CN205691945U - 一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于计算全息与三维显示领域，具体涉及一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置。该显示装置由红光LED光源，绿光LED光源，蓝光LED光源，针孔，准直透镜，偏振调制器件，滤光片，空间光调制器，计算机，驱动板，基于像素型纳米光栅的定向衍射屏构成。应用迭代傅里叶变换算法计算获得目标物体的位相型全息图；将单片空间光调制器划分为红、绿、蓝三块子区域，每块子区域加载对应的红、绿、蓝三色分量全息图，利用全息图衍射重现的特性在重构平面产生三个单色全息再现像，实现彩色信息再现；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，得到多视角彩色再现像，实现真彩色三维立体显示。

Description

一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，属于计算全息与三维显示领域。

背景技术

随着显示技术以及计算机科学的迅速发展，人们对于医学成像、商业艺术、军事国防等方面的显示技术都提出了更高的要求。这些要求远远超出了当前二维(2D)显示的范畴，因此，真彩色三维(3D)显示已经成为现代信息社会的一种必然需求，是现代显示技术发展的重要目标。彩色全息三维显示作为一种近乎完美的成像技术，不仅能够提供几乎接近于真实世界的真彩色3D图像，还能提供所有视点上、所有距离上的3D视觉，其重构的景象几乎与原始的景物一样，是最具吸引力的真彩色3D表现形式。然而，目前构建的系统并不能满足真彩色3D显示所希望的质量和技术要求，彩色全息显示仍然面临着诸多挑战，其中亟待解决的关键问题是带给观察者3D体验的同时提供色彩体验。

现阶段，学者们提出了很多种彩色全息显示的实现方法，大致可以分为两类，一类是传统全息应用全息干板实现的彩色信息显示，另一类是计算全息应用光调制器件承载全息图实现的彩色信息显示。

传统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，能够提供逼真的彩色3D体验。彩色全息的目的是记录和再现彩色三维全息图像，具体涉及两个基本问题：三原色信息的获取和三原色信息的再现。但用含有三原色的激光替代单色激光作全息记录时，在同一张全息干板上得到的是三幅全息图，它们分别由红、绿、蓝激光相干而成，当用三色激光再现时，每一波长的激光将再现三幅不同大小和位置略有不同的全息图，三个波长的激光将再现九幅全息图，它们重叠在一起，图像显得模糊不清，这一现象称为色串扰，因此解决色串扰也是彩色全息的重要研究课题。针对这样两方面的问题，学者们开展了相关的研究工作。例如，1962年，苏联学者Denisyuk首先提出了反射式全息图。记录时，参考光波与物体信息从感光板的两侧射来，感光介质记录了物光波与参考光波的干涉光场，当用白光(点光源)以适当角度照射全息图时，观察者在照明光源同侧即可观察到彩色的物体信息。但是，其记录全息图的大小受到激光束大小的制约，在制作大面积全息图的应用中受到了限制，制约了其在实践中的应用推广。1969年Benton首先用二步法制成了彩虹全息图，彩虹全息是像全息与狭缝相结合的产物，在自然光下可以实现全息信息再现，其优点表现在白光再现、观察范 围比较大、采取合适的记录光路可能有较大的能量利用率，不足之处是二步记录制作过程比较烦琐，而且由于两步记录，全息图的噪声较大。1978年美籍华裔学者陈选与杨正寰提出了一步彩虹全息术，利用透镜对物体和狭缝进行成像，放置全息干板于物体像与狭缝像之间，从光的传播来看，透过真实狭缝的物光波经透镜后与参考光进行干涉形成彩虹全息图，大大简化了制作过程，并且降低了噪声，但能量利用率较低，观察范围受成像透镜相对孔径的限制，且制作大体积物体需成本高昂的高质量大口径透镜，由于存在以上这些不足使得这一制作方法的实用范围有限。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。为了实现彩色全息三维显示，实验中使用了角度复用的方法，以不同的角度同时写入三幅全息图，并且用不同颜色的LED读出，最终可以实现彩色全息三维显示的效果。实际上，此类彩色全息的局限性最主要体现在记录介质为传统的光学记录介质，无法满足实时、动态的显示需求，因此极大地限制了其在显示方面的应用。

