專利名稱：全視角真三維圖像顯示系統(tǒng)及其顯示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于掃描技術(shù)的全視角真三維圖像 顯示系統(tǒng)及其顯示方法。
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)。目前比主要的三維技術(shù)為體視三維圖像顯 示技術(shù)，通過給觀察者的雙目提供不同視角的平面圖像，由人腦合成獲取三維顯示效果。進(jìn) 一步，結(jié)合掃描技術(shù)，可以在360度的范圍實現(xiàn)全視角的圖像顯示。但其基元圖像是二維圖 像，若想獲得連續(xù)的三維顯示效果，需要大量的二維圖像，對顯示器件的刷新頻率要求非常 高，且由于體視技術(shù)不是真正意義上的三維顯示，容易造成觀察者視覺疲勞而影響了其推 廣應(yīng)用。計算全息三維顯示的基本原理是用計算機(jī)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。它可以提供三維物體所有的深度信 息，是一種真正意義上的三維顯示技術(shù)。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。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種全視角真三維圖像顯示系 統(tǒng)及其顯示方法，其將計算全息和掃描技術(shù)相結(jié)合，采用具有較高刷新頻率的光調(diào)制器件， 將具有一定觀察視角的基元計算全息三維圖像沿不同方向掃描，實現(xiàn)其觀察視角的順序連 結(jié)，依靠人眼的視覺滯留，實現(xiàn)全視角的真三維圖像顯示，可以實現(xiàn)360度的全視角三維圖 像顯示。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種全視角真三維圖像顯示系統(tǒng)，其包 括
一空間光調(diào)制器，用于加載傅里葉計算全息編碼；
一傅里葉變換透鏡，傅里葉變換上述空間光調(diào)制器的輸出光信息，并形成傅里葉全息 三維圖像；
一掃描反射鏡，用于將上述傅里葉全息三維圖像沿不同方向反射掃描； 一控制單元，其根據(jù)掃描反射鏡不同的角位置，獲取三維圖像關(guān)于掃描反射鏡鏡面的 像，計算該像在空間光調(diào)制器上的傅里葉計算全息編碼，作為掃描反射鏡處于該角位置時 空間光調(diào)制器的輸入編碼，從而控制光束入射上述空間光調(diào)制器的時間。該傅里葉變換透鏡采用透鏡組。該掃描反射鏡由高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。
該控制單元為快門或光源電流控制器。另外，本發(fā)明提供了一種全視角真三維圖像顯示系統(tǒng)的顯示方法，其包括以下步 驟
a、建立xyz軸坐標(biāo)，傅里葉變換透鏡和空間光調(diào)制器均平行xy面設(shè)置；
b、計算掃描反射鏡在掃描范圍內(nèi)的各角位置；
c、將反射鏡面平行于y軸、且其反射光沿χ軸負(fù)方向時的位置作為反射鏡的零位置，沿 Z軸正方向觀察，掃描反射鏡繞Z軸順指針旋轉(zhuǎn)所到達(dá)的各個角位置依次設(shè)為角位置1、角 位置2、…角位置n，計算掃描反射鏡在掃描范圍內(nèi)的各角位置；
d、高速旋轉(zhuǎn)掃描反射鏡，當(dāng)其運動到各角位置時，控制單元控制光入射，空間光調(diào)制器 同步輸入相應(yīng)傅里葉計算全息編碼，實現(xiàn)全視角三維圖像顯示。 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下優(yōu)勢，
以空間光調(diào)制器生成的具有一定觀察視角的計算全息三維圖像為基元圖像，通過掃 描，將其觀察視角順序連接，利用人的視覺滯留，當(dāng)光調(diào)制器件的刷新頻率和掃描反射鏡的 掃描速度達(dá)到一定值時，可以實現(xiàn)360度的全視角真三維圖像顯示，對真三維圖像顯示技 術(shù)的發(fā)展具有有效的推進(jìn)作用。


圖1垂直光入射系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)；
圖2 (a)傅里葉計算全息圖像顯示平面區(qū)域示意(b)傅里葉計算全息圖像顯示立體區(qū)域示意圖3 (a)角位置0基元圖像衍射角 (b)角位置η基元圖像衍射角；
圖4鏡面和旋轉(zhuǎn)軸的夾角對觀察方位的影響；
圖5鏡面不動點位置對顯示圖像最大尺寸的影響；
圖6傾斜光入射系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)；
圖標(biāo)說明10、空間光調(diào)制器；20、傅里葉變換透鏡；30、掃描反射鏡；40、快門。
具體實施例方式為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，我們設(shè)計一種全視角真三維圖像顯示系 統(tǒng)，光路結(jié)構(gòu)如圖1所示空間光調(diào)制器處于傅里葉變換透鏡前焦面，其分辨率為
if xF，像素間距為込X P,,,波長為A的平行光垂直入射；掃描反射鏡繞Z軸旋轉(zhuǎn)，鏡面
相對于旋轉(zhuǎn)軸傾角沒=45°,鏡面與旋轉(zhuǎn)軸交于傅立葉變換透鏡(焦距為/ )后焦面的ο
