CN102213943B - 基于旋转调制单元的全视角三维全息显示系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于旋转调制器件的全息三维显示系统及其方法，该系统包括调制单元和控制单元，其中调制单元包括用于加载傅里叶计算全息编码的空间光调制器、用于傅里叶变换空间光调制器的输出光信息并形成傅里叶全息三维图像的傅里叶变换透镜，以及用于将傅里叶全息三维图像镜面成像于目标图像显示区域的反射镜；控制单元用于控制光束入射时间。该调制单元整体绕旋转轴旋转；该调制单元的数量为一个或多个。本发明将具有一定观察视角的基元计算全息三维图像顺序连结，依靠人眼的视觉滞留，实现360°全视角的三维图像显示。
Description
技术领域
本发明属于三维图像显示技术领域，涉及一种基于旋转调制单元的全视角三维全息显示系统及其方法。
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。目前比主要的三维技术为视差三维图像显示技术，通过给观察者的双目提供不同视角的平面图像，由人脑合成获取三维显示效果。进一步，结合扫描技术，可以在360°的范围实现全视角的图像显示。但其基元图像是二维图像，若想获得连续的三维显示效果，需要大量的二维图像，对显示器件的刷新频率要求非常高，且由于体视技术不是真正意义上的三维显示，容易造成观察者视觉疲劳而影响了其推广应用。
计算全息三维显示的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。它可以提供三维物体所有的深度信息，是一种真正意义上的三维显示技术。
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。
专利 “一种全视角真三维显示方法和系统”（申请号201010577360.X）通过高速反射镜的扫描，实现小视角基元三维图像的合成，但其存在两个问题：1.采用单个反射镜，最多只能同时采用两个调制器件从反射镜片上下方入射调制信息，所以，若希望得到较大视角范围（甚至360°）的真三维图像显示，对调制器件的刷新频率要求很高；2.水平面内反射镜旋转扫描到不同角位置时，各基元三维图像的水平视角范围随垂直内视角方位的不同而变化，视角合成时在不同的垂直视角方位上存在图像的重叠或间隙，影响最终显示的效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，将调制器件的旋转和镜面反射技术相结合，采用具有一定刷新频率的光调制器件，将具有一定观察视角的基元计算全息三维图像顺序连结，依靠人眼的视觉滞留，实现360°全视角的三维图像显示。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于旋转调制器件的全息三维显示系统，其特征在于，包括：
—调制单元，其包括：用于加载傅里叶计算全息编码的空间光调制器、用于傅里叶变换空间光调制器的输出光信息并形成傅里叶全息三维图像的傅里叶变换透镜、用于将傅里叶全息三维图像镜面成像于目标图像显示区域的反射镜，该空间光调制器还连接有一控制光束入射时间的控制单元；
其中，该调制单元整体绕一旋转轴旋转，虚拟放置待显示三维图像于目标图像显示区域，目标图像显示区域为以旋转轴为中心的柱形区域，调制单元处于某角位置时，获取待显示三维图像关于该调制单元反射镜镜面的像，并以该镜像作为该调制单元空间光调制器需要显示的图像，计算其二维傅里叶计算全息编码，作为该调制单元空间光调制器在该角位置的对应输入编码。
该调制单元的傅里叶变换透镜采用透镜组或具有位相调制功能的衍射光学元件。
该控制单元为快门或光源电流控制器。
该调制单元的数量为两个，该反射镜为双面反射镜，两个调制单元共用同一个反射镜，分别位于反射镜两边，生成的三维图像分别关于各自反射面和目标图像显示区的虚置待显示三维图像成镜像关系。
该调制单元的数量为三个或三个以上，调制单元和旋转轴存在一定距离，各调制单元绕旋转轴圆周均匀分布，该反射镜为单面或双面反射镜。
另外，本发明还提供一种基于旋转调制器件的全息三维显示系统的显示方法，其包括以下步骤：
a、建立xyz轴坐标，设置单个或多个调制单元绕旋转轴同步旋转，旋转轴和z轴重合；
b、虚拟放置待显示三维图像于目标图像显示区域，目标图像显示区域为以旋转轴为中心的柱形区域；
c、调制单元处于某角位置时，获取待显示三维图像关于该调制单元反射镜镜面的像，并以该镜像作为该调制单元空间光调制器需要显示的图像，计算其二维傅里叶计算全息编码，作为该调制单元空间光调制器在该角位置的对应输入编码；
d、确定各角位置：角位置0、角位置1…角位置n…；
