CN101855600A

CN101855600A - 全息投影实时三维显示系统及方法

Info

Publication number: CN101855600A
Application number: CN200980100482A
Authority: CN
Inventors: 范诚; 蔡志森; 江朝川
Original assignee: AFC Technology Co Ltd
Current assignee: AFC Technology Co Ltd
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: EP2372469A1; WO2010072066A1; CN101939703B; CN101939703A; CN101855600B; WO2010072067A1; US8890932B2; CN101918901B; CN101918901A; EP2372469A4; JP2012514214A; JP5676472B2; WO2010072065A1; US20110254916A1

Abstract

本发明涉及一种利用数码全息显示原理及普通摄影-投影装置阵列系统而实现的实时彩色全息三维显示系统及方法，对所要显示的物体O在其任意空间谱面S上以空间抽样角为ω_mn的抽样密度，用锚碇在物体O所对应的空间某个参照点R上的M*N个摄影机阵列进行空间谱抽样摄取，并且将其所获得的各个空间谱视图图像I_mn用相应的M*N个投影机阵列沿着各空间谱摄取方向投影到还原原物体O的三维信息所必需的对应参照面P_R上；通过在参照面P_R上所放置的全息功能屏对各离散空间谱输入图像信息的空间谱有限展宽功能，从而实现物体O的完整空间谱输出，以获得恢复复杂波前为目的的数码全息显示。

Description

说明书全息投影实时三维显示系统及方法技术领域

本发明涉及一种利用全息投影实现的实时三维显示系统，包括实时三维图像的采集装置、投影装置和显示屏，以及实时三维显示方法、实时三维图像的采集方法、投影显示方法和显示屏制作方法。

背景技术

本发明以全文引用的方式并入中国发明专利 ZL200410022193.7"数字散斑全息图的制作方法和装置"，以及中国发明专利 ZL200510022425.3"—种全息投影屏及其制作方法、系统及应用"。

从上世纪初开始，科学家们从未停止过寻找合理的方法来解决"三维成像"的难题。尽管上世纪中期立体电影院和透镜板立体相片的实际应用标志着某种突破，人类仍然还远离有效实现直观传递与显示大自然三维信息一视觉空间搬移的超级梦想。这些现有技术共同的致命缺点就是虚假的立体感（比如在电影院中无论观众如何移动其看到的图像是完全一样的）、以牺牲对成像质量的分辨率要求来换取对三维现实的有限主观感受，以及其复杂的工艺实现途径，有些还需要繁琐的特殊观看眼镜。

全息术的发明标志着一种崭新的人类视觉媒介的诞生，它可以用三维的方式自然地传递与显示视觉信息。但它们距离彩色实时全息三维视觉空间搬移显示还有很大差距。脉冲全息术、组合全息立体图、彩虹全息术催生了目前已风靡世界的全息印刷与包装产业，其核心是针对文件与品牌安全的防伪保真提供防伪表征。数码全息打印技术带来了一种比传统计算机制作全息图（CGH )技术更合理的方法，以更有效率的全息记录方式替代了繁琐计算与编码，从而克服了以恢复振幅和位相为目的的输出困难问题。但数码全息至今仍被限制在打印显示全息图上。

有关实时三维显示，在全息术发明前后都有大量方案被提出，然而，由于对这个问题的主观视觉处理方式以及缺乏合理的理论支持与实验条件，这些方案均未得到进一步发展。

最近，随着电视信息技术的进步及空间光调制器（SLM) 的妙用，三维全息电视的方案被提出用于实时三维显示，然而如电影或电视节目一样，这些方法均是利用视觉时间暂留效应将空间三维信息分时扫描输出实现三维显示，而非严格意义上的全息地展现电视信息的真实全息电视。还有许多方法提出直接再现 SLM上电写入的全息图实现三维实时显示，以及增大视角、实现彩色显示等技术，由于受到现有 SLM空间带宽积的限制，这些方法都明显远离实际应用，而该空间带宽积的提高却又最终受限于表现电子芯片集成能力的所谓摩尔定律。最近在 Nature, Vol. 451/7 February 上所发表的文章"^ 4 updatable holographic three dimensional display"，看起来似乎给出了全息电视的曙光，但这种新全息材料的实际应用却仍难以想象。

实际上，大自然本来就以真三维的形式展现给我们人类。二维图像信息只能让我们了解到事物的某个侧面，从而极大程度地限制了人们对事物本质的全面认识。遗憾的是，我们虽然居住在这个三维世界中，人类科技却无奈地只能用二维的方式来表现它，如：像片、电影、或电视节目，构成了 20世纪留给我们的有效传递人类视觉信息的主要媒介。能否将按照一定规律所采集的上述海量图像信息，以真三维的方式重新解释并加以显示，从而还原其所要表达的真实三维世界呢？怎样才能实现对上述海量图像信息的三维重构及显示呢？二维图像与三维显示究竟有着怎样的科学关联呢? 这些问题是 21世纪的科技发展所留给人们的必然思考。

发明内容

本发明就是为了实现人类长期以来梦寐以求的真三维显示，提出一种全息投影实时三维显示系统及方法。

为此，本发明提出一种彩色实时全息三维显示系统，包括：彩色实时全息三维图像信息的摄影采集装置、实时全息图像信息的投影还原装置及全息功能屏；

所述摄影采集装置包括 M*N个彩色二维图像摄取单元 C^,用于对所要三维显示的物体 0在其任意空间谱面 S上进行 M*N个空间谱抽样摄取，每个抽样点对应于物体 0的一个体像素 H^,各图像摄取单元所采集到的信息相当于该体像素所对应的空间谱视图 1 ，以获取物体 0的 M*N个阵列抽样空间谱图像信息；所述 M*N个彩色二维图像摄取装置 C^在空间谱面 S上按照预定的空间抽样角排列，且将其各自的成像光轴锚碇在物体 0所对应空间的同一参照点 R上；每一个摄像单元均聚焦在所对应空间谱方向的物体 0的可视表面以获得该方向的清晰视图 I 所述投影还原装置包括 Μ*Ν个彩色二维图像投影单元 Ρ^, 用于分别同时将所采集的 Μ*Ν个体像素处的相应阵列抽样视图图像 1 沿与采集时相应的锚碇关系投影成像到与原物体 0相对应的还原空间中某个参照面 P_R上，并使在该参照面上各个投影视图图像的射影图案与原物体 0 在该方向的空间谱射影图案一致；所述 M*N个彩色二维图像投影装置在所述空间谱面 S在还原空间的对应面 S'上按照与摄取时相同的空间抽样角排列，且将各投影装置的成像光轴锚碇在所述参照点 R在还原空间的对应点 R '上；

其中， M、 N、 m、 n为自然数，且 M和 N中至少有一个大于 2;

所述全息功能屏放置在所述参照面 P_R上，用于对各单一空间谱所承载视图图像信息 1 的输入信息作与空间抽样角相应的空间谱展宽，展宽到各视图 1 的输出空间谱分布相互衔接却又不至于重叠覆盖，以确保所恢复三维空间信息的数码全息空间谱被连续完整地还原输出，即：对应于该全息功能屏上的每个体像素 H_ik来说，空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角 ω^, 从而获得以恢复复杂波前为目的的全息三维显示。

本发明还包括如下优选技术特征：

采集装置和投影还原装置的各摄影-投影单元一一对应，每个摄影单元所采集到的图像信息可以用任意数字图像传输格式直接或间接地传递给与其相对应的投影单元，而无需对该具体图像信息做本质上的编码和重组。

一种彩色实时全息三维显示方法，其特征是包括：彩色实时全息三维图像信息的摄影采集过程、实时全息图像信息的投影还原过程及全息功能屏的有限展宽过程；所述摄影采集过程包括如下步骤：利用 Μ*Ν个彩色二维图像摄取单元 C^, 对所要三维显示的物体 0在其任意空间谱面 S上进行 M*N个空间谱抽样摄取，每个抽样点对应于物体 0的一个体像素 H^,各图像摄取单元所采集到的信息相当于该体像素所对应的空间谱视图 1 ，以获取物体 0的 M*N个阵列抽样空间谱图像信息；所述 M*N个彩色二维图像摄取装置在空间谱面 S上按照预定的空间抽样角排列，且将其各自的成像光轴锚碇在物体 0所对应空间的同一参照点 R 上；每一个摄像单元均聚焦在所对应空间谱方向的物体 0 的可视表面以获得该方向的清晰视图 1

所述投影还原过程包括如下步骤：利用 Μ*Ν个彩色二维图像投影单元 Ρ^, 分别同时将所采集的 Μ*Ν个体像素处的相应阵列抽样视图图像 1 沿与采集时相应的锚碇关系投影成像到与原物体 0相对应的还原空间中某个参照面 P_R上，并使在该参照面上各个投影视图图像的射影图案与原物体 0在该方向的空间谱射影图案一致；所述 Μ*Ν个彩色二维图像投影装置在所述空间谱面 S在还原空间的对应面 S'上按照与摄取时相同的空间抽样角排列，且将各投影装置的成像光轴锚碇在所述参照点 R在还原空间的对应点 R '上；

其中， M、 N、 m、 n为自然数，且 M和 N中至少有一个大于 2;

所述全息功能屏的有限展宽过程包括如下步骤：将所述全息功能屏放置在所述参照面 P_R上，从而对各单一空间谱所承载视图图像信息 1 的输入信息作与空间抽样角相应的空间谱展宽，展宽到各视图 1 的输出空间谱分布相互衔接却又不至于重叠覆盖，以确保所恢复三维空间信息的数码全息空间谱被连续完整地还原输出，艮卩：对应于该全息功能屏上的每个体像素 H_jk来说，空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角 ω^, 从而获得以恢复复杂波前为目的的全息三维显示。

采集过程和投影还原过程的各摄影-投影单元一一对应，每个摄影单元所采集到的图像信息可以用任意数字图像传输格式直接或间接地传递给与其相对应的投影单元，而无需对该具体图像信息做本质上的编码和重组。

各摄影-投影单元除空间位置校准外，还要进行相应的时间同步和色彩亮度校准，以确保输入输出信息的实时还原逼真度。所述投影阵列均可根据实际情况排列在空间任意曲面或曲线上，以实现任意方式的彩色实时全息三维显示，其所恢复的三维空间可以是原三维空间的放大或縮小。

所述参照面 1¾可以是任何曲面以满足各式各样的彩色实时全息三维显示需求;所述各投影单元在该参照面 P_R上呈现出清晰可辨的具体图像信息且已完成各自相应的必要图形畸变校正。

所述的空间谱空间抽样角或该系统的空间采样密度其倒数 Ι/ω^, 决定了该系统能够恢复三维空间清晰可辨信息的能力，即：在离开所述参照面 P_R的距离为 ΔΖ的地方，由所述全息功能屏能够输出一个实像或虚像光斑，该光斑大小与在该屏幕上各空间谱输入图像的平面像素大小相当。

所述各摄影-投影单元成像质量，包括视场角、分辨率、亮度、对比度、色阶与色彩饱和度等，可套用现有普通二维图像显示的基本标准。

所述各摄影 -投影单元的锚碇原则是： 1 ) 各摄影-投影单元所涉及处理的视图图像，代表锚碇点 R (R' ) 与采样点 ( S'^) 连线所决定的空间谱方向上该三维物体 0的几何投影， BP : 图像平面是各摄影-投影方向的法平面； 2)各视图图像在该图像平面内沿各摄影-投影单元的成像光轴方向无旋转。

