CN105700320B - 一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置，显示装置由激光光源、偏振调制器件、分光棱镜、空间光调制器、计算机、透镜、基于像素型纳米光栅的定向衍射屏构成。获取目标物体的多视角二维图像，经预处理变换过程后生成一组用于位相型全息图计算的图像阵列。应用迭代傅里叶变换算法计算相应的位相型全息图，并将全息图加载到空间光调制器中，利用激光光源照射全息图得到全息再现像。设计并制作基于像素型纳米光栅的定向衍射屏，将相应的再现像像素定向衍射到固定的位置，形成不同的视点。结合空间光调制器对全息图的快速刷新加载，实现目标物的多视角全视差动态全息三维再现，为裸眼三维显示技术的应用提供切实可行的方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维显示方法，具体涉及一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置，属于计算全息与三维显示领域。
背景技术
三维显示是现代显示技术发展的重要目标，裸眼三维显示技术以其不需要佩戴任何助视设备即可获得三维显示效果，并且更符合人们的观察需求，是未来三维显示技术的发展方向。近年来，裸眼三维显示技术越来越受到研究者们的热爱，目前较为成熟的裸眼三维显示技术有视差屏障技术和柱透镜阵列技术。从效果上看，无论是从视角、亮度还是串扰上分析，这两项裸眼技术都尚有许多地方有待优化，比如观看时视角范围窄、图像分辨率低、串扰大等等一系列难以解决的问题。
现阶段，学者们提出了很多种裸眼三维显示的实现方法，大致分为全息方法和体视方法两类。
全息方法是指利用全息记录与再现的原理，将三维物体的全部信息（包括振幅信息和位相信息）重现出来，实际上是一种三维物体波前重建的方法，能够实现逼真的三维显示效果，可以提供人眼所需的全部立体感知。例如，1976年10月，苏联首次放映了全息电影，光源是每秒二十次的红宝石激光，记录软片是70mm的Agfa10E75软片，全息图像被投影到全息屏幕上，可供四个人同时观看，放映时间为2min，内容是手持鲜花的女孩全身像，她从屏幕的右方通过屏幕，观众可以摆动头部看到鲜花后面女孩的脸。但是，由于全息电影拍摄的是运动物体，需要脉冲激光器拍摄，目前的激光器制作水平还很难达到拍摄大场景和拍摄彩色全息电影的要求，并且通常全息图孔径有限，只有很少的观察者能同时观察到全息像，使得全息电影的发展受到极大的限制。
体视方法是指为人的双眼提供两幅具有位差的图像，映入双眼后即形成立体视觉所需的视差，经过视神经中枢的融合反射以及视觉心理反应，产生三维立体感觉，主要包括以下几种方式：基于全息光学、基于几何光学和基于衍射光学元件。
1、基于全息光学：利用全息记录与再现的原理，将三维物体的多幅具有视差的二维图像重现出来，形成不同的视点，产生三维显示效果。例如，2010年Nature杂志报道了美国Blanche等在光折变聚合物中实现了刷新时间为2s的近实时动态全息显示成果，显示尺寸为4英寸×4英寸。其显示原理如下：将三维物体若干个视角的二维图片进行预处理得到的图片依次加载到空间光调制器上形成物光波，在记录介质上与参考光波干涉形成一个全息单元，称为Hogel。控制记录介质的移动进行下一幅图片的记录，依次进行下去就可以得到一幅由全息单元组成的全息体视图。读出光再现时会将三维物体若干个视角的图片再现出来，人眼观察时就会有立体感。引入擦除光后可将之前介质上记录的信息擦除，为下一幅图像的显示做准备。但是，全息技术一方面受限于海量的运算数据量和缓慢的运算速度等技术环节的制约，另一方面受到全息记录介质本身材料性能的影响，主要包括材料的响应速度、刷新速率、衍射效率及制作成本的影响，使得此技术至今不能满足实时、动态的视频显示需求，限制了其作为主流显示技术的应用。