e、调制单元绕旋转轴高速旋转，调制单元运动到任一角位置时，控制单元控制光入射，该调制单元空间光调制器同步输入对应计算全息编码，实现360°全视角的三维图像显示。
与现有技术相比较，本发明具备如下优势，
绕轴旋转的光调制器生成的傅里叶计算全息三维图像，经镜面反射，其镜像在旋转轴垂面内具有相同的观察视角，不随旋转面内视角的变化而变化，以其作为基元图像，可以实现视角的无隙无重叠顺序连接，利用人的视觉滞留，当光调制器件的刷新频率和旋转速度达到一定值时，可以实现360°连续视角的真三维图像显示；当调制单元反射镜位置偏离系统旋转轴时，可以绕旋转轴设置多套调制单元，同时镜像显示不同方位角的多个基元图像，降低对器件刷新频率的要求。本发明专利对真三维图像显示技术的发展具有有效的推进作用。
附图说明
图1单调制单元的系统光路图；
图2共轴双面反射双调制单元的系统光路图；
图3非共轴双面反射双调制单元的系统光路图；
图4单面反射多调制单元系统的系统光路图；
图5双面反射多调制单元系统的系统光路图；
10：调制单元 11：空间光调制器
12：傅里叶变换透镜 13：反射镜 20：快门。
具体实施方式
为了解决现有技术存在的问题，本专利基于空间光调制器的时分复用和镜面反射技术，通过旋转运动的光调制器进行信息调制，设计全视角全息三维图像显示系统。
一．单调制单元系统
采用单调制单元，系统光路结构如图1所示：调制单元10由空间光调制器11、傅里叶变换透镜12和反射镜13组成，其中空间光调制器11分辨率为 ，像素间距为
，输入的二维调制编码经傅里叶变换显示三维图像于透镜12(焦距为
)的后焦面附近，当调制单元处于某位置时，定义该小视角的傅里叶计算全息三维图像为此位置对应的基元镜像，该基元镜像关于反射镜13的像为此位置对应的基元图像；调制单元的所有组件同步绕旋转轴o’o’’旋转。傅里叶变换透镜12的光轴和旋转轴o’o’’处于同一个旋转面内，傅里叶变换透镜12的光轴交其后焦面于o点。
假设扫描反射镜镜面平行于y轴的位置为0位置，如图1所示，旋转轴和z轴重合，用实线三角形代表待显示三维图像，被虚拟放置于目标图像显示区域，其关于反射镜面的反射像用虚线三角形表示，即为该位置对应的基元镜像。将基元镜像的傅里叶计算全息编码输入空间光调制器11，生成的基元镜像经反射镜13，显示为0位置对应的基元图像，和虚置的待显示三维图像在空间上重合。如图1，空间光调制器衍射生成的a’点，经反射镜面反射，显示给观察者的是其关于反射镜13的像a，其旋转面内的视角和旋转轴垂面内的视角都是有限的，当空间光调制器11的有效调制面垂直于光轴时，二者分别为
和
。同时，对该基元图像上的任何一点，其观察视角范围都是相等的。
调制单元绕o’o’’转动
的1、2…n等整数倍时，其位置分别定义为角位置1、角位置2，…，角位置n，…。这些角位置对应不同的观察方位角，每个角位置对应一对基元图像（基元图像n）和基元镜像(基元反射图像n)，其中基元图像n为
（沿旋转方向和x轴负方向的夹角）方向的小视角视图，空间上和虚置的待显示图像重合，基元镜像n的傅里叶计算全息编码定义为编码n。
由于调制器11的旋转，各基元图像在旋转轴垂面内的视角范围是均为。
调制单元高速旋转，到达任一位置n时，控制单元让照射光束入射，空间光调制器11同步输入编码n；当扫描速度和空间光调制器的刷新频率达到一定值时，利用人眼的视觉滞留，可以实现360°连续视角的三维目标图像显示。
图1所示为空间光调制器11出射信息光直流传播方向、光轴和旋转轴平行时的光路，三者也可以非平行，此时需要调整反射镜镜面的角度和位置，以保证各基元图像和虚置的待显示图像（位于目标图像显示区域）在空间上重合；同时，在这种情况下，旋转面内的视角方位也可以根据需要进行调整，实现俯视、平视、仰视的三维图像显示。
图1所示系统，o点相对于旋转轴的距离也可以调整，包括o点位于o’o’’轴上的情况。
若空间光调制器11的像素为
，分辨率
，傅里叶变换透镜12焦距
以
波长光入射，则基元镜像在旋转轴垂面内的观察视角为，则需要约72幅基元三维图就可以覆盖旋转轴垂面360°内的所有视图。要消除人眼的闪烁感，单幅基元图像的刷新频率要到达到30Hz以上，则空间光调制器的刷新频率需要达到
Hz，对其刷新频率的要求较高。
二．多调制单元系统
为了降低对调制器11刷新频率的要求，在上述单调制单元系统基础上，可以设计多调制单元系统。
1.单反射镜双调制单元系统
在图1中，采用双面反射镜13，两个调制单元分别从反射镜两个反射面入射，共用同一个反射镜13，可实现双调制单元系统。
设置两个调制单元10的光轴和旋转轴共面，此时存在两种情况：