计算全息方法是指应用红(R)、绿(G)、蓝(B)三色激光作为光源，利用光调制器件承载全息图实现对激光的调制，进而实现彩色全息显示。其中，加载有全息图的空间光调制器作为一种全息光学元件，可以对激光进行振幅或者位相的调制，具有再现任意光场的潜力。这类彩色全息显示的优势体现在可以实现动态全息显示，同时又具有激光显示的优点，比如高光谱亮度、色域大、色饱和度丰富等。应用此类方法实现彩色全息显示，主要包括以下几种方式：时分复用、空分复用、空间划分和空间叠加。

1.时分复用：红(R)、绿(G)、蓝(B)三色以一定的速率顺序显示，通过人眼的视觉暂留效应实现彩色信息显示。该方法要求承载三色信息的硬件有较高的响应速度，当速度达到一定程度后，人眼通过积分效应感觉到一个时间合成的彩色图像。基于时分复用方法的彩色全息显示系统结构简单，使用器件较少，特别是只需要一个信息承载介质器件即可实现彩色显示。但是它需要精确地保证单色光源的工作时间与加载对应颜色分量全息图时间的同步性。对于单色分量来说在时间轴上有一定的能量损失。同时，因为需要高速切换三个单色全息图合成彩色全息重构像，系统对于空间光调制器的响应时间也提出了较高的要求。例如，2011年王 涛等构建的基于时分复用的彩色全息显示系统中使用了独立的RGB三色激光器作为光源，利用激光-空间光调制器同步控制装置控制分时照明与对应的全息图加载同步进行，最终利用CCD采集全息光电再现像，实现彩色全息显示。

2.空分复用：采用红(R)、绿(G)、蓝(B)三色光源分别照明三个空间光调制器进行光学重构，并在重构平面实现三个单色全息再现像的合成。全息再现时，将计算得到的三个单色全息图同时加载到对应的空间光调制器上，驱动电路同时驱动三个空间光调制器工作，三色光源分别入射三个空间光调制器，最终的RGB三色全息再现像在空间进行配准合成，得到彩色全息再现像。基于空分复用方法的彩色全息显示系统具有更高的光学效率，并在色彩还原和分辨率等方面具有诸多优势，是彩色全息显示发展的一个重要方向。但需要指出的是这种方法构建的系统结构较复杂，采用的器件较多，比如需要使用三片空间光调制器，并且需要颜色合成元件对三色光进行合成，增加了系统的成本，而且系统中还存在三个单色全息再现像空间合成时的精确配准问题。例如，2012年王岳等建立的基于空分复用的彩色全息显示系统借鉴了商业投影仪的结构，三片硅基液晶(LCOS)呈U形排布，通过分光棱镜和合色棱镜的共同作用，实现彩色全息显示。

3.空间划分：利用单片高分辨率的空间光调制器，将其划分为红(R)、绿(G)、蓝(B)三块子区域，每块子区域加载对应的红、绿、蓝三色分量全息图，利用全息图衍射重现的特性在重构平面形成彩色全息再现像。基于空间划分方法的彩色全息显示系统虽然使用了较少的空间光调制器，但是却牺牲了红、绿、蓝三色全息图的分辨率，会对全息重构像的显示质量产生严重的影响。例如，2010年Michal Makowski等建立的基于空间划分的彩色全息显示系统中将单片空间光调制器等分为三片区域，计算得到三色分量全息图分别加载到对应的1/3区域，利用光阑的作用，使每束激光仅仅照射空间光调制器的1/3区域，利用全息再现的方法实现彩色全息显示，但是此种方式对应显示信息的丰富程度与再现像的显示质量都比较低。

