专利名称：基于随机相长干涉的三维显示方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维成像技术领域，更具体地涉及一种基于随机 相长干涉的三维显示方法，以及实现此方法的装置，同时还涉及 一种三维摄像方法，特别适用于做计算机与电视显示屏，智能人 机交换，机器人视觉等，可广泛应用于教学、科研、娱乐、广告 等领域。
背景技术：
大尺寸、大视角实时三维显示技术一直是人们追求的目标， 现有三维显示技术可分为两类， 一类是伪三维显示技术， 一类是 真三维显示技术。所谓伪三维显示技术是指通过各种方法，把从 不同角度拍摄的照片分别呈现给左右眼，使观察者产生三维立体 幻觉。所谓真三维显示技术是指把立体像真实地显示在三维空 间，例如全息技术。伪三维显示技术往往需要观察者佩带偏振眼 镜等辅助装置，或者需要跟踪观察者眼睛的位置，且往往只能容 许 一 名或很少几名观察者同时进行观察。相反观察真三维立体图 像，就象观察真实物体一样，不需要借助任何辅助装置，非常方 便。近一、二十年来，随着液晶显示技术的发展，人们试图用液 晶板代替全息干板，并在实时小尺寸三维立体图像显示方面取得 了一定进展。但是即使釆用用于投影机的液晶板，其像素尺寸也 在十几微米以上，也就是说分辨率不到每毫米一百线对，比全息 干板的分辨率低大约二个数量级，因此釆用液晶板还只是对l厘 米左右的小物体实现了三维立体显示，而且由于采用了低密度的 全息干涉条纹，所显示的立体像离液晶板很远，这样观察角也非 常小。对普通计算机液晶屏，像素间距在0.29mm左右，分辨率 只有每毫米几线对，采用全息技术进行立体显示非常困难。另一 方面采用传统全息原理，要获得大尺寸大视角的立体再现像需要 非常大的空间带宽积，而目前液晶显示器的空间带宽积只有.106左右，还需要再提高几个数量级，然而随着空间带宽积的提高， 所需处理的数据量也同时变得非常庞大，这样对实时处理计算造 成了非常大的困难。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种基于随机相长干涉的三维显 示方法，它可采用低分辨率与低空间带宽积的平面显示技术实现 大尺寸物体的快速、稳定的三维立体显示。
本发明的另一个目的是在于提供了一种三维立体摄影方法， 它可以记录与测量物体的三维位置信息与色彩，可广泛用于人机 交换与机器人视觉等领域。
本发明的再一个目的是在于提供了一种基于随机相长干涉的 三维显示装置，它充分利用现有液晶显示技术，与现有平面显示 技术兼容，可实现大尺寸、大视角的实时彩色立体显示，可代替 现有平面显示器作为计算机与电视显示屏。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案
一种基于随机相长干涉的三维显示方法，它包括以下步骤 A:把三维立体像分解为离散像点； B-选取第A步中的一个离散像点；
C:从空间位置呈均匀随机分布的相干子光源阵列中，根据 第B步中选取的离散像点的亮度，随机抽取相干子光源，离散像 点的亮度越高，随机抽取的相干子光源的数目越大；
D:针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源，计算其离 第B步中选取的离散像点的距离和由此引起的位相差，每个相干 子光源所需做出的位相调整量等于该位相差；
E:针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源，确定每个
相干子光源所需做出的振幅调整量，该振幅调整量为一恒定常
数，或正比于第B步中选取的离散像点的亮度；
F:针对第A步中的所有离散像点，重复第B至第E步，记
录下每个相干子光源针对每个离散像点所需做出的位相和振幅 调整量，根据复数求和的原则计算出每个相干子光源所需做出的
总的位相和振幅调整量；
G:从第F步中计算出的每个相干子光源所需做出的总的位相调整量中减去每个相干子光源的初始位相，得到每个相干子光 源所需做出的最终位相调整量；把第F步中计算出的每个相干子 光源所需做出的总的振幅调整量作为每个相干子光源所需做出 的最终振幅调整量；调节空间位置呈均匀随机分布的相干子光源 阵列使其产生最终位相和振幅调整量。
一种基于随机相长干涉的三维摄像方法，它包括以下步骤 A:采用空间位置呈均匀随机分布的相干子光源阵列，根据 基于随机相长干涉的三维显示方法，把立体像点显示在三维空
B:采用普通摄像机，对准第A步中立体像点所在的空间位 置进行拍摄；
C:针对三维空间的不同位置重复第A步和第B步，使得第A 步中产生的立体像点在三维空间顺序扫描，同时对第B步所拍摄 的图像进行分析，当立体像点投影到物体表面后所产生像斑的尺 寸最小时，该立体像点所在位置即为物体表面的局部三维坐标， 第B步中采用普通摄像机拍摄的平面彩色图像代表物体表面的 颜色和亮度。
一种基于随机相长干涉的三维显示方法的装置，该装置由振 幅位相调节器阵列1、随机光斑发生器阵列2、相干光源3、和照 明光学系统4组成，依次放置相干光源3和照明光学系统4，使 得相干光源3发出的相干光通过照明光学系统4后，均匀照明振 幅位相调节器阵列1和随机光斑发生器阵列2，振幅位相调节器 阵列1与随机光斑发生器阵列2对准，使得由振幅位相调节器阵 列l中的每个振幅位相调节器产生的子光源——对应地入射到随 机光斑发生器阵列2中的每个随机光斑发生器，产生位置随机分 布的相干子光源阵列，在相干子光源阵列所覆盖的整个区域内， 子光源的位置呈均匀随机分布；