2、基于几何光学：利用几何光学原理设计背光结构，使入射到背光结构的光线，经过反射、折射后，出射光具有方向性，能够准确地投射到双眼中，同时搭配液晶显示屏（LCD）上的图像时序刷新技术来实现裸眼三维显示。例如，2005年中国台湾Yu-Mioun Chu提出利用两个契形结构导光板、两组光源和一个吸收层来制作契形沟槽结构，利用光线在契形沟槽上的全反射使光线以一定角度出射，并且控制光源的轮流切换与LCD的图像刷新匹配，可以实现裸眼三维显示。2009年日本John c.Schultz等人利用导光板、3D薄膜（由棱镜和透镜组成）、吸收层等结构配合刷新速率达到120Hz的液晶显示屏实现高分辨率的裸眼三维显示。但是，基于几何光学原理设计出的三维显示系统往往结构复杂，其微结构的加工精度与复杂度要求较高，并且这类结构多数只能实现两个方向的指向性背光，使得观看时的视角范围受到极大的约束，限制了其应用范围。
3、基于衍射光学元件：利用衍射光学原理，设计出衍射导光元件，使入射到元件上的光线定向导出，同时结合图像的刷新，实现裸眼三维显示。例如，2013年惠普公司提出波导背光照明下的像素型纳米光栅指向性背光结构，结合液晶显示（LCD）技术可以实现大视场、全视差、高分辨率的彩色裸眼3D显示，其结果在Nature杂志上发表，引起了业界的广泛关注。这种新型的结构主要由导光板、准直光源、光源耦合装置、纳米光栅像素等组成。准直光线通过耦合装置以特定的角度入射到纳米光栅像素表面，通过设计特定的周期、取向角的纳米光栅，可以精确地调控其出射方向，实现光线的定向导出，并且其方向调制范围大，调制精度高，对应的3D显示系统视角大、串扰小。而且，结合LCD图像刷新技术，此系统可以实现动态三维显示的效果。但是，为实现真彩色显示，文章中采用六边形结构导光板实现红、绿、蓝三色光的定向导出，然而这种六边形导光板与现有的平板显示方式不匹配。并且，采用电子束曝光的方法制备纳米光栅，其制备效率低、成本高，同样也会限制其在显示方面的应用。
在国内，有关动态全息三维显示的研究尚处于起步阶段，并没有较为成熟的样机和工程应用。针对这种情况，本发明提出了一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置，旨在实现多视角动态全息裸眼三维显示。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置。基于全息三维显示的原理，克服现有技术中运算数据量大、空间带宽积不足、计算速度缓慢、难以实现动态三维显示等缺点，旨在设计出基于空间光调制器的动态全息三维显示装置，实现动态全息三维显示。
为实现上述发明目的，本发明实现动态全息三维显示的原理是：通过将计算全息与双目视差的原理结合，以空间光调制器的全息再现像为三维物体的二维视差图像的载体，利用基于像素型纳米光栅的定向衍射屏为定向分光元件将若干个二维视差图像分离开来，形成不同的视点，实现三维立体显示。目前，商用的硅基液晶空间光调制器（LCOS）的刷新速率达到60Hz或者更高，高于动态视频显示的刷新速率要求（25Hz）。因此，通过计算全息的方法将对应的视差图像的位相型全息图计算出来，在全息再现系统的空间光调制器中不断刷新加载已经计算好的位相型全息图，可以分时地得到一系列全息再现像，经过定向衍射屏定向导光后分离到不同的视点，人的双眼不断地观察到不同的视差图像，产生动态的三维显示效果。
具体地，本发明采用的技术方案是：
一种基于空间光调制器的全息三维显示方法，包括以下步骤：
1).三维目标物体多视角二维图像的获取与预处理步骤：利用摄像机扫描拍摄或者使用计算机图形学的方法获得三维物体在一个视角范围内的全视差图像序列，并将此全视差图像序列作为计算全息图的数据源；
