空间光调制器及用空间光调制器显示计算全息图的方法

技术领域

本发明涉及全息光学技术领域，尤其涉及一种空间光调制器及用空间光调 制器显示计算全息图的方法。

背景技术

全息显示技术分为传统的光学全息和运用数字计算机去模拟、运算、处理 各种光学过程的计算全息(Computer Generated Hologram，CGH)。传统的光学 全息是利用光的干涉原理，通过引入一个与物光波相干的参考光波与物光波干 涉，将物光波中的相位和振幅信息以干涉条纹的形式记录在某种介质上，利用 光波衍射原理，再现原始物光波后形成原物体的3D图像。然而，光学全息术 需要非常稳定的光学系统(无振动，无噪声)以及具有高度相干性和高强度的 光源，从而大大限制了其应用范围。为了解决上述问题，人们开始研究用计算 机模拟运算的计算全息术。

计算全息术是直接将物光波的数学描述函数输入计算机中模拟实际的干 涉过程，计算出干涉条纹，绘制出计算全息图，再将计算全息图放到实际光路 中获得再现像，计算全息和光学全息相比具有噪声低、可重复性好以及可以获 得虚拟物体的全息图等显著特点。

计算全息图的制作和再现过程主要分为以下五个步骤：第一、抽样，得到 物体或波面在离散样点上的值；第二、计算，计算物光波在全息平面上的光场 分布；第三、编码，把全息平面上光波的复振幅分布编码成为全息图的透过率 变化；第四、成图，在计算机控制下，将全息图的透过率变化绘制成图，如果 绘图设备分辨率不够，则绘制一个较大的图，再缩版得到使用的全息图；第五、 再现，这一步与光学全息图的再现相同。

当计算机完成了计算全息图的编码后，下一步就是以适合光学再现的尺寸 和方式显示计算全息图。由于计算全息图上每个抽样单元的尺寸在微米量级， 需要专门的光学缩微照相系统或微光刻系统，在要求较低情况下也可用照相机 将显示在计算机屏幕或打印输出的计算全息原图缩拍到高分辨感光胶片上，通 过显影、定影等处理得到可用于光学再现的全息图，由于记录介质是照相底片， 只能显示静态的计算全息图。

近年来，随着高分辨电寻址空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM) 的发展，像元尺寸在微米量级，像素数超过100万的振幅型或相位型空间光调 制器已经完全实用化，其中最具代表性的是液晶空间光调制器。

液晶空间光调制器是基于液晶分子电致双折射效应而制作的空间光调制 器，其受控单元为独立的像素单元，在空间上排列成一维或二维阵列，每个单 元可独立接收光信号或电信号等控制信号，可对输入光波进行像素级的调制， 灵活改变光波的波前。

采用液晶空间光调制器实现再现的光路如图1所示，液晶空间光调制器10 采用电寻址的液晶空间光调制器，液晶空间光调制器10与计算机11连接，接 收其调制信号，计算机11输出全息图的电信号到液晶空间光调制器10上，液 晶空间光调制器10由驱动电路驱动的液晶显示屏(Liquid Crystal Display， LCD)根据寻址电信号改变每一液晶像素的透过率，从而把电信号转换成空间 的光强分布，图中的F表示傅立叶透镜的焦距。采用液晶空间光调制器代替照 相胶片作为记录介质，能够显示动态的计算全息图，但这种方法需要很高的像 素精度，只能基于硅基液晶制作，成本较高，且不易大面积制作。

综上所述，现有技术当采用光学缩微照相系统或微光刻系统显示计算全息 图时，只能显示静态的计算全息图，且工序复杂。当采用液晶空间光调制器显 示计算全息图时，虽然能够显示动态的计算全息图，但存在制作成本较高，不 易大面积制作的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种空间光调制器及用空间光调制器显示计算全息 图的方法，用以大面积显示动态的计算全息图。

本发明实施例提供的一种空间光调制器，包括若干阵列排列的微机电器件 单元，每一所述微机电器件单元与计算全息图中的一个像元对应，每一所述微 机电器件单元包括传感装置、挡光部和传动装置，其中：

