一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置的制造方法

文档序号:11007893阅读:394来源:国知局
一种基于空间划分的彩色全息三维显示装置的制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
-种基于空间划分的彩色全息H维显示装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种基于空间划分的彩色全息S维显示装置,属于计算全息与S 维显示领域。
【背景技术】
[0002] 随着显示技术W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。运些要求远远超出了当前二维(2D)显示的范 畴,因此,真彩色=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=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。
[0003] 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W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。
[0004] 传统全息方法是指利用全息记录与再现的原理,将=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=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=维全息图像,具体设及两个基本问题原 色信息的获取和=原色信息的再现。但用含有=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=幅全息图,它们分别由红、绿、蓝激光相干而成,当用=色 激光再现时,每一波长的激光将再现=幅不同大小和位置略有不同的全息图,=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,运一现象称为色串扰,因此 解决色串扰也是彩色全息的重要研究课题。针对运样两方面的问题,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设光场,当用白光 (点光源)W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W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 选与杨正梟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设 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 W上运些不足使得运一制作方法的实用范围有限。2010年化ture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 X4英寸。其显示原理如下:将=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设形成一个全息单元,称 为化gel。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W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=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=维显示,实验中使用了角度复用的方法,W不同的角度同时 写入S幅全息图,并且用不同颜色的Lm)读出,最终可W实现彩色全息S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。
[0005] 计算全息方法是指应用红(R)、绿(G)、蓝(B)=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W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。运类彩色全息显示的优势体现在可W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W 下几种方式:时分复用、空分复用、空间划分和空间叠加。
[0006] 1.时分复用:红(R)、绿(G)、蓝(B)=色W-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=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=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RGBS 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。
[0007] 2.空分复用:采用红(R)、绿(G)、蓝(B)S色光源分别照明S个空间光调制器进行 光学重构,并在重构平面实现=个单色全息再现像的合成。全息再现时,将计算得到的=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S个空间光调制器工 作,S色光源分别入射S个空间光调制器,最终的RGBS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 指出的是运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=片空间光调 制器,并且需要颜色合成元件对=色光进行合成,增加了系统的成本,而且系统中还存在= 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,S片娃基液晶化COS)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。
[0008] 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) =块子区域,每块子区域加载对应的红、绿、蓝=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S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=片区域,计算得到=色分量全息图分别加载到对应 的1/3区域,利用光阔的作用,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。
[0009] 4.空间叠加:在同一平面不同的位置形成=色全息再现像,感兴趣的彩色全息再 现像由S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S色Lm)W直角S角 形状在空间分布,每幅全息图均再现出了=个分量的信息,得到的=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=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。
[0010] W上运些实现彩色全息显示的方法各有其特点,但是面对=维物体全息记录时海 量的运算数据量,目前基于运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。针对运一问题,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,结合液晶显示化CD)技术实现大视场、全视差、高分辨 率的彩色裸眼3D显示,其结果在化化re杂志上发表,引起了业界的广泛关注。运种新型的结 构主要由导光板、准直光源、光源禪合装置、纳米光栅像素等组成。准直光线通过禪合装置 W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W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W实现动态S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=色光的定向 导出,然而运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。
