CN101968625B - 一种基于非共轴多透镜光路的三维图像显示方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非共轴多透镜光路的三维图像显示方法及系统。本发明提出并设计了非共轴四透镜光路系统，结合体全息存储技术，通过四透镜光路透镜位置的变化，将不同观察方位角的小视角小尺寸计算全息三维图像(像素三维图像)顺序存储于存储介质同一空间位置，同时读出实现小尺寸大视角三维图像(单元三维图像)的显示；移动存储介质，将相邻空间位置的单元三维图像顺序存储于介质不同空间位置，实现三维图像显示的尺寸扩展，最终实现大视角大尺寸的三维图像显示。

Description

一种基于非共轴多透镜光路的三维图像显示方法及系统

技术领域

本发明涉及三维图像显示技术领域，具体公开了一种基于非共轴多透镜光路和体全息存储技术的计算全息三维图像显示方法及系统。

背景技术

由于二维显示难以清楚准确表达第三维的深度信息，人们一直在致力于研究可显示立体场景的显示技术——三维图像显示技术。人们对物体的三维立体视觉是由双眼时差产生的，一切能使人眼产生双眼视差的光学装置或结构就能产生三维立体视觉。自出现三维显示技术以来，三维显示方法和技术越来越丰富，现在常见的三维显示技术有：体视技术，自动立体三维技术，体三维显示技术，集成成像技术和全息三维显示技术。全息三维显示技术利用光的干涉，记录物光的振幅和位相信息，再通过光的衍射将物光的信息重新构建出来，是各种显示方法中唯一真正意义上的三维显示技术。

早期的光学全息需要制备三维物体的模型，反射光束进行相干记录，限制了全息技术的实际应用。随着光电技术及器件的迅速发展，数字全息三维显示技术的发展及应用取得了飞速发展，其基本原理是用计算机模拟光学衍射过程，并用光调制器件代替传统全息记录材料，在光波传输路径的某一个平面上模拟衍射光的复振幅，实现三维图像信息的全记录，再通过光学衍射，复现出三维图像。

但受调制器空间分辨率的限制，光调制器通过光学系统衍射直接生成的三维图像观察视角比较小、图像较小，需要采用其它方法，对显示三维图像的视角进行展宽。为了解决这个问题，目前常用的方法是通过快速角度扫描装置，将不同观察方位角的计算全息三维图像按相应方位出射，当扫描速度很快时，依靠人眼的视觉停留，形成连续大视角三维图像的显示。但这种方法需要高精度高速度的角度扫描系统和高数据传输率的空间光调制器，系统成本较高，限制了其进一步的实用化。

发明内容

针对空间光调制器衍射生成的三维图像观察视角有限和大小有限的问题，本发明的目的是基于非共轴多透镜光路，结合全息存储技术，提出了一种大尺寸大视角三维图像显示方法及系统。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。根据本发明提出的一种基于非共轴多透镜光路的三维图像显示系统，包括：四透镜光路，包括：沿光束传输方向，依次设置的第四透镜、第三透镜、第二透镜和第一透镜，第三透镜处于第四透镜的焦平面上，该焦平面经第二透镜和第一透镜后面的像面成物像关系，以第四透镜光轴为该四透镜光路的系统光轴，第一透镜、第二透镜和第三透镜可在垂直于系统光轴的平面内位移；

单频偏振激光器，作为显示系统光源；

三个半波片，包括第一半波片、第二半波片和第三半波片，其中第一半波片置于激光器和偏振分光镜之间，调整激光器出射光束的偏振方向，第二半波片置于偏振分光镜的物光出射面后，用以改变物光的偏振方向，第三半波片置于反射镜后，用以改变参考光的偏振方向；

