專利名稱：一種基于全息方法的大視角三維圖像顯示方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種基于計算全息和全息存儲技術(shù)的大視角三維圖像顯示方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于二維顯示難以清楚準(zhǔn)確表達(dá)第三維的深度信息，人們一直在致力于研究可顯 示立體場景的顯示技術(shù)——三維圖像顯示技術(shù)。全息三維顯示技術(shù)利用光的干涉，記錄物 光的振幅和位相信息，再通過光的衍射將物光的信息重新構(gòu)建出來，是各種顯示方法中唯 一真正意義上的三維顯示技術(shù)。早期的光學(xué)全息需要制備三維物體的模型，反射光束進(jìn)行相干記錄，限制了全息 技術(shù)的實際應(yīng)用。隨著光電技術(shù)及器件的迅速發(fā)展，數(shù)字全息三維顯示技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用 取得了飛速發(fā)展，其基本原理是用計算機模擬光學(xué)衍射過程，并用光調(diào)制器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)全 息記錄材料，在光波傳輸路徑的某一個平面上模擬衍射光的復(fù)振幅，實現(xiàn)三維圖像信息的 全記錄，再通過光學(xué)衍射，復(fù)現(xiàn)出三維圖像。但受調(diào)制器空間分辨率的限制，光調(diào)制器通過光學(xué)系統(tǒng)衍射直接生成的三維圖像 觀察視角比較小，需要采用其它方法，對顯示三維圖像的視角進(jìn)行展寬。為了解決這個問 題，目前常用的方法是通過快速角度掃描裝置，將不同觀察方位角的計算全息三維圖像按 相應(yīng)方位出射，當(dāng)掃描速度很快時，依靠人眼的視覺停留，形成連續(xù)大視角三維圖像的顯 示。但這種方法需要高精度高速度的角度掃描系統(tǒng)和高數(shù)據(jù)傳輸率的空間光調(diào)制器，系統(tǒng) 成本較高，限制了其進(jìn)一步的實用化。

發(fā)明內(nèi)容
針對光調(diào)制器件衍射生成的三維圖像觀察視角有限的問題，本發(fā)明的目的是基于 體全息存儲技術(shù)，提出了一種基于全息方法的大視角三維圖像顯示方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出 的一種基于全息方法的大視角三維圖像顯示系統(tǒng)，包括一三透鏡光路，該三透鏡光路包括共軸的第一透鏡和第三透鏡，及可垂直于該第 一透鏡和第三透鏡進(jìn)行位移的第二透鏡；一單頻偏振激光器，作為顯示系統(tǒng)光源；多個半波片，改變光束的偏振方向；一擴束物鏡，對光束進(jìn)行會聚擴束；一準(zhǔn)直透鏡，將擴束后的發(fā)散光束轉(zhuǎn)換成平行光束；一偏振分光鏡，將入射偏振激光束分成偏振方向相互垂直的兩束光；一空間光調(diào)制器，輸入計算全息編碼，經(jīng)上述第三透鏡衍射生成三維圖像于第二 透鏡附近，該第二透鏡和物面處于第一透鏡的共軛物象面；通過第二透鏡位置的移動，改變 顯示三維圖像的觀察方位角，在像面得到具有不同視角方位的小視角三維圖像；和上述三透鏡系統(tǒng)組成物光光路；一偏振片，對空間光調(diào)制器出射的包含三維圖像信息的光束進(jìn)行偏振濾光，得到 同偏振方向的信息光；一位移平臺，承載第二透鏡，實現(xiàn)其在垂直于光軸的二維空間的位移；一反射鏡，反射偏振分光鏡出射的另一光束(參考光)，保證其和物光光束相交于 存儲介質(zhì)處；以及一存儲介質(zhì)，用于存儲不同觀察方位角的小視角三維圖像，讀出時同時 復(fù)現(xiàn)，實現(xiàn) 大角度三維圖像顯示。根據(jù)本發(fā)明實施例的顯示系統(tǒng)，任何一個或多個透鏡，可以用透鏡組，或具有位相 調(diào)制功能的衍射光學(xué)元件替代。根據(jù)本發(fā)明實施例的顯示系統(tǒng)，所述存儲介質(zhì)置于像面及其附近任意位置，參考 光和物光在存儲介質(zhì)上相交。根據(jù)本發(fā)明實施例的顯示系統(tǒng)，所述反射式空間光調(diào)制器為透射式，通過反射鏡 進(jìn)行光路的調(diào)整，保證物光經(jīng)三透鏡系統(tǒng)后，與參考光相交于存儲介質(zhì)。