CN103207458B - 一种采用平面光波导回路的立体成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用平面光波导回路的立体成像方法及装置，成像方法把相干光源发出的相干光转化为二维点光源阵列，且二维点光源阵列中每个点光源的位置呈随机分布，同时将立体图像离散化为大量体元，并根据体元的亮度由高到低划分为若干组，对每组中的每个体元，根据其离每个点光源的距离计算该点光源的位相调节量，使得每个点光源发出的光波到达该体元时同位相，累加每个点光源为产生每个体元所应做出的复振幅调节量，驱动每个点光源的振幅调节器和位相调节器，基于相长干涉产生每组体元。成像装置由相干光源，平面光波导回路，导电玻璃前面板和背部驱动电路组成，本发明可广泛应用于计算机与电视三维显示，三维人机交换，机器人视觉等领域。

Description

一种采用平面光波导回路的立体成像方法及装置

技术领域

本发明属于三维成像技术领域，具体地涉及一种采用平面光波导回路的立体成像方法及装置。

背景技术

三维显示可分为伪三维显示和真三维显示。前者如基于双目视差的立体显示，它把两幅不同视角的画面分别呈现给观察者的左右眼，使其产生立体幻觉，长期观看容易引起疲劳。后者直接在空中形成真实三维图象，观察者不需要佩戴任何辅助眼镜，观看更加舒适自然。

真三维立体显示既可以采用非相干方法实现，如集成成像技术，体成像技术，也可以采用相干方法实现，如全息技术。非相干方法和相干方法之间的最大区别在于前者采用非相干光源，无法利用光波的位相信息，而后者采用相干光源，可以充分利用光波的位相。光波位相包含着物体的形状和位置信息。非相干方法由于丢掉了光波的位相信息，只能依靠额外的，往往也是复杂的，机械扫描或光学装置在三维空中成像，由于其所遵循的几何光学成像原理本身的限制，只能在有限的景深范围内达到可以接受的成像分辨率。相干方法由于可以充分利用光波位相携带的形状和位置信息，因此往往结构简单，而且借助波动光学成像原理，成像景深大，分辨率高。例如，简单一块全息干版就足以在空中形成三维图象，不需要任何光学透镜或机械扫描装置。但是对大型物体，全息干涉条纹在亚微米量级，远远小于平板显示器的像素尺寸；同时海量干涉条纹数据给实时数字采集、处理、存储、传输和显示带来了极大困难。

本申请人的发明专利《基于随机相长干涉的三维显示方法及装置》（中国专利号：200810046861.8）提出了一种新的相干三维成像方法。其核心思想是构造一个二维点光源阵列，这些点光源发出的球面波相互交汇，通过相长干涉在空中形成光斑，即立体体元（简称体元，与二维平面显示中的像素相对应），进而由大量体元形成离散立体图象。为了实现动态显示，需要对上述二维点光源阵列中每个点光源的振幅和位相进行实时独立调节，同时为了抑制高阶衍射产生的多重像，点光源的位置呈随机分布。根据上述成像原理，只需要知道每个体元的位置和亮度，就可以确定每个点光源的振幅和位相调节量，通过调节每个点光源的振幅和位相，使得这些点光源发出的球面波到达空间预定位置时同位相，这样由于相长干涉在预定位置形成体元，进而由大量体元形成离散立体图象。这意味着，与二维平面显示相比，只需要额外知道纵深信息就可以在空中形成三维图象，信息增加量仅约30%，这给三维数据的实时存储、传输和显示带来了极大便利。上述发明专利同时给出了借助不同类型液晶显示器产生二维点光源阵列的装置。而液晶材料必须借助液晶分子的机械转动调节光波的振幅和位相调节，响应时间一般在毫秒量级。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种图像刷新率高而且显示器轻薄稳定的采用平面光波导回路的立体成像方法及装置。

本发明目的的实现方式为，一种采用平面光波导回路的立体成像方法，具体步骤如下：

A、设计制作平面光波导回路，把相干光源发出的相干光转化为二维点光源阵列，且二维点光源阵列中每个点光源的位置呈随机分布，记第p个点光源的位置为r_p，同时在平面光波导回路中为每个点光源设计制作一个振幅调节器和一个位相调节器，以便对每个点光源的振幅和位相进行独立调节；

B、在每个振幅调节器和位相调节器的驱动电压为零时，测定并记录步骤A中所产生的每个点光源的初始振幅A_p-0和初始位相Φ_p-0；

C、将需要显示的三维立体图像离散化，得到每个体元的位置和亮度，设置每个体元的振幅A_v为其亮度的平方根；按照亮度从高到低的原则，把所有体元分成Q组；

D、选取步骤C中的一组体元；

E、对步骤D中选择的一组体元中的每个体元，对其位置附加一个随机偏移量，随机偏移量小于偏移前相邻体元间的平均间隔，同时为它赋予一个随机位相，得到每个体元的最终位置r_v和位相Φ_v；