所述传感装置，用于接收计算机对该传感装置所属的微机电器件单元对应 的像元进行罗曼编码后的位置信息，所述位置信息为本帧图像显示时所述挡光 部的位置信息；以及

将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息发送给所述传动装置；

所述传动装置，用于在接收到本帧图像显示时所述挡光部的位置信息时， 控制所述挡光部运动到本帧图像显示时所述挡光部的位置信息对应的位置。

由本发明实施例提供的空间光调制器，包括若干阵列排列的微机电器件单 元，每一所述微机电器件单元与计算全息图中的一个像元对应，每一所述微机 电器件单元包括传感装置、挡光部和传动装置，其中：所述传感装置用于接收 计算机对该传感装置所属的微机电器件单元对应的像元进行罗曼编码后的位 置信息，所述位置信息为本帧图像显示时所述挡光部的位置信息；以及将本帧 图像显示时所述挡光部的位置信息发送给所述传动装置；所述传动装置用于在 接收到本帧图像显示时所述挡光部的位置信息时，控制所述挡光部运动到本帧 图像显示时所述挡光部的位置信息对应的位置。由于本发明具体实施例采用阵 列排列的微机电器件单元，因此能够实现大面积显示；由于微机电器件的响应 速度快，本发明实施例中的传感装置能够在较短的时间内接收每一次计算机罗 曼编码后的位置信息，传动装置能够在短时间内控制挡光部的运动，从而在短 时间内能够显示多帧画面，因此能够显示动态的计算全息图。

较佳地，所述传感装置包括接收单元和比较单元，其中：

所述接收单元，用于接收计算机对该传感装置所属的微机电器件单元对应 的像元进行罗曼编码后的位置信息；

所述比较单元，用于将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息与上一时刻 该挡光部的位置信息进行比较，若本帧图像显示时所述挡光部的位置信息与上 一时刻该挡光部的位置信息不同，将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息发 送给所述传动装置；否则不发送本帧图像显示时所述挡光部的位置信息给所述 传动装置。

较佳地，所述传动装置为拉动铰链。

较佳地，至少一拉动铰链控制所述挡光部在水平方向上运动；

至少一拉动铰链控制所述挡光部在竖直方向上运动。

较佳地，所述挡光部的形状为矩形。

本发明实施例还提供了一种通过上述空间光调制器显示计算全息图的方 法，其中，所述方法包括：

每一传感装置接收计算机对该传感装置所属的微机电器件单元对应的像 元进行罗曼编码后的位置信息，所述位置信息为本帧图像显示时该传感装置所 属的微机电器件单元中的挡光部的位置信息；

所述传感装置将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息发送给传动装置；

所述传动装置接收到本帧图像显示时所述挡光部的位置信息时，控制所述 挡光部运动到本帧图像显示时所述挡光部的位置信息对应的位置。

较佳地，所述传感装置将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息发送给传 动装置之前，所述方法还包括：

所述传感装置将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息与上一时刻该挡 光部的位置信息进行比较，并根据比较结果确定是否将本帧图像显示时所述挡 光部的位置信息发送给所述传动装置。

较佳地，所述将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息与上一时刻该挡光 部的位置信息进行比较，包括：

将本帧图像显示时所述挡光部的中心位置在水平方向的坐标值与上一时 刻所述挡光部的中心位置在水平方向上的坐标值进行比较；以及

将本帧图像显示时所述挡光部的中心位置在竖直方向的坐标值与上一时 刻所述挡光部的中心位置在竖直方向上的坐标值进行比较。

较佳地，所述根据比较结果确定是否将本帧图像显示时所述挡光部的位置 信息发送给所述传动装置，包括：

若本帧图像显示时所述挡光部的位置信息与上一时刻该挡光部的位置信 息不同，则所述传感装置将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息发送给所述 传动装置；