4.空间叠加：在同一平面不同的位置形成三色全息再现像，感兴趣的彩色全息再现像由三个单色全息再现像的重叠交集部分构成。例如，2004年日本学者Tomoyoshi Ito提出了一种基于单片空间光调制器实现彩色全息显示的方法，红、绿、蓝三色LED以直角三角形状在空间分布，每幅全息图均再现出了三个分量的信息，得到的三个单色全息再现像的位置相互不同，彩色全息再现像的有效部分仅为三色分量的中间合成区域，再现像信息没有得到充分利用，造成了大量信息的损失，对再现复杂物体带来了很大的局限性。

以上这些实现彩色全息显示的方法各有其特点，但是面对三维物体全息记录时海量的运算数据量，目前基于这些方法构建的系统并不能够满足真彩色3D显示所希望的质量和技术 要求。针对这一问题，2013年惠普公司利用衍射光学原理，设计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，有关彩色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，本实用新型提出了一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，旨在实现真彩色多视角动态全息裸眼三维显示。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置。基于空间划分彩色全息显示的原理，克服现有技术中运算数据量大、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划分的真彩色动态全息三维显示装置，实现真彩色动态全息三维显示，为今后的真彩色三维视频显示系统的研制奠定理论和实验基础。

为实现以上技术目的，采用本实用新型来实现真彩色动态全息三维显示的原理：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获取彩色三维物体对应的多视角彩色二维图像(视角1，视角2，…视角N)，将每幅彩色视角图像分解为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色分量图像(R₁,G₁,B₁；R₂,G₂,B₂；…R_N,G_N,B_N)，并且重新分组可以得到一系列单色图像(R₁,R₂,…R_N；G₁,G₂,…G_N；B₁,B₂,…B_N)，经过水平变换、竖直变换和像素排列处理后得到适用于位相型全息图计算的目标图像(R_物,G_物,B_物)。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(R_H,G_H,B_H)。基于空间划分彩色全息显示的方法，结合如图6所示的光路示意图，利用单片空间光调制器6，将其划分为红(R)、绿(G)、蓝(B)三块子区域，每块子区域加载对应的红、绿、蓝三色分量全息图(R_H,G_H,B_H)，利用全息图衍射重现的特性在重构平面产生三个单色全息再现像(R_像,G_像,B_像)，实现彩色信息再现。利用基于像素型纳米光栅的定向衍射屏10为定向分光元件将全息再现像分离开来，形成不同的视点，得到多视角彩色再现像(彩色视点1，彩色视点2，…彩色视点N)，实现 真彩色三维立体显示。目前，商用的硅基液晶空间光调制器(LCOS)的刷新速率能够达到75Hz或者更高，可以用于动态彩色视频显示中。因此，通过计算全息的方法将对应图像的位相型全息图计算出来，在全息再现时，红光LED光源13、绿光LED光源14、蓝光LED光源15分别发出红、绿、蓝三色光，三色光分别经过相应的针孔2滤波、准直透镜3准直后形成准直的平面光波进入对应的偏振调制器件4，偏振调制器件4对入射光的偏振态进行调制，得到的偏振光入射至滤光片5，经过滤光片5滤光后出射的红、绿、蓝三色再现光分别入射至空间光调制器6上的红、绿、蓝三块子区域。单片空间光调制器6上的红(R)、绿(G)、蓝(B)三块子区域分别加载对应的红、绿、蓝三色分量全息图(R_H,G_H,B_H)，红、绿、蓝三色再现光分别照射到空间光调制器上的红、绿、蓝三块子区域，在重构平面可以得到三个单色全息再现像(R_像,G_像,B_像)，经过定向衍射屏10定向导光后分离到不同的视点，实现彩色三维显示。伴随着空间光调制器6的快速刷新加载，人的双眼不断地观察到不同的彩色视差图像，产生真彩色动态三维显示效果。

具体地，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于空间划分的彩色全息三维显示方法，包括以下步骤：