F、选取步骤E中的一个体元v；

G:、对步骤A中所产生的每个点光源p，如果它所发出的光锥覆盖步骤F中选定的体元v，计算点光源p到体元v的距离|r_p -r_v|，根据该距离设定该点光源的位相调节量，使得点光源p发出的光波到达体元v时的位相为步骤E中所设置的位相Φ_v，同时设定该点光源的振幅调节量使其正比于距离|r_p -r_v|与体元v的振幅A_v的乘积；把上述位相调节量和振幅调节量综合为复振幅调节量，如果体元v位于二维点光源阵列前方，点光源p为产生体元v所应做出的复振幅调节量为，

A_p-v=A_vexp(iΦ_v)[|r_p-r_v|exp(-i2π|r_p-r_v|/λ)]/P(1)

式（1）中P为参与产生体元v的所有点光源的数目；

如果体元v位于二维点光源阵列后方，点光源p为产生体元v所应做出的复振幅调节量为，

A_p-v=A_vexp(iΦ_v)[|r_p-r_v|exp(-i2π|r_p-r_v|/λ)]/P(3)

H、针对步骤D中所选择的一组体元中的所有体元，重复步骤F至G；

I、对步骤A中所产生的每个点光源p，按照复振幅叠加原理，把在步骤D至步骤H中获得的点光源p为产生每个体元v所应做出的复振幅调节量A_p-v累加，得到点光源p为产生总共V个体元所需做出的总的复振幅调节量A_p，即，

$A_p=\underset{v=1}{\overset{v=V}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{p-v}=A_p\exp \left(i{\mathrm{\Φ}}_p\right)---\left(4\right)$

J、对步骤A中所产生的每个点光源p，把步骤I中所确定的总的振幅调节量A_p除以步骤B中所确定的该点光源的初始振幅A_p-0，得到该点光源的最终振幅位相调节量A_p-F=A_p/A_p/A_p-0；从步骤I中所确定的总的位相调节量Φ_p中减去步骤B中所确定的该点光源的初始位相Φ_p-0，同时减除点光源p的振幅调节器为产生最终振幅调节量A_p-F所带来的附加位相增量Φ_p-A，得到该点光源的最终位相调节量Φ_p-F=Φ_p-Φ_p-0-Φ_p-A；

K、根据步骤J中确定的每个点光源的最终振幅位相调节量A_p-F和最终位相调节量Φ_p-F，驱动每个振幅调节器和位相调节器，使得每个点光源产生上述最终振幅位相调节量和位相调节量；

L、针对步骤C中所确定的所有Q组体元，重复步骤D至K。

一种实现上述立体成像方法的采用平面光波导回路的立体成像装置，由相干光源，平面光波导回路，导电玻璃前面板和背部驱动电路组成，导电玻璃前面板和背部驱动电路分别覆盖平面光波导回路的两侧；平面光波导回路包含干线光波导和N个支线光波导，干线光波导接收从相干光源发出的光波，N个支线光波导沿干线光波导分布；

每个支线光波导由依次串接在一起的耦合器、振幅调节器、位相调节器和垂直转向器组成；耦合器从干线光波导耦合出一部分光能，背部驱动电路驱动振幅调节器和位相调节器，对耦合进入支线光波导的光波进行振幅和位相调节后送到垂直转向器，经过垂直转向器转向后垂直于平面光波导回路发射，产生一个点光源；设置垂直转向器的位置，使得所产生点光源的位置呈随机分布；

所述耦合器采用方向耦合器或共振环耦合器；

所述位相调节器为一段由电光材料制作的单模光波导，由背部驱动电路改变电光材料的折射率，使得光波的位相发生改变；

所述垂直转向器垂直转向器有垂直转向器一、垂直转向器二两种；垂直转向器一由微型平面反射镜构成，微型平面反射镜的反射面与平面光波导回路成 45°夹角。

本发明建立在本申请人的发明专利《基于随机相长干涉的三维显示方法及装置》上，解决如何采用平面光波导回路构造二维点光源阵列，并实现对每个点光源的振幅和位相的独立调节。

本发明将整个平面光波导回路分为干线光波导和支线光波导，干线光波导把相干光源发出的光波引导到屏幕各个区域，然后通过分布在干线光波导两侧的大量支线光波导把光波从干线光波导中耦合出来，每个支线光波导产生一个点光源，同时在支线光波导中采用电光材料制作振幅调节器和位相调节器对点光源的振幅和位相进行调节。由此可见，采用平面光波导回路可以构造大型二维点光源阵列，并实现对每个点光源的振幅和位相的独立调节。

本发明与现有技术相比，特别是本申请人的发明专利《基于随机相长干涉的三维显示方法及装置》相比具有以下优点和效果：

1、采用电光材料代替液晶材料，实现光波振幅和位相调节；电光材料的响应时间可以达到纳秒量级，可实现更高频率的刷新周期，图像可以更加快速达到稳定，有利于抑制高速运动图像的拖影；

2、由于采用平面光波导回路，简化了照明光学系统，显示器非常轻薄稳定；

3、由于光波沿平面光波导回路传播，因此不需要象液晶屏那样采用透明前、后面板，只需要在前面板上制作一些透光微孔即可，特别是后面板上的驱动电路不需要制作在透明玻璃上，可以制作在更加合适的材料上，如塑料基片上；从而可以使得驱动电路速度更快，精度更高。