对各摄影 -投影单元所处理的空间谱视图信息作相应的图形畸变及聚焦调整。本发明的效果是实现了全息实时三维显示。

附图说明

图 1是光子离散能量分布与波函数示意图；

图 2是位置矢量 r与传播矢量 k示意图；

图 3是矢量变量积分轨迹示意图；

图 4是点源辐射波函数表达示意图；

图 5是电磁辐射的时间谱构成；

图 6是太阳光与钨灯的时间谱比较；

图 7是空间中某一点（_XQ，yQ， ) 处波函数示意图；

图 8是李普曼彩色照相原理示意图；

图 9是物体 0的等相位面及全息图示意图；

图 10是二维离散能量分布的等相位面及 4f系统成像示意图；

图 11是针孔成像示意图；

图 12是体像素定义示意图; 图 13是空间谱定义示意图；

图 14是利用两个封闭曲面上的空间谱语言来处理我们所面对的大自然视觉信息的示意图。

图 15是三种透视方式示意图；

图 16是物空间、空间谱面、观察空间示意图；

图 17是平面空间谱面示意图；

图 18是体像素示意图；

图 19是空间谱采集示意图；

图 20是空间三维信息还原示意图；

图 21是人眼看到 M*N个点光源示意图；

图 22是体像素上离散空间谱示意图；

图 23是空间谱大角度均匀展宽输出示意图（单空间谱输入）；

图 24是空间谱大角度均匀展宽输出示意图（M*N空间谱输入）；

图 25是功能屏投影输出示意图；

图 26是水平视差投影输出示意图；

图 27是单谱与全谱展宽关系示意图；

图 28是定向散斑法制作功能屏示意图；

图 281是数字散斑产生基本原理示意图；

图 282是定向数字散斑产生基本原理示意图；

图 283是本发明实施例数字散斑全息图的制作方法和装置的示意图；图 29是全息透镜法制作功能屏示意图；

图 291是本发明实施例全息透镜投影屏的制作系统光学结构示意图；图 292为本发明实施例全息透镜信息记录原理示意图；

图 293为本发明实施例全息投影屏的制作方法基本制作流程示意图；图 294为本发明实施例全息投影屏的制作方法具体制作流程示意图图 30是还原逼真度示意图；

图 31是本发明一个实验系统示意图；

图 32是实验系统中空间谱采样装置示意图；图 33是实验系统中投影装置示意图；

图 34是实验系统中从不同观察角度所拍摄到的该功能屏幕上的照片；图 35是曲面空间谱抽样示意图；

图 36是曲面参照面还原示意图；

图 37是 360度向内柱面空间谱抽样示意图；

图 38是 360度柱面向内观察空间信息还原示意图；

图 39是 360度向外柱面空间谱抽样示意图；

图 40是 360度向外观察空间信息还原示意图；

图 41是 360度穹状空间谱采集示意图；

图 42是 360度平台空间信息还原示意图；

图 43是所要还原的物体与参照点空间关系示意图；

图 44是向内锚碇情况示意图；

图 45是向外锚碇情况示意图；

图 46是空间还原比例关系示意图；

图 47是几何光学成像示意图；

图 48是锚碇方法示意图；

图 49是梯形矫正示意图；

图 50是曲面参照面选定方法示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对发明进一步详细的描述。

由于本发明实施例是基于新的理论发现而做出的，在实施方式描述之前，先介绍与本发明实施例相关的理论。

一. 波函数的四维傅里叶变换光是由光子构成的，每一个光子都具有其最小的电磁辐射能量 f =h 其中 h 是普朗克常数 ?=6.62^ ίΓ³⁴ J * s，是波长为 =c /^的该光子的振动频率， c是光速在真空中恒定常数为 c=2.997 924 58 X:W ⁸ m/s。该光子相应的动量为 p =hk, 其中 / 是传播矢量且 / ="//^。所有这些与狭义相对论吻合，在此粒子的质量、能量和动量的关系为 f =[(cp)²+(mc²)²】^1/2。对光子来说 m=0故 f =cp。现在让我们考虑一个三维物体 O，它可以是自然界任意反光物体的一部分，也可以是电磁辐射光源本身。假设该物体被置于某三维坐标系 y, z_j的原点附近，且尺寸在 Zlx, Ay, _Z内，则在 ί时刻各种不同状态的大量光子将从该物体上发射出来，形成包围该物体的光子离散能量几率分布 y, z, t), 从而使该物体表现为我们所能感知的现实世界，如图 1所示。

该光子离散能量几率分布的波函数或几率幅被定义为一复变函数 f(x, y, z, t),且： l(x, y, z, t)=f*f= I f(x, y, z, t) \ ² (1)

该波函数的四维傅里叶变换被定义为：

F(k_x, k_y, k_z, v ) =/ f f ff(x, y, z, t)exp[-j2 i(k_xx+k_yy+k_zz + vt)]dxdydzdt (2)

其逆变换为：

f(x, y, z, t) =f f f fF(k_x, k_y, k_z, v )exp[j2 (k_xx+k_yy+k_zz + vt)]dk_xdk_ydk_zd v (3)

同时有光子离散能量几率分布被定义为：

l(k_x, k_y, k_z, v)=F*F= I F(k_x, k_y, k_z, v) I ² (4) 其中 k_x, / _y，和/ _z被称为空间频率，是光子传播矢量/相对于 X, _y，和 z方向的分量，

v R

虽然（1) 到（4) 时间和频率从 _∞到+∞积分似乎有点离谱，因为时间和频率为负数是不可理喻的，但我们可以改用矢量表达，使积分从 0到+∞而在物理上变得更加合理。

如果我们以矢量表达形式重写 (1) (2) (3) 和（4)，我们可得到：

在时空域：

l(r, t)=f*f= I f(r, t) I ² (5)

f( r, t) = f fF(k , v )exp[j2 i(-k- r + vt)]dkdv (6) o 在频谱域：

F(k, v ) =/ ff( r, t)exp[-j2 i(-k ' r + vt)]d rdt

其中厂是三维空间的位置矢量， r²=x²+y²+z², x=rcos a , y=rcos β , z=rcos γ； k 是光子的传播矢量，有 cos r_; β， Y j是矢量对应于直角坐标系 x, y, z轴的方向角，有： cos² «3 + cos² + cos² r=1; 且/， r= _xx+ _yy+ _zz, 如图 2所示。 k' / "前面的负号表示光子是从物体向外发射而并非从外向内汇聚成物体，因此空间中任何光子的位相总是落后于物体表面光子的初位相。从 0到 +∞对某矢量变量函数的积分意味着该函数相对于其矢量变量在整个空间各个点上的线性叠加，包括该矢量变量的振幅和位相；换句话说就是沿任意封闭曲面，该曲面包围原点并由矢量变量扫描而成。对同一方向矢量变量的积分体现在时空坐标 (？, 和与之相对应的频率坐标 (7c, V J中另外两个标量变量 ί和上，以确保积分为该四维函数的线性叠加，如图 3所示。

很明显，公式（1) 到（8) 是光子离散能量几率分布 /( yz, 四元复杂函数的纯数学处理，然而从中却包含着丰富的物理意义。虽然（1) 到（3) 时间和频率从- ∞到+∞积分似乎有点离谱，因为时间和频率为负数是不可理喻的，但其相应的矢量表达（4) 到（6) 由于积分从 0到+∞而在物理上变得更加合理。实际上现代信息科技中一维信号、二维图像乃至三维全息的基本概念和处理方法都可由这些公式导出或追溯回这些公式。我们把上述四维付里叶变换理论分以下几种情况进行具体化后，就可以推导出一些我们原来熟悉的现有理论：

1. 球面波和一维傅里叶变换对：如果我们考虑物体为一点辐射源，在所有空间方向上都具有不同能量状态的光子，即在 =0时亥1」 ^= = ∑→0，如图 4所示我们有：

f(r, 0)=[f(0,0)/r]exp[j2 π (k ή] (9) 这是一个波长为 ="//典型球面波复振幅的标准表达，沿时空坐标 , y, z, 或^ t) 中的所有方向传播。在时刻 ί我们有波函数表达为：

f (r, t)= [f(0,t)/r] exp(j2 ik r)exp(-j2 I vt) (10)

= [f(0,t)/ct]exp{-j2 JI vt[1-(k r/vt)]}

= f(0, t)/ct

=f'(t) (10)' 其中 r=_c ί, / ^₍₁/Λ )(_C t)=(c /A)t= vt ，从而使函数 f (r, t)自然变成 f' W只与时间有关。这样公式（5)、（6)、（7) 和（8) 可被写成一维形式：

l(t)=f*f= I f'(t) I ²= I f(0,t) /r (11)

F'( v J = ff'( t)exp (-β i vt) dt (12) l(v)= '= I F'( W (13)

f'(t) = fF'( )exp Q2 I vt) d (14)

这便是用于通信理论中时间信号处理的传统一维傅里叶变换对，其电磁辐射谱或光谱如图 5所示，其中的可见光波段非常狭窄。传统光谱学中光谱的概念可由此定义为辐照度 (单位时间单位面积内的平均能量)随光振动频率的分布。这也相似于我们正在观察太阳、月亮、或更加遥远的星星，以及无线电或电视发射塔的情况。

传统光谱学中光谱的概念可由此定义为辐照度 (单位时间单位面积内的平均能量) 随光振动频率的分布。图 6便是对应于太阳光和钨灯这种分布的比较。

2. 针孔成像：当我们考虑在某一时刻 ί=ί_σ，空间中某一点 x=x_c,_ = _ftz=z_c的情况下，（1) 到（4) 可简化为：

I (xo, yo, zo, t₀)=f*f= I f(x₀, yo, z₀,t₀) (15)

f(xo, Yo, z₀, t₀) =f f f fF(k_x, k_y, k_z, v )exp[j2 I (k_xXo+k_yyo+k_zz₀+ vt₀)]dk_xdkydk_zd v (16)

I (k_x y Mz , v )=F*F= I f(k_x, k_y, k_z, v) (17)

F(k_x,ky,k_z, v)=f( x₀, y₀, zo, to) exp[-j2 JI (k_xXo+k_yyo+k_zz₀+ vt₀)] (18)

这种情况如图 7所示与针孔成像过程相当，这时的波函数就好像在针孔处由（16) 所表达的狄拉克德尔塔函数 y-yo, z-z₀, t-t₀) f(x, y, z, t)。公式（18)是^ ¾ y₀, z₀,

