圖6所示，紅色激光器（或，紅色相干光源）、綠色激光器（或，綠色相干光源）和藍色激光器（或，藍色相干光源）交替發光；所述空間光調制器SLM在某一顏色的激光器發光期間加載對應于該顏色的全息圖像數據，從而顯示該顏色的全息圖像。由此，全息顯示裝置可以以預定的頻率顯示對應于各個顏色的全息圖像，從而令觀察者觀察到彩色全息圖像。

本領域技術人員能夠理解，為確保所述相干光源、透鏡和空間光調制器之至少一者的移動不會被觀察者察覺，可以在執行所述移動期間關斷所述空間光調制器；即，在執行所述移動期間，所述空間光調制器阻擋所述相干光束。

可選地，所述方法還可以包括：根據所述至少一個觀察者的數量來確定所述光源模塊和空間光調制器之至少一者的移動周期。

所述光源模塊和空間光調制器之至少一者的移動周期T可以包括N個階段P，其中N是所述至少一個觀察者的數量；例如，可以將所有階段P的時長設置為相同的。對于每個階段來說，P=（S+D），其中S是每個所述周期中所述光源模塊和空間光調制器之至少一者的移動時間，D是每個所述周期中所述全息顯示系統的顯示時間。為確保所述光源模塊和空間光調制器之至少一者的移動不會被觀察者察覺，所述光源模塊和空間光調制器之至少一者在各個工作位置之間的切換應當在人眼的視覺暫留時間（0.05-0.2秒）內完成。

本發明實施例提供了一種全息顯示裝置和全息顯示方法，根據至少一個觀察者的眼睛位置移動光源模塊和空間光調制器之至少一者，從而將全息圖像投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置。利用上述配置，在存在多個觀察者和/或觀察者在運動的情況下，全息圖像都能以時分復用的方式實時地投射至所述至少一個觀察者的眼睛位置，從而改善了全息圖像的顯示效果和質量。并且，對于全息顯示的光路來說，利用本申請實施例的配置，無需在光路中插入額外的器件，避免了光的損失以及系統復雜度的增加。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型。