[0011] 在国内,有关彩色动态全息=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。针对运种情况,本实用新型提出了一种基于空间划分的彩色全息=维显 示装置,旨在实现真彩色多视角动态全息裸眼=维显示。

【发明内容】

[0012] 本实用新型的目的是提供一种基于空间划分的彩色全息=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W实现动态= 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=维显示装置,实现真彩色动 态全息=维显示,为今后的真彩色=维视频显示系统的研制奠定理论和实验基础。
[0013] 为实现W上技术目的,采用本实用新型来实现真彩色动态全息=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 =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)S色分量图像(Ri,Gi,Bi;化,G2,B2;…RN,GN,BN),并且重新分组可W得 到 一系列单色图像化,32,'''1^徊瓜,''佩;81瓜,''喻),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,巧如。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(Rh,Gh,Bh)。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)S块子 区域,每块子区域加载对应的红、绿、蓝=色分量全息图(Rh,抽,Bh),利用全息图衍射重现的 特性在重构平面产生S个单色全息再现像(R像,始,始),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=维立体显示。 目前,商用的娃基液晶空间光调制器化COS)的刷新速率能够达到75化或者更高,可W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L邸光源13、绿光L抓光源14、蓝光L邸光源15分别发出红、绿、蓝=色光,= 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=色再现光分别入射至空间光调制器6上的红、绿、蓝=块 子区域。单片空间光调制器6上的红(R)、绿(G)、蓝(B)S块子区域分别加载对应的红、绿、蓝 S色分量全息图(Rh, Gh, Bh),红、绿、蓝S色再现光分别照射到空间光调制器上的红、绿、蓝 ^块子区域,在重构平面可W得到S个单色全息再现像(R像,始,始),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S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=维显示效果。
[0014] 具体地,本实用新型采用的技术方案是:
[0015] 一种基于空间划分的彩色全息=维显示方法,包括W下步骤:
[0016] 1).彩色=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=维物体在一个视角范围内的全视差图像序列;
[0017] 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) 立色分量图像(Ri,Gi,Bi; R2,G2,B2;…Rn,Gn,Bn),对立色分量图像进行重新分组可W得到一 系列单色图像(Ri,R2, 一RNiGi^,-GNiBiiBs,-Bn),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,巧勿);
[0018] 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;
[0019] 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;
[0020] 5).全息再现步骤:搭建W空间光调制器为核屯、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 (8)立块子区域,每块子区域加载对应的红、绿、蓝立色分量全息图(Rh, Gh, Bh),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=者在同一直线上。全息再现 时,红光Lm)光源、绿光Lm)光源、蓝光Lm)光源发出的=色光经过针孔、准直透镜、偏振调制 器件后出射的红、绿、蓝=色再现光入射至滤光片,经过滤光片滤光后出射的红、绿、蓝=色 再现光分别入射至空间光调制器上的红、绿、蓝=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S色分量全息图(姑,Gh, Bh)分别加载至空间光调制器上的红、绿、 蓝=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=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=维立体显示。
[0021] 所述的步骤1)中摄像机扫描拍摄可W使用单个CC时暴像机沿水平方向和垂直方向 运动拍摄目标物,也可W由多个CO)摄像机组成的二维阵列在不同角度拍摄。
[0022] 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)S色分量图像(Ri,Gi,Bi;化,G2,B2;…RN,GN,BN),第二步进 行重新分组可W得到一系列单色图像(Ri ,R2 , '^RnsGi ,G2 , '^GnsBi ,B2 ,,第二步进行水 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IX J,每 一幅图像编号为Xij,i (= 1,2,. . .,I)对应水平方向的位置,j(= 1,2,. . .,J)对应垂直方向, 每一幅图像枯维数相同,为MXN,即图像的像素数为MXN,在水平方向变换过程中,将水平 方向维数为M的XijW向量的方式表示为Xu = Uiji,Xij2, .Xijk. . ,XijM),其中向量Xijk是一个N 阶向量,表示图像矩阵沿冲第k列像素,从.XiJk..,町M)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YijW向量的方式表示为Yリ = (yijl,yij2,.yijk..,yijN)T,T表示对矩阵进行转置,其 中向量yijk是一个M阶水平向量,表示图像矩阵Yij中第k行像素,从(yiji,yij2, .yijk. .,yijN)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, 巧勿)。
[0023] 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。
[0024] 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=维图像。
[0025] 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=维显示装置,包 括红光L邸光源13、绿光Lm)光源14、蓝光L邸光源15,W及在光轴上依次设的用于对红光LED 光源、绿光Lm)光源、蓝光L邸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。
[00%] 上述技术方案中,所述的红光Lm)光源13、绿光Lm)光源14、蓝光Lm)光源15可W替 换为由红、绿、蓝=原色L邸合成的白光Lm)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。
[0027]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。
[00%]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。
[0029] 所述的像素型纳米光栅周期为0.3~3微米。
[0030] 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:
[0031] 1、本实用新型提供的彩色全息S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.