2).位相型全息图的获取步骤：根据衍射理论编程计算获得三维目标物体多视角二维图像对应的位相型全息图；
3).定向衍射屏的设计与制作步骤：根据视点的位置和数目，利用广义光栅方程计算相应的像素型纳米光栅的周期和沟槽取向，设计像素型纳米光栅的结构分布，利用连续紫外变空频光刻系统制作基于像素型纳米光栅的定向衍射屏；
4).全息再现步骤：搭建以空间光调制器为核心器件、基于像素型纳米光栅的定向衍射屏为定向分光器件的全息再现显示系统，人的双眼在观察平面处接收全息再现的像。
上述技术方案中，步骤1)中所述的摄像机扫描拍摄是，使用单个CCD摄像机沿水平方向和垂直方向运动拍摄目标物；或者，由多个CCD摄像机组成的二维阵列在不同角度拍摄。
步骤1)中，图像预处理变换过程分为两个步骤，水平方向变换与竖直方向变换，在变换之前，对采样得到的原始图像进行编号，将采样得到的所有二维图像编组为一个二维图像阵列，维数为 I×J，每一幅图像编号为对应水平方向的位置，对应垂直方向，每一幅图像维数相同，为，即图像的像素数为，在水平方向变换过程中，将水平方向维数为的以向量的方式表示为，其中向量是一个阶向量，表示图像矩阵中第列像素，从中提取某一像素列、从全部二维图像阵列中提取个像素列，组成一幅新图像；在竖直方向变换过程中，将竖直方向维数为的以向量的方式表示为，表示对矩阵进行转置，其中向量是一个阶水平向量，表示图像矩阵中第行像素，从中提取某一像素行、从全部图像二维阵列中提取个像素行，组成一幅新图像；将生成的图像序列用于位相型全息图的计算。
步骤2)中所述位相型全息图为基于迭代傅里叶变换算法原理计算出来的位相型全息图，供空间光调制器加载。
所述的步骤4)中全息再现过程，控制空间光调制器对位相型全息图的刷新加载，再现出目标物的多视角全视差动态全息三维图像。
基于上述方法，本发明提供一种基于空间光调制器的全息三维显示装置，包括用于加载全息图的空间光调制器、激光光源、用于调制光偏振态的偏振调制器件、用于将通过偏振调制器件的光反射到空间光调制器的分光棱镜、透镜、定向衍射屏，定向衍射屏上设置像素型纳米光栅，分光棱镜、透镜、定向衍射屏依次设置在空间光调制器的光轴心线上，定向衍射屏在光轴上的位置与空间光调制器上加载的全息图的再现像面位置以及透镜的后焦面位置重合。
上述技术方案中，所述的空间光调制器为反射型或者透射型，调制模式为相位调制。
优选的技术方案，所述的空间光调制器为由若干个空间光调制器拼接成的空间光调制器阵列。
所述的偏振调制器件为偏振片或二分之一波片。
所述的像素型纳米光栅周期为0.3~3微米。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、与基于全息单元(Hogel)原理的体视三维显示相比，利用空间光调制器对全息图的快速刷新加载，能够实现多视角全视差动态全息三维显示，更加符合人眼的观察习惯；
2、与基于全息单元(Hogel)原理的体视三维显示相比，利用基于像素型纳米光栅的定向衍射屏作为分光元件，提高了空间带宽积，由于纳米光栅结构周期可做到300纳米，对可见光波长来说，在不同入射角度下的衍射角度可以达到90度，对应视点的张角可接近180度，实际能达到150度，因此本发明中的三维显示方法对应的观察视角大，而且视角不仅局限于水平移动观察，还能够旋转观察；
3、与基于几何光学原理的体视三维显示相比，利用基于像素型纳米光栅的定向衍射屏作为分光元件，对入射光进行波前转换，在衍射屏前方形成会聚视点，可以确保各视角图像之间在空间互不串扰，提升了图像分离的准确性；
4、与基于衍射光学元件的体视三维显示相比，本发明中利用空间光调制器加载全息图再现得到二维视角图像，属于频域处理，而无论是利用图像掩膜还是利用液晶显示屏（LCD）直接显示图像都属于空域处理，因此本发明对应的三维显示方法在频域中处理图像相较于空域更加灵活、方便；