1).共轴双面反射双调制单元系统：两调制单元10共光轴，忽略反射镜两反射面间距，其关于共同的后焦面对称放置，如图2。两个调制单元的光调制器11同时编码显示空间分布重合的基元镜像n，经反射镜13，在目标图像显示区域显示空间分布重合的虚、实基元图像，其旋转面内的视角大小一致，视角方位关于旋转轴对称，旋转轴垂面内的视角大小也相同，但方位相差180°。进行360°全视角显示时，此系统可以将对空间光调制器11的刷新频率要求降低一倍。
2). 非共轴双面反射双调制单元系统：两调制单元10的光轴不平行，两调制器11同时编码显示空间分布重合的基元镜像n，经反射镜13，在图像显示区显示空间分布重合的虚、实基元图像，如图3，其旋转轴垂面内的视角大小相同，方位相差180°，旋转面内的视角大小近似，但方位不关于旋转轴对称。通过设计两个光轴和旋转轴之间的夹角，双调制单元10同步高速旋转，在实现旋转轴垂面内全视角显示的同时，可以在旋转面内实现连续或间断的双显示视角范围，实现垂直视角的展宽。
2.多调制单元系统
在图1中，若调制单元和旋转轴存在一定距离，调制单元10各器件和旋转轴无交点，可以设计多调制单元系统。
设置各调制单元10的光轴分别和旋转轴共面，此时存在两种情况：
1).单面反射多调制单元系统
以m=6为例，如图4，六个上述单调制单元系统作为组件，绕z轴圆对称分布，其在旋转轴垂面上的投影用椭圆表示。因为m个调制器11可同时在旋转轴垂面内显示方位角相差
的m个基元图像，则显示360°可视三维图像时，对调制器11刷新频率的要求降低了m倍。
增大光轴和旋转轴之间的夹角，并相应调整反射镜13位置和角度，可以适当地提高提高调制单元10的数目m，进一步降低对调制器11的频率要求。
2)．双面反射多调制单元系统
设置，以奇数(m)个共轴双面反射双调制单元系统作为组件，绕z轴对称分布，如图4(m=5)。各共轴双面反射双调制单元生成的虚像基元图像，信息传输方向背向z轴，直接可视；实像基元图像，也可以经过两个共轴双面反射双调制单元间的空隙直接可视，将调制器11刷新频率的要求降低2m倍。
目前市场上已经有刷新频率达到1000Hz的空间光调制器，采用本发明发明技术，选用较大焦距的傅里叶变化透镜，可以实现较大尺寸三维图像的全视角显示，对三维图像显示技术的发展，具有很积极的作用。
Claims (6)
1.一种基于旋转调制器件的全息三维显示系统，其特征在于，包括：
—调制单元，其包括：用于加载傅里叶计算全息编码的空间光调制器、用于接收傅里叶变换空间光调制器的输出光信息并形成傅里叶全息三维图像的傅里叶变换透镜和用于将傅里叶全息三维图像镜面成像于目标图像显示区域的反射镜，该空间光调制器还连接有一控制光束入射时间的控制单元；
其特征在于，该调制单元整体绕一旋转轴旋转，虚拟放置待显示三维图像于目标图像显示区域，目标图像显示区域为以旋转轴为中心的柱形区域，调制单元处于某角位置时，获取待显示三维图像关于该调制单元反射镜镜面的像，并以该镜像作为该调制单元空间光调制器需要显示的图像，计算其二维傅里叶计算全息编码，作为该调制单元空间光调制器在该角位置的对应输入编码。
2.根据权利要求1所述的基于旋转调制器件的全息三维显示系统，其特征在于，该调制单元的傅里叶变换透镜采用透镜组或具有位相调制功能的衍射光学元件。
3.根据权利要求1所述的基于旋转调制器件的全息三维显示系统，其特征在于，该控制单元为快门或光源电流控制器。
4.根据权利要求1所述的基于旋转调制器件的全息三维显示系统，其特征在于，该调制单元的数量为两个，该反射镜为双面反射镜，两个调制单元共用同一个反射镜，分别位于反射镜两边，生成的三维图像分别关于各自反射面和目标图像显示区的虚置待显示三维图像成镜像关系。
5.根据权利要求1所述的基于旋转调制器件的全息三维显示系统，其特征在于，该调制单元的数量为三个或三个以上，调制单元和旋转轴存在一定距离，各调制单元绕旋转轴圆周均匀分布，该反射镜为单面或双面反射镜。
6.一种基于旋转调制器件的全息三维显示系统的显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、建立xyz轴坐标，设置单个或多个调制单元绕旋转轴同步旋转，旋转轴和z轴重合；
b、虚拟放置待显示三维图像于目标图像显示区域，目标图像显示区域为以旋转轴为中心的柱形区域；
c、调制单元处于某角位置时，获取待显示三维图像关于该调制单元反射镜镜面的像，并以该镜像作为该调制单元空间光调制器需要显示的图像，计算其二维傅里叶计算全息编码，作为该调制单元空间光调制器在该角位置的对应输入编码；
d、确定各角位置：角位置0、角位置1…角位置n…；
e、调制单元绕旋转轴高速旋转，调制单元运动到任一角位置时，控制单元控制光入射，该调制单元空间光调制器同步输入对应计算全息编码，当扫描速度和空间光调制器的刷新频率达到一定值时，实现360°全视角的三维图像显示。
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