CN103197429B - 一种基于光学4f系统的三维显示方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光学4f系统的超大成像深度三维显示方法。本发明属于基于头盔的三维显示技术领域，主要解决三维显示成像深度小、长时间观看易疲劳、无法在单目头盔三维显示中应用的问题。该方法将待显示的三维图像分割成一系列不同成像深度的二维图像，分别采用不同方向的条纹图像对不同深度的二维图像进行调制，获得一幅编码图像。将该编码图像放置在光学4f系统的输入面上，在频谱面上放置一个相位模板，该相位模板由一系列不同焦距的透镜拼接而成，在光学4f系统输出面的将编码的二维图像在相应不同深度的成像位置上重新显示出来，实现超大成像深度的三维显示。

Description

一种基于光学4f系统的三维显示方法

技术领域

本发明属于基于头盔的三维显示技术领域，主要解决三维显示景深小、长时间观看易疲劳、无法在单目头盔三维显示中应用的问题。 

背景技术

采用视网膜投影成像的方法是常见的一种头盔辅助显示技术，透过光学投影显示装置，将形成的二维图像投影在固定的像面位置上，形成虚拟显示器。为了实现三维影像的观看，需将投影在视网膜上的虚拟二维影像转换成三维影像，现有的可借鉴的方法为基于双目视差的立体显示技术，但这种技术存在所形成的三维影像成像深度小，长时间观看易疲劳的问题，且仅能使用在双目头盔显示系统中。 

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在所形成的三维影像成像深度小，长时间观看易疲劳的问题，提供一种基于光学4f系统的超大成像深度三维显示方法。 

本发明针对现有基于双目视差方法的三维头盔三维显示系统存在的问题，给出了一种基于光学4f成像系统的超大成像深度的三维头盔显示的新方法。该方法与现有的基于双目视差方法相比，可获得更大的成像深度，克服了长时间观看易疲劳的问题，且在单目和双目头盔显示系统中均能使用。 

本发明提供的基于光学4f系统的超大成像深度三维显示方法，具体步骤如下： 

第1、确定显示层数m及显示深度位置s_i，i=1，…m，m为整数，在本发明中，显示层数m越多，可显示的三维图像的纵向深度的信息的分辨率越高，理论上越大越好，但受到显示器件（本发明中的振幅型空间光调制器的分辨率）性能和相位模板的加工难度的限制，一般取3～10。将待显示的三维图像进行切片，获得m片显示深度位置分别为s_i，i=1，…m的二维图像，显示深度位置为每层二维图像距离基准面的距离，在本发明的显示系统中，该基准面为第二面傅里叶透镜（L2）所在的平面； 

如图1所示，将三维图像沿x轴方向以一定的间隔分割成一系列的二维图像的薄片，本发明方法的光学系统可将这些二维薄片图像在相应不同深度的成像位置上重新显示出 来，观看者沿箭头所示方向观看，即可看到三维显示图像。 

第2、生成编码图像 

设一级频谱距离频谱中心的距离为d，根据显示层数m，设计相应数量的不同角度的条纹图像，条纹的间隔为a，表示为：其中，λ为入射光的波长，f为光学4f系统中傅里叶透镜的焦距；将不同显示深度位置的二维图像与相应方向的条纹图像相乘，获得被条纹图像调制的图像，将这些图像相加，获得编码图像； 

以三个字母A、B和C为例，它们分别代表不同显示深度位置的二维图像，所获得的被条纹调制的图像分别如图2中(a)、(b)和(c)所示，将这些图像叠加，可获得一幅编码图像，如图2中的(d)所示，该图像包含了不同显示深度位置的二维图像，且仅以二维图像的方式存储，实现了将三维图像存储在二维图像的目的。 

第3、相位模板的构建 

相位模板由m个不同焦距的透镜组成，每种焦距透镜的形状为扇形，并以中心对称的方式成对使用，不同焦距的扇形透镜拼接成一个完整的圆形，获得相位模板，相位模板的中心放置直径为φ的挡光板，φ=d； 

其中，每种透镜的焦距由以下公式计算， 

其中，f为傅里叶透镜的焦距，s_i为显示深度位置，即再现图像距离第二面傅里叶透镜（L2）的距离； 

当s=f时，则相位模板中相应的扇形透镜的焦距无穷大，即该部分为光学平板。 

第4、搭建基于光学4f系统的三维显示系统 

在光学4f系统的输入面（P1）的位置放置以透射方式显示编码图像的二维图像显示装置（如振幅型空间光调制器），将第3步构建的相位模板放置在第一面傅里叶透镜（L1）的后焦面（P2）处，使不同显示深度位置的二维图像的一级频谱刚好落在相位模板上对应的每组透镜中； 

