CN107390379B - 一种近眼全息三维显示系统和显示方法 - Google Patents

一种近眼全息三维显示系统和显示方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的近眼全息三维显示系统包括第一透镜、空间光调制器、4f系统以及显示屏，本发明提出的显示方法利用较简单的显示系统即可实现三维场景的重建：通过计算三维景深图像对应的相位全息图时，是将景深图像中每一个像素点的深度值信息都编码成二次相位信息，然后加载到相位型空间光调制器上，较传统点元法、层析法计算相位全息图算法来说降低了器件的运算次数和数据存储量，提高了运算速度；同时，显示屏加载的二维图像通过4f系统投射到相位型空间光调制器上，使得该二维图像的每一个像素点都被空间光调制器上对应的二次相位因子调制，从而达到赋予二维图像每个像素点原有的深度信息的效果，大大提高了图像的质量。

Description

一种近眼全息三维显示系统和显示方法
技术领域
本发明涉及三维图像显示技术领域，尤其是涉及一种近眼全息三维显示系统和显示方法。
背景技术
对于传统的全息显示方法来说，通常是在相位型空间光调制器上加载由经典的Gerschberg-Saxton(GS)迭代算法计算得到的相位全息图，投影的过程则是利用透镜对光场进行傅里叶变换或者菲涅尔衍射从而再现二维图像的光场。并且在这种技术中，相位全息图只能在空间中与全息面平行的平面上进行投影，并且只能投影二维图像，这对于实际应用有一定的限制。同时传统的3D立体显示技术多采用2D屏幕显示合成图像或动态的2D图像，利用人眼的双目视差(或者视觉暂留效应)表现3D效果。然而，这种显示方式只有心理景深而没有物理景深，因而缺乏真正的3D立体感。
近年来数字全息3D立体显示技术快速发展，其中最值得关注的当属3D物体的计算全息算法问题。目前针对3D物体的计算全息技术还不成熟，这一方面是因为3D物体的空间结构比2D平面物体复杂，往往难以用具体函数描述其物光波的分布，另一方面，3D物体信息量巨大，这些因素增加了3D物体全息图计算的难度。目前针对3D物体的全息图计算方法均有各自的特点，但也都存在不同程度的局限性。
发明内容
本发明提供了一种近眼全息三维显示系统和显示方法，通过相位型空间光调制器将三维景深信息加载到二维图像上，从而实现三维场景的再现。本发明的主要内容如下：
一种近眼全息三维显示系统，包括空间光调制器、第一透镜、分光镜、显示屏和4f系统，所述空间光调制器设置在所述第一透镜的前焦面，所述分光镜设置在所述第一透镜和所述空间光调制器之间；所述4f系统包括第二透镜和第三透镜，所述显示屏和所述4f系统设置在所述分光镜的一侧，所述显示屏设置在所述第三透镜的后焦面。
优选的，所述空间光调制器、所述分光镜和所述第一透镜的光轴位于同一直线上。
优选的，所述空间光调制器到第二透镜的距离等于所述第二透镜的焦距；所述第二透镜到所述第三透镜之间的距离等于所述第二透镜和所述第三透镜的焦距之和；所述第三透镜到所述显示屏的距离等于所述第三透镜的焦距。
优选的，所述空间光调制器为相位空间光调制器。
优选的，所述分光镜为分光棱镜。
优选的，所述显示屏为OLED显示屏。
一种近眼全息三维显示方法，包括如下步骤：
S1.根据空间光调制器的采样间距和分辨率，确定纯相位全息图的编码参数；
S2.将所需投影场景的三维景深图像编码为纯相位全息图；
S3.通过计算机将计算好的纯相位全息图作为所述空间光调制器的输入；同时将所述显示屏加载的二维图像经过所述4f系统和所述分光镜投射至所述空间光调制器上；
S4.所述空间光调制器对二维图像进行调制，后经所述第一透镜重建三维图像。
优选的，S2中包括如下步骤：
a.将所需投影场景的三维景深图中的各个像素点的灰度值转换为对应的深度值；
b.根据公式(1)，将每个像素点的深度值分别编码成为对应的二次相位因子，得到纯相位全息图；
Figure BDA0001406213710000021
其中，
Figure BDA0001406213710000022
表示坐标为(x,y)的像素点对应的二次相位因子，x0，y0为二维图像中心点的坐标，λ为显示屏加载的二维图像的波长，fij为坐标为(x,y)的像素点的深度值。
优选的，采用时分复用的方法实现三维彩色图像的全息显示。
优选的，依次计算所述显示屏加载的二维图像红、绿、蓝三原色对应的纯相位全息图，在所述显示屏切换图像的同时切换空间光调制器上显示的纯相位全息图。