點O傅里葉計算全息圖像顯示區(qū)在xz平面內(nèi)的分布如圖2 (a)所示；其在三維空間內(nèi) 的分布為圖2(b)所示多面體約束的區(qū)域。在傅里葉計算全息圖像顯示區(qū)內(nèi)計算全息三維 圖像，其各點具有相同的觀察視角。假設(shè)掃描反射鏡鏡面垂直于xz平面，如圖1所示，用實線三角形代表目標(biāo)圖像，其 關(guān)于反射鏡面的反射像用虛線三角形表示，定義該反射像為基元反射圖像。將基元反射圖 像的傅里葉計算全息編碼輸入空間光調(diào)制器，生成的基元反射像經(jīng)掃描反射鏡，成虛像于目標(biāo)圖像位置，實現(xiàn)目標(biāo)圖像的顯示，其視角受調(diào)制器空間帶寬積的限制而比較小，定義該 小視角目標(biāo)圖像為基元圖像。例如，若a和a’分別為基元圖像及其基元反射圖像上的一對 對稱點，空間光調(diào)制器衍射生成的a’點，經(jīng)反射鏡面反射，顯示給觀察者的是其虛像a。將反射鏡面平行于y軸、且其反射光沿χ軸負(fù)方向時的位置作為反射鏡的零位置， 沿ζ軸正方向觀察，反射鏡繞ζ軸順指針旋轉(zhuǎn)所到達(dá)的各個角位置依次設(shè)為角位置1、角位 置2，…，角位置n，…。這些角位置代表目標(biāo)三維圖像不同的觀察方位角，每個角位置對 應(yīng)一對基元圖像(基元圖像η)和基元反射圖像(基元反射圖像η)，其中基元反射圖像η的 傅里葉計算全息編碼定義為編碼η。不同的基元圖像在xy平面和xy垂直平面內(nèi)的視角范圍是變化的，如圖3所示。小 視角基元圖像通過掃描，合成全視角三維圖像的過程中，各基元圖像的觀察視角順序相連， 避免相鄰基元圖像視角范圍的重疊。定義角位置η對應(yīng)基元圖像在xy平面內(nèi)的視角為、垂直xy平面的視 角為0丄。在0位置，已知
權(quán)利要求
1.一種全視角真三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括一空間光調(diào)制器，用于輸入加載傅里葉計算全息編碼；一傅里葉變換透鏡，傅里葉變換上述空間光調(diào)制器的輸出光信息，并形成傅里葉全息 三維圖像；一掃描反射鏡，用于將上述傅里葉全息三維圖像沿不同方向反射掃描；一控制單元，其根據(jù)掃描反射鏡不同的角位置，獲取三維圖像關(guān)于掃描反射鏡鏡面的 像，計算該像在空間光調(diào)制器上的傅里葉計算全息編碼，作為掃描反射鏡處于該角位置時 空間光調(diào)制器的輸入編碼，從而控制光束入射上述空間光調(diào)制器的時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全視角真三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于，該傅里葉變換透 鏡采用透鏡組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全視角真三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于，該掃描反射鏡由 高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全視角真三維圖像顯示系統(tǒng)，其特征在于，該控制單元為快 門或光源電流控制器。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的全視角真三維圖像顯示系統(tǒng)的顯示方法，其特征在于， 包括以下步驟a、建立xyz軸坐標(biāo)，傅里葉變換透鏡和空間光調(diào)制器均平行xy面設(shè)置；b、將反射鏡面平行于y軸、且其反射光沿χ軸負(fù)方向時的位置作為反射鏡的零位置，沿 ζ軸正方向觀察，掃描反射鏡繞ζ軸順指針旋轉(zhuǎn)所到達(dá)的各個角位置依次設(shè)為角位置1、角 位置2、…角位置n，計算掃描反射鏡在掃描范圍內(nèi)的各角位置；C、對應(yīng)掃描反射鏡的不同角位置，獲取三維圖像關(guān)于反射鏡鏡面的像，計算該像在空 間光調(diào)制器上的傅里葉計算全息編碼，作為掃描反射鏡處于該角位置時空間光調(diào)制器的輸 入編碼；d、高速旋轉(zhuǎn)掃描反射鏡，當(dāng)其運動到各角位置時，控制單元控制光入射，空間光調(diào)制 器同步輸入相應(yīng)傅里葉計算全息編碼，當(dāng)掃描速度和空間光調(diào)制器的刷新頻率達(dá)到一定值 時，在xy平面內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)全視角三維圖像顯示。
全文摘要
本發(fā)明屬于三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種全視角真三維圖像顯示系統(tǒng)及其顯示方法，該系統(tǒng)包括空間光調(diào)制器，用于加載傅里葉計算全息編碼；傅里葉變換透鏡，傅里葉變換上述空間光調(diào)制器的輸出光信息，并形成傅里葉全息三維圖像；掃描反射鏡，用于將上述傅里葉全息三維圖像沿不同方向反射掃描；控制單元，其根據(jù)掃描反射鏡不同的角位置，獲取三維圖像關(guān)于掃描反射鏡鏡面的像，計算該像在空間光調(diào)制器上的傅里葉計算全息編碼，作為掃描反射鏡處于該角位置時空間光調(diào)制器的輸入編碼，從而控制光束入射上述空間光調(diào)制器的時間。本發(fā)明可以實現(xiàn)360度的全視角三維圖像顯示。
文檔編號H04N13/00GK102081340SQ201010577360
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者滕東東, 王彪 申請人:中山大學(xué)