本發(fā)明還提出了一種基于全息方法的大視角三維圖像顯示方法，其包括以下步 驟采用迭代算法計算三維圖像在空間光調(diào)制器輸入面的計算全息二維信號編碼，以空間 光調(diào)制器作為二維光場調(diào)制屏幕，表現(xiàn)不同視角三維圖像的二維編碼信息；空間光調(diào)制器加載的不同視角三維圖像的二維編碼信息，經(jīng)對應(yīng)的具有不同透鏡 偏移量的三透鏡光路衍射傳輸，再現(xiàn)具有不同觀察方位角的小角度三維目標(biāo)圖像于像面 處；置存儲介質(zhì)于像面附近，并通過反射鏡令參考光與物光相交于存儲介質(zhì)處，進(jìn)行相干存 儲；以及保持參考光不變，順序存儲各方位角小視角三維圖像對應(yīng)的物光，讀出時，相同參 考光入射存儲介質(zhì)，同時讀出不同視角的小視角三維圖像，復(fù)現(xiàn)出大視角的三維圖像。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明一種基于全息方法的大視角三維圖像顯示方法及系統(tǒng) 至少具有的有益效果是本發(fā)明采用三透鏡非共軸光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行計算全息編碼時，不同觀 察方位角的小視角三維圖像，具有共同的取樣點陣，可以簡化目標(biāo)圖像的數(shù)學(xué)模型處理，提 高計算全息算法的效率；采用體全息技術(shù)，充分利用其存儲容量高的特點，可以進(jìn)一步通過 參考光入射角度的改變，實現(xiàn)多個大角度三維圖像的存儲和顯示，有利于三維圖像顯示技 術(shù)的實用化。


圖1為本發(fā)明所述的三透鏡非共軸光學(xué)系統(tǒng)光路圖。圖2為本發(fā)明所述基于全息存儲方法的視角展寬合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖3為無串?dāng)_視角合成示意圖。圖4為三維圖像計算全息編碼的位置關(guān)系圖。10:三透鏡光路11:第一透鏡12 第二透鏡13 第三透鏡14:位移平臺15:偏振片20 空間光調(diào)制器30 存儲介質(zhì)
40 單頻偏振激光器41 第一半波片42 準(zhǔn)直透鏡43 擴束物鏡44 第二半波片45 第三半波片50 偏振分光鏡60 反射鏡
具體實施例方式為了更詳細(xì)的解釋本專利所提出的大視角三維圖像顯示技術(shù)，以下結(jié)合附圖及三透鏡光學(xué)系統(tǒng)的某一具體系統(tǒng)參數(shù)，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實施 例僅僅是用以解釋本發(fā)明的設(shè)計，并不用于限定本發(fā)明。實施例為了得到不同觀察方位角的計算全息三維圖像，本發(fā)明設(shè)計一種非共軸三透鏡光 學(xué)系統(tǒng)。如圖1所示，三透鏡光路10包括共軸的第一透鏡11和第三透鏡13，并以其光軸 作為系統(tǒng)光軸；第二透鏡12可以垂直于系統(tǒng)光軸進(jìn)行位移，該第二透鏡12承載于位移平 臺14上；空間光調(diào)制器(SLM) 20輸入計算全息編碼經(jīng)第三透鏡13顯示三維圖像于第二透 鏡12附近；第二透鏡12和物面處于第一透鏡11的共軛物象面。單頻偏振激光器40出射 光束，假設(shè)反射式空間光調(diào)制器20出射平行光束，經(jīng)三透鏡系統(tǒng)匯聚于物面一點。第二透 鏡12處于位置1時，對應(yīng)的可觀察范圍為視角1，處于位置2時，可觀察范圍為視角2，兩 個視角的觀察方位因第二透鏡12位置的不同而不同。在本發(fā)明的實施例中，空間光調(diào)制器 (SLM) 20可以是反射式或透射式，通過反射鏡60進(jìn)行光路的調(diào)整，保證物光經(jīng)三透鏡系統(tǒng) 后，與參考光相交于存儲介質(zhì)30。如圖2所示，結(jié)合三透鏡非共軸光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明采用角度復(fù)用全息存儲技術(shù)，通 過體全息存儲介質(zhì)為媒介，實現(xiàn)計算全息三維圖像觀察視角的合成展寬。激光器出射光束 由第一半波片41調(diào)節(jié)其偏振方向，經(jīng)擴束物鏡43和準(zhǔn)直透鏡42濾波準(zhǔn)直后，由偏振分光 鏡50分成物光光束和參考光光束；物光光束經(jīng)第二半波片44調(diào)整偏振方向后入射反射式 空間光調(diào)制器40，加載二維編碼信息，經(jīng)第三透鏡13顯示三維圖像于第二透鏡12附近，再 經(jīng)第一透鏡11成像于像面；當(dāng)?shù)诙哥R12偏離系統(tǒng)光軸S1距離時，置光致聚合物記錄介質(zhì) 于像面附近，反射鏡60反射過來的參考光經(jīng)第三波片45調(diào)整偏振方向后與物光相交與存 儲介質(zhì)30處，相干記錄視角范圍為視角1的三維圖；移動第二透鏡12到位置S2，重復(fù)上述 過程，記錄視角范圍為視角2的三維圖；如此往復(fù)，采用相同的參考光，在記錄介質(zhì)中存儲 不同觀察方位角的小視角三維圖像。