所述振幅位相调节器阵列1由两块透射式液晶板5、 6、两块 偏振片7、 8、两块半透半反镜9、 10、两块反射镜11、 12和一 个投影镜头13组成，两块半透半反镜9、 lO和两块反射镜ll、 12按照迈克耳逊干涉器方式放置，两块透射式液晶板5、 6分别 放置在迈克耳逊干涉器的两臂，第一块透射式液晶板5与第二块 半透半反镜9的半透半反面Al-A2成45度夹角，第二块透射式 液晶板6与第一块透射式液晶板5相对于第二块半透半反镜9的半透半反面A1-A2互相对称，位于投影镜头13的一倍焦距至两 倍焦距之间，两块偏振片7、 8分别平行于二块透射式液晶板6、 5，第一块偏振片7和第二块偏振片8分别位于迈克耳逊干涉器 的进光口和出光口，两块透射式液晶板5、 6皆工作于位相调节 为主模式，照明光学系统4发出的相干照明光束垂直穿过第一块 偏振片7后变成线偏振光，接着被第一块半透半反镜IO分成两 束光，这两束光被两块反射镜11、 12分别反射后垂直照明两块 透射式液晶板5、 6，再经过第二块半透半反镜9垂直照射到第二 块偏振片8，通过投影镜头13进行成像；
所述随机光斑发生器阵列2由一块微孔挡光板14和一块透射 式散射屏22或反射式散射屏25或微透镜阵列15组成，微孔挡 光板14为覆盖有一层挡光层的透明平板，挡光层上制作有透光 微孔阵列，每个透光微孔的通光口径小于透射式液晶板5或6的 每个像素成像到微孔挡光板14上时的尺寸，微孔挡光板14上每 个微孔的位置呈均匀随机分布，透射式散射屏22或反射式散射 屏25或微透镜阵列15紧贴微孔挡光板14放置或直接制作在微 孔挡光板14上，微透镜阵列15上每个微透镜与微孔挡光板14 上每个微孔——对应，微透镜阵列15上每个微透镜的光轴与微 孔挡光板14上它所对应的微孔的中心重合；随机光斑发生器阵 列2位于两块透射式液晶板5、 6被投影镜头13所成像的像面；
所述照明光学系统4由两块焦距不等的光学透镜16、17组成， 第一块透镜16的焦距小于第二块透镜17的焦距，放置在进光口 一端，第一块透镜16和第二块透镜17组成一个望远镜系统，第 一块透镜16与第二块透镜17皆为凸透镜，第一块透镜16的像 方焦点与第二块透镜17的物方焦点重合。
所述振幅位相调节器阵列1由一块半透半反镜9，两块偏振片 7、 8、 一个投影镜头13和两块反射式液晶板20、 21或两块液晶 光栅23、 24与数字微镜光学投影系统26组成，两块反射式液晶 板20、 21或两块液晶光栅23、 24和半透半反镜9按照反射式迈 克耳逊干涉器方式放置，两块反射式液晶板20、 21或两块液晶 光栅23、 24分别作为反射式迈克耳逊千涉器的两个臂中的反射 镜，它们的液晶层朝向半透半反镜9，第一块反射式液晶板20 或第一块液晶光栅23与半透半反镜9的半透半反面A1-A2成45 度夹角，第二块反射式液晶板21或第二块液晶光栅24与第 一 块反射式液晶板20或第 一 块液晶光栅23相对于半透半反镜9的半 透半反面Al-A2互相对称，位于投影镜头13的一倍焦距至两倍 焦距之间，两块偏振片7、 8分别平行于二块反射式液晶板20、 21或液晶光栅23、 24，两块反射式液晶板20、 21或液晶光栅23、 24皆工作于位相调节为主模式，数字微镜光学投影系统26放置 在两块液晶光栅23、 24的后面，把两幅光学影像分别成像到两 块液晶光栅23、 24的背面，这两幅光学影像的像素相对于半透 半反镜9的半透半反面Al-A2互相对称，第一块偏振片7和第二 块偏振片8分别位于迈克耳逊干涉器的进光口和出光口，照明光 学系统4发出的相干照明光束垂直穿过第一块偏振片7后变成线 偏振光，接着被半透半反镜9分成两束光，这两束光分别垂直照 明两块反射式液晶板20、 21或两块液晶光栅23、 24正面的液晶 层，反射后经同一半透半反镜9垂直照射到第二块偏振片8，通 过投影镜头13进行成像。
所述振幅位相调节器阵列1由一块半透半反镜9， 一个投影镜 头13和两块光寻址电光位相调节器30、 31与数字微镜光学投影 系统26组成，两块光寻址电光位相调节器30、 31和半透半反镜 9按照反射式迈克耳逊干涉器方式放置，两块光寻址电光位相调 节器30、 31分别作为反射式迈克耳逊干涉器的两个臂中的反射 镜，两块光寻址电光位相调节器30、 31的电光材料层38分别朝 向半透半反镜9，第一块光寻址电光位相调节器30与半透半反镜 9的半透半反面Al-A2成45度夹角，第二块光寻址电光位相调 节器31与第一块光寻址电光位相调节器30相对于半透半反镜9 的半透半反面A1-A2互相对称，位于投影镜头13的一倍焦距至 两倍焦距之间，数字微镜光学投影系统26放置在两块光寻址电 光位相调节器30、 31的后面，把两幅光学影像分别成像到两块 光寻址电光位相调节器30、 31背面的光敏层35，这两幅光学影 像的像素相对于半透半反镜9的半透半反面Al-A2互相对称，照 明光学系统4发出的相干照明光束被半透半反镜9分成两束光， 这两束光分别垂直照明两块光寻址电光位相调节器30、 31正面 的电光材料层38，反射后再次穿过半透半反镜9,通过投影镜头 1 3进行成像；
所述光寻址电光位相调节器30、 31由光敏层35、挡光层36、 反射层37、电光材料层38和两块透明导电玻璃34、 39组成，第一块透明导电玻璃34、光敏层35、挡光层36、反射层(37)、电 光材料层38和第二块透明导电玻璃39依次相互紧贴。
所述随机光斑发生器2由两块微孔挡光板32、 33组成，两块 微孔挡光板32、 33上每个微孔的位置呈相同的均匀随机分布， 第一块微孔挡光板32与半透半反镜9的半透半反面A1-A2成45 度夹角，第一块微孔挡光板32与第二微孔挡光板33相对于半透 半反镜9的半透半反面Al-A2互相对称放置，两块微孔挡光板 32、 33位于投影镜头13的物面。
所述振幅位相调节器阵列1由两块透射式液晶板40、 41和三 块偏振片42、 43、 44组成，第一块偏振片42、第一块透射式液 晶板40、第二块偏振片43、第二块透射式液晶板41和第三块偏 振片44依次紧贴放置，两块透射式液晶板40、 41的像素——对 准，两块透射式液晶板40、 41分别工作于振幅调节为主模式和 位相调节为主模式。
所述透射式液晶板5、 6、 40、 41或反射式液晶板20、 21上 每个像素的位置呈相同的均匀随机分布。