否则，所述传感装置不发送本帧图像显示时所述挡光部的位置信息给所述 传动装置。

较佳地，所述控制所述挡光部运动到本帧图像显示时所述挡光部的位置信 息对应的位置，包括：

所述传动装置控制所述挡光部沿水平方向运动到本帧图像显示时所述挡 光部的位置信息对应的位置；或，

所述传动装置控制所述挡光部沿竖直方向运动到本帧图像显示时所述挡 光部的位置信息对应的位置；或，

所述传动装置控制所述挡光部分别沿水平方向和竖直方向运动到本帧图 像显示时所述挡光部的位置信息对应的位置。

附图说明

图1为现有技术采用液晶空间光调制器实现计算全息图再现的光路图；

图2为本发明实施例提供的一种空间光调制器的结构示意图；

图3为罗曼III型全息编码的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的空间光调制器中传感装置的示意图；

图5为本发明实施例提供的另一空间光调制器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种用空间光调制器显示计算全息图的方法流 程图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种空间光调制器及用空间光调制器显示计算全息 图的方法，用以大面积显示动态的计算全息图。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发 明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细介绍本发明具体实施例提供的空间光调制器。

如图2所示，本发明具体实施例提供了一种空间光调制器，包括若干阵列 排列的微机电器件单元20，每一微机电器件单元20与计算全息图中的一个像 元对应，每一微机电器件单元20包括传感装置201、挡光部202和传动装置 203，在具体实施时，本发明具体实施例中的空间光调制器包括若干阵列设置 的连接线(图中未示出)，每一行微机电器件单元20通过一条水平连接线与计 算机(图中未示出)连接，每一列微机电器件单元20通过一条竖直连接线与 计算机连接，其中：

传感装置201与传动装置203连接，用于接收计算机对该传感装置201所 属的微机电器件单元20对应的像元进行罗曼编码后的位置信息，该位置信息 为本帧图像显示时挡光部202的位置信息；以及

将本帧图像显示时挡光部202的位置信息发送给传动装置203；

传动装置203与挡光部202连接，用于在接收到本帧图像显示时挡光部202 的位置信息时，控制挡光部202运动到本帧图像显示时挡光部202的位置信息 对应的位置。

优选地，本发明具体实施例的计算机对像元采用的罗曼编码方法为目前最 常用的罗曼III型编码法，罗曼编码的作用是将光学上的相位和振幅信息编码 为对应的挡光部的位置和挡光部的大小，下面简单介绍一下罗曼III型编码法 的编码原理。

在采用罗曼III型编码法进行编码前，首先需要进行抽样和计算，得到全 息平面上离散样点的复振幅分布，把每个离散样点作为一个像元30，如图3 所示，像元30的宽和高分别为δu和δv，其中，δu和δv为抽样间隔。在罗曼III 型计算全息图的每一像元30中设置一个具有一定形状的孔，在实际设计中优 选设计为矩形孔31，以矩形孔31的面积来调制波面的幅值，以矩形孔31的位 置，即矩形孔31中心距像元30中心的距离来调制波面的相位，将每个像元30 中矩形孔31的宽度设为定值，矩形孔31的高度l_mn随抽样点的振幅变化，p_mn表示矩形孔31的中心偏离像元30中心的位置，决定相位变化。像元30中除 矩形孔31外，其余部分都不透光或者其余部分透光，根据迂回相位效应，将 矩形孔31当做一个条纹矩形孔的面积调制复振幅的绝对值，即复振幅的光强， 矩形孔31的位置调制复振幅的复角，即复振幅的相位。经由复杂的计算，得 到下面的罗曼III型计算全息编码方法的编码公式：

l_mn＝A_mn；$P_{mn}=\frac{{\phi }_{mn}}{2\pi }$

其中，A_mn表示复振幅的绝对值；φ_mn表示复振幅的复角。

优选地，本发明具体实施例中的挡光部202为矩形挡光部，在实际应用过 程中，挡光部202的形状还可以为梯形、六边形以及三角形等，本发明具体实 施例并不对挡光部的具体形状做限定。考虑到工艺难度，本发明具体实施例挡 光部202大小均相同，相应的本发明具体实施例挡光部202的透过率可以决定 振幅，挡光部202的位置决定相位。可选的一种实施方式为挡光部202的大小 以及透过率均相同，如此也能正常实现动态全息，并且能够实现快速响应。