5、与基于衍射光学元件的体视三维显示相比，本发明中用若干个空间光调制器拼接成空间光调制器阵列代替单个空间光调制器，有利于提高空间带宽积，属于频域拼接，有效地扩大了再现图像的信息量，实现全息再现像的图像拼接，也即是实现目标物的多视角拼接。
附图说明
图1为基于空间光调制器的动态全息三维显示的技术路线图；
图2为迭代傅里叶变换算法(IFTA)原理图；
图3为显示平面和观察平面之间的坐标位置关系图；
图4为定向衍射屏定向导光的示意图；
图5为基于空间光调制器的动态全息三维显示系统装置图；
图6为基于空间光调制器阵列的动态全息三维显示系统装置图。
其中： I为全息图的振幅分布，I’为全息图的约束振幅，O为再现像的振幅分布，O’为目标图像的振幅分布，为全息图的相位分布，为再现像的相位分布，FFT为快速傅里叶变换，IFFT为快速傅里叶逆变换，e为数学常数；xyz为空间直角坐标系，A（x,y,0）为显示屏上某个像素，B(x1,y1,z)为观察屏上某个视点，两个屏幕相差z距离；
1、激光光源；2、偏振调制器件；3、分光棱镜；4、空间光调制器；5、全息图；6、计算机；7、透镜；8、全息再现像；9、定向衍射屏；10、纳米光栅像素；11、观察平面；12、空间光调制器阵列。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：一种基于空间光调制器的全息三维显示方法，图1是整体技术路线图，包括以下步骤：
步骤1)，三维物体多视角二维图像的获取与预处理。利用摄像机扫描拍摄或者使用3DS MAX、Maya等商业软件由计算机图形学的方法均可获得三维物体在一个视角范围内的全视差图像序列，作为计算全息图的数据源。
步骤2)，位相型全息图的计算。应用迭代傅里叶变换算法(IFTA)编程计算相应的位相型全息图。
步骤3)，定向衍射屏的设计与制作。根据视点的位置和数目，利用广义光栅方程计算相应的光栅像素周期和沟槽取向，调节槽深、占空比等参数优化衍射效率，建立像素型纳米光栅模型，利用连续紫外变空频光刻系统制作基于像素型纳米光栅的定向衍射屏。
步骤4)，全息再现。搭建以空间光调制器为核心器件，基于像素型纳米光栅的定向衍射屏为定向分光器件的全息显示系统进行全息再现实验，控制空间光调制器对位相型全息图的刷新加载，实现动态全息三维显示的效果。用若干个空间光调制器拼接成空间光调制器阵列代替单个空间光调制器，提高空间带宽积，实现全息再现像的图像拼接，也即是实现目标物的多视角拼接。
步骤1)中所述的三维物体多视角二维图像，由单个CCD摄像机沿水平方向和垂直方向运动拍摄目标物获得，或者由多个CCD摄像机组成的二维阵列在不同角度拍摄获得，也可以采用计算机图形学的方法，由目标物的三维模型直接获取。
步骤1)中所述的图像预处理变换分为两个步骤，首先进行水平方向的变换，然后进行竖直方向变换，并且这两个过程可交换先后顺序。在变换之前，需要对采样得到的原始图像进行编号，将采样得到的所有二维图像编组为一个二维图像阵列，维数为，每一幅图像编号为对应水平方向的位置，对应垂直方向，每一幅图像维数相同，为，即图像的像素数为。
在水平方向变换过程中，将水平方向维数为M的X ij 以向量的方式表示为，其中向量X ijk 是一个N阶向量，表示图像矩阵X ij 中第K列像素，因此，此时是由M个像素列拼成的一幅二维图像。水平方向变换的过程是：从中提取某一像素列、从全部二维图像阵列中提取I个像素列，组成一幅新图像，例如，当J=1，提取中的每一个第1列，依次排列为，组成新图像矩阵，记为Y11；提取中的每一个第2列，依次排列为，组成新图像矩阵，记为Y12；依次类推，直到。此时得到一组新的二维图像序列，。对每一个，重复以上步骤，则可得到J组新的二维图像序列。图像阵列的水平变换可以表示为：