所述随机光斑发生器2由两块微透镜阵列45、 46组成，两块 微透镜阵列45、 46互相平行，互相对准，使得从第一块微透镜 阵列45上每个微透镜出射的光——对应地入射到第二块微透镜 阵列46上的每个微透镜，第一块微透镜阵列45的像方焦点离第 二块微透镜阵列46的物方焦点的距离在第二块微透镜阵列46的 一倍焦距以内，第一块微透镜阵列45上每个微透镜的光轴位置 呈周期分布，第二块微透镜阵列46上每个微透镜的光轴位置相 对于它所对应的第一块微透镜阵列45上的微透镜的光轴位置呈 均匀随机分布。
所述随机光斑发生器2由单模光纤束47和微透镜阵列48组 成，单模光纤束47中的每一根光纤都为单模光纤，单模光纤束 47的一端作为进光端口，在进光端口，所有单模光纤胶合或熔合 为一体，在光学上互相隔离，该端面通过光学抛光成平面后放置 在微透镜阵列48的焦面上，单模光纤束47中的每 一 根单模光纤 对准微透镜阵列48中的一个微透镜，单模光纤束47的另一端作 为出光端口，出光端口朝向立体像18,位于出光端口的相邻两根 单模光纤之间的横向间隔呈均匀随机分布。 下面对本发明的原理与技术方案进行说明。本发明的原理主要依据两点，第 一 点，根据光学干涉原理， 在空间任意指定位置，利用离散子光源阵列的相长干涉形成亮 点，并通过这些亮点构成三维立体像；第二点，使得相干离散子 光源阵列中的每个子光源的位置呈随机分布，从而消除高阶衍射 产生的多重像，详细成像原理分析如下。假设有N个振幅和位相可以调控的离散子光源，其空间相对位置固定，为分析方便，假设这些子光源为点光源，它们位于X-Y平面，它们发出的光波的偏振方向全部沿Y轴，则在空间任一点rm的光场的复振幅是所有这些子光源发出的球面波的叠加，其沿Y轴的电场分量可表示为= g鸟淘."。s(yx，(U00》]expHW", (r", _ R)](!)式中矢量lC1，』=1,2,....^_囊'示离散子光源的三维坐标，fe)表示第j个离散子光源发出的指向rm的光波的波矢，6,m表示第j个离散子光源发出的指向rm的光波的电场分量与Y轴的夹角， 0.", <90° ， jo,禾口 (Do,分别表示第j个离散子光源的初始振幅和位相，A,既与每个离散子光源的发光强度有关，也与发光方向有关，而Aw和(D^表示第j个离散子光源通过电子调控所产生的振幅和位相变化，这里X。7禾口 A,，m都为正数。为了在空间点l"m处产生相 长干涉，可以调整每个点光源的位相①。,m，使得①g,m + (Do./ — h, n, . (rm — R) = 2"" ( 2 )(2)式中"为整数。当(2)式满足时，(1)式变为这样在点r^的光^lllilj一个极大值，即形成一 个亮斑。根据多束 光相干原理，子光源的数目N越大，则点rm处的光斑的亮度越高， 且亮斑尺寸越小，即越锐利，离开点r^光场强度迅速降低。从(3)式可以看出，通过子光源的数目N和每个子光源的振 幅^/,m可以控制亮斑的亮度。 一般而言，观察者面向子光源，在 N和A^,恒定的条件下，根据(3)式，亮斑离观察者越近，或 者说亮斑离子光源越远，即卜-叫越大，亮斑的物理亮度越低， 近似与lrm-叫的平方成反比。值得注意的是，因为不是所有N个 子光源发出的光都能进入观察者的眼睛，由(3)式计算的物理 亮度并不代表观察者所感知的亮度。以该亮斑为顶点，以观察者 的瞳孔为底，作一个圆锥，反向延伸该圆锥，只有落在该圆锥内 的子光源发出的光才能进入观察者的眼睛。假设观察者离亮斑的距离为d，通过简单的几何比例关系不难发现，落在上述圆锥内 的子光源的数目N^与d的平方成反比，而与亮斑离子光源的距 离卜-Ill的平方成正比。在(3)式中用Ney/代替N，可以发现， 观察者感知的亮斑的亮度近似与d的平方成反比，即亮斑离观察 者越近，亮斑看起来越亮，这恰好与我们的日常经验相符合，即 越远的物体看起来越暗。进一步还可适当调整厶)，以补偿每个 子光源的初始亮度Ay与角度0,m的影响，使得来自不同位置的子 光源的贡献相同，这样从不同角度观察时亮斑的亮度趋于一致。 从(1)式还可以知道，上述立体成像系统为一个线性系统， 因此依据同样原理可在三维空间产生 一 系列亮斑，从而组成 一 个 立体像。对目前的平面液晶显示器，如果把它的每一个像素作为 一个离散子光源，这些离散子光源为二维周期排列，尽管利用上 述方式可以在三维空间产生很多像点，但该成像方法存在 一 个严 重缺陷，即在±1， ±2......级衍射方向会形成多重像。在近处这些像互相重叠，形成重影，使得图象质量严重下降；在远处，尽管 这些像会互相分开，但它们与液晶显示器的交角变得很小，即观 察角很小。为了抑制多重像的发生，本发明采用空间位置随机分布的相 干离散子光源阵列，即通过破坏子光源排列的周期性，使得±1， ±2......级衍射像无法产生，这样无论在近处和远处都可获得唯一的立体像。特别是在近处，由于立体像相对液晶显示器所张的夹 角很大，可以获得非常大的观察角。当采用空间位置随机分布的相干离散子光源阵列后，根据(3 ) 式仅在点^处产生一个唯一的亮斑，即立体像点。如果总共产生 M个像点，且为产生第m个像点，第j个子光源所需做出的振幅 和位相调整为j^和Oo，则第j个子光源所需做出的总的复振 幅调整为，A/ = Z A, m exp(①。-,m) ( 4 ) 根据"tl)、 (2)、 (3)和(4)式，仅当r-rm， m=l， 2， ......M时，方程(2 )成立，(1)式会达到极大值，从而在三维空间产生一系列亮斑，组成一个立体像。根据(1)、 (2)和(4)式进行模拟计算，可以发现，当采用周期排列的子光源阵列形成立体像时，同时还存在许多高级衍射像。如果子光源阵列中的每个子光源，按照均匀随机分布规律，围绕其初始位置在一定范围内移动时，随着移动范围的增大，高 级衍射像逐步消失，当每个子光源的移动范围大于其原始周期的 大约0.9倍时，就只剩下零级衍射像了 。当采用均匀随机分布时，在子光源阵列所覆盖的区域内，子光源位于任一位置的概率是相 同的，这样子光源阵列排列的周期性被彻底打破，有效地抑制了 高阶衍射像的产生。对其他类型的概率分布，只要能达到抑制高 阶衍射像的效果，同样可以采用。