W处的德尔塔函数傅里叶变换的典型表达，德尔塔函数是在时空坐标中从 (Ό, 0, 0, 0) 到 (_Xo, yo, zo, W的位移转变成为其频谱坐标中的位相漂移 exp[-j2 JJ (k_xxo+k_yyo+k_zz₀+ vt₀)】。公式（16) 意味着物体 0在 ί₀时刻对该点 (¾, yo, z¾)或 /¾的能量贡献是一系列不同振动频率的单色平面波沿不同的传播方向 /在该点的叠加，这将从（16) 的矢量表达（19) 中清晰体现，此时 / 是一大小和方向均在变化的矢量变量，且/ ¾有可能是包含在物体内部。

f(r₀, t₀)=f fF(k, v )exp[-j2 i(k' r₀+ vt₀)]d kdv

o

F(k, v)=f( r₀, to) exp[-j2 i(-k' r₀ + vt₀)】

在图 7中被考察物体上的每一点 P所发出的光子，只有沿 P与 (x₀， yo, z¾)连线的光子才能到达该被研究点从而为该点提供能量。我们把这根连线当成 "一根光线"，它由不同能量状态或振动频率的光子所构成，但严格按空间同一方向传播。本发明中我们把按同一空间方向传播的光子定义为光的空间谱（其概念在下面详述），图 8中利用李普曼彩色照相原理通过针孔照相所形成的二维彩色相片便是其物质表现形式。像片中的每一点都对应于一个干涉滤光器，由物点和其镜像点通过平均波长 J _a(P_j所形成的干涉条纹组成。

3. 传统全息术：当我们考虑单色光照明，即 = 。时，公式（1)、（2)、 (3) 和（4) 可以简化为：

l(x, y, z)=f*f= I f(x, y, z) (21)

f(x, y, z) =f f fF(k_0x, k₀y, k_0z)exp[}2 (k_0xx+k₀y+k_0zz )]dk_0xdk_0ydk_0z (22)

I (kox,,k_0ykoz) =F*F= I F(k_OX!,koyk_0z) (23)

F(k_0x, k₀y, k_0z) = f f ff(x, y, z)exp[-j2 i (k_0xx+ko_yy+ko_zz )]dxdydz (24)

其矢量表达（5)、（6)、 (7) 和（8) 可简化为: l(r)=f*f= I f(r) (25)

f( r) = fF(k₀ )exp(j2 Jik₀- r ) d k₀ (26)

/ (k₀) =F*F= I F(k₀) (27)

F(k₀ ) = ff( r)exp(-j2 Jik₀- r) dr (28) o

这种情况如图 9所示类似于传统全息术中由波长为 ₀=" I 的激光照明物体。由于 /₀是一个仅有方向变化的常模矢量变量，图 3中/ 的积分轨迹为一半径等于 k₀ 的封闭球面，故（26) 表示波函数是由一系列传播矢量为 /₀且沿空间所有方向的单色平面波 F(k₀ )exp(j2 Jiko' r ) 的叠加， k₀J 0到+∞积分是因为 r可能位于物体内部从而导致该处波函数是整个物体沿空间所有方向的各单色平面波的叠加；而 (28)所表示的波函数 f( 的傅里叶变换 F(k₀ ^！即波函数在空间某方向单色平面波的分布也取决于图 3所示的该波函数在任意空间封闭曲面上的每一点 r对该方向的贡献， /"从 0到+∞积分同样也是因为 r可能位于物体内部。假设 r₀是物体表面上的位置矢量，则是物体表面发射光子的波函数，有 /(?a) = | f(V^ I ²且与时间无关，从而 f (7 ^也可被称为该物体的复振幅。从该物体上发射出来的光波可以描述为拥有同样位相光子的几率幅，因为所有光子都来源于同一物体。在图 9中，这些所谓同位相光子几率幅的等位相面沿物体表面上每一点的法线方向向外扩展，其距离是 ^的整数，那些没有法线的点则以该点为圆心的园弧连接，其半径也是 J₀的整数倍。

这些由公式（25)到（28)所表达的所谓等位相面，作为被研究物体客观现实而存在，与时间无关，也可被称为该物体的复杂波前。这些等位相面上的每一点都有其振幅 I f(r₀) I /m ₀和位相 2 ₀对应于物体表面的某一点 r₀，而：

f( r₀) = fF(k₀ )exp(j2 Jik₀- r₀) dk₀ (29)

0

这是在 /¾处一系列单色平面波 F(k₀)exp(j2 iko' r₀ ^)的叠加，而当沿物体表面法线方向传播的时候，（29) 可写为：

f( r₀) =F(k_0n)exp(j2 Jik_0n - r₀ ) (30) 显然，（30)只是由 r₀作为一点光源所发出的一系列单色平面波的一个分量，其中 k_0n 为物体表面处沿法线方向传播的单色平面波的传播矢量，它决定了物体等位相面的形成。

虽然由光照度 / 0)及其相应的空间分布所定义的物体所发出的离散能量分布 / W 可用（25) 到（28) 来表达，且其复杂和精细程度是由当今科学和技术难以计算和测量的，但当我们在图 9中简单引入沿 /_R方向传播的被称为参考光的相同振动频率 0与振动方向的单色平面波 R, 该物体的波前就可通过全息术而得以全息地记录。图 9中一系列距离为 ₀的平行平面与（21 )所表达的被研究物体 0的波前相交形成的一系列截面产生了的干涉条文所组成的复杂能量分布 P(r), 可表示为：

P(r)=(0 + R)(0 + R)

= \ 0 \ ²+ \ R \ ²+ 0 R+ OR (31) 当（31) 以适当方式被记录时，就被称为物体 0的全息图11。当用原参考光照明 H时，就可完全恢复被研究物体 0的波前，即（29) 所表达的由物体上每一点所发出的相应单色平面波的叠加，也即图 9中所描述的物体 O的等相位面，从而可直接恢复描述物体 0的光照度 / (V^及其相应的空间分布 f( r₀)。

4. 传统傅里叶光学：当物体是由单色照明（ = ₀) 二维离散能量分布 l(x, y) 时，公式（16) 到（18) 可写为： i(x, y)=f*f= I f(x, y) I (32)

f(x, y) =f / F(k_0x, k₀y )exp[j2 JI (k_0x x+k_0y y)]dk_0x dk_0y (33)

l(k_0x， k_0y)=F*F= I F(k。_x, k₀y) I ² (34)

F(k_0x, ko_y) =f ff(x, y)exp[-j2 JI (k_0xx+k_0yy )]dxdy (35)

它们与 4f 成像系统结合便构成了傅里叶光学的基本内容，清晰定义了物面、谱面和像面，并引入了调制传递函数（MTF)、角谱/_0xy、空间频率 (k_0x, oy 及空间滤波等概念以提高成像系统的成像质量。图 10 是这种情况的等位相面描述，其中像 O' 是由不同空间频率的信息 _0x, /_0y J所构成，这些信息来自于将成像系统所采集的物 0 当成一系列由角谱（光栅） /_0xy所产生的不同方向的单色平面波。

二. 本发明所提出的光的时间谱和空间谱概念

1. 光的时间谱光的时间谱与现代光谱学中的光谱具有同样的含义，从而可被定义为电磁波辐射强度随其振动频率的分布函数 J，也可理解为构成该电磁辐射的频率成份。在作为通讯载波的无线电波、微波、乃至红外激光的光谱范围内，由于其能量分布与空间参数无关，如公式（11 ) - ( 14 ) 所示，这个辐射强度可被当成其发射源的功率。

在可见光的狭窄谱段中，该辐射强度对应于色彩的显现，即：表 1所示的相对于各个振动频率的光谱色。色彩并不是光本身的特性，它是眼睛、神经和大脑这一电化学传感系统的具体表现。虽然我们还没有发明出功率或能量输出随光的振动频率变化而连续可调的激光器，我们仍能通过三原色叠加而恢复自然色彩，并且已存在多种可供选择的三原色激光器。实际上，在大自然中我们所能鉴别的色彩是一个个可分辨的时间谱分布而不是表 1所给出的光谱色，从而表现出比李普曼彩色照相所反映的光谱色彩更加丰富。三原色被用于恢复这个缤纷世界的色彩已有很长时间，从而带来了图像显示从黑白到彩色的革命，同时也为我们提供了一个简单方法来恢复三维世界的真彩色，即利用红、绿、蓝三原色激光或更多单光谱色的叠加来替代公式（1 ) 到（8 ) 对的积分，这也是目前彩色全息术的研究内容。

表一：色彩与频率对照表

TABLE 1, 4 A^proximaie Fr^uency mi Vac um Wavetagih Rm for i ariw€ m

Color A_y y II: nm )

780 -622 8 - 482 I; C n $11 520 - 610

Ora ge 4S2 - 5 3 492 ' 455

59? « 57? 5ΐ)3 52ΰ: ： 455 -綱

2. 光的空间谱

本发明据所光的空间谱可定义为电磁波辐射强度随其空间传播方向的分布函数，即：光的玻印廷矢量（Poynting Vector)分布函数 /(7 ，也可以理解为某发光物体在空间某个方向上的辐射强度投影分布，即：形象地表现为该物体的二维图像。让我们返回公式（5) 到（8 ) 和图 7，很容易领会到这样的结果：离散能量几率分布 /(?, t) 的波函数或概率幅 f(r，是一系列不同方向不同振动频率的单色平面波 F(k , V )exp[j2 Ji (-k ' r + WJ_j的叠加，它们来自于被研究物体的表面上的某一点 P，该物体具有辐射强度 Ι(Γ_Ρ) = I f(r_P) I ²而/ ϊ/ _)是物体表面的复振幅，物体上的每一点都对应于一个该点时间谱的平均波长 ₃^)。为了更加便于理解，我们可以用以下三种方式来表达有关光的空间谱的相同含义：

( 1 ) 援引几何光学理论，我们定义被研究物体的空间谱为其通过某一针孔的视图，它被表现为图 11所示的该物体的针孔成像。在物空间，针孔是一个黑洞，永远吸收着来自物体的光从而形成物体的像；在像空间，针孔是一个点光源，它承载了物体的时间谱信息。换句话说，当我们在像空间观察针孔时，如果我们改变观察方向就可分辨出针孔上的光强 /(^ _aJ变化，该变化对应着物体上相应点的光强 /(?_P_j及其固有的平均波长 J _a(P)。当我们移近针孔时，物体的视图逐渐显现出越来越多的细节直到人眼接收到通过针孔的所有光线而看清楚完整物体。实际上，针孔成像原理来源于几何光学的基本定律即光的直线传播理论，照相机、摄像机成像中透镜的引入只是为了通过其聚光特性收集到更多的光线而使成像过程更加容易地得以现实实现，从而带来了物面和像面的概念以及依据同一基本原理所产生的成像公式；在此，针孔被透镜中心点所取代，更多的光线通过透镜孔径与其前后焦点的限制参与了成像。虽然透镜的成像过程是三维的，其成像的实际输出却仍然无奈地被限制在相应像面的二维光强分布上，结合三原色构成了高质量彩色照片乃至今天的高分辨率数字图像。可以说，迄今为止对我们从自然界所获取的所有图像信息的显示，只不过是我们所能感受到这个世界的一个空间谱而已。

( 2 ) 援引波动光学理论，我们定义被研究物体的空间谱为沿同一空间方向传播但由不同振动频率所构成的单色平面波的集合，它可被表示为沿该方向的成像系统对该物体的成像。实际上这只是空间谱的一个理论定义，正如波动光学中的单色平面波和几何光学中的针孔一样；全息术实验中的针孔就是单一空间谱和单一时间谱的细致表现和验证，它被用于"清洁"扩束器所放大的激光斑上的 "污点"。由（32 )到（35 ) 及图 1 0所表达的傅里叶光学为我们提供了成像过程的精巧解释，不过只牵涉到以某一个频率振动的单色光，而空间频率 _0x , / _0y J正是其所对应的空间谱与沿成像方向

