CN103116260A - 一种增大计算全息再现视角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全息显示技术领域，具体涉及一种增大计算全息再现视角的方法，首先获取被记录物体的三维数据，接着根据设计的再现视角大小，并匹配再现时DMD和振镜的位置数据，对物体进行旋转、平移、镜像操作，获取各个视角的物体三维数据，再根据DMD的性能参数计算各个视角的子全息图，最后将子全息图按顺序输入DMD并由振镜二步同步扫描进行再现，实现各个视角的子全息图再现像的重合叠加，利用视觉残留效应，获得大视角的全息再现像。

Description

一种增大计算全息再现视角的方法

技术领域

本发明涉及全息显示技术领域，具体涉及一种增大计算全息再现视角的方法。

背景技术

早期的全息显示技术主要集中在传统的光学全息显示方面的研究，其记录、再现的载体为各类干版、聚合物及光折变晶体等传统材料，难以满足实时动态三维显示的要求。20世纪60年代计算全息的出现为传统光学全息注入了全新的活力，计算全息只要有计算机、相应的软件及输出设备就可以制作，并且可以制作现实中不存在的场景的全息图，比较灵活。从20世纪80年代起，各种空间光调制器成了新的全息图载体，电子全息显示技术开始兴起，它是全息技术和计算机技术相结合的产物，是当前全息显示技术发展的重要方向。

目前使用较多的空间光调制器有声光调制器(AOM)、液晶空间光调制器(LCD)和数字微镜器件(DMD)。1989年MIT媒体实验室空间成像小组率先研制出了实时三维全息显示系统，该系统采用AOM调制激光束，利用视觉残留效应，使人眼获得立体视觉，但其在实现过程中，需将数字化的全息条纹转换成高频的模拟信号，另外还需18通道合成的高速帧缓冲器，导致其与计算机的接口比较麻烦；2002年，日本宇都宫大学利用反射式LCD初次实现了视频速率的三维立体图像再现；2003年，美国Texas大学西南医学研究中心基于DMD研制了动态全息三维立体显示系统，但其图像质量仍不够高。总的来说，由于受空间光调制器空间带宽积的限制，单个空间光调制器还只能显示小视角的再现像，无法有效地体现立体效果，这是其在实用化过程中必须解决的问题，近年来一直受研究者的关注，主要解决方案集中在全息图的扫描拼接与三维显示屏的制作这两个方面，但仍存在系统复杂，无法有效增大再现视角等问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种对计算全息场景进行变换，并匹配DMD和振镜二步同步扫描增大再现视角的方法。

该方法通过以下技术方案实现：

一种增大计算全息再现视角的方法，首先获取被记录物体的三维数据，接着根据设计的再现视角大小，并匹配再现时DMD和振镜的位置数据，对物体进行旋转、平移、镜像操作，获取各个视角的物体三维数据，再根据DMD的性能参数计算各个视角的子全息图，最后将子全息图按顺序输入DMD并由振镜二步同步扫描进行再现，实现各个视角的子全息图再现像的重合叠加，利用视觉残留效应，获得大视角的全息再现像。

所述的物体各个视角的子全息图均在DMD轴线方向的不同距离处独立计算得到。

所述的振镜二步同步扫描由一个DMD和两个振镜实现，首先由DMD和一步同步振镜扫描恢复各个视角的子全息图再现像的正确方位，再由二步同步振镜扫描实现各个视角的子全息图再现像的重合叠加。

本发明的进一步阐述是：

图1为计算机制各个视角子全息图的数学模型示意图，其中物体或经合成后的再现像在图1的O处，以其为原点建立xyz坐标系，

以二步同步振镜的中心为原点，以其镜面的法线方向为z′轴建立x′y′z′坐标系，其旋转中心为y′轴，以U₀、U₁、U₂三个视角为例，其三维数据可由物体对应振镜三个偏转状态的镜像得到，设物体某一点在xyz坐标系中的坐标为(xi_，y_i，z_i)，振镜镜面与DMD的夹角为σ₂，则该物点在x′Y′z′坐标系中的坐标可由旋转、平移变换关系得到：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x_i\cos {\mathrm{\σ}}_2-z_i\sin {\mathrm{\σ}}_2-x_{O^{\′}}\\ y^{\′}=y_i\\ z^{\′}=x_i\sin {\mathrm{\σ}}_2+z_i\cos {\mathrm{\σ}}_2-z_{O^{\′}}\end{array}---\left(1\right)\right.$

经二步同步振镜镜像后该物点在x′y′z′坐标系中的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x_{U_2}}^{\′}=x^{\′}\\ {y_{U_2}}^{\′}=y^{\′}\\ {z_{U_2}}^{\′}=-z^{\′}\end{array}\right.---\left(2\right)$

再次利用坐标旋转、平移变换关系可得经二步同步振镜镜像后各个视角的“物体”物点在xyz坐标系中的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{U_2}={x_{U_2}}^{\′}\cos (-{\mathrm{\σ}}_2)-{z_{U_2}}^{\′}\sin (-{\mathrm{\σ}}_2)-x_O^{\′}\\ y_{U_2}={y_{U_2}}^{\′}\\ z_{U_2}={x_{U_2}}^{\′}\sin (-{\mathrm{\σ}}_2)+{z_{U_2}}^{\′}\cos (-{\mathrm{\σ}}_2)-z_O^{\′}\end{array}---\left(3\right)\right.$