以上分析假设所有子光源为点光源，当子光源不是点光源时 上述结论同样成立，只是计算较为复杂，需要对每个子光源的贡 献进行积分运算。在上述成像方法中，每一个立体像点由许许多 多的子光源发生相长干涉后产生，如果少数子光源损坏或工作不 正常，对立体像点的亮度的影响并不大。另外在观察点只要来自任意两个子光源的光波的位相相差小于90度，它们叠加后的光 强就会增大，即发生相长干涉，因此并不要求(2)式必须严格 成立。当然当(2)式成立时，叠加后的光强会达到最大。因此 上述成像方法非常稳健，子光源的位相调节的少量误差，或者少 数子光源损坏，对立体像的亮度会发生轻微的影响，但立体像的 每个像素的位置和总的像素都不会发生变化。相比较而言，对平 面显示器，如果某个像素损坏，则该点永远为黑点，使得画面不 完整。一个基于上述随机相长干涉原理的三维显示装置，它主要应 该包括振幅位相调节器阵列、随机光斑发生器阵列、相干光源和 照明光学系统等四个部分，下面详细进行解释。振幅位相调节器阵列用于产生离散子光源阵列，并对每个子 光源的振幅和位相进行独立调节。振幅位相调节器阵列可以采用 液晶显示器，液晶显示器的每个像素相当于 一 个子光源。研究表 明，对单块SN及其他 一 些类型的液晶显示器，其振幅和位相调 节是相关联的，但通过调整其前后两侧的偏振片，可以使其分别 工作在振幅调节为主或者位相调节为主模式。进一步如果把两块 液晶显示器以适当的方式组合起来，就可实现振幅和位相的同时 独立调节。 一 种组合方法是使得照明光依次通过两块液晶显示 器，这时总的调制等于每块液晶显示器的调制的乘积。另外 一 种 组合方法是把两块液晶显示器分别放在迈克耳逊干涉器的两个 臂中，使得照明光分别通过两块液晶显示器，再合成在一起，此时总的调制等于每块液晶显示器的调制的矢量和。这样通过两块 液晶显示器的适当组合可以产生振幅和位相可以调节的离散子 光源阵列，具体组合方式取决于两块液晶显示器的结构类型，例 如是反射式还是透射式，是小尺寸投影液晶板还是大尺寸液晶显 示屏等。当然还可采用其他的办法来产生离散子光源阵列，例如 本发明提出的光寻址电光位相调节器。随机光斑发生器阵列用于对振幅位相调节器阵列所产生的 每个离散子光源进行转换，使得它们的位置呈随机分布。有很多 方法可以使得子光源的空间位置呈随机分布，最直接的方法就是 在设计制造液晶显示器时就使得每个像素的位置随机排列。此时 不再需要额外的随机光斑发生器阵列，或者说液晶显示器本身又 是随机光斑发生器阵列，两者融为一体。对现有的液晶显示器， 它们的像素呈周期规则分布，此时需要通过随机光斑发生器阵列 对每个像素进行变换，例如采用微孔中心位置随机分布的微孔挡 光板进行遮挡，或光轴位置随机分布的微透镜阵列进行汇聚，或 倾角随机分布的微棱镜阵列进行偏折等，或上述几种方法的组 合，使得新产生的离散子光源的空间位置随机分布。当然随机光 斑发生器阵列还可采用其他结构，例如本发明提出的光纤束等。作为 一 个相干成像系统，基于随机相长干涉原理的三维显示 装置需要采用相干较好的激光器，而且激光器的相干长度应该大 于任一立体像点离任意两个离散子光源所可能发生的最大光程 差。而相干光源的功率直接影响三维立体像的亮度与对比度。为 了实现彩色显示相干光源还需输出多种波长光波。对黑白液晶显 示器，相干光源可以按时序快速依次输出各种基元色，利用人眼 的视觉暂留效应合成出彩色立体像。对彩色液晶显示器，相干光 源可以同时输出各基元色，彩色液晶显示器中不同颜色的像素对 不同基元色光波进行振幅和位相调节，各种基元色立体像在空间 同 一 位置合成出真实彩色立体像。在三维测量和人机交换应用 中，还可采用不可见近红外光激光器，这样不会干扰观察者。激 光器输出的光束一般很小，因此需要照明光学系统，把激光器输 出的光束扩束后实现均匀照明，同时对便携式应用系统，还需要 照明光学系统薄而轻。为了进一步改善上述基于随机相长干涉原理的三维显示装置 的成像质量和不同角度的观察效果，可以再增加一些辅助光学元件，例如可以采用菲涅尔透镜对立体像进一步放大，并使其远离 高亮度子光源阵列，避免背景光对观察者的干扰等。上述基于随机相长干涉原理的三维显示装置，如果不按照上 述相长干涉原理进行振幅和位相调节，着重通过其振幅改变每个 子光源的亮度，则这些成离散子光源阵列本身可以作为一个平面 显示器，也就是说可以通过软件控制在三维立体显示和二维平面 显示模式间自由切换。利用上述立体显示方法，再结合普通摄像机可以实现三维立 体摄像和测量。如果在空间产生一些列点阵或网格，并且让些点 阵或网格在三维空间来回不停地扫描，同时用普通摄像机拍摄这 些点阵或网格投影到物体表面后的变化，就可确定物体表面的空 间坐标和变形，以及运动方向和速度等信息。如果把立体按钮成 像在三维空间，用摄像机监测手指接近按钮时，按钮投射在手指 上的影像的变化，可以实现三维人机交换。本发明与现有技术相比具有以下优点和效果第一，真实立体像直接显示在三维空间，观察者不需要佩带 任何辅助装置，就象观察真实物体一样。也不需要跟踪观察者的 位置，许多观察者可以同时观看，并随意移动观察角度与位置； 第二，可以实现大尺寸、大视角立体像的实时彩色显示；第三， 成像原理完全不同于全息技术，不需要引入参考光，也不需要记 录高密度干涉条纹，对所采用子光源阵列的空间分辨率基本没有 要求，可以采用现有液晶显示技术；第四，成像稳定，所采用子 光源阵列的一定范围内的振幅与位相调节误差，或者少数子光源 损坏，对立体像的亮度会发生轻微的影响，但立体像每个像素的 位置和总的像素数目都不会发生变化；第五，与平面显示技术兼 容，可在不改变硬件结构的情况下，通过软件在二维平面显示与 三维立体显示之间自由切换。第六，可以与普通摄像技术相结合， 实现三维测量与三维人机交换。
图1为本发明在采用两块小尺寸TFT-ST投影液晶显示板时 的结构示意图。图2为采用微孔位置随机分布的微孔挡光板时随机光斑发生器的结构示意图。图3为本发明在采用两块反射式液晶板时的结构示意图。图4为本发明在采用两块液晶光栅时的结构示意图。图5为本发明在采用光寻址电光位相调节器时的结构示意图。图6为光寻址电光位相节制器结构示意图。 图7为本发明在采用两块大尺寸TFT-ST液晶显示器时的结 构示意图。图8为采用两块微透镜阵列时随机光斑发生器的结构示意图。图9为采用单模光纤束时随机光斑发生器的结构示意图。