第5、三维显示成像 

将第2步生成的编码图像放置在光学4f系统输入面（P1）上，以透射方式显示编码图像，通过在第二面傅里叶透镜（L2）后面观察，即能够看到不同显示深度的二维图像在空间重构再现的三维图像。 

根据傅里叶光学的基本原理，以准直光照射到编码图像上，在傅里叶透镜L1的后焦面P2上，即能够获得编码图像的二维傅里叶频谱，单一方向条纹调制的图像频谱的中心 为零级频谱，如图4所示，不同方向的条纹调制的图像的一级衍射频谱，会分布在与条纹垂直方向且距离中心零级为d的位置上，其中，λ为入射光的波长，a为编码图像条纹的间距。 

综上，本发明的设计思路是，为实现一种可同时在大范围的不同空间深度上成像的光学系统，将不同深度的显示图像编码一幅编码图像，利用了光学4f系统的可对光学信息进行频谱滤波的方法，将这些不同深度的图像分开，使其通过特殊设计的相位模板，实现将不同深度的图像成像在不同的空间深度的位置上。根据成像深度、光学4f系统中傅里叶透镜的焦距，可以确定出组成相位模板的各个透镜的焦距。 

本发明的优点和积极效果： 

本发明首次提出了利用光学4f系统实现超大成像深度的三维显示技术，与现有的三维显示技术相比，具有非相干光照明、非机械扫描、成像深度大、长时间观看不疲劳的特点，且系统简单，易于实现。 

本发明适用于单目和双目的三维显示系统中，在实时的三维显示和增强现实技术的三维显示技术中具有潜在的应用价值。 

在本发明的头盔三维显示系统中，直接通过光学的方法，将三维图像，直接投射到人眼的视网膜上，实现对三维图像的感知。三维图像由一系列的不同成像深度的二维图像组成，观看者通过感知不同空间位置的二维图像，以实现三维图像感知。该方法不同于传统的双目视差方法，仅通过单目视觉即可实现三维图像的感知。因此从原理上克服了双目视差方法的长时间观看易疲劳的问题。此外，本发明可用于单目和双目头盔显示系统中，克服了三维显示无法应用单目头盔显示的难题。 

附图说明

图1是将三维显示图像分割成一系列不同成像深度的二维图像显示的原理示意图； 

图中：1、待显示的三维影像；2、切割分层平面1；3、切割分层平面2；4、切割分层平面3；5、切割分层平面1获得的截面图1；6、切割分层平面2获得的截面图2；7、切割分层平面3获得的截面图3。 

图2是不同深度图像的编码原理示意图；其中，(a)为被一种方向的条纹所调制的图像，(b)为被第二种方向的条纹所调制的图像，(c)为被第三种方向的条纹所调制的图像，(d)为编码图像。 

图3是基于光学4f系统的三维显示系统示意图。 

图4是包含两种不同条纹方向调制的编码图像的傅里叶频谱示意图。 

图5是相位模板示意图。 

具体实施方式

实施例 

第1、将待显示的三维图像分割为一系列二维图像 

将待显示的三维图像通过计算机建模方法，输入到计算机中形成数值三维模型，根据显示系统的显示层数m（该实施例取m=3）及显示深度位置s_i（i=1，…m），（本实施例中距离基准面的显示深度分别为s₁=0.1m、s₂=0.5m和s₃=1m），将三维模型进行切片，获得m片深度分别为s_i（i=1，…m）的二维图像； 

第2、生成编码图像 

根据显示层数和设计一级频谱距离频谱中心的距离为d（本实施例中d=5mm），设计相应数量的不同角度的条纹图像，条纹的间隔a可以表示为：（本实施例中a=52微米），其中，λ为入射光的波长（本实施例中光波波长为520nm），f为傅里叶透镜的焦距（本实施例中f=0.5m）。将不同深度的二维图像与相应方向的条纹图像相乘，获得被条纹图像调制的图像，将这些图像相加，获得编码图像； 

第3、相位模板的制作 

根据显示层数m，选取相同数量的透镜，每种透镜的焦距可由以下公式计算， 

其中，f为傅里叶透镜的焦距，s_i为再现图像距离第二面傅里叶透镜L2的距离。本实施例中采用三个不同焦距的透镜，则经过第二面逆傅里叶透镜后的图像将会成像在三个空间深度的不同位置上，其距第二面离傅里叶透镜L2的距离可以依据以下公式计算： $s_1=-\frac{f^2}{f_{s_1}}+f;$ $s_2=-\frac{f^2}{f_{s_2}}+f;$ $s_3=-\frac{f^2}{f_{s_3}}+f.$ 本实施例中，  $f_{s_1=0.625m;}$ $f_{s_2}=\∞;$ $f_{s_3}=-0.5m.$