(这里是 Z方向）空间谱的相交线的空间密度。

( 3) 援引在量子光学中，我们定义被研究物体的空间谱为其沿同一方向发出的不同能量状态的光子所形成的离散能量分布，它可被形象地表示为物体表面的光强在数学上被平行透视到某个平面，可以被当作是具有不同能量状态 f的同一方向光子动量状态 p的有效表述。

三 . 本发明所提出的体像素概念及其与空间谱的关系

实际上，公式（5 ) 到（8 ) 为我们提供了利用光子这一大自然最精细的表现形式对大自然本身的两种基本表述，同时也为我们提供了有关光的波粒二象性这一永恒主题的内在联系。

1 . 公式（5 )和（6 )为我们提供了描述自然的粒子语言或时空语言，在这种语言里，时空中某一点的离散能量概率分布由众多同样状态光子所构成的不同方向上的单色平面波/^ / , v)exp[j2n(-k · r +vt)]的叠加所致，如图 12所示。该点被定义为该自然物的像 ( Aoxe/) 并为李普曼彩色照相术所证实（这里讲的是体像素本身的物理函意，即：图文所示体像素内在的能量分布规律，已被著名的李普曼彩色照相术所证实）；在本发明中，各光线被视为物体上某一点的辐照度

所对应的单色平面波，从而在李普曼彩色照片上相关点处产生由干涉滤光器所导致的色彩显现。 2. 公式（7 )和（8 )为我们提供了描述自然的波动语言或频谱语言，在该语言中来自物体同一方向上的离散能量概率分布 /( c, v) 由众多靠近物体的体像素 oxd 按空间不同位置叠加而成。如图 13所示，这些由 f(r, t) exp [-j2n (-k · r +\ ^所表示的体像素 H( ^ 沿空间同一方向发射出各自相同状态的光子，构成了物体在该方向的二维辐照度图案 Ρ(Λ _η)。该辐照度图案就是我们所定义的该自然物的 7^ (Spatial Spectrum ), 它由图 12所示的针孔成像过程得以实现，并由现代信息科技改善发展成为数码形式的高清二维彩色图像。

3. 当每个体像素的尺寸小到光子程度，即对大自然的离散抽样满足光子的海森堡测不准关系，则空间谱仍然是严格由同一光子状态所构成的单色平面波。这个事实由全息术所证实，因为全息术中复杂物体光波波前是由一系列单色平面波的叠加所构成，而这些单色平面波以干涉条纹所获得的全息图的形式被记录与再现。

4. 如图 14所示，我们可以利用两个封曲区面上的空间谱语言来处理我们所面对的大自然视觉信息，即：我们通过曲面 S 1上的体像素向内观看而通过 S2上的体像素向外观看。同样，无论向内还是外的视觉信息都可通过以阵列形式安放在 S 1或 S2曲面上且锚碇在同一参照点 R的 M*N个独立摄影-投影装置进行空间谱的采集与恢复。所谓锚碇便是各个独立摄影-投影装置的成像光轴交汇与同一点。

四、基于上述新概念本发明对光的新描述

辐照度是目前电磁辐射唯一可测量参数，尤其是在可见光范围内它是光的唯一表现形式即：各种光子状态的光强度。我们已经定义了光的时间谱和空间谱，它们分别是对应于辐照度随光振动频率与光传播方向的分布函数： l( V)与 l(k)_; 现在我们利用这个概念给出大自然因为有光而呈现的三维表现现实的具体解释，从而找出利用现代科学技术而对其进行恢复的合理方法。

假设物体 0由大自然的所有空间表现形式所构成，它可以是地球、月亮、太阳、或任意其他天体乃至整个宇宙，它们主动或被动地辐射着电磁能量；它也可以是任意人造光源或其它具有自发光现象的物质，或其它任意物质形态对其光各种光子状态的照明所同时产生的 "新辐射源"或 "黑洞"效应的作用所制造出的我们所赖以生存的世界。从数学上讲，追溯到十五世纪中期意大利建筑师菲利波.布朗勒斯奇（Filippo Brunelleschi)对透视的发明，如图 15所示有三种方式均可获得物体 0的透视图，它们由针孔和透镜得以物理实现，并在波动光学和傅里叶光学的指导下发展成为今天的高质量数码相机。物体 O上的每一点至少在一个方向上对应于其视图中的相应点，在每个视图上显现的点对应于该视图方向上物体最前面的点。

假设另一封闭曲面 S包围着物体 0，并定义 S为物体 0的空间谱面，因为该物体的完整空间谱都被包含在通过 S上的每个点 P所反映的 0的视图上。理论上讲， S可以是平面、圆柱面、球面或其他任何形状的曲面，可被我们用以作为采集相应空间谱的抽样面。类似于普通透镜成像过程，我们定义 S内为物空间而 S外为观察空间如图 1 6所示。当我们考虑 S上的一点 P的时候，观察空间变成了所谓的像空间，在那里物体 0 的相应空间谱在观察空间中形成了其相应视图的像，而当成像系统被引入的时候就在成像面上表现出一张图像照片。成像系统的作用是为了实际地获得该视图的照片，因为它可以采集到比针孔更多的光线，而此时的针孔变成了系统的孔径光栏，从而无论用多大数值孔径的系统去采集再多的物体信息，最终所获得视图的结果只是系统对焦到物体相应平面上的一张视图照片，其分辨率取决于该成像系统固有的爱里斑（Airy Disc)。它仍然只是所研究物体的某个方向上的单一空间谱表达，其三维特性间接断层地表现为成像系统沿同一方向的不同对焦。实际上，在 S 面上的每个点 P所采集到的单空间谱，最终可由成像系统对焦到物体 O内部的某一固定点所导致的高质量图像所表现。这是一个由爱里斑所决定的二维离散能量分布，我们现在将论证可以利用所采集到的被研究物体 O 的完整空间谱来恢复该物体信息的三维显示。

我们用一个简单试验来表达我们是怎样感受并恢复被研究物体 O的三维表现的。为了简化分析并使过程更加容易理解，我们假设上述的空间谱面 S 是一个平面，就像我们在观察空间中通过一面透明玻璃窗去看被研究物体，如图 17所示。

假设我们在该虚拟玻璃窗上放置一虚拟针孔如图 18，该虚拟针孔可被当成被研究物体的空间谱抽样，其大小可由相应的探测器（如：人眼）的分辨能力所决定，我们称其为被研究物体 0的"体像素"，并为其起一个英文名叫" hoxel ",它是公式（6) 在该点处的具体物理表现，即：体像素的波函数为物体 O上面所发出的一系列单色平面波的叠加。在观察空间我们只能辨别出针孔是一白光点辐射光源，虽然该物体的信息作为其视图通过针孔已被编码进去，仔细观察针孔，我们发现该点光源的色彩和亮度随着我们在观察空间中上下左右的移动而发生着变化，即：体像素的空间谱随空间方向而改变，它是公式（8) 在该点处的具体物理表现。如果我们以视频的速度移动针孔对整个玻璃窗进行扫描，我们就会发现被研究物体以三维的形式展现在我们面前，就好像我们直接打开玻璃窗，而窗上蒙上了一层针孔般大小被我们称之为体像素的格子，它们对应于二维平面数码图像中的像素（Pixel)。换句话说，我们可以通过恢复玻璃窗上的每个体像素对应于其原来的空间谱表达，便可通过玻璃窗看到被研究物体的三维表现，在这里每个体像素与其同原物 O同样透视的方式和其视图相关联，即：体像素是物体 O的某个视点。当然， "玻璃窗"可以是任意形状、在任意地方、甚至与物体相互交叉的具有一定厚度的任意曲面，而并非只是离物体一定距离的薄平面；在这个看不见、摸不着的 "玻璃窗"上，只有体像素对物空间的作用相当于一个 "黑洞"而对观察空间则相当于一个 "新辐射源"，它携带了被研究物体 0的透视信息。因此，体像素可以被当作被研究物体 O所发出的光子离散能量分布的空间抽样信息，它存在于整个空间任意位置，虽然看不见、摸不着，却是现实存在；这非常类似于著名的麦克斯韦方程中所假设的位移电流密度，正是这种假设从数学上推演并描述了电磁波的客观存在。我们可以通过对空间中某个曲面上的空间谱采样与恢复来实现体像素的物理表现从而恢复被研究物体 O的三维重构和显示。

聚集在体像素上的能量信息通过以下两种不同方式以同一种形态的物质空间分布形式得以技术表达： 1 ) 在光敏材料或元器件上所探测到的被研究物体上各相应点通过该体像素所直接投射出的光强空间分布，构成了该物体的照片。

2) 如果物体被时间谱抽样（只有单一时间谱被物体反应或物体被具有足够好时间相干性的激光照明），一旦在该体像素上引入参考光，而该参考光的空间谱在对该体像素有所贡献的所有该物体的空间谱之外，则当该体像素上的能量分布被适当的光敏材料或元器件记录下来后，便形成了该物体相应视图的傅里叶变换全息图。这也是今天全息数据存储和数码全息打印技术的基本单元。事实上，如果用本发明的空间谱理论来诠释，则全息术是第一种利用光波的相干干涉，以完整空间谱形式恢复三维空间信息的实用技术；而数码全息将该过程数字化全息地打印出各个独立的全息像素。

由此我们可以得出以下结论来描述光作为大自然信息的基本载体：

1 )大自然给人类所提供的信息本身就是四维的或全息的，它由光子抽样所产生的时间谱和空间谱构成。宇宙中的光子离散能量分布由其波函数或概率幅通过其完整的空间谱和时间谱全息地表现着，其具体表现形式体像素被人类通过人脑全息地接收并感知着。

2) 摄影术（李普曼彩色照相）利用单一空间谱（针孔相机）从技术上实现了完整时间谱（彩色）的能量分布物质表现形式，即：该宇宙某个方向视图的彩色照片；构成了今天由电子信号一维处理方式所成就的二维图像显示文明根基。

3 ) 全息术利用单一时间谱（激光）从技术上实现了完整空间谱（针孔成像在空间谱面上的卷积）的能量分布物质表现形式，即：全息图。

4) 本发明实施例的数码全息实时三维显示将有效结合现代电子文明与将来光子智慧，开启从 e-IT (电子信息技术）到 p-IT (光信息技术）的文明交替之门，使人类站在冲刺下一代文明马拉松竞赛的起跑线上，其特征是：光信息（玻印廷矢量）的空间或矢量全息处理，而非停留在上世纪空前成功的光电脉冲信号的时间或标量一维处理。

五、本发明理论的实施-基于上述理论对空间谱的采集与还原

在介绍了本发明上述理论之后，下面对本发明的全息三维显示系统和方法进行说明。本全息三维显示系统和方法包括空间三维信息的摄影采集、投影还原和在投影还原时用特殊全息功能屏进行的有限展宽。