优选地，如图4所示，本发明具体实施例中每一微机电器件单元20中的 传感装置201包括接收单元2011和比较单元2012，其中，接收单元2011用于 接收计算机对该传感装置201所属的微机电器件单元20对应的像元进行罗曼 编码后的位置信息；比较单元2012用于将本帧图像显示时挡光部202的位置 信息与上一时刻该挡光部202的位置信息进行比较，若本帧图像显示时挡光部 202的位置信息与上一时刻该挡光部202的位置信息不同，将本帧图像显示时 挡光部202的位置信息发送给传动装置203；否则不发送本帧图像显示时挡光 部202的位置信息给传动装置203。具体地，当本帧图像显示不是第一帧图像 显示时，将本帧图像显示时挡光部202的位置信息与上一帧图像显示时该挡光 部202的位置信息进行比较。

具体实施时，本发明具体实施例中的挡光部202需要分别沿水平方向和竖 直方向运动，在每一微机电器件单元20中设置传动装置203时，可以设置一 个传动装置203，该传动装置203需要能够控制挡光部202分别沿水平方向和 竖直方向运动。当然，也可以分别在水平方向上设置一传动装置203，在竖直 方向上设置一传动装置203，水平方向上设置的传动装置203控制挡光部202 沿水平方向运动，竖直方向上设置的传动装置203控制挡光部202沿竖直方向 运动。本发明具体实施例当设置两个传动装置时，对传动装置的结构特性要求 较低，生产成本较低，但这种设置会降低微机电器件单元20的开口率。优选 地，本发明具体实施例中的传动装置203为一拉动铰链，该拉动铰链的作用类 似一弹簧，在实际应用中可以通过压电元件进行驱动，本发明具体实施例中拉 动铰链的具体工作原理与现有技术相同，这里不再赘述。

优选地，本发明具体实施例中至少一拉动铰链控制所述挡光部在水平方向 上运动；至少一拉动铰链控制所述挡光部在竖直方向上运动。

具体地，如图5所示，本发明具体实施例在水平方向上，每一微机电器件 单元20中的挡光部202的左侧和右侧分别连接一拉动铰链501，此时挡光部 202能够在拉动铰链501的控制下沿水平方向分别向左和向右运动。

本发明具体实施例在竖直方向上，每一微机电器件单元20中的挡光部202 的上侧和下侧分别连接一拉动铰链501，此时挡光部202能够在拉动铰链501 的控制下沿竖直方向分别向上和向下运动。

本发明具体实施例若干阵列排列的微机电器件单元构成微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)。MEMS是集传感器、微执行器、 微机械结构、信号处理、控制电路和通信等于一体的微型器件或系统，其系统 尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。MEMS器件具 有体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。本发 明具体实施例基于MEMS器件的空间光调制器响应速度高于液晶空间光调制 器的响应速度，能够快速响应，大面积显示动态计算全息图。

如图6所示，本发明具体实施例还提供了一种通过上述空间光调制器显示 计算全息图的方法，所述方法包括：

S601、每一传感装置接收计算机对该传感装置所属的微机电器件单元对应 的像元进行罗曼编码后的位置信息，所述位置信息为本帧图像显示时该传感装 置所属的微机电器件单元中的挡光部的位置信息；

S602、所述传感装置将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息发送给传动 装置；

S603、所述传动装置接收到本帧图像显示时所述挡光部的位置信息时，控 制所述挡光部运动到本帧图像显示时所述挡光部的位置信息对应的位置。

优选地，本发明具体实施例传感装置将本帧图像显示时所述挡光部的位置 信息发送给传动装置之前，所述方法还包括：

所述传感装置将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息与上一时刻该挡 光部的位置信息进行比较，并根据比较结果确定是否将本帧图像显示时所述挡 光部的位置信息发送给所述传动装置。

