CN106773590B - 一种基于多个数字微镜器件的全息显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于多个数字微镜器件的全息显示系统，包括图像处理与控制器、至少两个数字微镜器件、光源发射系统、光束扩展与分光系统，和立体成像装置。本发明通过对三维物体的全息图进行了进一步变换，生成多幅相互不同的次级图像并配合多个数字微镜器件使用，可以使目标衍射级次相干叠加，并且通过调整次级图像和数字微镜器件的位置等，可以使目标项在显示空间内重合，其他干扰项互不重合，从而目标项亮度明显高于非目标级次，大大增加了重建像的对比度，保证了目标项的相对强度较单片数字微镜器件有了数倍的提高，增加了三维系统的重建效果。
Description
技术领域
本发明涉及三维图像显示技术领域，尤其涉及一种基于多个数字微镜器件的全息显示系统。
背景技术
自从拍摄技术和放映技术被发明以来，二维场景的获取和重建已经得到了长足的发展与进步。但是，人类从未停止对三维显示领域的研究，因为这会让人类有更为身临其境的视觉感受。三维显示技术发展至今，已有助视三维显示、光栅三维显示、集成三维显示、体三维显示和全息三维显示等不同实现方法。其中，全息三维显示是近年来的研究热点。
全息技术既包含光波的强度信息，也囊括了光波的相位信息。与传统的三维显示技术相比，全息三维成像不仅具有横向三维效果，也具有纵向三维效果，而且能有效避免人眼的辐辏冲突，被认为是真正的三维显示。此外，全息三维显示一般来说，不用带3D眼镜，没有深度反转等问题，也极少有串扰，因此被认为是一种非常理想的三维显示方案。而且，在计算机技术的帮助下，全息三维显示不仅可以显示真实拍摄的物体，也可以显示计算得到的虚拟场景，且具有可重复性强、灵活度高等诸多优点，因此正被越来越多的人所关注。
全息三维显示系统中，最为关键部分是空间光调制器(Spatial LightModulator,即SLM)。目前，用于全息显示领域的SLM有LCD、硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon,即LCoS)和数字微镜器件(Digital Micro-Mirror Device,即DMD)等几种主要类型。其中，数字微镜器件不仅具有衍射效率高、分辨率选择多等特点，还具有其他一些其他SLM所不具备超快响应速度。这使得数字微镜器件拥有较高的空间带宽积，因此常常得到使用。但是，由于数字微镜器件的灰度调制特性，它不可避免要受到共轭赝像和直流光斑的影响，导致了最终像质和对比度的下降。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于多个数字微镜器件的全息显示系统，以实现增强目标重建像的显著性、降低无关像干扰，提高三维全息显示系统的显示效果。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，包括图像处理与控制器、至少两个数字微镜器件、光源发射系统、光束扩展与分光系统，和立体成像装置；所述图像处理与控制器生成单色全息图和相应次级图像，并将所述次级图像发送到与其对应的所述数字微镜器件上加载，所述图像处理与控制器与所述光束扩展与分光系统连接，并控制所述光源发射系统到所述数字微镜器件之间光路的打开和闭合，以使所述光源发射系统发射的单色光源与所述数字微镜器件加载的次级图像颜色一致；所述光源发射系统，用于发射单色光源，照射所述数字微镜器件产生衍射图像；所述光束扩展与分光系统，用于提供从所述光源发射系统到所述数字微镜器件之间的光路；所述立体成像装置，用于将由每个所述数字微镜器件得到的衍射图像叠加成像并显示。
进一步的，所述次级图像是由所述单色全息图经由如下方式中的至少一者得到的包括平移、旋转、伸缩和相位坐标变换。
进一步的，所述数字微镜器件的数目大于或等于生成的次级图像的总数目。
进一步的，所述光源发射系统可以采用激光光源，或者是带有准直和滤波模块的LED光源。
进一步的，图像处理与控制器包括一计算机和一同步控制电路，所述计算机将次级图像发送并存储到所述同步控制电路中。
进一步的，所述光源发射系统包括第一光源、第二光源和第三光源；分别为红光、绿光和蓝光。