本发明特别适用于做计算机与电视显示屏，智能人机交换，机器人视觉等，可广泛应用于教学、科研、娱乐、广告等领域。

附图说明

图1为本发明结构示意图，

图2为干线回路采用螺旋形布局结构示意图，

图3为干线回路采用Z字形布局结构示意图，

图4为干线回路采用Y形分束器时的布局图，

图5为干线回路采用星型耦合器时的布局图，

图6为干线回路采用共振环耦合器时的布局图，

图7为干线回路采用方向耦合器时的结构示意图，

图8为支线回路采用方向耦合器时的布局图，

图9为支线回路采用共振环耦合器时的结构示意图，

图10为垂直转向器采用微型平面反射镜时的剖面结构示意图，

图11为垂直转向器采用表面光栅时的剖面结构示意图，

图12为前面板上透光微孔分布图，

图13为本发明采用微透镜阵列时的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图详述本发明。

参照图1，本发明的三维显示屏由相干光源1，平面光波导回路2，导电玻璃前面板3和背部驱动电路4组成，导电玻璃前面板3和背部驱动电路4分别覆盖平面光波导回路2的两侧。进一步参照图2-7，平面光波导回路2包含干线光波导6和支线光波导7。

干线光波导6既可以采用串行布局，也可采用并行布局。

采用串行布局的干线光波导6由单根或三根光波束组成，所述单根或三根光波导采用Z字型布局或螺旋形布局方式均匀覆盖整个平面光波导回路2。

参照图2，单根光波导呈螺旋形环绕覆盖整个平面光波导回路2。为了实现彩色三维显示，波长分别为λ1、λ2和λ3的三基元色按时序从左下方轮流输入同一光波导，依次显示三维图象的各个颜色分量。

参照图3，三根平行光波导呈Z字形转折覆盖整个显示屏，为了实现彩色三维显示，波长分别为λ1、λ2和λ3的三基元色从左上方分别输入三根光波导，每根光波导传输一种基元色，同时显示三维图象的各个颜色分量。

串行布局的优点是结构简单，缺点是总的光波导长度太长，可能引起较大的传输损耗。在制作大尺寸三维显示屏时，干线光波导6必须采用极低损耗的光波导材料制作，例如石英玻璃光波导。

在并行布局中，由一个平行光波导阵列覆盖整个显示屏，关键是如何把光波导入到每根平行光波导中。一般可以采用Y型分束器、星型耦合器、方向耦合器、共振环耦合器、光栅、多模干涉器等把光波导入到每根平行光波导中。其中Y型分束器和星型耦合器是与波长无关的，而方向耦合器、共振环耦合器、光栅、多模干涉器等是与波长相关的。对与波长相关的耦合器需要根据不同波长设计不同结构参数。并行布局的优点是总的光波导长度相对较短，因此可以采用较低损耗的光波导材料制作，例如聚合物材料。

采用并行布局的干线光波导6包含一个平行光波导阵列和Y型分束器8或星型耦合器9；所述平行光波导阵列均匀覆盖整个平面光波导回路2；从相干光源1发出的光波通过Y型分束器8或星型耦合器9均匀分配到平行光波导阵列中的每根光波导。

参照图4，采用并行布局的干线光波导6包含一个由8根水平光波导组成的平行光波导阵列和一个Y型分束器8，平行光波导阵列均匀覆盖整个平面光波导回路2。所述Y型分束器8为一分二Y型分束器，共采用7个一分二Y型分束器。相干光源发出的波长分别为λ1、λ2和λ3的三基元色光波按时序从左侧通过一分二Y型分束器均匀分配到上述8根水平光波，按时序显示三维图象的各个颜色分量。如果干线光波导6包含1024根水平平行光波导，则需要十级一分二Y形分束器。当然也可采用一分四、一分八Y型分束器等减少Y形分束器级数，从而减少Y形分束器所占用的额外面积。

参照图5，采用并行布局的干线光波导6包含一个星型耦合器9和由8根水平光波导组成的平行光波导阵列。星型耦合器9为三分八星型耦合器。相干光源发出的波长分别为λ1、λ2和λ3的三基元色光波按时序从左侧通过一个三分八星型耦合器均匀分配到8根水平光波中，按时序显示三维图象的各个颜色分量。当干线光波导6包含很多水平平行光波导时，例如1024根，可能需要采用多级星型耦合器。图5中三分八星型耦合器9的左侧三根输入光波导可只采用中间一根，甚至全部不要，来自相干光源的光波直接从中间光波导所在位置输入，这样避免单根光波导内传输过高光能。

参照图6，采用并行布局的干线光波导6包含一个平行光波导阵列和一根与其垂直的直线光波导，平行光波导阵列中的每根光波导通过一个共振环10与直线光波导相耦合；平行光波导阵列均匀覆盖整个平面光波导回路2；直线光波导接受从相干光源1发出的三基元色光波，设计每个共振环10的结构参数使得直线光波导中传输的三基元色光波依次耦合进入平行光波导阵列中的不同光波导。