1、空间三维信息的采集

在图 17中，我们将玻璃窗分成 M*N (M≥l , N≥l ) 个小单元等份，这相当于对被研究物体 O在谱面 S上进行空间谱抽样，如图 19所示；当然，谱面 S不一定是平面，它取决于最终三维信息的还原手段及表现方式。各个单元的中心点 S_mn便代表被研究物体 O在谱面 S上的空间谱抽样，它对应于物体 O的一个视图 l_mn，根据本发明，可以由 M*N个相同参数的数码摄像机在谱面 S上的 S_mn相应位置对焦在物体 0 上的同一个点 R而获得，该对焦点 R取名为空间参照点。 M与 N的数量决定了三维空间还原的逼真程度，对传统全息术来讲， M与 N的数量大得惊人，接近单光子量子抽样，使得谱面 S 上的空间谱几乎是连续均匀分布，从而最大限度地逼真还原了物体 0所占据的三维空间。对于数码打印全息术来说，对这 M*N张数码照片的各个像素 P_mnjk进行拆分重组而形成另一套能在谱面上反映其原始信息的空间编码图案，便能逐点打印该图案的傅里叶变换全息图，构成相应的数码全息显示。当 M=N=1时，相当于目前二维平面显示所对应的传统摄影摄像过程；当 M=l、 N=2时，相当于目前的体视对摄影及双目立体成像技术；当 M=l、 N〉2时，相当于下述实施例中的水平视差 ( HPO) 立体成像技术。

2. 空间三维信息的还原

当把采集所获得的物体 0的 M*N个视图 l_mn，用 M*N个相同参数的数码投影机投射到对应原物体 O的某个平面上，且让各个视图投影的参照点 R在该平面重叠，该平面取名为参照面 P_R，如图 20所示；当然，各个投影视图 l_mn可以是原物体 0的放大或縮小像，参照面 P_R也不一定是平面，同样取决于最终三维信息的还原手段及表现方式。在图 20中，参考面 P_R上的光信息分布相当于原物体 O被谱面 S上 M*N个空间谱所恢复信息的还原，其具体过程表现在由公式（5)、（6)、（7)、 ( 8 )所演变出来的离散傅里叶变换中。在这里，离散过程主要包括两个部分：一是对原物体 0 的空间谱抽样中所牵涉到的视图数字化过程，其表现为各视图数字成像的平面像素数目 J*K，目前最典型的为 1024*768; 二是恢复原物体 0的空间三维信息所需采集的空间谱数量，即这里所描述的 M*N。当然，还有一个离散过程是关于时间的，这便是三原色叠加所带来的色彩恢复。

将参考面 P_R分解成 J*K个体像素 H_jk，与原物体 O各空间谱视图的平面像素 P_mnjk 大小相同且理想状况下完全重叠。现在我们分析一下参考面 P_R上光信息分布的基本特征及物理现象表现：

1 ) 如果上放置一个如图 17所示的透明 "玻璃窗"，透过该 "玻璃窗"人眼所看到的将会是 M*N个带有物体信息的点光源，如图 21 ; 而这时 P_R上每个体像素 H_jk 的空间谱被离散地分布在相应的 M*N个方向，如图 22所示。因此，当 M*N的空间谱抽样密度与各个数码投影视图的像素数目 J*K相当，便能直接恢复体像素为 J*K的三维空间信息；但就目前信息科技水平来说， M*N远远小于 J*K，从而，虽然 M*N个像素数目为 J*K的视图信息都被完整地反映在 P_R上，但人眼所能同时接收的毕竟只有 M*N个原物 0的空间谱某一小部分，它们构成了上述 M*N个带有物体信息的点光源。

2) 如果 P_R上放置一个普通漫散射屏幕，则 M*N个投影机中任何一个单独投影 l_mn都会显示出对应于物体该空间谱方向的完整清晰视图，即现有平面二维显示的所有特征，因为每个平面像素所对应的空间谱从单方向小空间角输入转换为均匀散射大空间角输出，使得各个平面像素的输出空间谱展宽相互重叠，形成一个相当大的空间观察范围，如图 23所示。若 M*N个投影机同时投影出相应 M*N个空间谱方向的清晰视图，由于各个视图在同一体像素 H_jk位置的平面像素 H_jk的光强并不一致，相互叠加后会出现一堆模糊不清的重叠影像，如图 24所示。因此，现代数码图像显示技术都是单空间谱输入，无论是电还是光，而对该图像的每个独立像素来说都会有一个均匀展宽的大观察角，即：同一空间谱信息的窄带输入宽带输出，使得每个像素在所有空间方向上保持同样的颜色和亮度。

3)如果 P_R上放置一个本发明所提出的功能显示屏幕，其作用是将 1 ) 中所看到的 M*N个带有物体信息的点光源刚好散射为每个投影机所占据的单元面积 A_mn，并完全相连（或仅有少许重叠）使得 M*N个空间视图的信息在谱面上连成一片均匀光背景，如图 25所示，则每个体像素 H_jk的输出空间谱与数码全息打印一致，故能实现全视差完美三维空间信息的还原，其还原逼真度取决于 M*N所决定的空间谱抽样密度。

4)当 M=l、 N >2, 且P_R上放置一个水平展宽为抽样间距 D_mn的条形散射屏幕时，便能获得一个水平视差（HPO) 完美三维空间信息的还原，如图 26所示。

3. 本发明三维空间信息的还原逼真度

香农（Shannon )抽样定理为现代数码信息时代奠定了重要理论基础，它与傅里叶变换理论的有机结合便构成了现代数字信号通信及图像处理等信息科技最新成果的丰富内容，乃至数码全息。我们现在将讨论空间抽样角对三维空间信息的还原逼真度的影响。

1 ) 众所周知，人眼睛的角分辨率为 1 .5*10— ⁴弧度左右，这就意味着面对光子抽样的大自然，我们每个人的每只眼都像一个空间谱探测器，在体像素的海洋中以上述裸眼叫分辨率肆意对焦并注视着任何一点。换句话说，如果 0 _mn=0 _E，由裸眼可辨认的所有全部三维空间信息将会被完美逼真地恢复，我们便能获得完美逼真的空间三维信息重构。这看起来虽然还相当遥远，但本发明的基本思想结合现有纳米技术及材料的研究将会是实现这一未来 IT终极目标的有效现实途径。

2) 如果空间抽样角 0 _mn>>0 _E，而清晰显示的最终标准是体像素的尺寸 Δΐι与位于参照面全息功能屏幕上的各单一空间谱投影图像的平面像素相同。如图 30所表示，功能屏上的每一个点可被合理地认为是将其单一空间谱信息在抽样空间角 0 _mn内发射，从而离开功能屏上的其它信息将被当作由大小为 ΔΖ*_ωηηη的光斑构成，这里 ΔΖ 是离开功能屏前或后的距离。当 Δ1ι=ΔΖ*_ωΐΜ1，可认为其相应体像素尺寸逼真度的空间恢复能力为：

2AZ=2Ah/ro_mn (36) 表 2为我们给出了一目了然的结果，可帮助我们设计任何全息三维显示工程。当然表中的严格依据是体像素尺寸，在实际应用中可被放大好几倍。

表 2: 0. 1 0. 2 0, 5 丄 1. 5 2

ω mil ijiid)

π /丄 0 0. 6 1 . 2 3. 0 6 9 12

π /20 1 . 2 2. 4 6 12 18 24

π /40 2. 4 4. 8 12 24 36 48

π /90 5. 7 1 1 . 4 28. 5 57 85. 5 1 14

π /180 1 1. 4 22. 8 57 1 14 171 228

π /360 22. 8 45.6 1 14 228 342 556

π /720 45. 6 92. 2 228 556 684 1 1 12

由此，本发明提出一种彩色实时全息三维显示系统，包括：彩色实时全息三维图像信息的摄影采集装置、实时全息图像信息的投影还原装置及全息功能屏；所述摄影采集装置包括 Μ*Ν个彩色二维图像摄取单元 C^,用于对所要三维显示的物体 0在其任意空间谱面 S上进行 M*N个空间谱抽样摄取，每个抽样点对应于物体 0的一个体像素 H^,各图像摄取单元所采集到的信息相当于该体像素所对应的空间谱视图 1 ，以获取物体 0的 M*N个阵列抽样空间谱图像信息；所述 M*N个彩色二维图像摄取装置 C^在空间谱面 S上按照预定的空间抽样角排列，且将其各自的成像光轴锚碇在物体 0所对应空间的同一参照点 R上；每一个摄像单元均聚焦在所对应空间谱方向的物体 0的可视表面以获得该方向的清晰视图 I 所述投影还原装置包括 Μ*Ν个彩色二维图像投影单元 Ρ^, 用于分别同时将所采集的 Μ*Ν个体像素处的相应阵列抽样视图图像 1 沿与采集时相应的锚碇关系投影成像到与原物体 0相对应的还原空间中某个参照面 P_R上，并使在该参照面上各个投影视图图像的射影图案与原物体 0 在该方向的空间谱射影图案一致；所述 M*N个彩色二维图像投影装置在所述空间谱面 S在还原空间的对应面 S'上按照与摄取时相同的空间抽样角排列，且将各投影装置的成像光轴锚碇在所述参照点 R在还原空间的对应点 R '上；

其中， M、 N、 m、 n为自然数，且 M和 N中至少有一个大于 2;

所述全息功能屏放置在所述参照面 P_R上，用于对各单一空间谱所承载视图图像信息 Imn的输入信息作与空间抽样角相应的空间谱展宽，展宽到各视图 1 的输出空间谱分布相互衔接却又不至于重叠覆盖，以确保所恢复三维空间信息的数码全息空间谱被连续完整地还原输出，即：对应于该全息功能屏上的每个体像素 H_jk来说，空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角 ω^, 从而获得以恢复复杂波前为目的的全息三维显示。可以看到：除了空间谱的阵列抽样与投影特征外，本发明的另一重要方面便是全息功能屏幕的定向散射功能，图 27是经全息功能屏幕后输入离散空间谱信息的单空间谱及完整空间谱输出关系是意图。所述全息功能屏具有规律性分布的微细空间结构，所述分布使得入射到所述全息功能屏上各个方向的输入光线都会有一个相应的全谱空间展宽输出，其空间展宽角为恢复特定空间三维信息所必需的空间抽样角《_mn。

在一种实施例中，前述的 M=1、 N〉2，如图 26所示，所述全息功能屏对应于在水平方向有一有限展宽角 ω _η，使得水平方向上均匀排列的各视图 In的输出空间谱分布完全充分地相互衔接，而垂直方向的散射角 w _m则类似于普通投影显示屏，为一相当大的角度，即：所述全息功能屏为一在水平方向上有限展宽的垂直定向散射屏。如图 31所示，其展示了本实施例的全息功能屏在彩色实时全息三维图像显示系统的一个实验例中的应用，其中 M =1， N〉2，即输出空间谱只在水平方向上进行有限展宽，此时 C_mn、 P_mn亦可表示为 C_n、 Pno

本发明进一步提供以下几种制作全息功能屏的方法。以下我们给出几种该全息功能屏幕的原理及制作方案。

a)定向散斑法

利用中国发明专利 ZL200410022193.7 "数字散斑全息图的制作方法和装置"，有多种数字或非数字方法制作该全息功能屏作用的定向散射型模压全息母板。其基本原理是利用激光照射漫散射体后所产生的散斑颗粒尺寸及分布的参数控制来获得相应参数的散射空间角，这可以通过在制作过程中加入合理形状和大小的通光孔径而得以实现，如图 28所示，通光孔径与全息功能屏所形成的空间角约为《_mn/2。对应于图 26所示的水平视差全息投影显示来说，图 28中的通光孔径为一长条形，其宽度对全息功能屏的张角为 w _mn/2 (M=l时可表示为 ω _η/2)。