具体地，本发明具体实施例将本帧图像显示时所述挡光部的位置信息与上 一时刻该挡光部的位置信息进行比较，包括：本发明具体实施例中的比较单元 2012将本帧图像显示时挡光部202的中心位置在水平方向的坐标值与上一时 刻挡光部202的中心位置在水平方向上的坐标值进行比较；以及将本帧图像显 示时挡光部202的中心位置在竖直方向的坐标值与上一时刻挡光部202的中心 位置在竖直方向上的坐标值进行比较。如：本发明具体实施例挡光部202的中 心位置在水平方向上的坐标值可以为挡光部202的中心位置在X轴上的坐标 值；挡光部202的中心位置在竖直方向上的坐标值可以为挡光部202的中心位 置在Y轴上的坐标值。

优选地，本发明具体实施例比较单元2012将本帧图像显示时挡光部202 的中心位置在水平方向的坐标值与上一时刻挡光部202的中心位置在水平方向 上的坐标值进行比较；以及将本帧图像显示时挡光部202的中心位置在竖直方 向的坐标值与上一时刻挡光部202的中心位置在竖直方向上的坐标值进行比较 后，若本帧图像显示时挡光部202的中心位置在水平方向的坐标值与上一时刻 挡光部202的中心位置在水平方向上的坐标值和本帧图像显示时挡光部202的 中心位置在竖直方向的坐标值与上一时刻挡光部202的中心位置在竖直方向上 的坐标值均相同，则本发明具体实施例中的传感装置201不发送本帧图像显示 时挡光部202的位置信息给传动装置203。

若本帧图像显示时挡光部202的中心位置在水平方向的坐标值与上一时刻 挡光部202的中心位置在水平方向上的坐标值不同，本帧图像显示时挡光部 202的中心位置在竖直方向的坐标值与上一时刻挡光部202的中心位置在竖直 方向上的坐标值相同，则本发明具体实施例中的传感装置201将本帧图像显示 时挡光部202的位置信息发送给传动装置203，传动装置203控制挡光部202 沿水平方向运动到本帧图像显示时挡光部202的位置信息对应的位置。

若本帧图像显示时挡光部202的中心位置在竖直方向的坐标值与上一时刻 挡光部202的中心位置在竖直方向上的坐标值不同，本帧图像显示时挡光部 202的中心位置在水平方向的坐标值与上一时刻挡光部202的中心位置在水平 方向上的坐标值相同，则本发明具体实施例中的传感装置201将本帧图像显示 时挡光部202的位置信息发送给传动装置203，传动装置203控制挡光部202 沿竖直方向运动到本帧图像显示时挡光部202的位置信息对应的位置。

若本帧图像显示时挡光部202的中心位置在水平方向的坐标值与上一时刻 挡光部202的中心位置在水平方向上的坐标值和本帧图像显示时挡光部202的 中心位置在竖直方向的坐标值与上一时刻挡光部202的中心位置在竖直方向上 的坐标值均不同，则本发明具体实施例中的传感装置201将本帧图像显示时挡 光部202的位置信息发送给传动装置203，传动装置203控制挡光部202分别 沿水平方向和竖直方向运动到本帧图像显示时挡光部202的位置信息对应的位 置。

另外，申请人利用matlab进行了仿真模拟，模拟结果显示本发明具体实施 例能够很好的还原图像。

综上所述，本发明具体实施例提供一种空间光调制器及用空间光调制器显 示计算全息图的方法，空间光调制器包括若干阵列排列的微机电器件单元，每 一所述微机电器件单元与计算全息图中的一个像元对应，每一所述微机电器件 单元包括传感装置、挡光部和传动装置，其中：所述传感装置用于接收计算机 对该传感装置所属的微机电器件单元对应的像元进行罗曼编码后的位置信息， 所述位置信息为本帧图像显示时所述挡光部的位置信息；以及将本帧图像显示 时所述挡光部的位置信息发送给所述传动装置；所述传动装置用于在接收到本 帧图像显示时所述挡光部的位置信息时，控制所述挡光部运动到本帧图像显示 时所述挡光部的位置信息对应的位置。由于本发明具体实施例采用阵列排列的 微机电器件单元，因此能够实现大面积显示；由于微机电器件的响应速度快， 本发明具体实施例中的传感装置能够在较短的时间内接收每一次计算机通过 罗曼编码后的位置信息，传动装置能够在短时间内控制挡光部的运动，从而在 短时间内能够显示多帧画面，因此能够显示动态的计算全息图。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。