扩束物镜，置于第一半波片和偏振分光镜之间，用以对光束进行扩束；

准直透镜，置于扩束物镜和偏振分光镜之间，用以将扩束后的发散光束转换成平行光束；偏振分光镜，将入射偏振激光束分成偏振方向相互垂直的物光和参考光两束光；

空间光调制器，沿物光传输方向置于第二半波片和第四透镜之间，和包含第四透镜的上述四透镜光路构成物光光路，空间光调制器的位置最接近四透镜光路中的第四透镜，通过输入计算全息二维编码，结合四透镜光路，衍射显示具有不同观察方位角的小尺寸小视角全息三维图像；偏振片，对空间光调制器出射的包含三维图像信息的光束进行偏振滤光，得到同偏振方向的信息光；

四个位移平台，包括第一位移平台、第二位移平台、第三位移平台和第四位移平台，分别对应承载上述第一透镜、第二透镜、第三透镜及存储介质，第一位移平台、第二位移平台、第三位移平台用以在垂直于系统光轴的二维空间进行位移，第四位移平台用于沿存储介质的光束入射面进行二维平移以及反射镜，反射偏振分光镜出射的参考光，保证其和物光相交于置于上述像面附近的存储介质处。

根据本发明实施例的三维图像显示系统，在第一透镜和第二透镜之间，加入第五透镜和第六透镜，其分别置于在垂直于系统光轴的平面内移动的第五位移平台和第六位移平台上，和第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜一起组成六透镜光路，代替上述四透镜光路。

根据本发明实施例的三维图像显示系统，所述任何一个或多个透镜，可以用透镜组，或具有位相调节功能的衍射光学元件替代。

根据本发明实施例的三维图像显示系统，所述空间光调制器为反射式或透射式，通过反射镜进行光路的调整，保证物光经四透镜光路后，与参考光相交于存储介质。

根据本发明实施例的三维图像显示系统，激光器出射光束由第一半波片调节其偏振方向，经扩束物镜和准直透镜滤波准直后，由偏振分光镜分成物光和参考光两束光；物光经第二半波片调整偏振方向后入射空间光调制器，加载计算全息二维编码信息，信息光经偏振片，通过四透镜光路显示三维图像于上述像面；经反射镜反射的参考光经第三半波片调整偏振方向后与显示图像相交于上述像面附近的存储介质处。

另外，本发明还提出了一种基于非共轴多透镜光路的三维图像显示方法，其包括以下步骤：

计算三维图像在空间光调制器输入面的计算全息二维编码，以空间光调制器作为二维光场调制屏幕，加载表现不同观察方位角的像素三维图像的二维编码信息；

单频偏振激光器发出单色光，经第一半波片、扩束物镜和准直透镜，进入偏振分光镜分为物光和参考光；物光经第二半波片入射加载了计算全息二维编码信息的空间光调制器，产生携带调制信息的信息光；信息光经偏振片，通过具有相应透镜偏移量的四透镜光路衍射传输，再现具有相应观察方位角的像素三维图像于上述像面处，置存储介质于上述像面附近；并通过反射镜和第三半波片令参考光与物光相交于存储介质，相干记录具有不同观察方位角的像素三维图像，实现像素三维图像的视角展宽合成；以及

位移存储介质，顺序存储各小尺寸的像素三维图像于存储介质不同空间位置，在空间上实现各像素三维图像的合成，读出时同时复现所有像素三维图像，实现大尺寸大视角三维图像的显示。

借由上述技术方案，本发明一种基于非共轴多透镜光路的三维图像显示系统至少具有的有益效果是：

本发明采用四透镜非共轴光路进行计算全息编码时，对不同单元不同视角的像素三维图像，具有共同的取样点阵，可以简化目标图像的数学模型处理，提高计算全息算法的效率；采用四透镜光学系统进行光路的传播，可以得到大观察视角范围内的像素三维图像，存储合成后通过复现可实现大视角三维图像的显示；采用体全息技术，充分利用其存储容量高的特点，可以对所有单元的大视角三维图像的物光进行存储，然后同时复现所有单元，得到大尺寸的三维图像，有利于三维图像显示技术的实用化。

