專利名稱：基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
由于二維顯示難以清楚準(zhǔn)確表達第三維的深度信息，人們一直在致力于研究可顯示立體場景的顯示技術(shù)——三維圖像顯示技術(shù)。目前比主要的三維技術(shù)為體視三維圖像顯示技術(shù)，通過給觀察者的雙目提供不同視角的平面圖像，由人腦合成獲取三維顯示效果。進 一步，結(jié)合掃描技術(shù)，可以在360度的范圍實現(xiàn)全視角的圖像顯示。但其基元圖像是二維圖像，若想獲得連續(xù)的三維顯示效果，需要大量的二維圖像，對顯示器件的刷新頻率要求非常高，且由于體視技術(shù)不是真正意義上的三維顯示，容易造成觀察者視覺疲勞而影響了其推廣應(yīng)用。計算全息三維顯示的基本原理是用計算機模擬光學(xué)衍射過程，并用光調(diào)制器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息記錄材料，在光波傳輸路徑的某一個平面上模擬衍射光的復(fù)振幅，實現(xiàn)三維圖像信息的全記錄，再通過光學(xué)衍射，復(fù)現(xiàn)出三維圖像。它可以提供三維物體所有的深度信息，是一種真正意義上的三維顯示技術(shù)。但受調(diào)制器空間分辨率的限制，光調(diào)制器通過光學(xué)系統(tǒng)衍射直接生成的三維圖像觀察視角比較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)及方法，利用半反鏡疊加合成具有不同視角范圍的目標(biāo)三維圖像的虛像和實像，通過其視角范圍的連接合成，最終實現(xiàn)360°可視真三維圖像顯示。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)，包括
一正向全息圖生成單兀，復(fù)現(xiàn)全息三維光場；一反向全息圖生成單兀，復(fù)現(xiàn)全息三維光場；兩個全息圖生成單元復(fù)現(xiàn)的三維光場反向或接近反向傳輸，具有重疊的復(fù)現(xiàn)空間；
一半反鏡，傾斜插入正向全息圖生成單元和反向全息圖生成單元光路中，反射兩個全息圖生成單元生成的圖像沿不同方向傳輸，和該正向全息圖生成單元和該反向全息圖生成單元構(gòu)成一個圖像生成單元；奇數(shù)(2k+l)個相同結(jié)構(gòu)的圖像生成單元繞系統(tǒng)光軸分布，對應(yīng)4k+2各復(fù)現(xiàn)全息圖的鏡像的視角繞軸覆蓋360°的視角范圍；
一控制單元，控制正向全息圖生成單元和反向全息圖生成單元復(fù)現(xiàn)正確的光場分布；虛擬放置目標(biāo)三維圖像于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域，目標(biāo)圖像顯示區(qū)域為以系統(tǒng)光軸為中心的圓柱體區(qū)域；獲取目標(biāo)圖像關(guān)于各圖像生成單元半反鏡的鏡像并控制該圖像生成單元對應(yīng)正向全息圖生成單元和反向全息圖生成單元投射該鏡像的全息圖到半反鏡。該繞系統(tǒng)光軸分布的奇數(shù)(2k+l)個圖像生成單元中，部分正向全息圖生成單元或反向全息圖生成單元可以缺失，此時系統(tǒng)生成顯示圖像的部分視角隨之缺失；
該正向全息圖生成單元和反向全息圖生成單元是基于傅里葉變換全息技術(shù)的圖像生成單元，均包括用于加載計算全息編碼的空間光調(diào)制器、用于變換上述空間光調(diào)制器的輸出光信息并形成全息三維圖像的變換透鏡；
另外，本發(fā)明提供了基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)的顯示方法，其包括以下步
驟
A、建立xyz軸坐標(biāo)，z軸為系統(tǒng)光軸，目標(biāo)圖像顯示區(qū)為以系統(tǒng)光軸為中心的圓柱體區(qū)
域；
B、選擇奇數(shù)(2k+l)個上述圖像生成單元繞系統(tǒng)光軸分布放置，取某個單元為圖像生成單元(I)，按順時針(或逆時針)方向依次命名后續(xù)的為圖像生成單元(2)，...圖像生成 單元(m)，...圖像生成單元(2k+l);其中圖象生成單元(m)對應(yīng)的正反向全息圖生成單元分別命名為正向全息圖生成單元(m)和反向全息圖生成單元(m)，對應(yīng)的半反鏡命名為半反鏡(m);計算各正反向全息圖生成單元衍射生成圖像的視角大小，設(shè)計2k+l個圖像生成單元的位置，使反向全息圖生成單元(m)衍射光場的視角范圍覆蓋正向全息圖生成單元(m+k-1)和(m+k)衍射光場視角范圍之間的間隔(這里若m+k_l或m+k>2k+l時，二者取為m_k_2 或 m_k_l)；