图6采用一个由9根纵向光波导组成的平行光波导阵列和1根与其垂直的水平直线光波导，平行光波导阵列中的每根纵向光波导通过一个共振环10与水平直线光波导相耦合。上述纵向平行光波导阵列均匀覆盖整个平面光波导回路2。从相干光源发出的波长分别为λ1、λ2和λ3的三基元色光波从左侧上方同时输入水平直线光波导，针对波长λ1、λ2和λ3设计不同半径的共振环10，使得水平直线光波导中传输的三种基元色光波依次耦合进入9根纵向光波导，同时显示三维图象的各个颜色分量。另外为了避免单根光波导内传输过高光能，可以采用星型耦合器把相干光源1发出的光波耦合到多根单模光波导，每根单模光波导接一个图6所示光波导回路。

参照图7，采用并行布局的干线光波导6包含一个平行光波导阵列和三根直线光波导，平行光波导阵列和三根直线光波导相互垂直且分别制作在两个相邻的平面中，平行光波导阵列中的每根光波导通过方向耦合器11轮流与三根直线光波导中的一根直线光波导相耦合，平行光波导阵列均匀覆盖整个平面光波导回路2；三根直线光波导分别接受从相干光源1发出的三基元色光波，设计每个方向耦合器的结构参数使得三根平行直线光波导中传输的三基元色光波依次耦合进入平行光波导阵列中的不同光波导。

图7是由9根纵向光波导组成的平行光波导阵列和三根水平直线光波导。平行光波导阵列和三根水平直线光波导相互垂直，且分别制作在两个相邻的平面中，平行光波导阵列中的每根纵向光波导通过方向耦合器11轮流与三根水平直线光波导中的一根直线光波导相耦合，平行光波导阵列均匀覆盖整个平面光波导回路2。三根水平直线光波导分别接收从相干光源1发出的波长分别为λ1、λ2和λ3的三基元色光波，设计每个方向耦合器的结构参数使得三根平行直线光波导中传输的三基元色光波依次耦合进入平行光波导阵列中的不同光波导。

为了避免光波导交叉，平行光波导阵列和三根水平直线光波导分别制作在两个相邻的平面中，例如三根水平直线光波导可以直接制作在导电玻璃前面板3上，三根水平直线光波导用虚线表示。从相干光源1发出的波长分别为λ1、λ2和λ3的三种基元色光波从左侧上方同时分别输入三根水平直线光波导，针对波长λ1、λ2和λ3设计不同参数的方向耦合器，使得三根水平平行直线光波导中传输的三种基元色光波依次耦合进入9根纵向光波导。由于需要在两个平面上分别制作光波导，后期组装时需要严格对准并严格控制两个平面之间的间隔，会增加制作和组装难度。

为了把光波引导到整个屏幕，平面光波导回路2包含很多转弯。为了始终把光波限制在光波导芯层中，转弯半径需要比较大。芯层与包层的折射率差越小，转弯半径越大，这样导致屏幕尺寸大，同时不利于形成密集点光源阵列。为了减小屏幕尺寸，形成密集点光源阵列，平面光波导回路2可以全部采用光子晶体光波导，也可以仅在重点地方，如转弯处，分支处等，采用光子晶体光波导。

为了产生位置呈随机分布的点光源阵列，平面光波导回路2包含干线光波导6和N个支线光波导7，干线光波导6接收从相干光源发出的光波，N个支线光波导7沿干线光波导分布6。每个支线光波导7由依次串接在一起的耦合器、振幅调节器、位相调节器和垂直转向器组成；耦合器从干线光波导6耦合出一部分光能，背部驱动电路4驱动振幅调节器和位相调节器，对耦合进入支线光波导7的光波进行振幅和位相调节后送到垂直转向器，经过垂直转向器转向后垂直于平面光波导回路2发射，产生一个点光源；设置垂直转向器的位置，使得所产生点光源的位置呈随机分布。

垂直转向器有垂直转向器一15、垂直转向器二22两种。

参照图8，每个支线光波导7由依次串接在一起的耦合器12、振幅调节器13、位相调节器14和垂直转向器一15组成。耦合器12采用方向耦合器。耦合器12从干线光波导6耦合出一部分光能，背部驱动电路4驱动振幅调节器13和位相调节器14，对耦合进入支线光波导7的光波进行振幅和位相调节后送到垂直转向器一15，经过垂直转向器一15转向后垂直于平面光波导回路2发射，产生一个点光源。

在图8中振幅调节器13由相邻放置且相互平行的输入单模光波导一16和输出单模光波导一17组成，输入单模光波导一16或输出单模光波导一17部分采用电光材料制作。图8是输出单模光波导一的空心线部分采用电光材料制作。由背部驱动电路4改变电光材料的折射率，从而改变输入单模光波导一和输出单模光波导一之间的耦合系数，使得从输出单模光波导一17输出的光波的振幅发生改变。

位相调节器器14为一段（图中空心线段）由电光材料制作的单模光波导，由背部驱动电路4改变电光材料的折射率，使得光波的位相发生改变。有一点必须注意，由于振幅调节器13在进行振幅调节时，位相也同时发生改变，所以位相调节器14所应做出的位相调节量还应该补偿振幅调节器13在进行振幅调节时所附带产生的位相调节量。

参照图9，支线光波导7由一个耦合器19、一个振幅调节器20，一个位相调节器器21和一个垂直转向器二22组成，耦合器19、振幅调节器20，位相调节器21和垂直转向器二22依次串接在一起。耦合器19采用共振环耦合器。