[0032] 2、本实用新型提供的彩色全息S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=维显示,更加符合人眼的观察习惯;
[0033] 3、本实用新型提供的彩色全息S维显示装置利用空间光调制器加载位相型全息 图再现时无共辆像的特点,能够提高对空间光调制器空间带宽积的利用率;
[0034] 4、本实用新型提供的彩色全息=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W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=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;
[0035] 5、本实用新型提供的彩色全息=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W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;
[0036] 6、本实用新型提供的彩色全息S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化CD) 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=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】

[0037] 图1为基于空间划分的彩色全息S维显示的技术路线图;
[0038] 图2为彩色像素的带状排列方式图;
[0039] 图3为迭代傅里叶变换算法(IFTA)原理图;
[0040] 图4为光栅像素衍射的示意图;
[0041 ]图5为定向衍射屏定向导光的示意图;
[0042] 图6为基于空间划分的彩色全息=维显示装置的第一个实施例的结构示意图;
[0043] 图7为基于空间划分的彩色全息=维显示装置的第二个实施例的结构示意图;
[0044] 图8为基于空间划分的彩色全息S维显示装置的第S个实施例的结构示意图;
[0045] 图9为与空间光调制器面板相对应的滤光片示意图;
[0046] 图10为空间划分后的空间光调制器加载S色全息图的示意图。
[0047] 其中,视角1,视角2,…视角N为彩色S维物体对应的多视角彩色二维图像,Ri、Gi、 Bi分别为视角图像i a = I,2,…N)对应的红(R)、绿(G)、蓝(B)S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,姑,Gh, Bh为对应的位相型全息图,R像,始,始为重构平 面上的=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;
[004引I为全息图的振幅分布,为全息图的约束振幅,0为再现像的振幅分布,0/为目标 图像的振幅分布,巧为全息图的相位分布,拷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;
[0049] xyz为空间直角坐标系,ki和kd分别是入射波与透射波的有效波矢量,G为光栅矢 量,Cii和&分别是入射光线与X轴和y轴之间的夹角,02和&分别是衍射光线与X轴和y轴之间 的夹角;
[0050] 1 -白光L抓光源,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LH)光源,14-绿光LH)光源,15-蓝光LH)光源;
[0051] Red area为红色滤光片,Green area为绿色滤光片,Blue area为蓝色滤光片;
[0052] Rh为红色分量全息图,抽为绿色分量全息图,曲为蓝色分量全息图。
【具体实施方式】
[0053] 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=维显示装 置"做进一步描述。
[0054] 实施例一:
[0055] -种基于空间划分的彩色全息=维显示装置,图1是本实用新型的整体技术路线 图,包括W下步骤:
[0056] 步骤1),彩色=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3DS MAX、Maya等商业软件由计算机图形学的方法均可获得彩色S维物体在一个视角范围内的 全视差图像序列。
[0057] 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) S色分量图像(Ri ,Gi ,Bi;R2,G2 ,B2 ; '''RniGniBn),对S色分量图像进行重新分组可W得到一 系列单色图像(Ri,R2,;Gi,G2,- 'Gn;Bi,B2,…Bn),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,巧勿)。
[0化引步骤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。
[0059] 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。
[0060] 步骤5),全息再现。搭建W空间光调制器为核屯、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=维显示的效果。
[0061] 步骤1)中所述的彩色S维物体多视角二维图像,由单个CO)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CO)摄像机组成的二维阵列在不同角度拍摄获 得,也可W采用计算机图形学的方法,由目标物的=维模型直接获取。
[0062] 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)^色分量图像化斯,81瓜瓜,82;-1^麻而),第二步进行重 新分组可W得到一系列单色图像(Ri ,R2 , '''RnsGi ,G2, '''GnsBi ,B2,…Bn),第二步进行水平方 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W得到适用于位相型 全息图计算的目标图像(R物,G物,邮),其中第S步和第四步运两个过程可交换先后顺序。
[0063] W红(R)、绿(G)、蓝(B)=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IX J,每一幅图像编号为Xu, i( = l,2,...,1)对应 水平方向的位置,j( = l,2,...,J)对应垂直方向,每一幅图像Xu维数相同,为MXN,即图像 的像素数为MX N。