图 281-283示出了用定向散斑法制造功能屏的一个实施例。

如图 281所示，数字散斑产生的基本原理为：一个中心波长为 λ，带宽为 Δ λ的激光光源 1-20，照射在大小为 δ _u * δ V 的漫射体上，漫射体的特征光学不平整度为 Id，漫射元大小 Au * A_v。在相距 h的 xy平面内进行观察，所观察到的散斑花样是：

(1)若 A A «ld ，散斑的对比度等于 1，

(2)散斑的大小为： δ χ= λ h/ δ u · (la)

δ _y= λ h/ δ v (lb)

(3)散斑覆盖区域的大小为： Ax= A h/Au… (2a)

Ay= A h/Av… (2b)

(4)散斑辐射度图样的自相关函数，其形状如同漫射体上辐照度图样的傅里叶变换。从图 281 和公式（la) (lb)可以看出，若漫射体大小 S _u« S v，则散斑图上， δ _χ>> δ y,散斑为条形散斑即定向散斑。

如图 282所示：如果光照射如图所示的散斑图，则其光线将沿垂直于散斑的方向散射，即散射光具有方向选择性。

如图 283所示，本发明数字散斑全息图的制作方法包括步骤：

① 、首先设置包括激光光源 1-10、透镜 1-31、 1-32、 1-33、快门 1_40、漫散射屏 1-50、光阑组件 1-60、干板 1-70和干板平台 1-80的光学成像系统 1 ; 所述透镜 1-31设置于激光光源 1-10和快门 1-40之间，快门 1-40之外依次设置透镜 1-32, 漫散射屏 1-50、光阑组件 1-60、透镜 1-33、干板 1-70和干板平台 1_80，所述干板 1-70固定于干板平台 1-80之上；

② 、然后开启激光光源 1-10出射光束 1-20，光束通过位于透镜 1-31的焦点 1-24 上的快门 1-40然后散射，再经透镜 1-32复又聚焦成光斑 1-25，光斑 1_25在漫散射屏 1-50上发生漫射，漫射光经光阑组件 1-60和透镜 1-33之后，在干板 1-70上聚成散斑 1-27成像，其中，控制产生光斑的通光孔径为一长条形，其宽度对干板的张角为 ω _η/2其中，控制产生光斑的通光孔径为一长条形，其宽度对干板的张角为；

③ 再多次移动干板平台 1-80，转动光阑组件 1-60，配合快门 1-40的开关，使干板 1-70上各个点都曝光成像。

所述光斑 1-25的大小由调节透镜 1-31、 1-32之间的距离获得。

本实施例还设置伺服系统 1-2。

优选地，所述移动干板平台 1-80，是由伺服系统 1-2中干板平台驱动器 1-98受微计算机 1-100控制所驱动；所述转动光阑组件 1-60，是由伺服系统 1-2中光阑组件驱动器 1-96受微计算机 1-100控制所驱动；所述快门 1-40的开关，是由伺服系统 1-2中快门驱动器 1-94受微计算机 1-100控制所驱动；所述微计算机 1-100中固化控制软件，散斑的形态和排列规律是由软件控制的。光阑组件驱动器 1-96转动光阑组件 1-60时，分别转动长阑 1-61和圆阑 1-63。

采用本方法时，所需的空间谱展宽角《_mn取决于还原时投影头的中心间距相对人眼的张角，可通过控制产生光斑的孔径《_mn/2，从而得到功能屏的所需展宽角《_mn。本方法的缺点是只能定性地反映所制作屏幕的散射空间角分布，而不能严格定量地表现其空间谱展宽，但作为本发明实施例现实阶段的应用却已綽綽有余。

b) 全息透镜法

利用中国发明专利 ZL200510022425.3 "—种全息投影屏及其制作方法、系统及应用"，也有多种数字或非数字方法制作具有该全息功能屏作用的离轴式定向衍射型模压全息母板。其基本原理是严格控制全息微透镜阵列制作过程中各个微小全息透镜的空间扩散角严格为 w _mn，如图 29所示。对应于图 26所示的水平视差全息投影显示来说，图 29中的通光孔径为一长条形，其宽度对功能屏的张角为 w _mn (M=l，此时可表示为 ω _η)。

图 291-294示出一个用全息透镜法制作该功能型定向散射屏幕的例子：根据图 291所示，本实施例的制作系统包括计算机 2-1、激光器 2-2、照相快门 2-3、分束器 2-4、光刻胶板 2-5、透镜 2-61、 2-62, 光阑 2_7、空间滤波器 2_8和平面反射镜 2-91、 2-92。

激光器 2-2发出激光光束，激光光束通过分束器 2-4分为两路，一路获取透镜 2-61 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 2-5上，在物光与参考光的光路中均设置空间滤波器 2-8，空间滤波器 2-8包括扩束镜 2-81 和针孔 2-82，扩束镜 2-81置于针孔 2-82的前端，两个空间滤波器 2_8分别对物光和参考光进行相应的滤波处理。

照相快门 2-3置于激光光束前端，控制物光和参考光在光刻胶板 2-5上的曝光，计算机 2-1控制照相快门 2-3的开闭、曝光量，和光刻胶板 2-5的移动，使照相快门 2-3的开闭和光刻胶板 2-5的移动相协调。

物光光路如下：

激光器 2-2→照相快门 2-3→分束器 2-4→平面反射镜 2-92—空间滤波器 2_8→ 透镜 2-61→光阑 2-7→透镜 2-62→光刻胶板 2_5。

参考光光路如下：

激光器 2-2→照相快门 2-3→分束器 2-4→平面反射镜 2-91—空间滤波器 2_8→ 光刻胶板 2-5。

如图 292所示，物光 0通过透镜 L聚焦于焦点 0' ，透镜 L的孔径为 D焦距为 f。将全息记录材料 H置于焦点 0' 附近距焦点 0' 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， BP : 2tg9=D/f =d/f O 按照图 43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，则得到一全息透镜阵列 H即全息屏幕，其最小分辨距离为全息透镜的大小 d。

如图 291和图 293所示，本发明的基本制作流程如下：

I ) 在光刻胶板 2-5上通过物光和参考光在其上的曝光，记录全息透镜信息。

I I ) 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。

I I I ) 采用该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。如图 291和图 294所示，本实施例的具体制作流程如下：

1、激光器 2-2发出的激光光束通过分束器 2-4分为两路，一路获取透镜 2-61 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 2-5上曝光 _;

2、通过计算机 2-1控制照相快门 2-3的开闭和光刻胶板 2-5的移动，使照相快门 2-3的开闭和光刻胶板 2-5的移动相协调，在光刻胶板 2-5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 2-3的曝光时间、曝光量等，同时，计算机 2-1控制光刻胶板 2-5在 X方向和 y方向的位移，例如计算机 2-1控制精密步进电机的转动，从而带动光刻胶板 2-5移动。

3、每当在一个位置曝光后，计算机 2-1控制光刻胶板 2-5移动至下一个位置，再进行曝光，如此循环，在光刻胶板 2-5上均匀地记录多个全息透镜的信息，形成全息投影屏，其中控制光束至光刻胶板的通光孔径为一长条形，其宽度对光刻胶板的张角为 ω _η。

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: Biaxial Oriented 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 Si0₂等，也可以采用金属反射材料保护层

(如镀铝、铜等），最后取得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。

采用此方法制作功能显示屏时，可通过调节光阑尺寸和其在屏上形成的张角《_mn 来调节所产生全息透镜的空间发散角，从而调节空间谱展宽角。

本方法的优点是可以精确控制所制作屏幕的空间扩散角分布，缺点是斜入射投影，难以克服由色散带来的颜色失真，这种失真现象对水平视差全息投影显示来说影响不大。本方法的另一突出优点是其透明成像特征，使得其图像显示悬浮在空中，从而更具三维显示魅力。

C) 计算全息法

对该同轴式定向衍射型全息功能屏的制作实际上等效于制作一个衍射效率极高的同轴傅里叶变换全息图模压全息母板，该全息图在谱面上刚好表现为每个投影机所占据单元面积 A_mn上的均匀光强分布。而该傅里叶变换全息图，完全可以通过计算全息理论及现有电子束曝光或金刚石精密数控雕刻输出工艺来获得。

d) 注塑成型微透镜法

只要通过曲率半径的改变设计一个空间发散角为《_mn的微透镜模具，然后利用注塑成型方法用其阵列模具复制出相应的塑料板微透镜阵列，便能有效地制作出该功能型散射屏；微透镜的大小决定了三维显示的清晰度，而发散角 w _mn取决于投影机 e) 莫阿条纹展宽法原理及方案

当 a)，b)，c)，d)任何一种方式所制作的全息功能屏所具备的有限展宽功能不足以衔接每个投影图像输出空间谱时，可将该类屏幕重叠，以期同样两套输出离散空间谱图案所构成的莫阿条纹满足完整空间谱输出要求。

本发明的三维实时全息显示实验系统

利用下述实验装置，我们论证了实时全息显示方案，在此我们只利用了全息思想，但却有效避免了以往所不能回避的全息记录材料及干涉过程。

如图 31所示，为了简化实验过程，我们利用 30套摄影-投影装置排成直线阵列以实现水平视差的实时三维现实。图 32是空间谱采集装置，图中各个摄影头的分辨率为 480*640像素。它们均被锚碇且对焦在各摄影头所拍摄空间中的同一参照点 R 上。各摄像头所采集的信号用普通 AV信号线直接与其相对应的投影机相联接，所构成的投影阵列如图 33照片所示。每个投影机所投影图像的分辨率均为 480*640个像素，并且这些图像通过适当校准和矫正，在参照面！^平面上严格锚碇重叠，而在该平面上放置一块我们自制的条形散斑全息功能屏，其尺寸为 48cm*64cm。

图 34给出了两组不同观察角度所拍摄到的该功能屏幕上的照片，这里是一真人正处在所要恢复的三维空间中。在我们的实验中，我们获得了 1 :1的清晰还原空间，它明显穿越参照面，前后约 50 cm的深度。在参照面1¾上的最终光信息非常类似于原物体通过一巨大孔径（这里约为 2m) 的成像系统所获得的实像，但它却是通过该独特光电架构所特殊形成的巨大 4f系统对该空间 30个水平抽样空间谱所要表达光信息的严格还原。最终三维显示的质量比单个 480*640像素投影图像的质量好得多，因为每个体像素内包含了高达 30倍的信息，同样也更加明亮。除了三维显示特点外并无其它附加缺陷，就像你正在观看一个真实空间内的实时表演。当第一眼看到这个奇迹时，在场每个人都感到震惊。

本发明的应用-全息信息技术工程化

我们身处大自然，就像是在这个全息自然中的一个个独立的综合智能探测器，把我们自己沉浸在它的体像素海洋之中；而每个体像素都可以被当作以我们各自思想作为参照点的该大自然信息的傅里叶变换全息图，然而，它却以光强度的空间分布这一相同信息的物质表现形式表达了图像与全息这两种不同的视觉信息。因此，我们期待着通过按照图 14所描述的原则对空间谱的任意采集与恢复，发展出一种崭新的全息信息技术（HIT-Holographic Information Technology)工程，以在本世纪不久的将来使得全息信息技术时代成为现实。