在图9中，振幅调节器20由输入单模光波导二23、输出单模光波导二24和环形单模光波导18组成，环形单模光波导18位于输入单模光波导二23和输出单模光波导二24之间，环形单模光波导18采用电光材料制作，输入单模光波导二23中传输的光波通过环形单模光波导18耦合到输出单模光波导二24，由背部驱动电路4改变电光材料的折射率，从而改变输入单模光波导二23和输出单模光波导二24之间的耦合系数，使得从输出单模光波导二24输出的光波的振幅发生改变。

如图8-9所示，一个支线光波导7可以产生一个振幅和位相独立可调的点光源。为了产生二维点光源阵列，需要成千上万的支线光波导7，这些支线光波导沿干线光波导6分布，图4-7中描绘了部分支线光波导7的分布情况，如果支线光波导7全部描绘出来，它们会覆盖整个光波导回路2。

为了保证光波位相得唯一性，支线光波导7应该采用单模光波导，因为其芯径只有几微米，因此其出射端相当于一个点光源。为了保证位相的单一性，干线光波导6也应该尽量采用单模光波导。如果干线光波导6中传输的光波很强，必须采用多模光波导，此时，干线光波导6应该工作于基模状态。

参照图10，垂直转向器一15由微型平面反射镜25构成，微型平面反射镜25的反射面与平面光波导回路成45°夹角。微型平面反射镜25的背面为空气，这样通过全发射把来自位相调节器14的沿水平单模光波导传播的光波偏转90°后，垂直于导电玻璃前面板3发射。如果从水平单模光波导出射的光波大于反射面的全反射临界角，可以在反射面背部蒸镀金属反射薄膜。如果支线光波导7采用聚合物材料制作，反射面可以采用热压方式制作成型。

参照图11，垂直转向器二22由一个表面光栅27组成，设计表面光栅27的结构参数，使得从位相调节器14输出的光波经过90°转向后垂直于平面光波导回路2向外发射。

表面光栅结构27很难像微型平面反射镜25那样把所有来自位相调节器21的光波偏转90°。为了增加效率，可以在垂直转向器22底部增加反射层，如布拉格反射层。

参照图10、11、12，透明导电玻璃前面板3由蒸镀有金属导电薄膜26的透明平板玻璃组成，金属导电薄膜26蒸镀在与平面光波导回路2相邻的一侧，金属导电薄膜26上刻蚀有N个透光微孔28；每个透光微孔对准一个垂直转向器一15或二22，并位于垂直转向器一或二正前方，使得从垂直转向器一或二发射的光波能够穿过导电玻璃前面板3。为了产生位置呈随机分布的点光源阵列，微型透光孔28的位置应该呈随机分布。

在本发明中，为了显示一幅细腻的三维立体图像，需要通过点光源的相长干涉同时产生许多体元。由于点光源发出的球面波向四周扩散，它在产生一个体元的同时会给其他体元造成一定背景。许多体元造成的背景叠加起来会形成一个明亮的背景，显著降低三维立体图像的对比度。为了提高立体图像的对比度，可以采取时分方法或空分方法。所谓时分方法就是把立体图像的所有体元按照亮度从高到低分成若干组，然后分时依次对每组体元进行显示。通过时分方法，可成倍降低同时显示的体元数目，从而避免背景强度过分累加，同时也避免低亮度体元淹没在高亮度体元中。所谓空分方法就是采用硬件方法，即采用一个微透镜同时覆盖多个点光源，使得每个点光源发出的光锥仅覆盖一小部分成像空间。通过空分方法可把一个点光源发出的光波限制在一个小锥角范围内，从而对该小锥角范围外的体元没有任何影响，同样可以避免背景强度过分累加。

因此为了通过空分方法提高立体成像对比度，本发明在导电玻璃前面板3前装微透镜阵列板29，设计每个微透镜的结构参数，使其覆盖2个以上点光源。

参照图13，导电玻璃前面板3前装微透镜阵列板29，每个微透镜覆盖显示屏上三个点光源。显示屏上九个点光源发出的光波经过三个微透镜后形成C1-9九个光锥。另外在图13中应该仔细设计微透镜的参数，使得每个微透镜所覆盖的点光源所发出的光锥联合起来尽量恰好覆盖整个成像空间。例如，应该使得三个光锥C1-3联合起来恰好覆盖整个成像空间。由于每个点光源发出的光锥仅覆盖一小部分成像空间，在整个成像空间内总的体元数目不变的前提下，每个点光源所需产生的总的体元数目成倍较少。例如图13中的立体图像5的体元30由显示屏从上往下数第1、5、9个点光源产生，因为它们发出的光锥C1、C5和C9皆覆盖体元30。其他点光源对体元30没有贡献，也不会影响体元30附近的背景强度，因为它们发出的光波不覆盖体元30。另外，为了抑制高阶衍射像，点光源的位置或/和微透镜的光轴中心位置应该呈随机分布。

综上所述，通过图1所示装置可以产生位置呈随机分布，且振幅和位相可独立调节的二维点光源阵列。如果设置每个点光源的位相，使每个点光源发出的球面波到达预定位置时同位相，由于相长干涉，可在预定位置形成一个体元。