具体实施方式
图1给出了 一种采用两块小尺寸TFT-ST投影液晶显示板时基 于随机相长干涉的三维显示装置示意图。它由振幅位相调节器阵 列1、随机光斑发生器阵列2、相干光源3和照明光学系统4组 成，其中振幅位相调节器阵列1由两块透射式液晶板5、 6，两块 偏振片7、 8，两块半透半反镜9、 10,两±来反射镜11、 12，和一 个投影镜头13组成，两块半透半反镜9、 lO和两块反射镜ll、 12以迈克耳逊干涉器方式放置，两块透射式液晶板5、 6分别放 置在迈克耳逊干涉器的两臂，第一块透射式液晶板5与第二块半 透半反镜9的半透半反面Al-A2成45度夹角，第二块透射式液 晶板6与第一块透射式液晶板5相对于第二块半透半反镜9的半 透半反面Al-A2互成镜像对称放置，同时它们位于投影镜头13 的一倍焦距至两倍焦距之间。第一块偏振片7位于迈克耳逊干涉 器的进光口，且平行于第二块透射式液晶板6;第二块偏振片8 位于迈克耳逊干涉器的出光口，且平行于第一块透射式液晶板5; 同时两块偏振片7、 8的偏振方向互成45度(此夹角随液晶板不 同需要取不同的值)，使得两块透射式液晶板5、 6皆工作于位相 调节为主模式。照明光学系统4由两块焦距不等的光学透镜16、 17组成，第一块透镜16的焦距小于第二块透镜17的焦距，并放 置在进光口一端，它的光轴与第二块透镜17的光轴互相重合。 第一块透镜16与第二块透镜17皆为凸透镜，它的像方焦点与第 二块透镜17的物方焦点重合，组成一个望远系统。另外，第一块透镜16也可采用凹透镜，使它的物方焦点与第二块透镜17的 物方焦点重合，从而组成一个更紧凑的望远系统。相关光源3发 出的平行激光束经第一块透镜16聚焦后，被第二块透镜17重新 变成平行激光束，且光束直径更大，然后垂直穿过第一块偏振片 7，接着被第一块半透半反镜10分成两束光，这两束光被两块反 射镜11、 12分别反射后，再分别垂直照明两块透射式液晶板5、 6,并分别经过第二块半透半反镜9垂直照射到第二块偏振片8， 最后通过投影镜头13进行成像。由于两块透射式液晶板5、 6上 的每个像素已经互相对准，且位于投影镜头13的一倍焦距至两 倍焦距之间，它们被放大成实像投影到微孔挡光板14上，而且 ——相互重叠，通过复矢量叠加，形成振幅和位相可以调节的相 干子光源阵列。在图1中随机光斑发生器阵列2由一块微孔挡光板14和一 块微透镜阵列15组成。微透镜阵列15直接制作在微孔挡光板14 右侧，微透镜阵列1 5上每个微透镜与微孔挡光板14上每个微孔 ——对应，且微透镜阵列15上每个微透镜的光轴与微孔挡光板 14上它所对应的微孔的中心重合。如图2所示，微孔挡光板14 为覆盖有一层不透明挡光层的透明平板，不透明挡光层上制作有 透光微孔阵列，每个透光微孔对应透射式液晶板5或6上的一个 像素，且透光微孔的直径小于透射式液晶板5或6的每个像素成 像到微孔挡光板14上时(图2中的虚线)的尺寸，这样透光微 孔可在图2中的虚线框内任意移动。透光微孔的直径越小，它能 自由移动，不与相邻透光微孔冲突的范围越大，但光能损失也越 大。尽管两块透射式液晶板5、 6上的像素位置呈周期规则分布， 它们投影到微孔挡光板14上的像的位置也呈周期规则分布，由 于微孔挡光板14上每个微孔的位置呈均匀随机分布，经微透镜 阵列15上每个微透镜聚焦后形成的新子光源，其中心位置呈均 匀随机分布。采用投影方式形成中心位置随机分布的相干子光源 阵列的好处是可以获得大尺寸的相干子光源阵列，这样所能显示 的立体像也相应非常大。在图1中还增加了一块辅助光学元件，即菲涅耳透镜19，它 放置在微孔挡光板14前，使得入射到菲涅耳透镜19的发散光转 变成平行光后再照射到微孔挡光板14，这样经微透镜阵列15聚 焦后形成的子光源发出的光是对称的，位于正前方的观察者可以获得最佳的观察效果。如果没有菲涅耳透镜19，由于很多光向四 周发散，观察者从正前方观察时，立体像的亮度可能会降低，而 从侧面观察时，立体像的亮度可能略有增加。因此菲涅耳透镜19 主要起辅助调节作用，以提高立体像的观察效果。另外由直角棱 镜构成的半透半反镜9、 IO的进光面和出光面可以镀制增透膜， 以减少反射光的影响，其他可能产生反射的表面也可做同样处 理。下面我们结合图l所给出的装置，对基于随机相长干涉的三维显示方法进行说明，它由以下七步组成A:把三维立体像18分解为M个具有一定空间位置和亮度 的离散像点；B-选取第A步中的某一个离散像点m;C:从图1所示装置所产生的空间位置呈均匀随机分布的相 干子光源阵列中，根据第B步中选取的特定离散像点m的亮度， 随机抽取数目为N的相干子光源，离散像点m的亮度越高，随 机抽取的相干子光源的数目N越大；D:针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源j,计算其 中心位置离第B步中选取的特定离散像点m的距离和由此引起 的位相差，每个相干子光源所需做出的位相调整量O"，m等于上述 位相差，①g,"' = k/, m. (rm — Hv);E:针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源，它所需做 出的振幅调整量J^可以取一恒定常数，或正比于第B步中选取 的特定离散像点m的亮度；F:针对第A步中的所有M个离散像点，重复第B至第E步， 同时记录下每个相干子光源针对每个离散像点所需做出的位相 和振幅调整量①g，"'、 ^g，"'，并根据矢量叠加的原则求出每个相干 子光源j所需做出的总的位相和振幅Ay调整量，m=lG:从第F步中计算出的每个相干子光源j所需做出的总的位相调整量<Dg中减去由于相干照明光源本身亮度的不均匀性等各 种因素所产生的每个相干子光源的初始位相(Do,，得到每个相干 子光源所需做出的最终的位相调整量，当然在最终位相调整量中 可以丢掉2;u的整数倍。