附图说明

图1为本发明所述的四透镜非共轴光学系统光路图。

图2为本发明所述的基于非共轴多透镜光路的三维图像显示系统结构图。

图3为无串扰视角合成示意图。

图4为三维图像计算全息编码的位置关系图。

10：四透镜光路            11：第一透镜

12：第二透镜              13：第三透镜

14：第四透镜              15：第一位移平台

16：第二位移平台          17：第三位移平台

18：偏振片                20：空间光调制器

30：存储介质              31：第四位移平台

40：单频偏振激光器        41：第一半波片

42：准直透镜              43：扩束物镜

44：第二半波片            45：第三半波片

50：偏振分光镜            60：反射镜

具体实施方式

为了更加详细的解释本专利所提出的大尺寸三维图像显示技术，以下结合附图及四透镜光学系统的某一具体系统参数，对本发明进行详细阐述。应当理解，此处所描述的实施例仅仅是用以解释本发明的设计，并不用于限定本发明。

实施例：

为了得到拥有大视角范围的大尺寸三维图像，本发明设计了一种非共轴四透镜光学系统。如图1所示，所述四透镜光路10包括：第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13和第四透镜14，以第四透镜14的光轴作为系统光轴；第一透镜11承载于第一位移平台15上，第二透镜12承载于第二位移平台16上，第三透镜13承载于第三位移平台17，它们可以垂直于系统光轴进行位移；在空间光调制器(SLM)20中输入计算全息编码经第四透镜14衍射显示小尺寸小视角的三维图像于第三透镜13处；再通过第二透镜12与第一透镜11成像于像面，获得对应的小尺寸小视角像素三维图像；通过第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13在垂直于系统光轴平面内的位移，可以改变像面处像素三维图像的观察方位角，实现空间光调制器20直接衍射生成的不同视角范围像素三维图像的显示；空间光调制器20和上述四透镜光路10构成物光光路。

单频偏振激光器40出射光束，假设反射式空间光调制器20出射平行光束，经四透镜系统会聚于物面一点。第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13处于位置1时，对应的可观察范围为视角1，处于位置2时，可观察范围为视角2，两个视角的观察方位因第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13位置的不同而不同。在本发明的实施例中，空间光调制器(SLM)20可以是反射式或透射式，通过反射镜60进行光路的调整，保证物光经四透镜系统后，与参考光相交于存储介质30。

如图2所示，结合非共轴四透镜光学系统，本发明采用角度复用与空间复用全息存储技术，通过体全息存储介质为媒介，实现计算全息像素三维图像的合成，从而实现大尺寸大视角三维图像的显示。单频偏振激光器40出射光束由第一半波片41调节其偏振方向，经扩束物镜43和准直透镜42滤波准直后，由偏振分光镜50分成物光光束和参考光光束；物光光束经第二半波片44调整偏振方向后入射反射式空间光调制器20，加载像素三维图像的二维编码信息，经第四透镜14显示三维图像于第三透镜13附近，再经过第一透镜11和第二透镜12成像于像面；当第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13整体偏离系统光轴s¹距离时，置光致聚合物记录介质于像面附近，反射镜60反射过来的参考光经第三半波片45调整偏振方向后与物光相交于存储介质30处，相干记录视角范围为视角1的三维图像；移动第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13到偏离光轴s²的位置2处，重复以上过程，记录视角范围为视角2的三维图像；如此往复，采用相同的参考光，当像面处显示的空间光调制器(SLM)20调制生成的像素三维图像的视角区域理想地顺序连接起来时，记录介质30中就存储了该单元三维图像的不同视角的各个像素三维图像；然后通过第四位移平台31移动存储介质30，重复以上过程，记录第二个单元三维图像的各视角像素三维图像，进行单元三维图像的空间合成；如此反复，直到完成所有单元三维图像的像素三维图像的存储记录。偏振片18可以对空间光调制器20出射的光波进行偏振滤波，滤去非信号光。读出时参考光入射所有存储位置，各个单元的大视角三维图像同时复现，实现大尺寸的三维图像显示。