竖直方向的变换原理和水平方向变换过程类似，在竖直方向变换过程中，将竖直方向维数为的以向量的方式表示为，表示对矩阵进行转置，其中向量是一个阶水平向量，表示图像矩阵中第行像素，因此，此时是由个像素行拼成的一幅二维图像。竖直方向变换的过程是：从中提取某一像素行、从全部图像二维阵列中提取个像素行，组成一幅新图像，具体过程和水平方向变换类似，直到得到一组新的二维图像序列，。图像阵列的竖直变换可以表示为：
此时的图像阵列将适用于位相型全息图的计算。
步骤2)中所述的迭代傅里叶变换算法(IFTA)原理如图2所示，通过多次傅里叶变换及其逆变换的迭代操作，直到再现像面上得到的振幅分布与所期望得到的振幅分布的相似程度达到预期为止，即是使再现像面（傅里叶变换面）输出所需的目标图像，这时获得全息面上的位相分布，即可得到目标图像对应的位相型全息图。
步骤3)中所述的光栅像素周期和沟槽取向的计算方法如下：根据视点的位置和数目，计算每个光栅像素的周期和沟槽取向，具体可以建立显示平面光栅像素坐标与观察平面视点坐标的对应关系，如图3所示，A（x,y,0）为显示屏上某个像素，B(x 1 ,y 1 ,z)为观察屏上某个视点，两个屏幕相差z距离，为使显示屏上单幅视角图像全部聚焦于视点B处，需要对屏幕上各像素的周期和取向作分析。假设入射光线波长为λ，入射角度为θ，波导折射率为n，根据坐标可知：A点的衍射角（衍射波矢量与z轴正方向的夹角）为θ 1 ，衍射方位角（衍射波矢量在xy平面的投影与x轴正方向的夹角）为，则：
同时由广义光栅方程可以求出：
其中，Λ为光栅周期，为光栅取向角（沟槽与y轴正方向的夹角）
由（1）、（2）、（3）、（4）可以求出每个坐标对应的光栅像素的光栅周期和取向角：
依据此方法计算出每个坐标对应的光栅像素周期和沟槽取向后，可利用连续紫外变空频光刻系统高效地制作出基于像素型纳米光栅的定向衍射屏，而定向衍射屏定向导光的示意图如图4所示，入射光射入衍射屏后，每个像素型光栅将对应的入射光衍射到固定的方向，实现定向导光。
步骤4)中所述的以空间光调制器为核心器件，基于像素型纳米光栅的定向衍射屏为定向分光器件的全息显示系统的装置图如图5所示，包括1-激光光源，2-偏振调制器件，3-分光棱镜，4-空间光调制器，5-全息图，6-计算机，7-透镜，8-全息再现像，9-定向衍射屏，10-纳米光栅像素，11-观察平面。在全息再现实验中，激光光源发出的光波通过偏振调制器件，偏振调制器件对入射光的偏振态进行调制，得到的偏振光通过分光棱镜后入射到空间光调制器中。空间光调制器和生成全息图的计算机通过数据线连接。再现光波通过加载有全息图的空间光调制器后衍射光波经分光棱镜和透镜后成像于透镜的后焦面，即全息再现像面。而在此位置处，设有预先设计制作完成的定向衍射屏，定向衍射屏中的纳米光栅像素将对应的再现像像素衍射到固定的位置，形成不同的视点。人的双眼在由视点组成的观察平面内即可观察到不同的视差图像，产生立体感。伴随着空间光调制器对全息图的快速刷新加载，人的双眼即可观察到动态全息三维显示的效果。
步骤4)中所述的用空间光调制器阵列12代替单个空间光调制器4的全息显示系统的装置图如图6所示，用若干个空间光调制器拼接成空间光调制器阵列来提高空间带宽积，实现全息再现像的图像拼接，也即是实现目标物的多视角拼接。
综上所述，本发明公开了一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置。在本发明中，利用空间光调制器的全息再现像定向分离实现了三维显示，结合空间光调制器刷新加载全息图可以实现动态全息三维显示，具有刷新速度快、串扰小、视角大等特点。
Claims (10)
1.一种基于空间光调制器的全息三维显示方法，包括以下步骤：
1).三维目标物体多视角二维图像的获取与预处理步骤：利用摄像机扫描拍摄或者使用计算机图形学的方法获得三维物体在一个视角范围内的全视差图像序列，并将此全视差图像序列作为计算全息图(5)的数据源；