偏振片15可以對空間光調(diào)制器20出射的光波進(jìn)行偏 振濾波，濾去非信號光。讀出時同樣參考光入射，同時復(fù)現(xiàn)各個觀察方位的小視角三維圖， 實現(xiàn)大角度三維圖像的合成顯示。在本實施例中，對本發(fā)明所采用三透鏡非共軸光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)定某些系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)， 對其工作過程進(jìn)行詳細(xì)描述如圖3所示，令第二透鏡12和像面與第一透鏡11的距離U1 = V1 = 2f10當(dāng)?shù)诙?鏡12相對三透鏡光路10的偏離量S1 = 0時，如圖4所示，假設(shè)目標(biāo)圖像處于像面處，采用 迭代算法計算三維圖像在空間光調(diào)制器20輸入面的計算全息編碼，輸入空間光調(diào)制器20， 經(jīng)三透鏡系統(tǒng)衍射傳輸，再現(xiàn)目標(biāo)圖像于像面處，其觀察視角為圖3所示粗虛線夾角。位移第二透鏡12到A =^fD，即圖3所示的第二透鏡12由粗虛線圖示位置位移到點劃線線圖 Λ
示位置時，重新由像面處的假設(shè)目標(biāo)圖像采用迭代算法計算空間光調(diào)制器20的調(diào)制輸入， 并顯示三維圖像于像面處，其觀察視角為圖3所示細(xì)線夾角，和S1 = 0時的視角區(qū)域順序 連接起來。采用圖2所示的全息存儲結(jié)構(gòu)，將此兩個三維圖像以相同參考光存儲于體記錄
介質(zhì)，復(fù)現(xiàn)時即可得到較大觀察視角的目標(biāo)三維圖像。如此反復(fù)，記錄&=A|o，k= 士 1，
士 2···時的各個小角度三維圖像，讀出即可得到連續(xù)視角合成展寬的大視角三維圖像顯示。
綜上所述，本發(fā)明的特點在于設(shè)計非共軸三透鏡光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合計算全息技術(shù)，通 過三透鏡系統(tǒng)中透鏡位置的變化，生成目標(biāo)圖像不同觀察方位角的小視角三維圖像；基于 體全息存儲技術(shù)，將不同觀察方位角的小視角三維圖像以相同參考光存儲于體記錄介質(zhì)， 同時讀出，實現(xiàn)大視角三維圖像的顯示。采用三透鏡非共軸光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行計算全息編碼時， 不同觀察方位角的小視角三維圖像，具有共同的取樣點陣，可以簡化目標(biāo)圖像的數(shù)學(xué)模型 處理，提高計算全息算法的效率；采用體全息技術(shù)，充分利用其存儲容量高的特點，可以進(jìn) 一步通過參考光入射角度的改變，實現(xiàn)多個大角度三維圖像的存儲和顯示，有利于三維圖 像顯示技術(shù)的實用化。
權(quán)利要求
一種基于全息方法的大視角三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于其包括一三透鏡光路，該三透鏡光路包括共軸的第一透鏡和第三透鏡，及可垂直于該第一透鏡和第三透鏡進(jìn)行位移的第二透鏡；一單頻偏振激光器，作為顯示系統(tǒng)光源；多個半波片，改變光束的偏振方向；一擴束物鏡，對光束進(jìn)行會聚擴束；一準(zhǔn)直透鏡，將擴束后的發(fā)散光束轉(zhuǎn)換成平行光束；一偏振分光鏡，將入射偏振激光束分成偏振方向相互垂直的兩束光；一空間光調(diào)制器，輸入計算全息編碼，經(jīng)上述第三透鏡衍射生成三維圖像于第二透鏡附近，該第二透鏡和物面處于第一透鏡的共軛物象面；通過第二透鏡位置的移動，改變顯示三維圖像的觀察方位角，在像面得到具有不同視角方位的小視角三維圖像；和上述三透鏡系統(tǒng)組成物光光路；一偏振片，對空間光調(diào)制器出射的包含三維圖像信息的光束進(jìn)行偏振濾光，得到同偏振方向的信息光；一位移平臺，承載第二透鏡，實現(xiàn)其在垂直于光軸的二維空間的位移；一反射鏡，反射偏振分光鏡出射的參考光，保證其和物光光束相交于存儲介質(zhì)處；以及一存儲介質(zhì)，用于存儲不同觀察方位角的小視角三維圖像，讀出時同時復(fù)現(xiàn)，實現(xiàn)大角度三維圖像顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全息方法的大視角三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于所 述任何一個或多個透鏡，可以用透鏡組，或具有位相調(diào)制功能的衍射光學(xué)元件替代。