CN100422851C - 一种全息投影屏及其制作方法、系统和应用 - Google Patents

一种全息投影屏及其制作方法、系统和应用 Download PDF

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Abstract

一种涉及光学的全息投影屏及其制作方法、系统和应用，该全息投影屏，包括屏幕体，其特征在于：屏幕体上附设全息透镜阵列信息；全息透镜以纵、横方向均匀地排布于屏幕体上；全息透镜以邻接方式排布于屏幕体上；全息透镜在屏幕体中的形状为圆形、椭圆形或规则多边形；全息透镜可为透镜组；本发明中的全息投影屏制作方法采用如下步骤：1)在光刻胶板上记录全息透镜信息，2)对曝光后的光刻胶板金属化处理，经电铸、拼版产生全息透镜阵列母版，3)采用所述母版对热塑材料模压，取得附设全息透镜阵列信息的屏幕体，本发明显示内容丰富。

Description

一种全息投影屏及其制作方法、系统和应用
技术领域
本发明涉及光学，尤其涉及一种全息投影屏及其制作方法、系统和应用。
背景技术
投影屏作为投影机图像的物质载体在投影系统中所起的作用是至关重要的，投影屏犹如投影机表演的舞台，再好的投影机没有与之相匹配的高品质投影屏，也无法达到最佳表现效果，现有的投影屏显示较为单调。
发明内容
本发明的目的在于提供一种显示内容丰富的全息投影屏及其制作方法、系统和应用，以克服现有技术中的不足。
本发明所述的全息投影屏，包括屏幕体，其特征在于：所述的屏幕体上附设全息透镜阵列信息；所述的全息透镜以纵、横方向均匀地排布于屏幕体上。
所述的全息透镜以邻接方式排布于屏幕体上。
所述的全息透镜在屏幕体中的形状为圆形或椭圆形。
所述的全息透镜在屏幕体中的形状为规则多边形。
所述的全息透镜可为透镜组。
本发明中所采用的全息投影屏制作方法采用如下步骤：
1)在光刻胶板上记录全息透镜信息；
2)对曝光后的光刻胶板金属化处理，经电铸、拼版产生全息透镜阵列母版；
3)采用所述母版对热塑材料模压，取得附设全息透镜阵列信息的屏幕体。
所述的步骤1)包括如下步骤：
11)激光光束通过分束器分为两路，一路获取透镜的物光，另一路作为参考光，所述物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上曝光；
12)通过计算机控制照相快门的开闭和光刻胶板的移动，使照相快门的开闭和光刻胶板的移动相谐调，在光刻胶板上均匀地记录多个全息透镜的信息。
所述的步骤3)中，所述的热塑材料为透明材料。
所述的热塑材料可为聚酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯或双向拉伸聚丙烯。
所述的步骤3)之后还包括如下步骤4)：
4)在模压后的全息透镜阵列上镀保护层。
所述的步骤4)中，所述的保护层为透明或半透明介质保护层。
所述的步骤4)中，所述的保护层为金属反射材料保护层。
本发明中所采用的全息投影屏制作系统，至少包括计算机、激光器、照相快门、分束器、透镜和光刻胶板，其中，
所述的激光器发出激光光束，所述激光光束通过分束器分为两路，一路获取透镜的物光，另一路作为参考光，所述物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上；
所述的照相快门置于激光光束前端，控制物光和参考光在光刻胶板上的曝光；
所述计算机控制照相快门的开闭、曝光量，和光刻胶板的移动，使照相快门的开闭和光刻胶板的移动相谐调。
该系统还包括两个空间滤波器，所述的两个空间滤波器分别置于物光和参考光的光路中，对物光和参考光进行相应的滤波处理。
所述的空间滤波器包括扩束镜和针孔，所述的扩束镜置于针孔的前端。
本发明中全息投影屏的应用方法为：以屏幕体为界，相对于观察位置的一侧，在屏幕体的另一侧安放特定的实物。
本发明中全息投影屏的另一应用方法为：投影机向屏幕体投射的画面中，所述的画面信息是由按同一编码的一系列体视对信息构成。