在本实施例中，对本发明所采用非共轴四透镜光学系统，设定某些系统光学参数，对其工作过程进行详细描述：

如图3所示，令第三透镜13和第二透镜12的距离u₁＝2f₁，像面与第一透镜11的距离v₀＝2f₀，第一透镜11与第二透镜12的距离u₀+v₁＝2f₀+2f₁。当第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13相对于四透镜光路10的偏移量s₁＝0时，如图4所示，假设目标图像处于像面处，采用迭代算法计算三维图像在空间光调制器20输入一单元面的计算全息编码，输入空间光调制器20，经四透镜系统衍射传输，再现目标图像单元于像面处，其观察视角为图3所示粗虚线夹角。位移第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13到

即图3所示的细实线图示位置，重新由像面处的假设月标图像单元采用迭代算法计算空间光调制器20的调制输入，并该单元的三维图像于像面处，反复移动第一位移平台15、第二位移平台16和第三位移平台17，记录

k＝±1，±2...时的该单元的像素三维图像，将这些视角区域理想地顺序连接接起来，完成该单元的视角展宽合成，记录在存储介质30中，该存储介质30可置于像面附近任意位置，参考光和物光光束在存储介质30上相交，并通过角度复用和空间复用，存储不同观察方位角和不同空间位置的像素三维图像；读出时，参考光入射所有存储位置，同时复现各像素三维图像，实现大尺寸大视角的的三维图像显示；移动第四位移平台(存储介质位移平台)31使在储介质3到达合适位置，采用同样参考光进行第二个单元三维图像的合成存储，反复操作，直到完成所有单元三维图像的存储记录。读出时，参考光入射所有存储位置，各个单元三维图像同时复现，实现大尺寸大视角的三维图像显示。

另外，在第一透镜和第二透镜之间，可以加入第五透镜和第六透镜，组成六透镜光路；通过合适设定的第一透镜、第二透镜、第五透镜和第六透镜偏离系统光轴的位移量，相对于四透镜光路，可以扩大系统所能显示三维图像的最大观察方位角，获得更大的视角观察范围。如此类推，在第五透镜和第六透镜之间加入第七和第八透镜，可以得到八透镜系统；继续加入透镜，可以得到十透镜光路、十二透镜光路......。

另外，如果本发明舍弃上述存储介质，采用分时复用的方法，将第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13通过高速位移平台，在垂直于系统光轴的平面内顺序扫描至不同位置，同时由高速空间光调制器20输入对应像素三维图像的计算全息编码；当位移平台的扫描速度和空间光调制器20的刷新频率大于人眼分辨率时，采用本发明的显示系统和方法，同样可以实现大视角三维图像的实时显示。

综上所述，本发明的特点在于设计了非共轴四透镜系统，结合计算全息技术，通过四透镜系统中多个透镜位置的变化，生成目标图像不同单元的不同观察视角的三维图像，完成该单元的三维视角展宽，得到不同单元的大视角三维图像；基于提全息存储技术，移动存储介质平台到合适位置采用同样参考光记录不同单元的大视角三维图像，同时复现，实现大尺寸三维图像的显示。

采用四透镜非共轴光学系统进行计算全息编码时，对不同单元不同视角范围的的三维图像，具有共同的取样点阵，可以简化目标图像的数学模型处理，提高计算全息算法的效率；采用四透镜光学系统进行光路的视角展宽，其合成后三维图像的视角范围大于透镜数值孔径所限制的视角区域，通过复现可实现大尺寸三维图像的显示，提高了三维图像显示的效果；采用体全息技术，充分利用其存储容量高的特点，可以对所有大视角单元三维图像的物光进行存储，然后同时复现所有单元，得到大尺寸大视角三维图像的显示，有利于三维图像显示技术的实用化。

Claims (6)

1.一种基于非共轴多透镜光路的三维图像显示系统，其特征在于其包括：

四透镜光路，包括：沿光束传输方向，依次设置的第四透镜、第三透镜、第二透镜和第一透镜，第三透镜处于第四透镜的焦平面上，该焦平面经第二透镜和第一透镜与第一透镜后面的像面成物像关系，以第四透镜光轴为该四透镜光路的系统光轴，第一透镜、第二透镜和第三透镜可在垂直于系统光轴的平面内位移；

