[發明專利]基于一階譜分時復用技術的全息三維圖像顯示方法與系統

無效

• 申請號: 201010552912.1
• 申請日: 2010-11-22
• 公開（公告）號: CN102081339A
• 公開（公告）日: 2011-06-01
• 發明（設計）人: 滕東東;王彪;劉立林
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G03H1/22
• 分類號: G03H1/22;H04N13/00
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司 44100
• 代理人: 張玲春

技術領域

本發明涉及三維圖像顯示技術領域，具體公開了一種基于一階譜分時復用技術的全息三維圖像顯示方法與系統。

背景技術

由于二維顯示難以清楚準確表達第三維的深度信息，人們一直在致力于研究可顯示立體場景的顯示技術——三維圖像顯示技術。全息三維圖像顯示技術記錄物光的振幅和位相信息，并將物光的全部信息重新構建出來，是各種顯示方法中唯一真正意義上的三維顯示技術。

早期的光學全息需要制備三維物體的模型，反射光束進行相干記錄，限制了全息技術的實際應用。隨著光電技術及器件的迅速發展，數字全息三維圖像顯示技術的發展及應用取得了飛速發展，其基本原理是用計算機模擬光學衍射過程，并用光調制器件代替傳統全息記錄材料，在光波傳輸路徑的某一個平面上模擬衍射光的復振幅，實現三維圖像信息的記錄，再通過光學衍射，復現出三維圖像。

但受調制器空間分辨率的限制，光調制器通過光學系統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行展寬。為了解決這個問題，目前常用的方法是分時復用，采用具有較高刷新頻率的光調制器件，將顯示圖像不同觀察方位角對應的計算編碼依次輸入，通過同步掃描等技術，將不同視角的三維圖像順序快速顯示，依靠人眼的視覺停留，獲得大視角三維圖像的視覺效果。但由于掃描裝置的引入，造成了系統復雜性，不利于這用技術的實用化。

以空間光調制器10作為三維圖像信息的二維編碼載入器件，其有限的個像素間距(p_x×p_y)和分辨率(M×N)限制了生成圖像的觀察視角和尺寸。比如對菲涅爾計算全息，以x方向為例，平行光束垂直或接近垂直入射空間光調制器，生成圖像的最大觀察視角θ可以通過光柵方程p_xsin(θ)＝λ求得。目前技術下空間光調制器10的最小像素尺寸在微米量級，假設p_x＝8um，λ＝532nm，則θ＝3.2°，在正常的觀察距離(約0.5米)，觀察者不能同時兩個眼睛接收到圖像信息。

若入射光傾斜入射空間光調制器10，其衍射角也發生變化，如圖1所示。

以兩束入射光為例，設計其入射角度，使它們通過空間光調制器10生成的衍射區域順序連接，如圖2中的陰影區域。通過快門或照明光源的電流控制等辦法，反復順序入射各照射光，并通過空間光調制器10同步輸入對應的計算全息編碼，當變換頻率達到一定值時，根據視覺滯留效應，觀察者可以看到穩定的三維圖像，其觀察視角(θ₁+θ₂)是單束入射光所能實現觀察視角的近似兩倍。這樣，在不引入掃描裝置的情況下，實現了觀察視角的分時復用合成擴展。

但目前所用任何空間光調制器都存在一個像素填充因子σ，其周期結構會引入高階衍射項。如圖3所示，平行光束以傾斜角θ₀入射，在空間光調制器10的菲涅爾衍射區，不但具有零階衍射光，還有±1階等高衍射光。若采用多個入射光，某一角度入射光對應的零階衍射項會和其它角度入射光對應的高階衍射項在空間上重疊。結合圖2和圖3，令圖2中的θ₀₂等于圖3中的θ₀，在兩束入射光情況下，圖2中θ₀₁對應的零階衍射區域(即θ₁對應陰影區域)和圖3中的+1階衍射區域在空間上重疊。若采用分時復用，某一入射光束對應的高階衍射項會疊加在其它入射光束對應的零階衍射項上，嚴重影響圖像的顯示質量，不利于這種方法的實際應用。

發明內容

針對光調制器件衍射生成的三維圖像觀察視角有限的問題，本發明的目的是通過調制器件像素填充因子和光束入射角的設計，利用周期像素結構產生的一階譜，提出一種無串擾的計算全息三維圖像顯示方法及系統，可以實現顯示三維圖像觀察視角的擴展。

本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的基于一階譜分時復用技術的全息三維圖像顯示系統，包括：譜面濾波光學系統，由第一透鏡和第二透鏡組成；空間光調制器，輸入計算全息編碼，并通過上述第一透鏡的轉換，在空間光調制器對應頻譜面上顯示輸入二維編碼的頻譜分布；位于上述空間光調制器經第一透鏡所確定的頻譜面上的孔徑光闌，對譜面信息進行處理；以及控制單元，用于控制空間光調制器不同入射光的入射次序和時間。

上述全息三維圖像顯示系統還包括：偏振孔徑光闌，通光孔徑由并列的四個偏振片組成，其偏振通光方向兩兩相互平行或垂直。

上述控制單元為快門或光源電流脈沖控制器。