[0064] 在水平方向变换过程中,将水平方向维数为M的XijW向量的方式表示为Xij = (Xiji,Xij2,. Xijk. .,XijM),其中向量Xijk是一个N阶向量,表示图像矩阵Xu中第k列像素,因此, 此时沿j=(Xijl,Xij2, .Xijk. . ,XijM)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(Xijl,町2, .XiJk..,町M)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Xii, X21,.. .,Xn中的每一个第1列,依次排列为 (xiii,X2ii,X3ii, . . . ,XIII),组成新图像矩阵,记为Yii;提取Xii,拉1, . . . ,Xii中的每一个第2列, 依次排列为(X112,脚2,X312,. . .,XI12 ),组成新图像矩阵,记为Yi2 ;依次类推,直到YlM= ( XllM, X21M,X31M, . . . ,XIlM)。此时得到一组新的二维图像序列,Yll , Yi2,. . .,YiM。对每一个j = 1, 2, ...,J,重复W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W表示 为:
[00 化]
[0066]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YijW向量的方式表示为Yリ=(yiリ,yij2,.yijk..,yijN)T,T表示对矩阵进行转 置,其中向量yijk是一个M阶水平向量,表示图像矩阵Yij中第k行像素,因此,此时Yij = (yiji, yij2, .yijk. .,yijN)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(yiji, yij2, .yijk..,yijN)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,Zmi,Zm2, ...,Zmn^ 像阵列的竖直变换可W表示为:
[0067]
[006引此时得到S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化,1)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:
[0069] 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,运时获得全 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。
[0070] 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W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:
[0071] Ui(T) =Ai(;r)exp(-;Lki ? r) (1)
[0072] 相同地,经由纳米光栅像素单元的透射波可表达为:
[0073] Ud(r)=Ad(:r)exp(-;Lkd ? r) (2)
[0074] 其中,Ai(r)和Ad(r)分别为入射波和透射波的振幅;ki和kd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W写成:
[0075] kd = ki-G (3)
[0076] 其中,G为光栅矢量,其值IG I = 2V八,A为光栅像素的周期,I ki I = n23TA,I kd I = 2 nA,结合方程(3 ),在X方向和y方向的光栅周期可表达为:
[0077] 曲
[007引 巧
[0079] 其中,Ax和Ay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; 口 1和&分别是入射光线与X轴和y轴之间的夹角,02和阮分别是衍射光线与X轴和y轴之间的 夹角。结合方程(4)和(5),可W求出光栅周期W及光栅矢量与y轴之间的夹角分别为:
[0080] 御
[0081] ^ )
[0082] 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。
[0083] 步骤5)中所述的W空间光调制器为核屯、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=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L抓光源,14-绿光L抓光源,15-蓝光L抓光源,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)S块子区域, 每块子区域加载对应的红、绿、蓝S色分量全息图(Rh,抽,Bh),如图10所示,其中空间光调制 器6可W是各种纯位相调制的空间光调制器,如透射式或反射式,运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S者在同一直线上。红光Lm)光源13、绿光Lm)光源14、蓝光Lm)光源15分别发出红、绿、蓝 =色光,=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=色再现光分别入射至空间光调制器6上的红、绿、蓝=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S色分量全息图Rh, Gh,曲分别加载至空间光 调制器6上的红、绿、蓝=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=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=维显示的效果。
[0084] 实施例二:
[0085] 图7为本实用新型提供的基于空间划分的彩色全息=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S原色Lm)合成的白光Lm)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。
[0086] 实施例
[0087] 图8为本实用新型提供的基于空间划分的彩色全息=维显示装置的第=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。
[0088] 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=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=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W实现真彩色动态全息=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。
【主权项】
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〇. 3~3微米。
【文档编号】G02B27/26GK205691945SQ201620504259
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年5月30日 公开号201620504259.4, CN 201620504259, CN 205691945 U, CN 205691945U, CN-U-205691945, CN201620504259, CN201620504259.4, CN205691945 U, CN205691945U
【发明人】苏衍峰, 吴建宏
【申请人】苏州大学
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