将这些透镜以中心为原点，按照中心角度为进行切割成两个扇形（本实施例中为60°），进行粘接，以获得相位模板。相位模板的中心放置直径为φ的挡光片，其作用为挡 住零级光。φ=d=5mm，其中，d为一级频谱距离频谱中心的距离，且其中，λ为入射光的波长，a为编码图像条纹的间距。 

本实施例中编码图像为三个不同方向的条纹调制的图像组成，三个条纹方向在整个圆周之内分别成60度，其各自的一级傅里叶频谱会刚好落在图3所示的相位模板的三个区域中，图中标有数字“8”的区域为一种焦距的透镜，透镜的中心与整个相位模板的中心重合，同理，标有数字“9”的区域为第二种焦距的透镜，标有数字“10”的区域为第三种焦距的透镜。 

第4、搭建基于光学4f系统的三维显示系统 

如图4所示，在输入面P1的位置放置振幅型空间光调制器，将制作的编码图像输出到空间光调制器上，利用白光光源产生准直光，垂直入射到输入面P1，在第一面傅里叶透镜L1的后焦面P2处放置相位模板，使不同深度的二维图像的一级频谱刚好落在相位模板的每组透镜中，通过在第二面傅里叶透镜L2后面观察，即可看到不同成像深度的再现三维图像。 

在P2位置上的频谱图如图5所示，图中三个方向的条纹调制的编码图像一级频谱，分别位于中心零级频谱的两侧距离为d的且不同方向的位置上，图中序号11指示的为零级频谱，序号14和17指示的为第一个方向条纹调制图像的一级频谱，序号12和15指示的为第二个方向条纹调制图像的一级频谱，序号13和16指示的为第三个方向条纹调制图像的一级频谱；若在P2位置不放置相位模板，编码图像将会在光学4f系统的输出面P3的位置上形成与输入图像相同的像，若在P2上某个条纹方向的一级频谱的位置上放置焦距为f_s的相位模板时，再现像将会成像在距离傅里叶透镜L2后表面s的位置上，其关系为： 

其中，f为傅里叶透镜的焦距； 

假设编码图像的一级频谱距离频谱中心的距离为d，当d<<f时，则： 

其中，λ为入射光的波长，a为编码图像条纹的间距，不同方向条纹的间距是相同的。 

本实施例涉及的各参数具体数值如下： 

实现显示层数为3层，空间深度分别为0.1m、0.5m和1m的三层三维显示，光学4f 系统中的傅里叶透镜的焦距为0.5m，则可以计算出组成相位模板的透镜焦距分别为： 

$f_{s_1}=0.625m;$ $f_{s_2}=\&infin;;$ $f_{s_3}=-0.5m$

入射光波波长为520nm，编码图像的条纹间距a=50微米，则可计算出一级频谱距离频谱中心的距离d=5mm，相位模板的挡光片的直径φ为5mm。 

Claims (3)

1.一种基于光学4f系统的三维显示方法，其特征在于该方法包括：

第1步、确定显示层数m及显示深度位置s _i ，i=1，…m， m为整数，将待显示的三维图像进行切片，获得m层不同深度的二维图像，显示深度位置为每层二维图像距离基准面的距离，以第二面傅里叶透镜（L2）为基准面；

第2步、生成编码图像

设一级频谱距离频谱中心的距离为d，根据显示层数m，设计相应数量的不同角度的条纹图像，条纹的间隔为a，表示为：                                                ，其中，λ为入射光的波长，f为光学4f系统中傅里叶透镜的焦距；将不同显示深度位置的二维图像与相应方向的条纹图像相乘，获得被条纹图像调制的图像，将这些被条纹图像调制的图像相加，获得编码图像；

第3步、相位模板的构建

相位模板由m种不同焦距的透镜组成，每种焦距透镜的形状为扇形，并以中心对称的方式成对使用，不同焦距的扇形透镜拼接成一个完整的圆形，获得相位模板，相位模板的中心放置直径为的挡光板，；

其中，每种透镜的焦距由以下公式计算，

；

第4步、搭建基于光学4f系统的三维显示系统

在光学4f系统的输入面（P1）的位置放置以透射方式显示编码图像的二维图像显示装置，将第3步构建的相位模板放置在第一面傅里叶透镜（L1）的后焦面（P2）处，使不同深度的二维图像的一级频谱刚好落在相位模板上对应的每对透镜中；

第5步、三维显示成像

将第2步生成的编码图像放置在光学4f系统输入面（P1）上，以透射方式显示编码图像，通过在第二面傅里叶透镜（L2）后面观察，即能够看到不同显示深度的二维图像在空间重构再现的三维图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当显示深度位置s _i 等于光学4f系统中傅里叶透镜的焦距f时，则相位模板中相应的扇形透镜的焦距无穷大，即相位模板中相应的扇形透镜的位置为光学平板。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于显示层数m一般取3~10。