CN102968037A

CN102968037A - 基于多调制器件的全息三维显示系统及方法

Info

Publication number: CN102968037A
Application number: CN2012104300415A
Authority: CN
Inventors: 滕东东; 王彪; 刘立林
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: National Sun Yat Sen University
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: CN102968037B

Abstract

本发明涉及三维图像显示技术领域，具体涉及基于多调制器件的全息三维显示系统及方法。采用多空间光调制器技术，结合半反镜，通过待显示三维图像具有不同视角范围的实像和虚像的叠加合成，实现无机械运动的全视角全息三维图像显示。该系统包括：正向全息图生成单元、反向全息图生成单元、半反镜和控制单元。采用多调制器件，结合虚像和实像的视角合成，实现了无机械运动的全视角全息三维图像显示，且对空间光调制器的刷新频率没有特殊要求，有利于获得结构简单的全息图像显示系统。

Description

基于多调制器件的全息三维显示系统及方法

技术领域

本发明涉及三维图像显示技术领域，具体涉及基于多调制器件的全息三维显示系统及方法。

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体视三维图像显示技术，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度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。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供基于多调制器件的全息三维显示系统及方法，利用半反镜叠加合成具有不同视角范围的目标三维图像的虚像和实像，通过其视角范围的连接合成，最终实现360°可视真三维图像显示。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于多调制器件的全息三维显示系统，包括：

一正向全息图生成单元，复现全息三维光场；一反向全息图生成单元，复现全息三维光场；两个全息图生成单元复现的三维光场反向或接近反向传输，具有重叠的复现空间；

一半反镜，倾斜插入正向全息图生成单元和反向全息图生成单元光路中，反射两个全息图生成单元生成的图像沿不同方向传输，和该正向全息图生成单元和该反向全息图生成单元构成一个图像生成单元；奇数（2k+1）个相同结构的图像生成单元绕系统光轴分布，对应4k+2各复现全息图的镜像的视角绕轴覆盖360o的视角范围；

—控制单元，控制正向全息图生成单元和反向全息图生成单元复现正确的光场分布；虚拟放置目标三维图像于目标图像显示区域，目标图像显示区域为以系统光轴为中心的圆柱体区域；获取目标图像关于各图像生成单元半反镜的镜像并控制该图像生成单元对应正向全息图生成单元和反向全息图生成单元投射该镜像的全息图到半反镜。

该绕系统光轴分布的奇数（2k+1）个图像生成单元中，部分正向全息图生成单元或反向全息图生成单元可以缺失，此时系统生成显示图像的部分视角随之缺失；

该正向全息图生成单元和反向全息图生成单元是基于傅里叶变换全息技术的图像生成单元，均包括用于加载计算全息编码的空间光调制器、用于变换上述空间光调制器的输出光信息并形成全息三维图像的变换透镜；

另外，本发明提供了基于多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，z轴为系统光轴，目标图像显示区为以系统光轴为中心的圆柱体区域；

B、选择奇数（2k+1）个上述图像生成单元绕系统光轴分布放置，取某个单元为图像生成单元(1)，按顺时针（或逆时针）方向依次命名后续的为图像生成单元(2)，...图像生成单元(m), ...图像生成单元(2k+1)；其中图象生成单元(m)对应的正反向全息图生成单元分别命名为正向全息图生成单元(m)和反向全息图生成单元(m)，对应的半反镜命名为半反镜(m)；计算各正反向全息图生成单元衍射生成图像的视角大小，设计2k+1个图像生成单元的位置，使反向全息图生成单元(m)衍射光场的视角范围覆盖正向全息图生成单元(m+k-1)和(m+k)衍射光场视角范围之间的间隔(这里若m+k-1或m+k>2k+1时，二者取为m-k-2或m-k-1)；

C、虚拟放置待显示三维物体于目标图像显示区，控制正向全息图生成单元(m)和反向全息图生成单元(m)投影待显示三维图像关于半反镜(m)的镜像的全息图，经半反镜(m)，沿相反不同方向显示具有一定视角的目标三维图像；若所有2k+1各图像生成单元同时投影，经半反镜反射，产生4k+2个目标三维图像的实像或虚像，其视角范围连接合成，实现全视角的三维图像显示。

与现有技术相比，有益效果是：本发明采用多调制器件，结合虚像和实像的视角合成，实现了无机械运动的全视角全息三维图像显示，且对空间光调制器的刷新频率没有特殊要求，有利于获得结构简单的全息图像显示系统。

附图说明

图1采用傅里叶计算全息技术的图像生成单元光路图；

图2 采用6个调制器件的全息三维显示系统结构示意图；

图3 相邻的正向全息图生成单元1和2复现光场视角分布示意图；

图4 反向全息图生成单元4复现光场视角分布示意图；

10：正向全息图生成单元 20：反向全息图生成单元

11，21：空间光调制器 12，22：变换透镜

10(1)：正向全息图生成单元1 10(2)：正向全息图生成单元1

20(4)：反向全息图生成单元4 30：半反镜

30(1)：半反镜1 30(2)：半反镜2

30(4)：半反镜4 40：控制单元。

具体实施方式

为了解决现有技术存在的问题，本专利以基于傅里叶计算全息的全息图生成单元为例，采用多各调制器件，说明本专利提出的基于多调制器件的全息三维显示系统及方法。

采用傅里叶变换全息技术的基于多调制器件的全息三维显示系统，其单个图像生成单元的光路结构如图1所示：正向全息图生成单元10由空间光调制器11和变换透镜12组成；反向全息图生成单元20由相同的空间光调制器21和变换透镜22组成。变换透镜12和22共用相同的焦平面，光轴重合于相对于系统光轴倾斜θ角的直线。半反镜30倾斜插入变换透镜12和22之间，相对系统光轴的倾角为β。上述半反镜30、正向全息图生成单元10和反向全息图生成单元20组成一个图像生成单元。