以下是一些切实可行的联想方案。

1. 曲面轨迹空间谱抽样与还原图 35与图 36给出了我们在曲面上采集和还原空间谱的草图。曲面的优点是可以利用采样面积和密度获得相对大的空间信息范围。这种空间信息采样及恢复方式可适用于全谱电影、电视节目的制作以及现有 IT所有平面显示方式的三维升级；也可用于医学成像、遥感遥测、航空摄影等任意图像三维信息的实时三维重构和显示；当然也可用于营造各式各样的特殊虚拟空间，将网络的虚拟现实引入现实生活并与之混淆且产生互动。

2. 360°向内柱面轨迹空间谱抽样与还原

这种三维空间信息的抽样与还原方式如图 37和 38所示。类似于 360°组合全息图，它可以使人们在圆柱形参照面的暗示下，观察到位于该圆柱形中轴线附近的三维空间信息恢复。这将诞生出一种新的全息显示工具，它可使人们全方位地实时了解被研究物体，也可同现代显微技术相结合，使我们对微小物体的三维形貌有一个直观深刻的认识。

3. 360°向外柱面轨迹空间谱抽样与还原

这种三维空间信息的抽样与还原方式如图 39和 40所示。这类似于目前的环幕电影，只要空间谱采集密度及还原展宽分布合理，同样在圆柱形参照面的暗示下，人们可以在圆柱形内向外观察到所恢复的三维空间信息。这也将诞生出另一种新的全息显示工具，它可将人们置身于任何一个虚幻空间中而感受到它的现实存在，从而在现实的体像素作用下有效地还原历史和展望未来，并在当代射电天文望远镜的辅助下，有效地绘制出以地球为原点的宇宙空间星图。

4. 360°穹状轨迹空间谱抽样与还原

这种三维空间信息的抽样与还原方式如图 41和 42所示，它与 2、 3的区别是其投影恢复参照面为平面，并能够通过该参照面上各个体像素的有效空间谱展宽完整恢复 360°穹状轨迹空间谱抽样所要表达的三维空间信息。这也将是未来三维显示媒体的主要表现方式之一即：将整场足球比赛的完整过程按比例縮小并将其摆在桌面上供人欣赏。

总之，本发明实施例将我们所感受到的光作为大自然离散能量几率分布的客观现实而进行处理。通过对该光子离散能量几率分布的波函数或概率幅的四维傅里叶变换，提出了对光的新描述一 -时间谱和空间谱：把目前成像系统中空间频率的概念拓展为大自然本身所具备的空间谱，同时把全息术中复杂波前（振幅与位相）记录与再现的概念拓展为恢复大自然本身所固有的时间谱和空间谱。本发明实施例的物理实质是一种基于传统全息照相理论基础上的数码全息显示，与现有数码全息打印技术的根本区别是有效避免了全息术为恢复三维空间信息所采用的高信息冗余度的相干光学手段，通过对被研究物体 0的完整空间谱进行相应合理的 M*N离散空间谱抽样及展宽，利用现代数码信息科技的最新成果，完美恢复了该空间谱抽样所能表现的空间三维信息，从而可以实现实时全息显示，有效凝固时空。本发明实施例中有关锚碇的原则及方法

一. 锚碇原则

1. 参照点 R ( R') 的选定原则

1) 如图 43所表示，参照点 R(R')是确定我们所要还原三维空间 O(O')的坐标原点，一经选定便完全确定了我们所要还原三维空间信息 0(0')与参照点 R(R')之间的空间对应关系，即：完全确定了由参考点 R(R')出发所对应空间各抽样方向上该所要还原三维空间信息 O(O')的离散空间谱视图 l(l')_mn; 这里（m， n )是对应于图 19中所述任意空间谱面上采集点 S_mn的位置坐标，而 l_mn则相当于图 12和 13描述的所要还原三维空间 0在 S_mn处的体像素 H_mn所对应的空间谱表达视图；该视图所表达的空间谱方向便是参照点 R和采集点 S_mn的直线连接方向使得参照点 R总是位于各个视图的锚碇中心，相邻两个离散空间谱方向的夹角便是图 27所示空间抽样角 (D_mn。

2) 如图 44所示，若各个摄影-投影单元 C(P)_mn所固有的视场角或采样角（记为 6_mn)，可以采集到所要还原三维空间信息 O(O')的全景视图表达，则参照点 R选定在所要还原三维空间信息 O(O')内； BP : 图 44所表达的向内观察情况，所有摄影 -投影单元都向内锚碇在参照点 R。

3) 如图 45所示，若各个摄影-投影单元所固有的视场角或采样角 6_mn不足以采集到所要还原三维空间信息 O(O')的全景视图表达，而只能够采集到该全景视图表达的一小部分，则参照点 R(R')选定在所要还原三维空间信息 O(O')外；即：图 45所表达的向外观察情况，所有摄影-投影单元都向外锚碇在参照点 R。

4) 如图 46所示，还原三维空间 O'与原三维空间 0的尺寸大小比例关系被称为空间放大系数 M_s，它等于空间谱还原距离 d'_mn与空间谱采集距离 d_mn的比值，艮卩： Ms=d'_mn/d_mn; 图中 R与 R'分别为原三维空间 0与还原三维空间 O'所对应的参照点。

2. 空间谱信息 l_mn的获取原则

1 )参照点 R—经选定，由参考点 R出发所对应空间每个方向上该所要还原三维空间信息 0的空间谱对应表达视图信息便已确定；图 44所述各个摄影装置的作用便是清晰有效地采集到所要还原三维空间 0在其各抽样方向上的离散空间谱所对应的视图表达信息 l_mn。

2)在图 44和图 45中，位于采集点 S_mn的各摄影单元 C_mn具有其相应的景深和视场角参数，且被向内或向外锚碇在参照点 R上，以获得各空间谱方向的清晰图像息 lmn。

3) 对于向内锚碇情况，如图 19所示，在该所要还原三维空间 0中，除参照点 R对应于各视图 l_mn的同一个中心点位置外，其它各点都会在其相应空间谱方向（m， n) 的射影位置（j， k) 上找到其各自对应的平面像素 P_mnjk。

4)对于向外锚碇情况，如图 45所示，各视图 1^是该所要还原三维空间 0在其相应空间谱方向（m，n)上视图中视场角 6_mn内的一部分，相邻两个视图的中心点正好对应于原三维空间 0上以空间抽样角 (D_mn锚碇于该空间参照点 R对应点信息 R_mn。

3. 还原空间参照面P_R的选定原则

1 )按照原则 2所采集的各空间谱视图信息 l_mn，可用相应的投影单元 P_mn按照其各自的采集方向（正向或逆向），将该图像投影到还原空间参照面 P_R上，还原三维空间 0在其相应空间谱方向（m，n) 上所对应的视图信息，如图 22。

2) 参照面 P_R可以是任意曲面，但在此曲面上，包含着原三维空间 0在其相应空间谱方向（m，n)上所对应视图信息的清晰射影图案光强分布。这要求各投影单元 ^所投射出的图像除了在参照面 P_R上具有清晰成像外，还需对该成像进行必要的畸变矫正，使其同原三维空间 0沿该空间谱方向（m， n)在 P_R上的视图射影相吻合。

3) 参照面 P_R实际上可被视为完整恢复该所要还原三维空间 0所需空间谱信息的全息图，此全息图以参照点 R为还原空间 O'的原点，忠实地反映了原空间 0在其各相应空间谱方向（m，n)上所对应视图信息的清晰射影图案光强分布，并在全息功能屏的作用下将这些离散空间谱信息完整地以数码全息显示方式表达出来。

4) 等效几何光学成像状态

在满足上述锚碇原则的情况下，图 47给出了模拟图 31 所构成的特殊光电混合处理系统几何光学成像情况。可以看到图中 Ο₀与 Ι₀对应于严格物像对应面上的某一点，全息功能屏放置在参照面 P_R上，为严格像面； 0₊₁与1₊₁对应于物或像平面前的某一点，且满足透镜成像关系，对参照面 P_R来讲， 1₊₁为实像； 0^与 1^对应于物或像平面后的某一点，且满足透镜成像关系，对参照面P_R来讲， 1^为虚像。可以看到，所有成像光线通过全息功能屏后均变成以全息功能屏上某一点为顶点，空间抽样角 (D_mn为立体锥角的锥形光线空间分布，而正是无数个由该分布构成的原物空间光信息抽样的基本单元构成了我们所要恢复空间的全息表达形式。

二. 锚碇方法

若所要还原的三维空间 0是计算机辅助设计产生的虚拟三维空间，则利用各种 3D软件均可以方便地选择参照点位置和摄影机参数，从而获得满足各种类型三维空间显示的对应空间谱视图 l_mn。

1 . 空间谱采集摄影系统的锚碇方法

对于现实三维空间信息的空间谱采集方式，它不同于计算机模拟光线的单纯几何投影处理，还牵扯到各摄影-投影单元的复杂成像过程及规律，可按以下步骤进行。

1 ) 如图 48所示，选定原空间参照点 R，按空间抽样角为 o½_n的规律选定 M*N 个空间谱抽样点 S_mn后，将各摄影单元 C_mn的入瞳中心与 S_mn重叠，且使得各摄影单元 C_mn的成像光轴 A_mn在参照点 R与空间谱抽样点 S_mn连线上，即：参照点 R在各摄影单元 C_mn所采集的二维图像 1^中对应于该图像的视景中心。 2) 由按照 1 )所固定的 M*N个摄影单元 C_mn所构成的整体系统装置，便可用于其相应三维空间信息的向内锚碇空间谱采集;若将各摄影单元 C_mn按其成像光轴方向旋转 180度，则该装置也可用于其相应三维空间信息的向外锚碇空间谱采集。

3) 在用该装置进行空间谱采集的时候，针对具体情况需要对各摄影单元〇^进行焦距调节，使得各空间谱视图清晰可辨。

2. 空间谱还原投影系统的锚碇方法

一旦确定了所要还原的三维空间 0 的离散空间谱视图信息 l_mn，便可通过 M*N 个投影单元 P_mn所构成的空间谱还原投影系统，全息地恢复并显示该三维空间。以下便是该 M*N个投影单元 P_mn的锚碇方法。

1 )选定还原空间参照点 R'，按空间抽样角为 (D_mn的规律选定 M*N个空间谱抽样还原点 S'_mn后，将各投影单元 P_mn的出瞳中心与 S'_mn重叠，且使得各摄影单元 P_mn 的成像光轴在参照点 R'与空间谱抽样还原点 3'^连线上， BP : 参照点 R'在各投影单元 Pmn所投射的二维图像 Imn中对应于该图像的视景中心。

2) 由按照 1 )所固定的 M*N个投影单元 P_mn所构成的整体系统装置，便可用于其相应三维空间信息的向内锚碇空间谱还原；若将各投影单元 P_mn按其成像光轴方向旋转 180度，则该装置也可用于其相应三维空间信息的向外锚碇空间谱还原。

3) 在用该装置进行空间谱还原的时候，针对具体情况需要对各投影单元 ^进行焦距调节，且对各投影视图作相应的畸变矫正，使得各空间谱视图在参照面 P_R上均有其清晰可辨的原空间对应的几何射影。