进一步的，所述同步控制电路，用于：当某一数字微镜器件加载的是由红色分量全息图处理后的次级图像时，控制打开所述红光光源并关闭绿光光源和蓝光光源；当某一数字微镜器件加载的是由绿色分量全息图处理后的次级图像时，控制打开所述绿光光源并关闭红光光源和蓝光光源；当某一数字微镜器件加载的是由蓝色分量全息图处理后的次级图像时，控制打开所述蓝光光源并关闭红光光源和绿光光源。
进一步的，所述光束扩展与分光系统包括三个通断控制器、第一平面镜、第二平面镜和一X型合光镜，用于对单色光源分别选取，所述通断控制器受所述同步控制电路控制；所述第一光源发出的光束经过所述第一平面镜到达所述X型合光镜，所述第二光源发出的光束直接到达X型合光镜，所述第三光源发出的光束经过所述第二平面镜到达X型合光镜。
进一步的，所述光束扩展与分光系统还包括一100μm针孔、一凸透镜、若干个偏振分光镜和若干个平面镜，用于提供从所述X型合光镜到每个数字微镜器件的光路并使光束得以扩展；从X型合光镜发出的单色光束依次经过所述100μm针孔、所述凸透镜、所述若干个偏振分光镜和所述若干个平面镜到达某一数字微镜器件。
进一步的，由所述单色全息图得到的相应次级图像，其加载在数字微镜器件的显示时间要大于相应单色光源的照射时间。
本发明的有益效果是：经数字微镜器件衍射后得到的光波成像均带有目标项、直流项和共轭项三项信息，而直流项和共轭项是干扰信息，一般的的全息显示系统没有排除这些干扰项。而本系统对三维物体的全息图进行了进一步变换，生成多幅相互不同的次级图像并配合多个数字微镜器件使用，可以使目标衍射级次相干叠加，并且通过调整次级图像和数字微镜器件的位置等，可以使目标项在显示空间内重合，其他干扰项互不重合，从而目标项亮度明显高于非目标级次，大大增加了重建像的对比度，保证了目标项的相对强度较单片数字微镜器件有了数倍的提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于多个数字微镜器件的全息显示系统的系统框图。
图2是本发明实施例提供的基于多个数字微镜器件的全息显示系统的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示为本发明实施例的系统框图，提出了一种基于多个数字微镜器件的全息显示系统，包括图像处理与控制器、光源发射系统、光束扩展与分光系统、立体成像装置和至少两个数字微镜器件。光源发射系统包括第一光源、第二光源和第三光源。图像处理与控制器与光束扩展与分光系统相连接，图像处理与控制器分别和多个数字微镜器件相连接。
通过该系统，可以生成高对比度的三维物体重建像。在该系统中，各个组件的主要功能是：图像处理与控制器可以生成三维重建物体各个单色分量的全息图，将各全息图按照要求分解为若干幅次级图像，并把这些图像发送到相应的数字微镜器件上加载。同时又是光源发射系统与每个数字微镜器件的同步电路，其作用是使任意时刻出射的单色光与多个数字微镜器件上加载的次级图像保持同步。次级图像按照要求分解是指根据不同单色光的不同波长，所加载在不同数字微镜器件的不同位置和角度，所突出最终再现像的不同内容，对每种单色分量的全息图作进一步变化，需要用到的方法包括但不限于平移、旋转、伸缩和相位坐标变换。生成的全息图通常必须有所区别，互不相同。光源发射系统采用三基色光源，三色光的存在才可以使系统生成彩色的重建像。光束扩展与分光系统负责对单色光源的光路进行分解、聚合与转折，用于提供从每个光源到相应数字微镜器件的光路并对光束做扩展。数字微镜器件为该系统的核心元件，每个数字微镜器件分时加载相应的次级图像，并通过对入射光束的反射调制光波，达到光重建的目的。所述分时加载是指光束扩展与分光系统受图像处理与控制器控制，对光路进行打开和闭合，以使相应的单色光源照射在相应的数字微镜器件上产生衍射图像。具体的，当某一数字微镜器件加载的是由红色分量全息图处理后的次级图像时，控制打开所述红光光源并关闭绿光光源和蓝光光源；当某一数字微镜器件加载的是由绿色分量全息图处理后的次级图像时，控制打开所述绿光光源并关闭红光光源和蓝光光源；当某一数字微镜器件加载的是由蓝色分量全息图处理后的次级图像时，控制打开所述蓝光光源并关闭红光光源和绿光光源。在变型实施例中，在图像重建时为了减小由视觉延迟产生的各色分量相互干扰，数字微镜器件上每个单色分量次级图像的显示时间要大于相应单色的光照时间，即留有一定的占空比。为了更好的显示效果，在一次完整全息显示过程中，每个数字微镜器件仅用于加载一个次级图像，因此数字微镜器件的数目应该大于或等于生成的次级图像的总数目。图像处理器生成的次级图像的数目并不固定，可以按照需求任意设置，最小可只有两幅次级图像。严格来说，次级图像数目越多，重建像的对比度就越高。立体成像装置，用于承接三维光场信息，将由每个数字微镜器件得到的衍射图像叠加成像并最终显示。