1).彩色三维目标物体多视角二维图像的获取步骤：利用摄像机扫描拍摄或者使用计算机图形学的方法获得彩色三维物体在一个视角范围内的全视差图像序列；

2).图像预处理变换步骤：将获取的每幅彩色视角图像分解为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色分量图像(R₁,G₁,B₁；R₂,G₂,B₂；…R_N,G_N,B_N)，对三色分量图像进行重新分组可以得到一系列单色图像(R₁,R₂,…R_N；G₁,G₂,…G_N；B₁,B₂,…B_N)，经过水平变换、竖直变换和像素排列处理后得到适用于位相型全息图计算的目标图像(R_物,G_物,B_物)；

3).位相型全息图的获取步骤：将目标图像(R_物,G_物,B_物)作为计算位相型全息图的数据源，根据衍射理论编程计算获得相应的位相型全息图；

4).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栅线取向，根据像素排列后得到的彩色像素分布来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；

5).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，将单片空间光调制器划分为红(R)、绿(G)、蓝(B)三块子区域，每块子区域加载对应的红、绿、蓝三色分量全息图(R_H,G_H,B_H)，设计并制作滤光片，滤光片的尺寸与空间光调制器面板的尺寸相同，此滤光片依次设置互不重叠的红色滤光区、绿色滤光区和蓝色滤光区，分别对应红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片，并且每个颜色 的滤光片尺寸与相同颜色分量全息图的尺寸相同。滤光片置于空间光调制器的前方，保证任意颜色滤光片、相同颜色分量全息图和再现光三者在同一直线上。全息再现时，红光LED光源、绿光LED光源、蓝光LED光源发出的三色光经过针孔、准直透镜、偏振调制器件后出射的红、绿、蓝三色再现光入射至滤光片，经过滤光片滤光后出射的红、绿、蓝三色再现光分别入射至空间光调制器上的红、绿、蓝三块子区域。与此同时，计算机通过驱动板将已经计算好的红、绿、蓝三色分量全息图(R_H,G_H,B_H)分别加载至空间光调制器上的红、绿、蓝三块子区域，再现光波通过加载有全息图的空间光调制器后衍射光波成像于重构平面，即对应于全息再现像面，在此平面上得到三个单色全息再现像。而在全息再现像面位置处，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，得到多视角彩色再现像，实现真彩色三维立体显示。

所述的步骤1)中摄像机扫描拍摄可以使用单个CCD摄像机沿水平方向和垂直方向运动拍摄目标物，也可以由多个CCD摄像机组成的二维阵列在不同角度拍摄。

所述的步骤2)中图像预处理变换过程分为五个步骤，第一步将获取的每幅彩色视角图像分解为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色分量图像(R₁,G₁,B₁；R₂,G₂,B₂；…R_N,G_N,B_N)，第二步进行重新分组可以得到一系列单色图像(R₁,R₂,…R_N；G₁,G₂,…G_N；B₁,B₂,…B_N)，第三步进行水平方向的变换，第四步进行竖直方向的变换，而在水平变换和竖直变换之前，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X_ij,i(＝1,2,...,I)对应水平方向的位置，j(＝1,2,...,J)对应垂直方向，每一幅图像X_ij维数相同，为M×N，即图像的像素数为M×N，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X_ij＝(x_ij1,x_ij2,.x_ijk..,x_ijM)，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，从(x_ij1,x_ij2,.x_ijk..,x_ijM)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；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Y_ij＝(y_ij1,y_ij2,.y_ijk..,y_ijN)^T，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Y_ij中第k行像素，从(y_ij1,y_ij2,.y_ijk..,y_ijN)^T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第五步的像素排列，最终得到适用于位相型全息图计算的目标图像(R_物,G_物,B_物)。

所述的步骤3)中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5)中全息再现过程，控制空间光调制器对位相型全息图的快速刷新加载，再现出目标物的多视角真彩色全视差动态全息三维图像。