本发明的有益效果为：在本发明中，利用全息透镜的原理及全息图模压复制技术，制作全息投影屏，它可表现为一片透明或半透明的显示屏幕，籍由其透明性和全息成象原理，可让观众在看见屏幕上画面的同时也能透过屏幕看到其背后的图像，而且所成影像(画面)使人感觉漂浮于半空中，甚至实现立体影像观察，给观察者带来了一个新鲜、且具有冲击力的印象，本发明也可以采用反射式显示屏幕，由于其投射方向和观察方向有一明显夹角，且其增益远远大于普通漫反射屏，因此在很多需要隐藏投影仪的场合可以广泛应用，以取代现有的LED屏幕，本发明具有高透光性、高亮度以及高对比度的特点，置于室内室外均可呈现极佳的视觉效果，可广泛应用于展示橱窗、展示中心、商店、银行、博物馆等，因此，本发明显示内容丰富。
附图说明
图1为本发明制作系统光学结构示意图；
图2为本发明全息透镜信息记录原理示意图；
图3为本发明基本制作流程示意图；
图4为本发明具体制作流程示意图；
图5为本发明全息透镜阵列信息排布示意图；
图6为本发明全息透镜在屏幕体中的(圆形)形状示例示意图；
图7为本发明全息透镜在屏幕体中的(方形)形状示例示意图；
图8为本发明全息透镜在屏幕体中的(正六边形)形状示例示意图；
图9为本发明投影成象示意图；
图10为本发明应用示例示意图；
图11为本发明应用示例示意图；
图12为本发明中人眼观察示意图；
图13为包含多体视对信息画面反映于屏幕体的全息信息示意图；
图14为人眼观察包含多体视对信息画面(俯视)示意图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
根据图1所示，本发明的制作系统包括计算机1、激光器2、照相快门3、分束器4、光刻胶板5、透镜61、62、光阑7、空间滤波器8和平面反射镜91、92。
如图1所示，激光器2发出激光光束，激光光束通过分束器4分为两路，一路获取透镜61的物光，另一路作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板5上，在物光与参考光的光路中均设置空间滤波器8，空间滤波器8包括扩束镜81和针孔82，扩束镜81置于针孔82的前端，两个空间滤波器8分别对物光和参考光进行相应的滤波处理。
如图1所示，照相快门3置于激光光束前端，控制物光和参考光在光刻胶板5上的曝光，计算机1控制照相快门3的开闭、曝光量，和光刻胶板5的移动，使照相快门3的开闭和光刻胶板5的移动相谐调。
如图1所示，物光光路如下：
激光器2→照相快门3→分束器4→平面反射镜92→空间滤波器8→透镜61→光阑7→透镜62→光刻胶板5。
如图1所示，参考光光路如下：
激光器2→照相快门3→分束器4→平面反射镜91→空间滤波器8→光刻胶板5。
如图2所示，物光O通过透镜L聚焦于焦点O’，透镜L的孔径为D焦距为f。将全息记录材料H置于焦点O’附近距焦点O’距离为f’处，H上物光光斑直径为d，参改光R以入射角A射入记录全息图，这样记录的全息图相象于孔径为d，焦距为f′，再现角为A的全息透镜，其视场角θ与透镜L相同，即：2tgθ＝D/f＝d/f’。按照图1所示的光路，沿x和y方向平移全息材料H，平移距离为全息透镜的孔径d，顺序曝光，如图5所示，则得到一全息透镜阵列H即全息屏幕，其最小分辩距离为全息透镜的大小d。
如图1和图3所示，本发明的基本制作流程如下：
I)在光刻胶板5上通过物光和参考光在其上的曝光，记录全息透镜信息。
II)对曝光后的光刻胶板金属化处理，经电铸、拼版产生全息透镜阵列母版。
III)采用该母版对热塑材料模压，如图5所示，取得附设全息透镜阵列信息的屏幕体。
如图1和图4所示，本发明的具体制作流程如下：
1、激光器2发出的激光光束通过分束器4分为两路，一路获取透镜61的物光，另一路作为参考光，所述物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板5上曝光。