基于多个数字微镜器件的全息显示系统的工作原理如下：通过使用多个数字微镜器件(即DMD)，在相同时刻下，不同的DMD上加载的次级图像是完全不同的。此时，对全息图作变换生成次级图像的操作主要为相位变换，其某一个典型变换过程(以使用两块DMD为例)如下：首先，假设生成的全息图分布为其中A(x,y)为振幅信息，为相位信息。其次，对该全息图进行变换，分别设置两个相位和且
再设一个新的光分布，这个光分布是我们前述提到的“次级图像”。
这里，C是一个任意的常数。但是需要注意的是，E1和E2中的C要完全相等。当相干光照射这两幅全息图时，反射和衍射出的光会在空间相干叠加，行成新的光场。此时，E1(x,y)+E2(x,y)＝E(x,y)。这就相当于两个次级图像在重建后，效果与一幅原全息图的效果是一致的。然而，与单纯的使用一幅全息图相比，因为将一个零级衍射斑分成了N个，每一个斑的亮度下降为可以有效地降低零级衍射的亮度，但是重建像的亮度并没有降低。这是因为由N个不同的DMD衍射光叠加，目标像的对比度大大增加了。此外，由于增加了多块DMD，我们可以对每块DMD上的信息做不同的处理，可以拥有比单个DMD更多的自由度。
如图2所示，图像处理与控制器包括一计算机11和一同步控制电路12，所述同步控制电路还具有存储功能，所述计算机11将生成的次级图像发送并存储到同步控制电路12中。光源发射系统中的光源可以是采用三个独立的激光作为光源，也可以采用带有准直和滤波模块的三色LED作为光源。三个光源采用三基色，分为第一光源21、第二光源22和第三光源23。例如第一光源21为红光光源，第二光源22为绿光光源，第三光源23为蓝光光源。三个光源同方向并平行放置。光束扩展与分光系统中包括三个通断控制器24、两个平面镜31和一X型合光镜32，用于对单色光源分别选取，通断控制器24受同步控制电路12控制；第一光源21发出的光束经过第一平面镜31a到达X型合光镜32，第二光源22发出的光束直接到达X型合光镜32，第三光源23发出的光束经过第二平面镜31b到达X型合光镜。当光源为激光时，此时通断控制器24是可控制的高速电子快门；当光源为LED光时，因为LED的响应速度远远快于激光，此时通断控制器24是LED驱动电路。光束扩展与分光系统中从X型合光镜32到各个数字微镜器件41的光路还包括一100μm针孔33、一凸透镜34、若干个偏振分光镜35和若干个平面镜31。从X型合光镜32发出的单色光束依次经过100μm针孔33、凸透镜34、若干个偏振分光镜35和若干个平面镜31到达某一数字微镜器件41。其中，100μm针孔33放置于凸透镜34的焦点处，使光束得以扩展，它们相互配合使得光束能够完整地照亮多块数字微镜器件41。为了避免光能量被浪费，入射数字微镜器件41的光束口径要等于或者接近数字微镜器件41的对角线长度。在变型实施例中，光束整形系统也可以被加入进光束扩展与分光系统中，使光能利用率得到进一步提高。图中仅示出了到达各个数字微镜器件41光路的一种设置方法，可以根据需要利用任意个偏振分光镜35和任意个平面镜31以满足具体光路的需要。该显示系统专门针对数字微镜器件41相类似的振幅型或混合型空间光调制器设计，因此数字微镜器件41不能替换为纯相位型的空间光调制器，例如硅基液晶。本显示系统的立体成像装置51可以选择雾气屏幕、充满水的立方体、冲有特殊气体的密闭空间以及其他新型的立体成像装置等多种类型。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，包括图像处理与控制器、至少两个数字微镜器件、光源发射系统、光束扩展与分光系统，和立体成像装置；所述图像处理与控制器生成单色全息图和相应次级图像，并将所述次级图像发送到与其对应的所述数字微镜器件上加载，所述图像处理与控制器与所述光束扩展与分光系统连接，并控制所述光源发射系统到所述数字微镜器件之间光路的打开和闭合，以使所述光源发射系统发射的单色光源与所述数字微镜器件加载的次级图像颜色一致；所述光源发射系统，用于发射单色光源，照射所述数字微镜器件产生衍射图像；所述光束扩展与分光系统，用于提供从所述光源发射系统到所述数字微镜器件之间的光路；所述立体成像装置，用于将由每个所述数字微镜器件得到的衍射图像叠加成像并显示；