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全息方法的大視角三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于所 述存儲介質(zhì)置于像面及其附近任意位置，參考光和物光在存儲介質(zhì)上相交。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全息方法的大視角三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于所 述空間光調(diào)制器為反射式或透射式，通過反射鏡進(jìn)行光路的調(diào)整，保證物光經(jīng)三透鏡系統(tǒng) 后，與參考光相交于存儲介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全息方法的大視角三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于所 述半波片包括第一半波片、第二半波片、及第三半波片，激光器出射光束由第一半波片調(diào) 節(jié)其偏振方向，經(jīng)擴束物鏡和準(zhǔn)直透鏡濾波準(zhǔn)直后，由偏振分光鏡分成物光光束和參考光 光束；物光光束經(jīng)第二半波片調(diào)整偏振方向后入射反射式空間光調(diào)制器，加載二維編碼信 息，經(jīng)第三透鏡顯示三維圖像于第二透鏡附近，再經(jīng)第一透鏡成像于像面；反射鏡反射過來 的參考光經(jīng)第三波片調(diào)整偏振方向后與物光相交與存儲介質(zhì)處。
6.一種基于全息方法的大視角三維圖像顯示方法，其特征在于其包括以下步驟采用迭代算法計算三維圖像在空間光調(diào)制器輸入面的計算全息二維信號編碼，以空間 光調(diào)制器作為二維光場調(diào)制屏幕，表現(xiàn)不同視角三維圖像的二維編碼信息；空間光調(diào)制器加載的不同視角三維圖像的二維編碼信息，經(jīng)對應(yīng)的具有不同透鏡偏移 量的三透鏡光路衍射傳輸，再現(xiàn)具有不同觀察方位角的小角度三維目標(biāo)圖像于像面處；置 存儲介質(zhì)于像面附近，并通過反射鏡令參考光與物光相交于存儲介質(zhì)處，進(jìn)行相干存儲；以 及保持參考光不變，順序存儲各方位角小視角三維圖像對應(yīng)的物光，讀出時，相同參考光 入射存儲介質(zhì)，同時讀出不同視角的小視角三維圖像，復(fù)現(xiàn)出大視角的三維圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于全息方法的大視角三維圖像顯示方法，其特征在于所 述三透鏡光路包括共軸的第一透鏡和第三透鏡，及可垂直于該第一透鏡和第三透鏡進(jìn)行 位移的第二透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于全息方法的大視角三維圖像顯示方法，其特征在于所 述空間光調(diào)制器，輸入計算全息編碼，經(jīng)上述第三透鏡衍射生成三維圖像于第二透鏡附近， 該第二透鏡和物面處于第一透鏡的共軛物象面；通過第二透鏡位置的移動，改變顯示三維 圖像的觀察方位角，在像面得到具有不同視角方位的小視角三維圖像；和上述三透鏡系統(tǒng) 組成物光光路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于全息方法的大視角三維圖像顯示方法及系統(tǒng)。本發(fā)明提出并設(shè)計非共軸三透鏡光路，結(jié)合計算全息技術(shù)，通過三透鏡光路中透鏡位置的變化，生成目標(biāo)圖像不同觀察方位角的小視角三維圖像；基于體全息存儲技術(shù)，將不同觀察方位角的小視角三維圖像以相同參考光存儲于體記錄介質(zhì)，實現(xiàn)大視角三維圖像的顯示。采用三透鏡非共軸光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行計算全息編碼時，不同觀察方位角的小視角三維圖像，具有共同的取樣點陣，可以簡化目標(biāo)圖像的數(shù)學(xué)模型處理，提高計算全息算法的效率；采用體全息技術(shù)，充分利用其存儲容量高的特點，可以進(jìn)一步通過參考光入射角度的改變，實現(xiàn)多個大角度三維圖像的存儲和顯示，有利于三維圖像顯示技術(shù)的實用化。
文檔編號G02B27/26GK101819401SQ201010142650
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者曾萬祺, 滕東東, 王彪, 郭靖 申請人:中山大學(xué)