2).位相型全息图(5)的获取步骤：根据衍射理论编程计算获得三维目标物体多视角二维图像对应的位相型全息图；
3).定向衍射屏(9)的设计与制作步骤：根据视点的位置和数目，利用广义光栅方程计算相应的像素型纳米光栅(10)的周期和沟槽取向，设计像素型纳米光栅(10)的结构分布，利用连续紫外变空频光刻系统制作基于像素型纳米光栅(10)的定向衍射屏(9)；
4).全息再现步骤：搭建以空间光调制器(4)为核心器件、基于像素型纳米光栅(10)的定向衍射屏(9)为定向分光器件的全息再现显示系统，人的双眼在观察平面(11)处接收全息再现的像。
2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的全息三维显示方法，其特征在于：步骤1)中所述的摄像机扫描拍摄是，使用单个CCD摄像机沿水平方向和垂直方向运动拍摄目标物；或者，由多个CCD摄像机组成的二维阵列在不同角度拍摄。
3.根据权利要求1或2所述的基于空间光调制器的全息三维显示方法，其特征在于：步骤1)中，图像预处理变换过程分为两个步骤，水平方向变换与竖直方向变换，在变换之前，对采样得到的原始图像进行编号，将采样得到的所有二维图像编组为一个二维图像阵列，维数为，每一幅图像编号为对应水平方向的位置，对应垂直方向，每一幅图像维数相同，为，即图像的像素数为，在水平方向变换过程中，将水平方向维数为M的X ij 以向量的方式表示为，其中向量Xijk是一个N阶向量，表示图像矩阵Xij中第k列像素，从中提取某一像素列、从全部二维图像阵列中提取个像素列，组成一幅新图像；在竖直方向变换过程中，将竖直方向维数为N的Y ij 以向量的方式表示为，T表示对矩阵进行转置，其中向量Y ijk 是一个M阶水平向量，表示图像矩阵Yij中第k行像素，从中提取某一像素行、从全部图像二维阵列中提取J个像素行，组成一幅新图像；将生成的图像序列用于位相型全息图的计算。
4.根据权利要求1或2所述的基于空间光调制器的全息三维显示方法，其特征在于：步骤2)中所述位相型全息图为基于迭代傅里叶变换算法原理计算出来的位相型全息图，供空间光调制器加载。
5.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的全息三维显示方法，其特征在于：所述的步骤4)中全息再现过程，控制空间光调制器对位相型全息图的刷新加载，再现出目标物的多视角全视差动态全息三维图像。
6.一种基于空间光调制器的全息三维显示装置，包括用于加载全息图(5)的空间光调制器(4)、激光光源(1)、用于调制光偏振态的偏振调制器件(2)、用于将通过偏振调制器件(2)的光反射到空间光调制器(4)的分光棱镜(3)、透镜(7)、定向衍射屏(9)，其特征在于：定向衍射屏(9)上设置像素型纳米光栅(10)，分光棱镜(3)、透镜(7)、定向衍射屏(9)依次设置在空间光调制器(4)的光轴心线上，定向衍射屏(9)在光轴上的位置与空间光调制器(4)上加载的全息图(5)的再现像面位置以及透镜(7)的后焦面位置重合。
7.根据权利要求6所述的基于空间光调制器的全息三维显示装置，其特征在于：所述的空间光调制器(4)为反射型或者透射型，调制模式为相位调制。
8.根据权利要求6或7所述的基于空间光调制器的全息三维显示装置，其特征在于：所述的空间光调制器(4)为由若干个空间光调制器拼接成的空间光调制器阵列。
9.根据权利要求6或7所述的基于空间光调制器的全息三维显示装置，其特征在于：所述的偏振调制器件(2)为偏振片或二分之一波片。
10.根据权利要求6或7所述的基于空间光调制器的全息三维显示装置，其特征在于：所述的像素型纳米光栅(10)周期为0.3~3微米。
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