基于上述方法，本实用新型提供一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，包括红光LED光源13、绿光LED光源14、蓝光LED光源15，以及在光轴上依次设的用于对红光LED光源、绿光LED光源、蓝光LED光源发出的光进行滤波的针孔2，用于将经过针孔2之后的光波变为平面光波的准直透镜3，用于调制入射光偏振态的偏振调制器件4，滤光片5，用于加载计算机生成的位相型全息图的空间光调制器6，用于将重构平面的全息再现像定向衍射到固定的方向，实现定向导光的定向衍射屏10，其特征在于：还包括用于驱动空间光调制器6加载全息图的驱动板7，计算机8，驱动板7与计算机8通过线缆连接，所述的针孔2放置在准直透镜3的物方焦点上，滤光片5上依次设置互不重叠的红色滤光区、绿色滤光区和蓝色滤光区，分别对应红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片，滤光片5的尺寸与空间光调制器6面板的尺寸相同，并且每个颜色的滤光片尺寸与相同颜色分量全息图的尺寸相同，所述的定向衍射屏10上设置像素型纳米光栅，定向衍射屏10在光轴上的位置与空间光调制器6上加载的全息图的再现像面位置重合。

上述技术方案中，所述的红光LED光源13、绿光LED光源14、蓝光LED光源15可以替换为由红、绿、蓝三原色LED合成的白光LED光源1，并且其光谱范围与所用的滤光片5的光谱范围相同。

上述技术方案中，所述的偏振调制器件为偏振片或二分之一波片。

优选的技术方案，所述的空间光调制器为反射型，或者是透射型的空间光调制器，调制模式为相位调制。

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，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型提供的彩色全息三维显示装置结构简单，使用器件较少，特别是仅需要一个空间光调制器，有利于降低成本；

2、本实用新型提供的彩色全息三维显示装置利用空间光调制器对全息图的快速刷新加载，能够实现多视角真彩色全视差动态全息三维显示，更加符合人眼的观察习惯；

3、本实用新型提供的彩色全息三维显示装置利用空间光调制器加载位相型全息图再现时无共轭像的特点，能够提高对空间光调制器空间带宽积的 利用率；

4、本实用新型提供的彩色全息三维显示装置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，因此本实用新型中的彩色全息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；

5、本实用新型提供的彩色全息三维显示装置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；

6、本实用新型提供的彩色全息三维显示装置利用空间光调制器加载全息图再现得到彩色二维视角图像，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，因此本实用新型对应的彩色全息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。

附图说明：

图1为基于空间划分的彩色全息三维显示的技术路线图；

图2为彩色像素的带状排列方式图；

图3为迭代傅里叶变换算法(IFTA)原理图；

图4为光栅像素衍射的示意图；

图5为定向衍射屏定向导光的示意图；

图6为基于空间划分的彩色全息三维显示装置的第一个实施例的结构示意图；

图7为基于空间划分的彩色全息三维显示装置的第二个实施例的结构示意图；

图8为基于空间划分的彩色全息三维显示装置的第三个实施例的结构示意图；

图9为与空间光调制器面板相对应的滤光片示意图；

图10为空间划分后的空间光调制器加载三色全息图的示意图。

其中，视角1，视角2，…视角N为彩色三维物体对应的多视角彩色二维图像，R_i、 G_i、B_i分别为视角图像i(i＝1,2,…N)对应的红(R)、绿(G)、蓝(B)三色分量图像，R_物,G_物,B _物为适用于位相型全息图计算的目标图像，R_H,G_H,B_H为对应的位相型全息图，R_像,G_像,B_像为重构平面上的三个单色全息再现像，彩色视点1，彩色视点2，…彩色视点N为观察平面上得到的彩色视点图像；

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，k_i和k_d分别是入射波与透射波的有效波矢量，G为光栅矢量，α₁和β₁分别是入射光线与x轴和y轴之间的夹角，α₂和β₂分别是衍射光线与x轴和y轴之间的夹角；