2、通过计算机1控制照相快门3的开闭和光刻胶板5的移动，使照相快门3的开闭和光刻胶板5的移动相谐调，在光刻胶板5上均匀地记录多个全息透镜的信息，在本发明中，计算机1可以控制照相快门3的曝光时间、曝光量等，同时，计算机1控制光刻胶板5在x方向和y方向的位移，例如计算机1控制精密步进电机的转动，从而带动光刻胶板5移动。
3、每当在一个位置曝光后，计算机1控制光刻胶板5移动至下一个位置，再进行曝光，如此循环，在光刻胶板5上均匀地记录多个全息透镜的信息，形成如图5所示的形态。
4、对曝光后的光刻胶板金属化处理，经电铸、拼版产生全息透镜阵列母版。
5、采用该母版对热塑材料模压，热塑材料采用透明材料，热塑材料可为聚酯(PET：Polyester)、聚氯乙烯(PVC：Polyrinyl Chloride)、聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)或双向拉伸聚丙烯(BOPP：BiaxialOriented Polypropylene)等，材料模压可呈硬板型或薄膜型。
6、在模压后的热塑材料的全息透镜阵列上镀保护层，保护层可采用透明或半透明介质保护层，如硫化锌ZnS或二氧化硅SiO2等，也可以采用金属反射材料保护层(如镀铝、铜等)，最后取得如图6所示的，以热塑材料为基低材料的屏幕体，该屏幕体上附设全息透镜阵列信息。
在本发明中，如图6所示，全息透镜以纵、横方向均匀地排布于屏幕体上，且全息透镜以邻接方式排布于屏幕体上，只需要在步骤2和步骤3中，通过计算机1控制照相快门3的开闭和光刻胶板5的移动，使照相快门3的开闭和光刻胶板5的移动相谐调即可。图6中的全息透镜在屏幕体中的形状为圆形，本发明可以通过选择光阑7的入射截面形状以获取相应的全息透镜形状，光阑7的入射截面形状采用椭圆形，则全息透镜在屏幕体中的形状为椭圆形，如图7和图8所示，全息透镜在屏幕体中的形状分别为方形和正六边形，相对于圆形或椭圆形，方形和正六边形可取得更高的占空比，对于占空比的选择，可以根据实际应用的需要进行选取，而且，全息透镜为球面型透镜，在实际应用中，全息透镜可体现为单片透镜或透镜组，当全息透镜体现为透镜组时，相当于在屏幕体的全息透镜阵列的单点中两片或两片以上透镜重叠。
本发明的使用方法如图9所示，投影机向屏幕体投射画面，观察者由观察位置可看见画面，在本发明中，屏幕体的观察方向(即衍射方向)和投射方向(即再现方向)有一明显夹角，在很多场合下可以隐藏投影仪，其投影的亮度与现有LED相当，可替代现有的LED屏幕，其分辩率、灵活性及耗电等指标优于LED屏幕。
本发明的一典型应用方式如图10所示，对于采用透明或半透明介质保护层的屏幕体，以屏幕体为界，相对于观察位置的一侧，在屏幕体的另一侧安放特定的实物，这样无论是使用正面投影机还是背面投影机，从观察位置看见投影画面的同时，总是能看见屏幕体后面的实物，投影机的投影光源的光线却不会直接进入人眼影响观察效果，这里其它投影屏所不具备的特性，本发明中的观察方向和投射方向之间夹角的存在，使得看见投影画面的同时看见屏幕体后面的实物成为一种现实、新颖的观察效果，通过控制观察方向的角度，所成影像(画面)可使人感觉漂浮于半空中，给观察者带来了一个新鲜、且具有冲击力的印象。
本发明的另一应用方式如图11所示，对于采用金属反射材料保护层的屏幕体，在很多场合下可以隐藏投影机。
本发明的另一典型应用方式如图12、图13和图14所示，投影机向屏幕体投射的画面中，画面信息是由按同一编码的一系列体视对信息构成，在同一编码中对应多个体视对信息，如图12所示，其中，d为同一编码信息中象素尺寸，P为人眼瞳孔直径，f’为屏幕体中全息透镜焦距，由于每个全息透镜所形成的投影像都会通过焦点进入人眼，从而人眼瞳孔P通过全息透镜焦点只能接收到该透镜像素上的某一部分d′。
如图13所示，当屏幕体中每个全息透镜中的一个图像像素的信息是由按同一编码的一系列体视对信息P1……PN所构成时，如图14所示，左L、右R眼便接受到不同的画面(信息)，产生视差，便能看到一立体像，实现立体投影。