虚拟放置待显示三维图像于以系统光轴为中心的圆柱体凸显显示区内，图1在yz平面内以实线三角形代表待显示三维图像。图像显示区中心和变换透镜12和22共焦面的中心重合。忽略半反镜的厚度，待显示三维图像关于半反镜的镜像，图1中在yz平面内以虚线三角形代表，位于正向全息图生成单元10和反向全息图生成单元20的重合的傅里叶变换全息图像显示区域内。

以该镜像作为正向全息图生成单元10和反向全息图生成单元20要编码生成的图像，控制系统40计算得到编码后，由正向全息图生成单元10和反向全息图生成单元20沿相反的方向同时投影，经半反镜反射，正向全息图生成单元10显示给观察者的是待显示三维图像的虚像，反向全息图生成单元20显示给观察者的是待显示三维图像的实像，它们沿相反的方向传输，但沿传输方向其视角都是有限的。

设上述实像和虚像的视角为36°，以此为例对我们提出的系统进行分析说明。

令五个相同的上述图像生成单元绕系统光轴均匀分布，如图2所示。

各图像生成单元的正向全息图生成单元10和反向全息图生成单元20投影图像显示区域内虚置待显示三维图像关于对应半反镜30的镜像的全息图。

按半反镜30(1)和30(2)的反射面对光路进行对折，图像生成单元(1)和图像生成单元(2)的正向全息图生成单元的光路在xy面上的投影如图3所示。

受光路中光学器件的限制，相邻两个正向全息图生成单元复现的待显示三维图像的虚像，其视角范围存在一个间隔。如图3，θ₁和θ₂之间存在一个角度间隔θ₁₂。在图2所示光学结构中，θ₁=θ₂=θ₁₂=36°。

同样，按半反镜30(4)的反射面对光路进行对折，图像生成单元(4)的反向全息图生成单元的光路在xy面上的投影如图4所示。复现的待显示三维图像实像，可以透过半反镜30(1)和30(2)，其视角范围θ_r4恰恰重合于视角范围θ₁和θ₂之间的角度间隔θ₁₂。

所以，当正向全息图生成单元1和2、反向全息图生成单元4同时投影对应全息图时，显示图像的视角范围为θ₁+θ₂+θ₁₂。

同理，当所有5个正向全息图生成单元和5个反向全息图生成单元同时投影全息图时，则可以实现360°的全息三维显示。

如果有正向全息图生成单元或反向全息图生成单元出现缺失，系统所显示的三维图像，其可视角范围会随之出现缺失。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对发明的技术方案可以做若干适合实际情况的改进。因此，本发明的保护范围不限于此，本领域中的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变更均包括在本发明保护范围之内。

Claims

1.基于多调制器件的全息三维显示系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于多调制器件的全息三维显示系统，其特征在于：所述的绕系统光轴分布的奇数（2k+1）个图像生成单元中，部分正向全息图生成单元或反向全息图生成单元缺失，系统生成显示图像的部分视角随之缺失。

3.根据权利要求1所述的基于多调制器件的全息三维显示系统，其特征在于：所述的正向全息图生成单元和反向全息图生成单元是基于傅里叶变换全息技术的图像生成单元，均包括用于加载计算全息编码的空间光调制器、用于变换上述空间光调制器的输出光信息并形成全息三维图像的变换透镜。

4.基于多调制器件的全息三维显示方法，其特征在于包括权利要求1－3任一所述的基于多调制器件的全息三维显示系统，包括以下步骤：

B、选择奇数（2k+1）个上述图像生成单元绕系统光轴分布，取某个单元为图像生成单元1，按顺时针或逆时针方向依次命名后续的为图像生成单元2，...图像生成单元m, ...图像生成单元2k+1；其中图象生成单元m对应的正反向全息图生成单元分别命名为正向全息图生成单元m和反向全息图生成单元m，对应的半反镜命名为半反镜m；计算各正反向全息图生成单元衍射生成图像的可视角大小，设计（2k+1）个图像生成单元的位置，使反向全息图生成单元m（<=2k+1）衍射光场的可视角范围可以覆盖正向全息图生成单元m+k-1和m+k(若m+k-1或m+k>2k+1时，二者取为m-k-2或m-k-1)衍射光场可视角范围之间的间隔；

C、虚拟放置待显示三维物体于目标图像显示区，控制正向全息图生成单元m和反向全息图生成单元m投影待显示三维图像关于半反镜m的镜像的全息图，经半反镜m，沿不同方向显示具有一定视角的目标三维图像；若所有(2k+1)个图像生成单元同时投影，反射产生4k+2个目标三维图像的视角范围连接合成，实现全视角的三维图像显示。