1-白光LED光源，2-针孔，3-准直透镜，4-偏振调制器件，5-滤光片，6-空间光调制器，7-驱动板，8-计算机，9-全息再现像，10-定向衍射屏，11-观察平面，12-分光棱镜，13-红光LED光源，14-绿光LED光源，15-蓝光LED光源；

Red area为红色滤光片，Green area为绿色滤光片，Blue area为蓝色滤光片；

R_H为红色分量全息图，G_H为绿色分量全息图，B_H为蓝色分量全息图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型“一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置”做进一步描述。

实施例一：

一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，图1是本实用新型的整体技术路线图，包括以下步骤：

步骤1)，彩色三维物体多视角二维图像的获取。利用摄像机扫描拍摄或者使用3DSMAX、Maya等商业软件由计算机图形学的方法均可获得彩色三维物体在一个视角范围内的全视差图像序列。

步骤2)，图像预处理变换。将获取的每幅彩色视角图像分解为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色分量图像(R₁,G₁,B₁；R₂,G₂,B₂；…R_N,G_N,B_N)，对三色分量图像进行重新分组可以得到一系列单色图像(R₁,R₂,…R_N；G₁,G₂,…G_N；B₁,B₂,…B_N)，经过水平变换、竖直变换和像素 排列处理后得到适用于位相型全息图计算的目标图像(R_物,G_物,B_物)。

步骤3)，位相型全息图的计算。将目标图像(R_物,G_物,B_物)作为计算位相型全息图的数据源，根据衍射理论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4)，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栅线取向，调节槽深、占空比等参数优化衍射效率，根据像素排列后得到的彩色像素分布来设计像素型纳米光栅的结构分布，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5)，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，应用空间划分的方法进行全息再现实验，控制空间光调制器对位相型全息图的快速刷新加载，实现真彩色动态全息三维显示的效果。

步骤1)中所述的彩色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2)中所述的图像预处理变换分为五个步骤，第一步将获取的每幅彩色视角图像分解为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色分量图像(R₁,G₁,B₁；R₂,G₂,B₂；…R_N,G_N,B_N)，第二步进行重新分组可以得到一系列单色图像(R₁,R₂,…R_N；G₁,G₂,…G_N；B₁,B₂,…B_N)，第三步进行水平方向的变换，第四步进行竖直方向的变换，第五步进行像素排列，最终可以得到适用于位相型全息图计算的目标图像(R_物,G_物,B_物)，其中第三步和第四步这两个过程可交换先后顺序。

以红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色中任意一种为例，对水平变换和竖直变换的过程进行详细地描述：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I×J，每一幅图像编号为X_ij,i(＝1,2,...,I)对应水平方向的位置，j(＝1,2,...,J)对应垂直方向，每一幅图像X_ij维数相同，为M×N，即图像的像素数为M×N。

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X_ij＝(x_ij1,x_ij2,.x_ijk..,x_ijM)，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X_ij＝(x_ij1,x_ij2,.x_ijk..,x_ijM)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(x_ij1,x_ij2,.x_ijk..,x_ijM)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X₁₁,X₂₁,...,X_I1中的每一个第1列，依次排列为(x₁₁₁,x₂₁₁,x₃₁₁,...,x_I11)，组成新图像矩阵，记为Y₁₁；提取X₁₁,X₂₁,...,X_I1中的每一个第2列，依次排列为(x₁₁₂,x₂₁₂,x₃₁₂,...,x_I12)，组成新图像矩阵，记为Y₁₂；依次类推，直到Y_1M＝(x_11M,x_21M,x_31M,...,x_I1M)。此时得到一组新的二维图像序列，Y₁₁,Y₁₂,...,Y_1M。对每一个j＝1,2,...,J，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N的Y_ij以向量的方式表示为Y_ij＝(y_ij1,y_ij2,.y_ijk..,y_ijN)^T，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Y_ij中第k行像素，因此，此时Y_ij＝(y_ij1,y_ij2,.y_ijk..,y_ijN)^T是由N个像素行拼成的一幅二维图像。竖直方向变换的过程是：从(y_ij1,y_ij2,.y_ijk..,y_ijN)^T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，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，Z_M1,Z_M2,...,Z_MN。图像阵列的竖直变换可以表示为：