下面具体阐述成像方法，它包括如下12个步骤：

A、设计制作平面光波导回路，把相干光源发出的相干光转化为二维点光源阵列，且二维点光源阵列中每个点光源的位置呈随机分布，记第p个点光源的位置为r_p，同时在平面光波导回路中为每个点光源设计制作一个振幅调节器和一个位相调节器，以便对每个点光源的振幅和位相进行独立调节；

B、在每个振幅调节器和位相调节器的驱动电压为零时，测定并记录步骤A中所产生的每个点光源的初始振幅A_p-0和初始位相Φ_p-0；

C、将需要显示的三维立体图像离散化，得到每个体元的位置和亮度，设置每个体元的振幅A_v为其亮度的平方根；按照亮度从高到低的原则，把所有体元分成Q组；

D、选取步骤C中的一组体元；

E、对步骤D中选择的一组体元中的每个体元，对其位置附加一个随机偏移量，随机偏移量小于偏移前相邻体元间的平均间隔，同时为它赋予一个随机位相，得到每个体元的最终位置r_v和位相Φ_v；

F、选取步骤E中的一个体元v；

G、对步骤A中所产生的每个点光源p，如果它所发出的光锥覆盖步骤F中选定的体元v，计算点光源p到体元v的距离|r_p -r_v|，根据该距离设定该点光源的位相调节量，使得点光源p发出的光波到达体元v时的位相为步骤E中所设置的位相Φ_v，同时设定该点光源的振幅调节量使其正比于距离|r_p -r_v|与体元v的振幅A_v的乘积；把上述位相调节量和振幅调节量综合为复振幅调节量，如果体元v位于二维点光源阵列前方，点光源p为产生体元v所应做出的复振幅调节量为，

A_p-v=A_vexp(iΦ_v)[|r_p-r_v|exp(-i2π|r_p-r_v|/λ)]/P(1)

式（1）中P为参与产生体元v的所有点光源的数目，在二维点光源阵列前方任意位置r处的光波是所有P个点光源发出的球面波的叠加，其复振幅为，

$U\left(r\right)={\mathrm{\Σ}}_{p=1}^{p=P}{A}_{p-v}\frac{\exp \left(i2\mathrm{\π}\right|r-r_p|/\mathrm{\λ})}{|r-r_p|}---\left(2\right)$

在体元v所在位置r_v，式（1）中的指数项与式（2）中的指数项相互抵消，式（2）式达到一个极大值U(r_v)=A_vexp(iΦ_v)，换句话说，所有点光源发出的球面波到达位置r_v时同位相，由于相长干涉在空中产生一个光斑，即体元v。离开位置r_v，光场强度迅速较少。因此式一旦按照式（1）设置每个点光源p的复振幅，就可在屏幕前方位置r_v产生体元v。

如果体元v位于二维点光源阵列后方，点光源p为产生体元v所应做出的复振幅调节量为，

A_p-v=A_vexp(iΦ_v)[|r_p-r_v|exp(-i2π|r_p-r_v|/λ)]/P(3)

为了理解式（3）的物理含义，可以假象把一个薄透镜放在二维点光源阵列所在平面，根据式（3）和薄透镜引入的位相变化可以推导出，在薄透镜放前方会形成一个实体元，但到达该实体元的光线都来自薄透镜放后方的一个虚体元v。当拿走薄透镜后，无法再生成实体元，但虚体元v仍然存在。因此一旦按照式（3）设置每个点光源p的复振幅，就可在屏幕后方位置r_v产生体元v。

H: 针对步骤D中所选择的一组体元中的所有体元，重复步骤F至G；

I：对步骤A中所产生的每个点光源p，按照复振幅叠加原理，把在步骤D至步骤H中获得的点光源p为产生每个体元v所应做出的复振幅调节量A_p-v累加，得到点光源p为产生总共V个体元所需做出的总的复振幅调节量A_p，即，

$A_p=\underset{v=1}{\overset{v=V}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{p-v}=A_p\exp \left(i{\mathrm{\Φ}}_p\right)---\left(4\right)$

J：对步骤A中所产生的每个点光源p，把步骤I中所确定的总的振幅调节量A_p除以步骤B中所确定的该点光源的初始振幅A_p-0，得到该点光源的最终振幅位相调节量A_p-F=A_p/A_p-0；从步骤I中所确定的总的位相调节量Φ_p中减去步骤B中所确定的该点光源的初始位相Φ_p-0，同时减除点光源p的振幅调节器为产生最终振幅调节量A_p-F所带来的附加位相增量Φ_p-A，得到该点光源的最终位相调节量Φ_p-F=Φ_p-Φ_p-0-Φ_p-A；

K：根据步骤J中确定的每个点光源的最终振幅位相调节量A_p-F和最终位相调节量Φ_p-F，驱动每个振幅调节器和位相调节器，使得每个点光源产生上述最终振幅位相调节量和位相调节量。