同时把第F步中计算出的每个相干子光源所需做出的总的振幅调整量A7作为每个相干子光源最终所需 做出的振幅调整量。另外也可把第F步中计算出的每个相干子光 源所需做出的总的振幅调整量厶除以每个相干子光源的初始振 幅A,，再乘以 一 个恒定常数C1 ，得到每个相干子光源最终所需做 出的振幅调整量d^M"，以补偿每个相干子光源的初始亮度A,的影响，使得来自不同位置的子光源的贡献趋于一致。最后通过驱动电路驱动透射式液晶板5、 6，使得每个相干子光源产生上 述最终振幅和位相调整量。通过上述A-G共7个步骤，根据公式(1)、 (2)、 (3)和(4) 所表示的相长干涉原理，可以形成初始立体像18，同时由于在相 干子光源阵列所覆盖的整个区域内，子光源的位置是均匀随机分 布的，因此立体像18是唯一的。在图1中，如果透射式液晶板5、 6采用像素为1920x 1080 的液晶显示器，为了使所能显示的每个立体像点的亮度达到256 个等级，可以在第E步中取每个相干子光源的振幅Zg)为恒定常 数1，同时通过第C步中随机抽取的相干子光源的数目N来控制 每个立体像点的亮度。若最暗的立体像点由N=400个相干子光源 产生，则当相干子光源的数目增大16倍，即N=6400时，每个立 体像点的光场振幅增大16倍，而亮度增加256倍。对平均亮度 N-4800,此时从液晶板总共1920x1080个像素中可以随机取出 1920x1080/4800=432组像素。如果液晶显示器采用8位D/A驱动， 其每个像素的最高亮度为256，则每组像素至少可以显示256个 立体像点。这样总共可以产生约432x256个立体像点。每个立体 像点的绝对亮度取决于激光器的功率，采用大功率激光器可以获 得高亮度立体像。以上估算表明，采用随机相长干涉方法，107~108 的空间带宽积即可以产生约106个立体像点。为了显示超大尺寸立体场景，如图l所示的多个基于随机相 长干涉的三维显示装置可以拼接组合在一起，由于立体像远离成 像装置，拼接形成的立体场景可以消除拼接缝。采用图l所给出的装置，和普通摄像机相结合，可以进行三 维立体摄影和测量，它由以下三步组成A:采用图l所示装置产生的空间位置呈均匀随机分布的相 干子光源阵列，根据基于随机相长干涉的三维显示方法，把立体 像点成像在三维空间的某 一 位置；B :采用普通摄像机，对准第A步中立体像点所在的空间位 置进行拍摄；C:针对三维空间的不同位置重复第A步和第B步，使得第 A步中的立体像点在三维空间顺序扫描，对第B步所拍摄的图像 进行分析，当在某一空间位置，由某一立体像点投影到物体表面 后所产生像斑的尺寸最小时，该立体像点所在位置即为物体表面 的某一局部的三维坐标，而第B步中采用普通摄像机拍摄的平面 图像代表物体表面的颜色和亮度。通过第A步至第C，可以确定整个物体表面的三维坐标。加 大第A步中的立体像点在三维空间的扫描间隔，可以提高三维拍 摄速度。减小第A步中的立体像点在三维空间的扫描间隔，可以 提高三维测量的精度。在循环拍摄过程中，如果充分利用已经得 到的三维测量结果，在远离物体表面的地方，加大第A步中的立 体像点在三维空间的扫描间隔，而在物体表面附近，减小第A步 中的立体像点在三维空间的扫描间隔，则可以在获得较高三维拍 摄速度的同时获得较高的三维测量精度。上述三维实时测量技术 还可以广泛应用于三维人机交换与机器人视觉。图3给出了一种釆用两块反射式液晶板时基于随机相长干涉 的三维显示装置示意图。它由振幅位相调节器阵列l、随机光斑 发生器2、相干光源3和照明光学系统4组成，其中振幅位相调 节器阵列l由一块半透半反镜9，两块偏振片7、 8， 一个投影镜 头13和两块LCOS( Liquid Cristal On Silicon)反射式液晶板20、 21组成，两块反射式液晶板20、 21和半透半反镜9以反射式迈 克耳逊干涉器方式放置，两块反射式液晶板20、 21分别作为反 射式迈克耳逊干涉器的两个臂中的反射镜，它们的液晶层朝向半 透半反镜9)。第一块反射式液晶板20与半透半反镜9的半透半 反面Al-A2成45度夹角，两块反射式液晶板20、 21相对于半 透半反镜9的半透半反面Al-A2互成镜像对称放置。图3所示 装置的工作原理类似图l所示装置。第一块偏振片7位于反射式 迈克耳逊干涉器的进光口，且平行于第一块反射式液晶板20， 第二块偏振片8位于反射式迈克耳逊干涉器的出光口，且平行于 第二块反射式液晶板21，两块偏振片7、 8的偏振方向互成45 度(此夹角随液晶板不同需要取不同的值)，使得两块反射式液 晶板20、 21皆工作于位相调节为主模式。照明光学系统4发出的相干照明光束垂直穿过第一块偏振片7后变成线偏振光，接着 被半透半反镜9分成两束光，这两束光分别垂直照明两块反射式 液晶板20、 21正面的液晶层，反射后经同一半透半反镜9垂直 照射到第二块偏振片8，最后通过投影镜头13进行成像。由于 两块反射式液晶板20、 21上的每个像素己经互相对准，且位于 投影镜头13的一倍焦距至两倍焦距之间，它们被放大成实像投 影到微孔挡光板14上，而且——相互重叠，通过复矢量叠加， 形成振幅和位相可以调节的相干子光源阵列。进一步通过由透射 式漫散射屏22和微孔挡光板14组成的随机光斑发生器2形成位 置呈均匀随机分布的子光源阵列。透射式漫散射屏22的作用是 使得最后出射的光更加扩散，这样立体像的每一个离散像点由来 自各个方向的光相长干涉形成，也就是说，从各个角度都可看到 立体像的每一个像点，从而获得较大的观察角。透射式漫散射屏 22的粗糙度应适当控制，以免从同一子光源的不同部分发出的 光的位相相差过大，互相抵消，降低立体像的亮度。图4给出了一种采用两块液晶光栅时基于随机相长干涉的三 维显示装置示意图。它的光路与图3—样采用反射式迈克耳逊干 涉器结构，只是用两块液晶光栅23、 24代替图4中的反射式液 晶板20、 21，相应地增加了两个同样结构的数字微镜光学投影 系统26。