3. 参照面 P_R的选定方法

由于现有科技发展水平还远未能达到我们可以用人眼角分辨率 ω_Ε作为空间抽样角 0^。来进行上述空间谱采集和还原过程，我们在还原过程中还需选择适当的还原参照面 P_R并在该参照面上放置相应的全息功能屏以使该已被还原的离散空间谱信息得以正确的全谱显示。

1 ) 平面参照面的选定方法与畸变矫正

无论是针对图 44所示全视景还是图 45所示部分视景还原，其还原参照面均可是平面，选定在某一空间谱视图 l_mn的正面投影成像面，如图 49所示。在这种情况下，除了该正面投影单元 P_mn外，其它各投影单元在 P_R上的视图投影较原三维空间在该方向的空间谱视图射影均有一梯形畸变需要矫正，这是因为投影点不再无限远的缘故。这一点尤其对图 41和图 42所述情况更加重要。

2) 曲面参照面的选定方法与宗旨

针对图 35到图 40所列举各种情况下曲面参照面的选定，其宗旨是它应该是各个还原空间谱视图清晰成像面所构成的包络面，这一宗旨基于以下两个事实： a) 如图 50所示，以抽样角为 0^。各还原投影单元 ^在正投影情况下均能在该包络面的切面上以发散角 e_mn找到其视图清晰投影成像 i_{mn ;} 当然，若斜入射投射不可避免，则必须进行梯形畸变矫正；

b) 原投影单元 P_mn必须具备足够的清晰投影景深已满足在该包络面上的清晰空间谱视图射影与原空间谱表达一致。

本发明以光子所承载的可分辨信息 --二维图像为基本线索，通过对光子离散能量分布客观描述-波函数的四维傅里叶变换，定义出了体像素与空间谱这对大自然所客观存在的物理新概念，并且明确了二维图像的物理实质便是三维空间通过体像素所物理实现的该空间某一方向的几何射影，即：空间谱的物理表现形式。通过对空间谱的采集、还原与显示，以完美实现彩色实时全息三维显示之目的；其所相应的关键词是对所要恢复三维空间信息的连续空间谱进行：离散抽样、清晰还原与完整显示；其所相应采取的有效措施是：同步锚碇、校准矫正与有限展宽。

本发明利用现代数字图像信息科技发展的丰富软硬件资源，将传统全息术中波前记录与再现辉煌思想得以实时数字化实现。借鉴数码全息打印技术的基本原理和实现手段，对所要三维显示的空间信息用二维图像阵列（M*N; M和 N中至少有一个大于 2 )进行抽样，并将该阵列抽样图像信息阵列投影到特制的全息功能屏上，该全息功能屏的作用就是恢复阵列图像抽样所要表达的复杂空间波前，从而获得以恢复复杂波前为目的的完美全息三维显示。由于投影阵列中各投影单元的图像均能分别利用现代信息科技成就得以有效实时传输与处理，从而可实现完美彩色实时全息三维显示，诞生出 21世纪新一代人类视觉传播超级媒体--全息电影电视，使人类彻底摆脱数百年来二维图像对其思维与交流的根本桎梏。

本发明使得我们可以将图像信息作为大自然的一个空间谱，通过体像素对其进行数字矢量处理，恢复三维现实信息。

本发明使得我们可以在 "谱域范畴" 内，利用现代信息科技丰富软硬件资源以摆脱传统全息固有高信息冗余度特性而从新讨论全息术，其要点是利用合理的空间谱抽样，通过全息功能显示屏上的相应体像素，恢复大自然的三维显示。

由于本发明可以利用 M*N套摄像-投影系统来梳理由空间谱构成的凌乱光线，并用体像素将其进行有序的组织，我们便可利用全息功能显示屏实现实时全息显示，在此全息的思想被 M*N路频道现有 IT成果的简单累加便可实现。这便意味着全息术在不久的将来将会迎来一个崭新发展阶段，即：在整合现有信息科技产业的过程中实现人类三维通讯的终极梦想。我们期待着光子时代的新一代文明表现形式，其中图像只是已被现有光电科技所娴熟操控的一个空间谱，在全息思想的指导下整个世界将会沉浸在 M*N倍现有信息量的三维通讯海洋之中。

Claims

权利要求书

1 . 一种全息三维显示系统，其特征是包括：彩色实时全息三维图像信息的摄影采集装置、实时全息图像信息的投影还原装置及全息功能屏；

所述摄影采集装置包括 M*N个彩色二维图像摄取单元 C^,用于对所要三维显示的物体 0在其任意空间谱面 S上进行 M*N个空间谱抽样摄取，每个抽样点对应于物体 0的一个体像素 H^,各图像摄取单元所采集到的信息相当于该体像素所对应的空间谱视图 1 ，以获取物体 0的 M*N个阵列抽样空间谱图像信息；所述 M*N个彩色二维图像摄取装置 C^在空间谱面 S上按照预定的空间抽样角排列，且将其各自的成像光轴锚碇在物体 0所对应空间的同一参照点 R上；每一个摄像单元均聚焦在所对应空间谱方向的物体 0的可视表面以获得该方向的清晰视图 I 所述投影还原装置包括 Μ*Ν个彩色二维图像投影单元 Ρ^, 用于分别同时将所采集的 Μ*Ν个体像素处的相应阵列抽样视图图像 1 沿与采集时相应的锚碇关系投影成像到与原物体 0相对应的还原空间中某个参照面 P_R上，并使在该参照面上各个投影视图图像的射影图案与原物体 0在该方向的空间谱射影图案一致；所述 Μ*Ν个彩色二维图像投影装置在所述空间谱面 S在还原空间的对应面 S'上按照与摄取时相同的空间抽样角排列，且将各投影装置的成像光轴锚碇在所述参照点 R在还原空间的对应点 R '上；

其中， M、 N、 m、 n为自然数，且 M和 N中至少有一个大于 2;

所述全息功能屏放置在所述参照面 P_R上，用于对各单一空间谱所承载视图图像信息 Imn的输入信息作与空间抽样角相应的空间谱展宽，展宽到各视图 1 的输出空间谱分布相互衔接却又不至于重叠覆盖，以确保所恢复三维空间信息的数码全息空间谱被连续完整地还原输出，即：对应于该全息功能屏上的每个体像素 H_jk来说，空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角 ω^, 从而获得以恢复复杂波前为目的的全息三维显示。
2. 如权利要求 1所述的全息三维显示系统，其特征是，采集装置和投影还原装置的各摄影-投影单元一一对应，每个摄影单元所采集到的图像信息可以用任意数字图像传输格式直接或间接地传递给与其相对应的投影单元，而无需对该具体图像信息做本质上的编码和重组。
3. 一种全息三维显示方法，其特征是包括：全息三维图像信息的摄影采集过程、实时全息图像信息的投影还原过程及全息功能屏的有限展宽过程；

所述摄影采集过程包括如下步骤：利用 Μ*Ν个彩色二维图像摄取单元 C^, 对所要三维显示的物体 0在其任意空间谱面 S上进行 M*N个空间谱抽样摄取，每个抽样点对应于物体 0的一个体像素 H^,各图像摄取单元所采集到的信息相当于该体像素所对应的空间谱视图 1 ，以获取物体 0的 M*N个阵列抽样空间谱图像信息；所述 M*N个彩色二维图像摄取装置在空间谱面 S上按照预定的空间抽样角排列，且将其各自的成像光轴锚碇在物体 0所对应空间的同一参照点 R 上；每一个摄像单元均聚焦在所对应空间谱方向的物体 0 的可视表面以获得该方向的清晰视图 1

所述投影还原过程包括如下步骤：利用 Μ*Ν个彩色二维图像投影单元 Ρ^, 分别同时将所采集的 Μ*Ν个体像素处的相应阵列抽样视图图像 1 沿与采集时相应的锚碇关系投影成像到与原物体 0相对应的还原空间中某个参照面 P_R上，并使在该参照面上各个投影视图图像的射影图案与原物体 0在该方向的空间谱射影图案一致；所述 M*N个彩色二维图像投影装置在所述空间谱面 S在还原空间的对应面 S'上按照与摄取时相同的空间抽样角 _ωπιη排列，且将各投影装置的成像光轴锚碇在所述参照点 R在还原空间的对应点 R '上；

其中， M、 N、 m、 n为自然数，且 M和 N中至少有一个大于 2;

所述全息功能屏的有限展宽过程包括如下步骤：将所述全息功能屏放置在所述参照面 P_R上，从而对各单一空间谱所承载视图图像信息 1 的输入信息作与空间抽样角相应的空间谱展宽，展宽到各视图 1 的输出空间谱分布相互衔接却又不至于重叠覆盖，以确保所恢复三维空间信息的数码全息空间谱被连续完整地还原输出，艮卩：对应于该全息功能屏上的每个体像素 H_jk来说，空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角 ω^, 从而获得以恢复复杂波前为目的的全息三维显示。
4. 如权利要求 3所述的全息三维显示方法，其特征是，采集过程和投影还原过程的各摄影-投影单元一一对应，每个摄影单元所采集到的图像信息可以用任意数字图像传输格式直接或间接地传递给与其相对应的投影单元，而无需对该具体图像信息做本质上的编码和重组。
5. 如权利要求 3或 4所述的全息三维显示方法，其特征是，各摄影-投影单元除空间位置校准外，还要进行相应的时间同步和色彩亮度校准，以确保输入输出信息的实时还原逼真度。
6. 如权利要求 3或 4所述的全息三维显示方法，其特征是，所述投影阵列均可根据实际情况排列在空间任意曲面或曲线上，以实现任意方式的全息三维显示，其所恢复的三维空间可以是原三维空间的放大或縮小。
7. 如权利要求 3或 4所述的全息三维显示方法，其特征是，所述参照面 1¾可以是任何曲面以满足各式各样的全息三维显示需求;所述各投影单元在该参照面 1¾上呈现出清晰可辨的具体图像信息且已完成各自相应的必要图形畸变校正。
8. 如权利要求 3或 4所述的全息三维显示方法，其特征是，所述的空间谱空间抽样角 ω^, 或该系统的空间采样密度其倒数 Ι/ω^, 决定了该系统能够恢复三维空间清晰可辨信息的能力，即：在离开所述参照面 P<sub>R</sub>的距离为 ΔΖ的地方，由所述全息功能屏能够输出一个实像或虚像光斑，该光斑大小与在该屏幕上各空间谱输入图像的平面像素大小相当。
9. 如权利要求 3或 4所述的全息三维显示方法，其特征是，所述各摄影 -投影单元成像质量，包括视场角、分辨率、亮度、对比度、色阶与色彩饱和度等，可套用现有普通二维图像显示的基本标准。
10. 如权利要求 3或 4所述的全息三维显示方法，其特征是，所述各摄影-投影单元的锚碇原则是： 1 ) 各摄影-投影单元所涉及处理的视图图像，代表锚碇点 R (R' ) 与采样点 S^ '^) 连线所决定的空间谱方向上该三维物体 0的几何投影， BP : 图像平面是各摄影-投影方向的法平面； 2) 各视图图像在该图像平面内沿各摄影-投影单元的成像光轴方向无旋转。
11. 如权利要求 3或 4所述的全息三维显示方法，其特征是，对各摄影 -投影单元所处理的空间谱视图信息作相应的图形畸变及聚焦调整。