C、虛擬放置待顯示三維物體于目標(biāo)圖像顯示區(qū)，控制正向全息圖生成單元(m)和反向全息圖生成單元(m)投影待顯示三維圖像關(guān)于半反鏡(m)的鏡像的全息圖，經(jīng)半反鏡(m)，沿相反不同方向顯示具有一定視角的目標(biāo)三維圖像；若所有2k+l各圖像生成單元同時投影，經(jīng)半反鏡反射，產(chǎn)生4k+2個目標(biāo)三維圖像的實像或虛像，其視角范圍連接合成，實現(xiàn)全視角的三維圖像顯示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是本發(fā)明采用多調(diào)制器件，結(jié)合虛像和實像的視角合成，實現(xiàn)了無機械運動的全視角全息三維圖像顯示，且對空間光調(diào)制器的刷新頻率沒有特殊要求，有利于獲得結(jié)構(gòu)簡單的全息圖像顯示系統(tǒng)。


圖I采用傅里葉計算全息技術(shù)的圖像生成單元光路 圖2采用6個調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖3相鄰的正向全息圖生成單元I和2復(fù)現(xiàn)光場視角分布示意 圖4反向全息圖生成單元4復(fù)現(xiàn)光場視角分布示意 10:正向全息圖生成單元 20:反向全息圖生成單元
11，21 :空間光調(diào)制器12，22 :變換透鏡
10(1):正向全息圖生成單元I 10(2):正向全息圖生成單元I
20(4):反向全息圖生成單元4 30 :半反鏡
30(1):半反鏡I30⑵半反鏡2
30(4):半反鏡440:控制單元。
具體實施例方式為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利以基于傅里葉計算全息的全息圖生成單元為例，采用多各調(diào)制器件，說明本專利提出的基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)及方法。采用傅里葉變換全息技術(shù)的基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)，其單個圖像生成單元的光路結(jié)構(gòu)如圖I所示正向全息圖生成單元10由空間光調(diào)制器11和變換透鏡12組成；反向全息圖生成單元20由相同的空間光調(diào)制器21和變換透鏡22組成。變換透鏡12和22共用相同的焦平面，光軸重合于相對于系統(tǒng)光軸傾斜Θ角的直線。半反鏡30傾斜插入變換透鏡12和22之間，相對系統(tǒng)光軸的傾角為β。上述半反鏡30、正向全息圖生成單元10和反向全息圖生成單元20組成一個圖像生成單元。虛擬放置待顯示三維圖像于以系統(tǒng)光軸為中心的圓柱體凸顯顯示區(qū)內(nèi)，圖I在yz平面內(nèi)以實線三角形代表待顯示三維圖像。圖像顯示區(qū)中心和變換透鏡12和22共焦面的中心重合。忽略半反鏡的厚度，待顯示三維圖像關(guān)于半反鏡的鏡像，圖I中在yz平面內(nèi)以 虛線三角形代表，位于正向全息圖生成單元10和反向全息圖生成單元20的重合的傅里葉變換全息圖像顯示區(qū)域內(nèi)。以該鏡像作為正向全息圖生成單元10和反向全息圖生成單元20要編碼生成的圖像，控制系統(tǒng)40計算得到編碼后，由正向全息圖生成單元10和反向全息圖生成單元20沿相反的方向同時投影，經(jīng)半反鏡反射，正向全息圖生成單元10顯示給觀察者的是待顯示三維圖像的虛像，反向全息圖生成單元20顯示給觀察者的是待顯示三維圖像的實像，它們沿相反的方向傳輸，但沿傳輸方向其視角都是有限的。設(shè)上述實像和虛像的視角為36°，以此為例對我們提出的系統(tǒng)進行分析說明。令五個相同的上述圖像生成單元繞系統(tǒng)光軸均勻分布，如圖2所示。各圖像生成單元的正向全息圖生成單元10和反向全息圖生成單元20投影圖像顯示區(qū)域內(nèi)虛置待顯示三維圖像關(guān)于對應(yīng)半反鏡30的鏡像的全息圖。按半反鏡30(1)和30(2)的反射面對光路進行對折，圖像生成單元(I)和圖像生成單元(2)的正向全息圖生成單元的光路在xy面上的投影如圖3所示。受光路中光學(xué)器件的限制，相鄰兩個正向全息圖生成單元復(fù)現(xiàn)的待顯示三維圖像的虛像，其視角范圍存在一個間隔。如圖3，01和02之間存在一個角度間隔θ12。在圖2所示光學(xué)結(jié)構(gòu)中，Q1=Q2=Q12=Se0。同樣，按半反鏡30 (4)的反射面對光路進行對折，圖像生成單元⑷的反向全息圖生成單元的光路在xy面上的投影如圖4所示。復(fù)現(xiàn)的待顯示三維圖像實像，可以透過半反鏡30(1)和30(2)，其視角范圍0^4恰恰重合于視角范圍01和02之間的角度間隔θ12。所以，當(dāng)正向全息圖生成單元I和2、反向全息圖生成單元4同時投影對應(yīng)全息圖時，顯不圖像的視角范圍為Θ i+ Θ 2+ Q 12。同理，當(dāng)所有5個正向全息圖生成單元和5個反向全息圖生成單元同時投影全息圖時，則可以實現(xiàn)360°的全息三維顯示。如果有正向全息圖生成單元或反向全息圖生成單元出現(xiàn)缺失，系統(tǒng)所顯示的三維圖像，其可視角范圍會隨之出現(xiàn)缺失。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，對發(fā)明的技術(shù)方案可以做若干適合實際情況的改進。