物体各个视角的三维数据均可通过上述方式由原物点坐标变换得到，则全息记录面上的复振幅分布可表示为：

$U^{\%}(x,y,z)=U_0^{\%}(x,y,z)+U_1^{\%}(x,y,z)+U_2^{\%}(x,y,z)---\left(4\right)$

由于DMD有很高的刷新频率，为防止各个视角的再现像在观察时相互干扰，式(4)中每个视角的“物体”各自独立计算一幅全息图，再现时按顺序切换，并与振镜偏转保持同步，另外保证各个视角的全息图每刷新一遍的时间在视觉残留时间内，那么从观察效果来说就相当于再现像本身有着较大的视角，这样就可以实现增大再现视角的目标。但在目前的技术条件下，受DMD空间带宽积的限制，DMD无法有效记录(再现)离轴较远“物体”的全息图，即这种方式对增大再现视角的作用比较有限，而最佳的方式是各个视角的“物体”都能在轴上记录和再现，以便充分利用DMD有限的空间带宽积，对此，本发明的技术解决方案如下：

在计算各个视角的子全息图时，将全息记录面绕y轴旋转至与对应偏转角度的二步同步振镜镜面平行，图2为旋转记录示意图，其效果相当于各个视角的“物体”U₀″、U₁″、U₂″在DMD轴线方向的不同距离处被记录，图3为旋转等效记录示意图，以旋转后全息记录面的法线方向为z″轴建立x″y″z″坐标系，为后续再现能准确恢复“物体”的位置，所有“物体”在z″方向的坐标在原先的基础上加上预置距离S，再现采用振镜二步同步扫描来实现。

一步同步扫描恢复各个视角的子全息图再现像的正确方位：各个视角的子全息图在DMD上按顺序输出，这样各个视角的再现像在DMD的轴线方向上同时存在，为恢复出再现像的正确方位，根据全息图计算时的参数，在DMD轴线方向距离为S处的位置上放置一步同步振镜进行扫描，扫描相邻再现像时使其角度控制为计算夹角的二分之一，并保证与DMD的刷新同步，如此就可以恢复各个视角的子全息图再现像的正确方位，图4为其原理示意图，在这里DMD与一步同步振镜一起充当了高分辨空间光调制器的角色，可以较好地解决DMD空间带宽积不足的问题。

二步同步扫描实现实现各个视角的子全息图再现像的重合叠加：通过一步同步扫描已经恢复出图1各个视角“物体”的状态，此时，再将二步同步振镜放置在图1计算时的位置即可实现各个视角的子全息图再现像的重合叠加，从而达到增大再现视角的目的，但其对二步同步振镜的镜面尺寸有一定的要求，即要使得各个视角的再现光波都能在镜面范围内。

附图说明

图1是本发明计算机制各个视角子全息图的数学模型示意图

图2是本发明计算机制各个视角子全息图的旋转记录示意图

图3是本发明计算机制各个视角子全息图的旋转等效记录示意图

图4是本发明一步同步扫描恢复各个视角子全息图再现像示意图

图5是本发明一个实施例的物体模型示意图

图6是本发明一个实施例的再现照片

其中：物体(再现像)1，全息记录面2，数字微镜器件(DMD)3，二步同步振镜4，一步同步振镜5。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

如图5所示，本实施例选取了10×10的平面点阵为物体，已知物体的三维数据，再根据式(1)、(2)、(3)得到二步同步振镜偏转0°及±1.2°三个视角的物体三维数据，然后各自独立计算在图1全息记录面上的菲涅耳全息图，再现时DMD按正常视频速率的三倍依次输出-1.2°、0°、1.2°的子全息图，二步同步振镜同步偏转至-1.2°、0°、1.2°位置，实现各个视角再现像的重合叠加，从而可获得按正常视频速率刷新的，再现视角增大3倍左右的再现像，图6为最终的再现像照片，实际观察效果好于照片，但在本实施例中，再现视角增大程度受DMD分辨率的限制，增大范围受限。

实施例2

在实施例1中，计算三个视角的全息图时，z″方向的坐标在原先的基础上统一加上预置距离S，其它参数不变，再现时DMD按正常视频速率的三倍依次输出-1.2°、0°、1.2°的子全息图，一步同步振镜放置在距DMD为S处的轴线方向上并同步偏转至-0.6°、0°、0.6°位置，恢复各个视角的子全息图再现像的正确方位，二步同步振镜放置在计算时设计的位置并同步偏转至-1.2°、0°、1.2°位置，实现各视角再现像的重合，如此，可以同样得到实施例1的结果，但在本实施例中，DMD与一步同步振镜一起充当了高分辨空间光调制器的角色，突破了目前DMD分辨率有限的问题，可为大视角全息再现提供新的途径。

Claims (3)

1.一种增大计算全息再现视角的方法，首先获取被记录物体的三维数据，接着根据设计的再现视角大小，并匹配再现时DMD和振镜的位置数据，对物体进行旋转、平移、镜像操作，获取各个视角的物体三维数据，再根据DMD的性能参数计算各个视角的子全息图，最后将子全息图按顺序输入DMD并由振镜二步同步扫描进行再现，实现各个视角的子全息图再现像的重合叠加，利用视觉残留效应，获得大视角的全息再现像。

2.根据权利要求1所述的一种增大计算全息再现视角的方法，其特征在于所述的物体各个视角的子全息图均在DMD轴线方向的不同距离处独立计算得到。

3.根据权利要求1所述的一种增大计算全息再现视角的方法，其特征在于所述的振镜二步同步扫描由一个DMD和两个振镜实现，首先由DMD和一步同步振镜扫描恢复各个视角的子全息图再现像的正确方位，再由二步同步振镜扫描实现各个视角的子全息图再现像的重合叠加。

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