从而，使得本系统能对三维物体的全息图进行进一步变换，生成多幅相互不同的次级图像并配合多个数字微镜器件使用，使目标衍射级次相干叠加，并且通过调整次级图像和数字微镜器件的位置，使目标项在显示空间内重合，并使包括直流项和共轭项在内的干扰项互不重合，从而目标项亮度明显高于非目标级次，大大增加重建像的对比度。
2.如权利要求1所述的基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，所述次级图像是由所述单色全息图经由如下方式中的至少一者得到：平移、旋转、伸缩和相位坐标变换。
3.如权利要求1所述的基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，所述数字微镜器件的数目大于或等于生成的次级图像的总数目。
4.如权利要求1所述的基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，所述光源发射系统采用激光光源，或者是带有准直和滤波模块的LED光源。
5.如权利要求1所述的基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，图像处理与控制器包括一计算机和一同步控制电路，所述计算机将次级图像发送并存储到所述同步控制电路中。
6.如权利要求5所述的基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，所述光源发射系统包括第一光源、第二光源和第三光源；分别为红光、绿光和蓝光。
7.如权利要求6所述的基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，所述同步控制电路，用于：当某一数字微镜器件加载的是由红色分量全息图处理后的次级图像时，控制打开所述红光光源并关闭绿光光源和蓝光光源；当某一数字微镜器件加载的是由绿色分量全息图处理后的次级图像时，控制打开所述绿光光源并关闭红光光源和蓝光光源；当某一数字微镜器件加载的是由蓝色分量全息图处理后的次级图像时，控制打开所述蓝光光源并关闭红光光源和绿光光源。
8.如权利要求7所述的基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，所述光束扩展与分光系统包括三个通断控制器、第一平面镜、第二平面镜和一X型合光镜，用于对单色光源分别选取，所述通断控制器受所述同步控制电路控制；所述第一光源发出的光束经过所述第一平面镜到达所述X型合光镜，所述第二光源发出的光束直接到达X型合光镜，所述第三光源发出的光束经过所述第二平面镜到达X型合光镜。
9.如权利要求8所述的基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，所述光束扩展与分光系统还包括一100μm针孔、一凸透镜、若干个偏振分光镜和若干个平面镜，用于提供从所述X型合光镜到每个数字微镜器件的光路并使光束得以扩展；从X型合光镜发出的单色光束依次经过所述100μm针孔、所述凸透镜、所述若干个偏振分光镜和所述若干个平面镜到达某一数字微镜器件。
10.如权利要求9所述的基于多个数字微镜器件的全息显示系统，其特征在于，由所述单色全息图得到的相应次级图像，其加载在数字微镜器件的显示时间要大于相应单色光源的照射时间。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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