Claims (17)

1. 一种全息投影屏，包括屏幕体，其特征在于：所述的屏幕体上附设全息透镜阵列；所述的全息透镜以纵、横方向均匀地排布于屏幕体上。
2. 根据权利要求1所述的全息投影屏，其特征在于：所述的全息透镜以邻接方式排布于屏幕体上。
3. 根据权利要求1或2所述的全息投影屏，其特征在于：所述的全息透镜在屏幕体中的形状为圆形或椭圆形。
4. 根据权利要求1或2所述的全息投影屏，其特征在于：所述的全息透镜在屏幕体中的形状为规则多边形。
5. 根据权利要求1或2所述的全息投影屏，其特征在于：所述的全息透镜可为透镜组。
6. 一种全息投影屏制作方法，其特征在于：它采用如下步骤：
1)在光刻胶板上记录全息透镜信息；
2)对曝光后的光刻胶板金属化处理，经电铸、拼版产生全息透镜阵列母版；
3)采用所述母版对热塑材料模压，取得附设全息透镜阵列信息的屏幕体。
7. 根据权利要求6所述的全息投影屏制作方法，其特征在于：所述的步骤1)包括如下步骤：
11)激光光束通过分束器分为两路，一路获取透镜的物光，另一路作为参考光，所述物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上曝光；
12)通过计算机控制照相快门的开闭和光刻胶板的移动，使照相快门的开闭和光刻胶板的移动相谐调，在光刻胶板上均匀地记录多个全息透镜的信息。
8. 根据权利要求6所述的全息投影屏制作方法，其特征在于：所述的步骤3)中，所述的热塑材料为透明材料。
9. 根据权利要求8所述的全息投影屏制作方法，其特征在于：所述的热塑材料可为聚酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯或双向拉伸聚丙烯。
10. 根据权利要求6-9中任意一项所述的全息投影屏制作方法，其特征在于：所述的步骤3)之后还包括如下步骤4)：
4)在模压后的全息透镜阵列上镀保护层。
11. 根据权利要求10所述的全息投影屏制作方法，其特征在于：所述的步骤4)中，所述的保护层为透明或半透明介质保护层。
12. 根据权利要求10所述的全息投影屏制作方法，其特征在于：所述的步骤4)中，所述的保护层为金属反射材料保护层。
13. 一种根据权利要求1所述的全息投影屏的制作系统，其特征在于：它至少包括计算机、激光器、照相快门、分束器、透镜和光刻胶板，其中，
所述的激光器发出激光光束，所述激光光束通过分束器分为两路，一路获取透镜的物光，另一路作为参考光，所述物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上；
所述的照相快门置于激光光束前端，控制物光和参考光在光刻胶板上的曝光；
所述计算机控制照相快门的开闭、曝光量，和光刻胶板的移动，使照相快门的开闭和光刻胶板的移动相谐调。
14. 根据权利要求13所述的全息投影屏制作系统，其特征在于：还包括两个空间滤波器，所述的两个空间滤波器分别置于物光和参考光的光路中，对物光和参考光进行相应的滤波处理。
15. 根据权利要求14所述的全息投影屏制作系统，其特征在于：所述的空间滤波器包括扩束镜和针孔，所述的扩束镜置于针孔的前端。
16. 一种根据权利要求1所述的全息投影屏的应用方法，其特征在于：以屏幕体为界，相对于观察位置的一侧，在屏幕体的另一侧安放特定的实物。
17. 一种根据权利要求1所述的全息投影屏的应用方法，其特征在于：投影机向屏幕体投射的画面中，所述的画面信息是由按同一编码的一系列体视对信息构成。
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