此时得到三组的图像阵列(分别记为mapr、mapg、mapb)，将适用于第五步的像素排列，其中： 第五步进行像素排列，需要选择合适的像素排列方式，在此实施方式中选用带状排列方式，如图2所示，经过排列后得到的彩色像素分布map(k,l)满足： 因此最终得到的适用于位相型全息图计算的目标图像(R_物,G_物,B _物)分别为： 式中t为正整数。

步骤3)中所述的迭代傅里叶变换算法(IFTA)原理如图3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4)中所述的光栅像素周期和栅线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栅线取向，具体可以建立光栅像素衍射的示意图，如图4所示，设定入射光线为平面波：

U_i(r)＝A_i(r)exp(-ik_i·r) (1)

相同地，经由纳米光栅像素单元的透射波可表达为：

U_d(r)＝A_d(r)exp(-ik_d·r) (2)

其中，A_i(r)和A_d(r)分别为入射波和透射波的振幅；k_i和k_d分别是入射波与透射波的有效波矢量。根据拉曼奈斯理论，对于如图4所示的纳米光栅像素，入射光波与其一级衍射光之间的关系可以写成：

k_d＝k_i-G (3)

其中，G为光栅矢量，其值|G|＝2π/Λ，Λ为光栅像素的周期，|k_i|＝n2π/λ,|k_d|＝2π/λ，结合方程(3)，在x方向和y方向的光栅周期可表达为：

$\frac{1}{{\mathrm{\Λ}}_y}=\frac{{\mathrm{ncos\β}}_1-{\mathrm{cos\β}}_2}{\mathrm{\λ}}---\left(5\right)$

其中，Λ_x和Λ_y分别是光栅周期在x方向与y方向的分量；n是衍射屏的有效折射率；α₁和β₁分别是入射光线与x轴和y轴之间的夹角，α₂和β₂分别是衍射光线与x轴和y轴之间的夹角。结合方程(4)和(5)，可以求出光栅周期以及光栅矢量与y轴之间的夹角分别为：

$A=\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{({\mathrm{ncos\α}}_1-{\mathrm{cos\α}}_2)}^2+{({\mathrm{ncos\β}}_1-{\mathrm{cos\β}}_2)}^2}}---\left(6\right)$

依据此方法计算出每个坐标对应的光栅像素周期和栅线取向后，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5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5)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彩色全息三维显示装置的第一个实施例的结构示意图如图6所示，包括13-红光LED光源，14-绿光LED光源，15-蓝光LED光源，2-针孔，3-准直透镜，4-偏振调制器件，5-滤光片，6-空间光调制器，7-驱动板，8-计算机，9-全息再现像，10-定向衍射屏，11-观察平面。在全息再现实验中，将单片空间光调制器6划分为红(R)、绿(G)、蓝(B)三块子区域，每块子区域加载对应的红、绿、蓝三色分量全息图(R_H,G_H,B_H)，如图10所示，其中空间光调制器6可以是各种纯位相调制的空间光调制器，如透射式或反射式，这里选用透射式的相位调制型空间光调制器作为本发明一个方便说明的实例。其次，设计并制作一块结构如图9所示的滤光片，滤光片5的尺寸与空间光调制器6面板的尺寸相同，此滤光片5包含红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片，并且每个颜色的滤光片尺寸与相同颜色分量全息图的尺寸相同。滤光片5置于空间光调制器6的前方，保证任意颜色滤光片、相同颜色分量全息图和再现光三者在同一直线上。红光LED光源13、绿光LED光源14、蓝光LED光源15分别发出红、绿、蓝三色光，三色光分别经过相应的针孔2滤波后，再现光具有了空间相干性和时间相干性。经过针孔2之后的光波通过准直透镜3后形成准直的平面光波进入偏振调制器件4，偏振调制器件4对入射光的偏振态进行调制，得到的偏振光入射至滤光片5，经过滤光片5滤光后出射的红、绿、蓝三色再现光分别入射至空间光调制器6上的红、绿、蓝三块子区域。与此同时，计算机8通过驱动板7将已经计算好的红、绿、蓝三色分量全息图R_H,G_H,B_H 分别加载至空间光调制器6上的红、绿、蓝三块子区域，再现光波通过加载有全息图的空间光调制器后衍射光波成像于重构平面，即对应于全息再现像面9，在此平面上得到三个单色全息再现像。而在全息再现像面9位置处，设有预先设计制作完成的定向衍射屏10，定向衍射屏10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，得到多视角彩色再现像。人的双眼在由视点组成的观察平面11内即可观察到不同的彩色视差图像，从而产生真彩色立体显示的感觉。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真彩色动态全息三维显示的效果。