本发明的有益效果是：本发明提出的近眼全息三维显示系统包括第一透镜、空间光调制器、4f系统以及显示屏，本发明提出的显示方法利用较简单的显示系统即可实现三维场景的重建：通过计算三维景深图像对应的相位全息图时，是将景深图像中每一个像素点的深度值信息都编码成二次相位信息，然后加载到相位型空间光调制器上，较传统点元法、层析法计算相位全息图算法来说降低了器件的运算次数和数据存储量，提高了运算速度；同时，显示屏加载的二维图像通过4f系统投射到相位型空间光调制器上，使得该二维图像的每一个像素点都被空间光调制器上对应的二次相位因子调制，从而达到赋予二维图像每个像素点原有的深度信息的效果，大大提高了图像的质量。
附图说明
图1为本发明显示系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明所保护的技术方案做具体说明。
请参照图1。本发明提出的一种近眼全息三维显示系统包括第一透镜4、空间光调制器2、分光镜3、4f系统和显示屏7，其中，所述空间光调制器2设置在所述第一透镜4的前焦面，所述分光镜3设置在所述空间光调制器2和第一透镜4之间，且所述空间光调制器2、所述分光镜3和所述第一透镜4的光轴位于同一直线上。4f系统包括第二透镜5和第三透镜6，所述显示屏7和所述4f系统设置在所述分光镜3的一侧，所述显示屏7设置在所述第三透镜6的后焦面。
第二透镜5和第三透镜6为一对已很好消像差的透镜，其焦距相等，同轴共焦的放置，所述显示屏7放在在第三透镜6的后焦面，即第二透镜5到第三透镜6的距离等于所述第二透镜5和所述第三透镜6的焦距之和，所述显示屏7到所述第三透镜6的距离等于所述第三透镜6的焦距；所述空间光调制器2到所述第二透镜5的距离等于所述第二透镜5的焦距。
在本实施例中，所述分光镜3为分光棱镜；所述空间光调制器2为相位空间光调制器，规格为1920pix*1080pix，像素间距为8μm，所述显示屏7优选为OLED显示屏，分辨率为1920pix*1080pix；所述显示屏7加载的二维图像选择为1920pix*1080pix。
确定好以上参数后，本发明提出的一种近眼全息三维显示方法，将三维景深图像进行编码得到纯相位全息图，将得到的纯相位全息图作为所述空间光调制器2的输入，同时将显示屏7加载的二维图像经4f系统，然后经过分光镜3投射到所述空间光调制器2上，最后经所述空间光调制器2的调制，再经所述分光镜3和所述第一透镜4投影，人眼10就能在所述第一透镜4的后方观察到清晰的具有三维景深的场景图像。
本发明提出的一种近眼全息三维显示方法的具体步骤如下：
S1.根据空间光调制器的采样间距和分辨率，确定纯相位全息图的编码参数；
S2.将所需投影场景的三维景深图像编码为纯相位全息图；
S3.通过计算机将计算好的纯相位全息图作为所述空间光调制器的输入；同时将所述显示屏加载的二维图像经过所述4f系统和所述分光镜投射至所述空间光调制器上；
S4.所述空间光调制器对二维图像进行调制，后经所述第一透镜重建三维图像。
其中，S2中包括如下步骤：
a.将所需投影场景的三维景深图中的各个像素点的灰度值转换为对应的深度值：
一幅图片中，有的像素点亮,有的像素点暗，这亮暗的程度就叫做灰度，256灰阶图片即灰度值从0(最暗)至255(最亮)。在计算机matlab软件中用读取三维景深图片，可以读出二维图像每个像素点坐标的灰度值。对于三维景深图像来说，景深信息是相对值，对于一张图片来说表示其亮暗的灰度值也是相对值。在本实施例中，设灰度值为0对应景浅信息depth(min)，灰度值为255对应景深信息depth(max)。根据这个标准即可将景深图中各个像素点的灰度值转化为对应的深度值。
b.根据公式(1)，将每个像素点的深度值分别编码成为对应的二次相位因子，得到纯相位全息图；
Figure BDA0001406213710000041
其中，
Figure BDA0001406213710000042
表示坐标为(x,y)的像素点对应的二次相位因子，x0，y0为二维图像中心点的坐标，λ为显示屏加载的二维图像的波长，fij为坐标为(x,y)的像素点的深度值。
将步骤S2中得到的所有二次相位因子叠加组合成与所述二维图像大小相同的纯相位全息图，然后将得到的纯相位全息图经计算机1传输到所述空间光调制器2中，同时将显示屏7上的二维图像通过4f光路系统经过所述分光镜3传输至所述空间光调制器2，光波在所述空间光调制器2中进行相位调制后反射出，经过分光镜3再通过所述第一透镜4将三维场景投影，人眼10即可在所述第一透镜4后方观察到清晰的具有三维景深的场景图像。