数字微镜光学投影系统26由光源27、数字微镜(Digital Micro-mirrorDevce) 28和光学透镜29组成，光源27发出的光 经数字微镜28的反射形成具有特定亮度分布的光学影像，再经 光学透镜29成像到液晶光栅23或24的背面。当然也可仅采用 一个数字微镜光学投影系统通过分色片把两幅不同颜色的光学 影像分别成像到液晶光栅23和24的背面。液晶光栅主要由光敏层和液晶层组成，它们中间是挡光层和 多层介质反射膜，驱动电压通过光敏层施加到液晶层两侧。当光 学影像从背面投射到光敏层时，光敏层的电阻发生变化，这样施 加到液晶层两侧的电压也发生改变，从正面入射到液晶层的光经 反射层反射后，再次穿过液晶层，其位相也随着光学影像亮度的 改变而改变。液晶层本身是一个整体，没有在结构上被制作成一 个个独立的像素，但投射到光敏层的光学影像由 一 系列像素组 成，这样在每个像素处的液晶所接受到的电压也是不同的，相当 于说液晶层被划分为 一 个个独立的像素，每个像素的大小等于光学影像的每个像素的大小。在图4中，两个同样结构的数字微镜光学投影系统26把两幅 用于位相调节的光学影像分别成像到两块液晶光栅23、 24背面 的光敏层，由于两幅光学影像互相对准，相对于半透半反镜9的 反射面Al-A2互成镜像，同时两块偏振片7、 8的偏振方向互成 45度(此夹角随液晶板不同需要取不同的值)，使得两块液晶光 栅23、 24皆工作于位相调节为主模式，这样通过复矢量相加产 生具有特定振幅和位相的子光源阵列。进一步通过由反射式漫散 射屏25和微孔挡光板14组成的随机光斑发生器2形成位置呈均 匀随机分布的子光源阵列。采用液晶光栅的好处， 一方面可以采 用大功率激光光源，提高立体图像的亮度，另一方面可以充分发 挥数字微镜光学投影系统的优势，获得更高的灰度细节和刷新扫 描频率，提高彩色显示的稳定性。图5给出了一个采用光寻址电光位相调节器时基于随机相长 干涉的三维显示装置示意图。它的光路结构与图4基本一致，只 是用两块光寻址电光位相调节器30、 31代替了图4中的两块液 晶光栅23、 24，相应地去掉了图4中的两块偏振片7、 8。光寻 址电光位相调节器的结构如图6所示，它类似于液晶光栅，只不 过用电光材料代替液晶材料来产生位相调整。如图6所示，光寻 址电光位相调节器30由光敏层35、挡光层36、多层介质膜反射 层37、电光材料层38和两块透明导电玻璃34、 39组成，它们 相互紧贴，且两块导电玻璃34、 39位于最外面，中间依次是光 敏层35、挡光层36、反射层37和电光材料层38。交流驱动电 压V通过两块透明导电玻璃34、39施加到光敏层35和电光材料 层38两侧。当光学影像从背面投射到光敏层35时，光敏层35 的电阻发生变化，这样施加到电光材料层38两侧的电压也发生 改变，由于电光效应，电光材料层38的折射率发生变化，这样 从正面入射到电光材料层38的光经反射层37反射后，再次穿过 电光材料层38，其位相也随着光学影像的改变而改变。由于施 加在光敏层35和电光材料层38的总的交流驱动电压的振幅是固 定的，不需要实时精确改变，因此可以采用较高驱动电压，以获 得兀位相相移。要实现高速和高精度，光敏层35的响应时间和 它相对于电光材料层38的电阻需要合理设计。如果在透明导电 玻璃39上再制作一层反射膜与中间的反射层37构成FP干涉器，则可以构成 一 个光寻址电光振幅调节器。用电光材料代替液晶材 料的好处是不需要偏振光，光能利用率成倍提高。而且电光材料 的反应时间可以达到纳秒量级，可以实现非常高的刷新扫描频 率。另外在图5中，随机光斑发生器由两块微孔挡光板32、 33组 成，它们分别紧贴两块光寻址电光位相调节器30、 31的正面， 即朝向投影镜头13的表面。第一块微孔挡光板32与半透半反镜 9成45度夹角，两块微孔挡光板32、 33相对于半透半反镜9的 反射面Al-A2互相对称，同时两块微孔挡光板32、 33上每个微 孔的位置呈相同的均匀随机分布。由于它们相互对准，这样它们 投影到透射式散射屏22上的像相互重叠，通过复矢量叠加产生 位置随机分布的相干子光源阵列。两块微孔挡光板32、 33放置 在投影镜头13的物面的好处是可以方便地调整投影镜头13的放 大倍数，放大倍数越大，所产生的子光源的尺寸就越大，相应地 所能形成的立体像尺寸也越大。而如果像图l、图3和图4那样 把微孔挡光板放置在投影镜头13的像面，则微孔挡光板的横向 和纵向位置都必须精密调整，不能随意改变。在制作背投电视时 可以采用图l、图3和图4所示方案，在需要经常改变投影倍率 的场合宜采用图5所示方案，把微孔挡光板放置在投影镜头13 的物面。图7给出了一种在采用两块大尺寸TFT-ST液晶显示器时基于 随机相长干涉的三维显示装置示意图。它主要由振幅位相调节器 阵列1、相干光源3和照明光学系统4组成，其中振幅位相调节 器阵列1由两块透射式液晶板40、 41和三块偏振片42、 43、 44 组成，偏振片42、 43、 44与透射式液晶板40、 41互相紧贴顺序 放置。在图7的成像装置中采用了最直接的方法来产生位置随机 分布的子光源阵列，即两块透射式液晶板40、 41上每个像素的 位置被设计为呈相同的均匀随机分布，这样就不必再额外需要随 机光斑发生器，或者说振幅位相调节器阵列1本身就是随机光斑 发生器。偏振片42和43的偏振方向成45度夹角(此夹角随液 晶板不同需要取不同的值)，使得透射式液晶板40工作于位相调 节为主模式，偏振片44和43的偏振方向成90度夹角，使得透 射式液晶板41工作于振幅调节为主模式。如果采用偏振光激光 器，则偏振片42可以省略。