单频偏振激光器，作为显示系统光源；

三个半波片，包括第一半波片、第二半波片和第三半波片，其中第一半波片置于激光器和偏振分光镜之间，调整激光器出射光束的偏振方向，第二半波片置于偏振分光镜的物光出射面后，用以改变物光的偏振方向，第三半波片置于反射镜后，用以改变参考光的偏振方向；

扩束物镜，置于第一半波片和偏振分光镜之间，用以对光束进行扩束；

准直透镜，置于扩束物镜和偏振分光镜之间，用以将扩束后的发散光束转换成平行光束；

偏振分光镜，将入射偏振激光束分成偏振方向相互垂直的物光和参考光两束光；

空间光调制器，沿物光传输方向置于第二半波片和第四透镜之间，和包含第四透镜的上述四透镜光路构成物光光路，空间光调制器的位置最接近四透镜光路中的第四透镜，通过输入计算全息二维编码，结合四透镜光路，衍射显示具有不同观察方位角的小尺寸小视角全息三维图像；

偏振片，对空间光调制器出射的包含三维图像信息的光束进行偏振滤光，得到同偏振方向的信息光；

四个位移平台，包括第一位移平台、第二位移平台、第三位移平台和第四位移平台，分别对应承载上述第一透镜、第二透镜、第三透镜及存储介质，第一位移平台、第二位移平台、第三位移平台用以在垂直于系统光轴的二维空间进行位移，第四位移平台用于沿存储介质的光束入射面进行二维平移；以及

反射镜，反射偏振分光镜出射的参考光，保证其和物光相交于置于上述像面附近的存储介质处。

2.根据权利要求1所述的三维图像显示系统，其特征在于：在第一透镜和第二透镜之间，加入第五透镜和第六透镜，其分别置于在垂直于系统光轴的平面内移动的第五位移平台和第六位移平台上，和第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜一起组成六透镜光路，代替上述四透镜光路。

3.根据权利要求1所述的三维图像显示系统，其特征在于：所述任何一个或多个透镜，用透镜组，或具有位相调节功能的衍射光学元件替代。

4.根据权利要求1所述的三维图像显示系统，其特征在于：所述空间光调制器为反射式或透射式，通过反射镜进行光路的调整，保证物光经四透镜光路后，与参考光相交于存储介质。

5.根据权利要求1所述的三维图像显示系统，其特征在于：激光器出射光束由第一半波片调节其偏振方向，经扩束物镜和准直透镜滤波准直后，由偏振分光镜分成物光和参考光两束光；物光经第二半波片调整偏振方向后入射空间光调制器，加载计算全息二维编码信息，信息光经偏振片，通过四透镜光路显示三维图像于上述像面；经反射镜反射的参考光经第三半波片调整偏振方向后与物光相交于上述像面附近的存储介质处。

6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的三维图像显示系统的基于非共轴多透镜光路的三维图像显示方法，其特征在于其包括以下步骤：

计算三维图像在空间光调制器输入面的计算全息二维编码，以空间光调制器作为二维光场调制屏幕，加载表现不同观察方位角的像素三维图像的计算全息二维编码信息；

单频偏振激光器发出单色光，经第一半波片、扩束物镜和准直透镜，进入偏振分光镜分为物光和参考光；物光经第二半波片入射加载了计算全息二维编码信息的空间光调制器，产生携带调制信息的信息光；信息光经偏振片，通过具有相应透镜偏移量的四透镜光路衍射传输，再现具有相应观察方位角的像素三维图像于上述像面处，置存储介质于上述像面附近；并通过反射镜和第三半波片令参考光与物光相交于存储介质，相干记录具有不同观察方位角的像素三维图像，实现像素三维图像的视角展宽合成；以及

位移存储介质，顺序存储各小尺寸的像素三维图像于存储介质不同空间位置，在空间上实现各像素三维图像的合成，读出时同时复现所有像素三维图像，实现大尺寸大视角三维图像的显示。

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