实施例二：

图7为本实用新型提供的基于空间划分的彩色全息三维显示装置的第二个实施例的结构示意图，其具体结构与第一个实施例相似，其实施原理与本实用新型的第一个实施例相同。但在该实施例中，光源采用红、绿、蓝三原色LED合成的白光LED光源1，并且要求其光谱范围与所用的滤光片5的光谱范围相同。

实施例三：

图8为本实用新型提供的基于空间划分的彩色全息三维显示装置的第三个实施例的结构示意图，其具体结构与第二个实施例相似，其实施原理与本实用新型的第一个实施例相同。但在该实施例中，空间光调制器6采用反射式的相位调制型空间光调制器，同时需要多加入一个分光棱镜12。

综上所述，本实用新型公开了一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置。在本实用新型中，利用空间划分的方法实现了真彩色全息三维显示，带给观察者3D体验的同时提供色彩体验。结合空间光调制器快速刷新加载全息图可以实现真彩色动态全息三维显示，具有系统结构简单、使用器件少、刷新速度快、串扰小、视角大等特点。

Claims (6)

1.一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，包括红光LED光源(13)、绿光LED光源(14)、蓝光LED光源(15)，以及在光轴上依次设的用于对红光LED光源(13)、绿光LED光源(14)、蓝光LED光源(15)发出的光进行滤波的针孔(2)，用于将经过针孔(2)之后的光波变为平面光波的准直透镜(3)，用于调制入射光偏振态的偏振调制器件(4)，滤光片(5)，空间光调制器(6)，定向衍射屏(10)，其特征在于：还包括用于驱动空间光调制器(6)加载全息图的驱动板(7)，计算机(8)，驱动板(7)与计算机(8)通过线缆连接，所述的针孔(2)放置在准直透镜(3)的物方焦点上，滤光片(5)上依次设置互不重叠的红色滤光区、绿色滤光区和蓝色滤光区，分别对应红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片，滤光片(5)的尺寸与空间光调制器(6)面板的尺寸相同，并且每个颜色的滤光片尺寸与相同颜色分量全息图的尺寸相同，所述的定向衍射屏(10)上设置像素型纳米光栅，定向衍射屏(10)在光轴上的位置与空间光调制器(6)上加载的全息图的再现像面位置重合。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，其特征在于：所述的红光LED光源(13)、绿光LED光源(14)、蓝光LED光源(15)可以替换为由红、绿、蓝三原色LED合成的白光LED光源(1)，并且其光谱范围与所用的滤光片(5)的光谱范围相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，其特征在于：所述的偏振调制器件(4)为偏振片或二分之一波片。

4.根据权利要求1所述的一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，其特征在于：所述的空间光调制器(6)为反射型，或者是透射型的空间光调制器，调制模式为相位调制。

5.根据权利要求1所述的一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，其特征在于：所述的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。

6.根据权利要求1～5之一所述的一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置，其特征在于：所述的像素型纳米光栅周期为0.3～3微米。