L：针对步骤C中所确定的所有Q组体元，重复步骤D至K。

在上述步骤中，其中步骤A和步骤B是为了获得二维点光源阵列，并对每个点光源的初始振幅和初始位相进行标定。对每个立体显示装置，步骤A和步骤B需要出厂前完成。步骤C是把待显示的立体图像离散化，获得每个体元的位置以及振幅，同时把所有体元根据其亮度分成若干组以便于分时显示。步骤E中给每个体元赋予一个随机位相以及附加一个随机偏移量，是为了避免所生成的体元再次作为点光源产生次生体元，造成不需要的噪声。步骤F至步骤I是确定为产生每组体元每个点光源所需做出的总的复振幅调节量。步骤J是针对每个点光源的初始位相和初始振幅进行补，同时针对振幅调节器产生的附加相位进行补偿，获得每个点光源所需做出的最终振幅调节量和位相调节量偿。考虑到激光器的亮度，每个点光源所需做出的最终振幅调节量还需乘以一个比例因子，为了便于理解，这里假设该比例因子为1。步骤K是施加驱动电压给每个振幅调节器和位相调节器，使得每个点光源产生上述最终振幅位相调节量和位相调节量。完成步骤K后一组体元就会出现在空中预定位置。步骤L是对所有Q组体元进行分时显示。

 本发明与发明专利（专利号：ZL200810046861.8）中给出的方法相比，本发明增加了空分方法与时分方法，这样可以获得更好的图像对比度；其次本发明给每个体元赋予随机位相和随机偏移量，抑制了次生噪声体元的产生；再次本发明针对每个体元的位置进行了补偿，使得远近不同的体元都能达到预定亮度；另外本发明还针对采用电光材料的振幅调节器的特点进行相位补偿等。

Claims (11)

1.一种采用平面光波导回路的立体成像方法，是把三维立体像分解为离散像点，其特征在于：具体步骤如下： 

A、设计制作平面光波导回路，把相干光源发出的相干光转化为二维点光源阵列，且二维点光源阵列中每个点光源的位置呈随机分布，记第p个点光源的位置为r_p，同时在平面光波导回路中为每个点光源设计制作一个振幅调节器和一个位相调节器，以便对每个点光源的振幅和位相进行独立调节； 

B、在每个振幅调节器和位相调节器的驱动电压为零时，测定并记录步骤A中所产生的每个点光源的初始振幅A_p-0和初始位相Φ_p-0； 

C、将需要显示的三维立体图像离散化，得到每个体元的位置和亮度，设置每个体元的振幅A_v为其亮度的平方根；按照亮度从高到低的原则，把所有体元分成Q组； 

D、选取步骤C中的一组体元； 

E、对步骤D中选择的一组体元中的每个体元，对其位置附加一个随机偏移量，随机偏移量小于偏移前相邻体元间的平均间隔，同时为它赋予一个随机位相，得到每个体元的最终位置r_v和位相Φ_v； 

F、选取步骤E中的一个体元v； 

G、对步骤A中所产生的每个点光源p，如果它所发出的光锥覆盖步骤F中选定的体元v，计算点光源p到体元v的距离|r_p-r_v|，根据该距离设定该点光源的位相调节量，使得点光源p发出的光波到达体元v时的位相为步骤E中所设置的位相Φ_v，同时设定该点光源的振幅调节量使其正比于距离|r_p-r_v|与体元v的振幅A_v的乘积；把上述位相调节量和振幅调节量综合为复振幅调节量，如果体元v位于二维点光源阵列前方，点光源p为产生体元v所应做出的复振幅调节量为， 

A_p-v＝A_vexp(iΦ_v)[|r_p-r_v|exp(-i2π|r_p-r_v|/λ)]/P       (1)式(1)中P为参与产生体元v的所有点光源的数目； 

如果体元v位于二维点光源阵列后方，点光源p为产生体元v所应做出的复振幅调节量为， 

A_p-v＝A_vexp(iΦ_v)[|r_p-r_v|exp(i2π|r_p-r_v|/λ)]/P         (3) 

H、针对步骤D中所选择的一组体元中的所有体元，重复步骤F至G； 

I、对步骤A中所产生的每个点光源p，按照复振幅叠加原理，把在步骤D至步骤H中获得的点光源p为产生每个体元v所应做出的复振幅调节量A_p-v累加，得到点光源p为产生总共V个体元所需做出的总的复振幅调节量A_p，即， 

J、对步骤A中所产生的每个点光源p，把步骤I中所确定的总的振幅调节量A_p除以步骤B中所确定的该点光源的初始振幅A_p-0，得到该点光源的最终振幅位相调节量A_p-F＝A_p/A_p-0；从步骤I中所确定的总的位相调节量Φ_p中减去步骤B中所确定的该点光源的初始位相Φ_p-0，同时减除点光源p的振幅调节器为产生最终振幅调节量A_p-F所带来的附加位相增量Φ_p-A，得到该点光源的最终位相调节量Φ_p-F＝Φ_p-Φ_p-0-Φ_p-A； 

K、根据步骤J中确定的每个点光源的最终振幅位相调节量A_p-F和最终位相调节量Φ_p-F，驱动每个振幅调节器和位相调节器，使得每个点光源产生上述最终振幅位相调节量和位相调节量； 

L、针对步骤C中所确定的所有Q组体元，重复步骤D至K。 

2.一种实现权利要求1所述立体成像方法的采用平面光波导回路的立体成像装置，装置中有相干光源，其特征在于：由相干光源，平面光波导回路，导电玻璃前面板和背部驱动电路组成，导电玻璃前面板和背部驱动电路分别覆盖平面光波导回路的两侧；平面光波导回路包含干线光波导和N个支线光波导，干线光波导接收从相干光源发出的光波，N个支线光波导沿干线光波导分布； 