因此，本發(fā)明的保護范圍不限于此，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員任何基于本發(fā)明技術(shù)方案上非實質(zhì)性變更均包括在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括 一正向全息圖生成單兀，復(fù)現(xiàn)全息三維光場；一反向全息圖生成單兀，復(fù)現(xiàn)全息三維光場；兩個全息圖生成單元復(fù)現(xiàn)的三維光場反向或接近反向傳輸，具有重疊的復(fù)現(xiàn)空間； 一半反鏡，傾斜插入正向全息圖生成單元和反向全息圖生成單元光路中，反射兩個全息圖生成單元生成的圖像沿不同方向傳輸，和該正向全息圖生成單元和該反向全息圖生成單元構(gòu)成一個圖像生成單元；奇數(shù)(2k+l)個相同結(jié)構(gòu)的圖像生成單元繞系統(tǒng)光軸分布，對應(yīng)4k+2各復(fù)現(xiàn)全息圖的鏡像的視角繞軸覆蓋360°的視角范圍； 一控制單元，控制正向全息圖生成單元和反向全息圖生成單元復(fù)現(xiàn)正確的光場分布；虛擬放置目標(biāo)三維圖像于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域，目標(biāo)圖像顯示區(qū)域為以系統(tǒng)光軸為中心的圓柱體區(qū)域；獲取目標(biāo)圖像關(guān)于各圖像生成單元半反鏡的鏡像并控制該圖像生成單元對應(yīng)正向全息圖生成單元和反向全息圖生成單元投射該鏡像的全息圖到半反鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的繞系統(tǒng)光軸分布的奇數(shù)(2k+l)個圖像生成單元中，部分正向全息圖生成單元或反向全息圖生成單元缺失，系統(tǒng)生成顯示圖像的部分視角隨之缺失。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)，其特征在于所述的正向全息圖生成單元和反向全息圖生成單元是基于傅里葉變換全息技術(shù)的圖像生成單元，均包括用于加載計算全息編碼的空間光調(diào)制器、用于變換上述空間光調(diào)制器的輸出光信息并形成全息三維圖像的變換透鏡。
4.基于多調(diào)制器件的全息三維顯示方法，其特征在于包括權(quán)利要求I一 3任一所述的基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)，包括以下步驟 A、建立xyz軸坐標(biāo)，z軸為系統(tǒng)光軸，目標(biāo)圖像顯示區(qū)為以系統(tǒng)光軸為中心的圓柱體區(qū)域； B、選擇奇數(shù)(2k+l)個上述圖像生成單元繞系統(tǒng)光軸分布，取某個單元為圖像生成單元.1，按順時針或逆時針方向依次命名后續(xù)的為圖像生成單元2，...圖像生成單元m，...圖像生成單元2k+l ;其中圖象生成單元m對應(yīng)的正反向全息圖生成單元分別命名為正向全息圖生成單元m和反向全息圖生成單元m,對應(yīng)的半反鏡命名為半反鏡m ;計算各正反向全息圖生成單元衍射生成圖像的可視角大小，設(shè)計(2k+l)個圖像生成單元的位置，使反向全息圖生成單元m (<=2k+l)衍射光場的可視角范圍可以覆蓋正向全息圖生成單元m+k-1和m+k(若m+k-1或m+k>2k+l時,二者取為m-k_2或m-k_l)衍射光場可視角范圍之間的間隔； C、虛擬放置待顯示三維物體于目標(biāo)圖像顯示區(qū)，控制正向全息圖生成單元m和反向全息圖生成單元m投影待顯示三維圖像關(guān)于半反鏡m的鏡像的全息圖，經(jīng)半反鏡m，沿不同方向顯示具有一定視角的目標(biāo)三維圖像；若所有(2k+l)個圖像生成單元同時投影，反射產(chǎn)生.4k+2個目標(biāo)三維圖像的視角范圍連接合成，實現(xiàn)全視角的三維圖像顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于多調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)及方法。采用多空間光調(diào)制器技術(shù)，結(jié)合半反鏡，通過待顯示三維圖像具有不同視角范圍的實像和虛像的疊加合成，實現(xiàn)無機械運動的全視角全息三維圖像顯示。該系統(tǒng)包括正向全息圖生成單元、反向全息圖生成單元、半反鏡和控制單元。采用多調(diào)制器件，結(jié)合虛像和實像的視角合成，實現(xiàn)了無機械運動的全視角全息三維圖像顯示，且對空間光調(diào)制器的刷新頻率沒有特殊要求，有利于獲得結(jié)構(gòu)簡單的全息圖像顯示系統(tǒng)。
文檔編號G02B27/22GK102968037SQ20121043004
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者滕東東, 王彪, 劉立林 申請人:中山大學(xué)