此外，本发明提出的显示系统和显示方法还可以实现对彩色三维图像的重建显示，对于彩色的三维图像，采用时分复用的方法实现三维彩色图像的全息显示，即依次计算所述显示屏加载的二维图像红、绿、蓝三原色对应的纯相位全息图，即计算红、绿、蓝三个分量三个波长对应的纯相位全息图，在所述显示屏切换图像的同时切换空间光调制器上显示的纯相位全息图。
本发明提出的三维显示方法，将记录有三维图像深度信息的三维景深图像经计算后得到其纯相位全息图，经计算机1加载到所述空间光调制器2中，利用本发明提出的三维显示系统，人眼10即可在所述第一透镜4的后方观察到清晰的具有三维景深的场景图像，本发明方法得到的三维重建图像的每个像素点均具有特定的景深，具有更高的图像质量和可视效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种近眼全息三维显示系统，其特征在于，包括空间光调制器、第一透镜、分光镜、显示屏和4f系统，所述空间光调制器设置在所述第一透镜的前焦面，所述分光镜设置在所述第一透镜和所述空间光调制器之间；所述4f系统包括第二透镜和第三透镜，所述显示屏和所述4f系统设置在所述分光镜的一侧，所述显示屏设置在所述第三透镜的后焦面；
将三维景深图像进行编码得到的纯相位全息图，将得到的纯相位全息图作为所述空间光调制器的输入，同时将显示屏(7)加载的二维图像经4f系统，然后经过分光镜(3)投射到所述空间光调制器(2)上，最后经所述空间光调制器(2)的调制，再经所述分光镜(3)和所述第一透镜(4)投影，人眼(10)就能在所述第一透镜(4)的后方观察到清晰的具有三维景深的场景图像。
2.根据权利要求1所述的一种近眼全息三维显示系统，其特征在于，所述空间光调制器、所述分光镜和所述第一透镜的光轴位于同一直线上。
3.根据权利要求2所述的一种近眼全息三维显示系统，其特征在于，所述空间光调制器到第二透镜的距离等于所述第二透镜的焦距；所述第二透镜到所述第三透镜之间的距离等于所述第二透镜和所述第三透镜的焦距之和；所述第三透镜到所述显示屏的距离等于所述第三透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的一种近眼全息三维显示系统，其特征在于，所述空间光调制器为相位空间光调制器。
5.根据权利要求1所述的一种近眼全息三维显示系统，其特征在于，所述分光镜为分光棱镜。
6.根据权利要求1所述的一种近眼全息三维显示系统，其特征在于，所述显示屏为OLED显示屏。
7.根据权利要求1所述的一种近眼全息三维显示系统的显示方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.根据空间光调制器的采样间距和分辨率，确定纯相位全息图的编码参数；
S2.将所需投影场景的三维景深图像编码为纯相位全息图；
S3.通过计算机将计算好的纯相位全息图作为所述空间光调制器的输入；同时将所述显示屏加载的二维图像经过所述4f系统和所述分光镜投射至所述空间光调制器上；
S4.所述空间光调制器对二维图像进行调制，后经所述第一透镜重建三维图像。
8.根据权利要求7所述的一种近眼全息三维显示系统的显示方法，其特征在于，S2中包括如下步骤：
a.将所需投影场景的三维景深图中的各个像素点的灰度值转换为对应的深度值；
b.根据公式(1)，将每个像素点的深度值分别编码成为对应的二次相位因子，得到纯相位全息图；
Figure FDA0002477958620000021
其中，
Figure FDA0002477958620000022
表示坐标为(x,y)的像素点对应的二次相位因子，x0，y0为二维图像中心点的坐标，λ为显示屏加载的二维图像的波长，fij为坐标为(x,y)的像素点的深度值。
9.根据权利要求7所述的一种近眼全息三维显示系统的显示方法，其特征在于，采用时分复用的方法实现三维彩色图像的全息显示。
10.根据权利要求9所述的一种近眼全息三维显示系统的显示方法，其特征在于，依次计算所述显示屏加载的二维图像红、绿、蓝三原色对应的纯相位全息图，在所述显示屏切换图像的同时切换空间光调制器上显示的纯相位全息图。
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