每个支线光波导由依次串接在一起的耦合器、振幅调节器、位相调节器和垂直转向器组成；耦合器从干线光波导耦合出一部分光能，背部驱动电路驱动振幅调节器和位相调节器，对耦合进入支线光波导的光波进行振幅和位相调节后送到垂直转向器，经过垂直转向器转向后垂直于平面光波导回路发射，产生一个点光源；设置垂直转向器的位置，使得所产生点光源的位置呈随机分布； 

所述耦合器采用方向耦合器或共振环耦合器； 

所述位相调节器为一段由电光材料制作的单模光波导，由背部驱动电路改变电光材料的折射率，使得光波的位相发生改变； 

所述垂直转向器有垂直转向器一、垂直转向器二两种；垂直转 向器一由微型平面反射镜构成，微型平面反射镜的反射面与平面光波导回路成45°夹角。 

3.根据权利要求2所述的采用平面光波导回路的立体成像装置，其特征在于干线光波导(6)采用串行或并行布局，采用串行布局的干线光波导(6)由单根或三根光波导组成，单根或三根光波导采用Z字型布局或螺旋形布局方式均匀覆盖整个平面光波导回路(2)。 

4.根据权利要求2或3所述的采用平面光波导回路的立体成像装置，其特征在于采用并行布局的干线光波导(6)包含一个平行光波导阵列和Y型分束器(8)或星型耦合器(9)；所述平行光波导阵列均匀覆盖整个平面光波导回路(2)；从相干光源(1)发出的光波通过Y型分束器(8)或星型耦合器(9)均匀分配到平行光波导阵列中的每根光波导。 

5.根据权利要求2或3所述的采用平面光波导回路的立体成像装置，其特征在于采用并行布局的干线光波导(6)包含一个平行光波导阵列和一根与其垂直的直线光波导，平行光波导阵列中的每根光波导通过一个共振环(10)与直线光波导相耦合；平行光波导阵列均匀覆盖整个平面光波导回路(2)；直线光波导接受从相干光源(1)发出的三基元色光波，设计每个共振环(10)的结构参数使得直线光波导中传输的三基元色光波依次耦合进入平行光波导阵列中的不同光波导。 

6.根据权利要求2或3所述的采用平面光波导回路的立体成像装置，其特征在于采用并行布局的干线光波导(6)包含一个平行光波导阵列和三根直线光波导，平行光波导阵列和三根直线光波导相互垂直且分别制作在两个相邻的平面中，平行光波导阵列中的每根光波导通过方向耦合器(11)轮流与三根直线光波导中的一根直线光波导相耦合，平行光波导阵列均匀覆盖整个平面光波导回路(2)；三根直线光波导分别接受从相干光源(1)发出的三基元色光波，设计每个方向耦合器的结构参数使得三根平行直线光波导中传输的三基元色光波依次耦合进入平行光波导阵列中的不同光波导。 

7.根据权利要求2所述的采用平面光波导回路的立体成像装置，其特征在于振幅调节器(13)由相邻放置且相互平行的输入单模光波导一(16)和输出单模光波导一(17)组成，输入单模光波导一(16)或输出单模光波导一(17)部分采用电光材料制作；由背部驱动电路改变电光材料的折射率，从而改变输入单 模光波导一(16)和输出单模光波导一(17)之间的耦合系数，使得从输出单模光波导一(17)输出的光波的振幅发生改变。 

8.根据权利要求2所述的采用平面光波导回路的立体成像装置，其特征在于振幅调节器(20)由输入单模光波导二(23)、输出单模光波导二(24)和环形单模光波导(18)组成，环形单模光波导(18)位于输入单模光波导二(23)和输出单模光波导二(24)之间，环形单模光波导(18)采用电光材料制作，输入单模光波导二(23)中传输的光波通过环形单模光波导(18)耦合到输出单模光波导二(24)，由背部驱动电路改变电光材料的折射率，从而改变输入单模光波导二(23)和输出单模光波导二(24)之间的耦合系数，使得从输出单模光波导二(24)输出的光波的振幅发生改变。 

9.根据权利要求2所述的采用平面光波导回路的立体成像装置，其特征在于垂直转向器二(22)由一个表面光栅(27)组成，设计表面光栅(27)的结构参数，使得从位相调节器(14)输出的光波经过90°转向后垂直于平面光波导回路(2)向外发射。 

10.根据权利要求2或9所述的采用平面光波导回路的立体成像装置，其特征在于透明导电玻璃前面板(3)由蒸镀有金属导电薄膜(26)的透明平板玻璃组成，金属导电薄膜(26)蒸镀在与平面光波导回路(2)相邻的一侧，金属导电薄膜(26)上刻蚀有N个透光微孔(28)；每个透光微孔对准一个垂直转向器一或二，并位于垂直转向器一或二正前方，使得从垂直转向器一或二发射的光波能够穿过导电玻璃前面板(3)。 

11.根据权利要求2所述的采用平面光波导回路的立体成像装置，其特征在于在导电玻璃前面板(3)前装微透镜阵列板(29)，设计每个微透镜的结构参数，使其覆盖2个以上点光源。