一般而言，照明光学系统可以采用由两片透镜组成的扩束器，在本实例中为了减少整个显示装置的 体积，釆用层叠放置的分光片组成照明光学系统4，这些分光片 的反射率逐步增大，且后一片分光片的反射率是前一片分光片的 反射率与前一片分光片的透射率的比值，这样使得激光器3发出的平行光束经照明光学系统4反射后等强度均匀地照射到第一块 偏振片42，然后依次穿过第一块透射式液晶板40，第二块偏振 片43,第二块透射式液晶板41，最后从第三块偏振片44出射， 产生位置随机分布的子光源阵列，并最终通过对子光源阵列中每 个子光源的振幅和位相的控制，形成初始立体像18。在图7所示 装置中透射式液晶板40和41可以采用大尺寸，例如19英寸或 更大的液晶显示器，此时像素间距约为0.29mm，在小距离内衍 射效应还不十分明显，这样穿过第一块透射式液晶板40上每一 个像素的光到达第二块透射式液晶板41时，只照明与其所对准 的那个像素，而不会影响相邻像素。如果像素间距非常小，衍射 效应显著，则应该采用一个1: 1光学系统，或微透镜阵列把第 一块透射式液晶板40投影成像到第二块透射式液晶板41。在图7所示装置中，还包括一块辅助光学元件，即菲涅耳透 镜19，它放置在初始立体像18后，且初始立体像18位于菲涅耳 透镜19的一倍焦距内，被进一步放大成虚像，而第二块透射式 液晶板41右侧形成的子光源阵列位于菲涅耳透镜19的两倍焦距 外，在菲涅耳透镜19右侧形成縮小实像，这样最终立体像远离 明亮的子光源阵列，有利于减少子光源阵列对观察者的干扰，同 时增加立体像的对比度。在图1、 3、 4和5中，通过两块位相调节器的复矢量和来形 成子光源，假设照射每块位相调节器的光波的振幅为l个单位大 小，则它们叠加后所能产生的子光源的最大振幅为2个单位大小， 而子光源的最大光强为4个单位大小。在图7中，通过一块位相 调节器和一块振幅调节器的复矢量积来形成子光源，同样假设照 明光波的振幅为l个单位大小，则它们复矢量相乘后所能产生的 子光源的最大振幅为l个单位大小，而子光源的最大光强也为l 个单位大小。因此采用同样功率的激光器，釆用复矢量和比采用 复矢量积所形成立体像的亮度高四倍。图8给出了一种采用两块微透镜阵列时随机光斑发生器的结 构示意图。如图8所示，随机光斑发生器2由两块微透镜阵列45 、46组成，它们互相平行，且互相对准，使得从第一块微透镜阵列 45上每个微透镜出射的光——对应地入射到第二块微透镜阵列 46上的每个微透镜，第一块微透镜阵列45的像方焦点离第二块 微透镜阵列46的物方焦点的距离在第二块微透镜阵列46的一倍 焦距以内，这样平行照明光聚焦在第一个微透镜阵列45的焦点 上后，被第二个微透镜阵列46进一步放大成像，尽管第一块微 透镜阵列45上每个微透镜的光轴位置呈周期分布，由于第二块 微透镜阵列46上每个微透镜的光轴位置相对于它所对应的第一 块微透镜阵列45上每个微透镜的光轴位置呈均匀随机分布，每 个微透镜的横向放大率呈均匀随机变化，所放大形成的子光源阵 列的位置也因此呈均匀随机分布。在图8中微透镜阵列45、 46 可以制作在同一透明基片的两侧，这样可以大量减少组装调试的 工作量。图8所示的随机光斑发生器还可用于两块液晶板之间的 耦合，避免第一块液晶板紧贴第二块液晶板放置时由于衍射效应 造成相邻像素互相影响。图9给出了一种采用单模光纤束时随机光斑发生器的结构示 意图。随机光斑发生器2由单模光纤束47和微透镜阵列48组成， 单模光纤束47中的每一根光纤都为单模光纤，单模光纤束47的 左端作为进光端口，在进光端口，所有单模光纤胶合为一体，但 在光学上互相隔离，即光波限制在每根光纤的芯层里传播，互相 之间不存在光波场的耦合。单模光纤束47的左端端面通过光学 加工抛光成平面后放置在微透镜阵列48的焦面上，每一根单模 光纤对准微透镜阵列中的一个微透镜，以便于把入射平行光准确 耦合到每根单模光纤的芯层。单模光纤束的右端作为出光端口， 在出光端口，所有单模光纤朝向右方立体像18，相邻两根单模光 纤之间的横向间隔呈均匀随机分布。
权利要求
1、一种基于随机相长干涉的三维显示方法，它包括以下步骤A把三维立体像分解为离散像点；B选取第A步中的一个离散像点；C从空间位置呈均匀随机分布的相干子光源阵列中，根据第B步中选取的离散像点的亮度，随机抽取相干子光源，离散像点的亮度越高，随机抽取的相干子光源的数目越大；D针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源，计算其离第B步中选取的离散像点的距离和由此引起的位相差，每个相干子光源所需做出的位相调整量等于该位相差；E针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源，确定每个相干子光源所需做出的振幅调整量，该振幅调整量为一恒定常数，或正比于第B步中选取的离散像点的亮度；F针对第A步中的所有离散像点，重复第B至第E步，记录下每个相干子光源针对每个离散像点所需做出的位相和振幅调整量，根据复数求和的原则计算出每个相干子光源所需做出的总的位相和振幅调整量；G从第F步中计算出的每个相干子光源所需做出的总的位相调整量中减去每个相干子光源的初始位相，得到每个相干子光源所需做出的最终位相调整量；把第F步中计算出的每个相干子光源所需做出的总的振幅调整量作为每个相干子光源所需做出的最终振幅调整量；调节空间位置呈均匀随机分布的相干子光源阵列使其产生最终位相和振幅调整量。
2、 一种基于随机相长干涉的三维摄像方法，它包括以下步骤A:采用空间位置呈均匀随机分布的相干子光源阵列，根据 基于随机相长干涉的三维显示方法，把立体像点显示在三维空间；B:采用普通摄像机，对准第A步中立体像点所在的空间位 置进行拍摄；C:针对三维空间的不同位置重复第A步和第B步，使得第A 步中产生的立体像点在三维空间顺序扫描，同时对第B步所拍摄 的图像进行分析，当立体像点投影到物体表面后所产生像斑的尺 寸最小时，该立体像点所在位置即为物伴表面的局部三维坐标， 第B步中采用普通摄像机拍摄的平面彩色图像代表物体表面的 颜色和亮度。
3、 一种实现权利要求1或2所述的基于随机相长干涉的三 维显示方法的装置，其特征在于该装置由振幅位相调节器阵列(1)、随机光斑发生器阵列(2)、相干光源(3)、和照明光学系 统(4)组成，依次放置相千光源(3)和照明光学系统(4)，使 得相干光源(3)发出的相干光通过照明光学系统(4)后，均匀 照明振幅位相调节器阵列(1 )和随机光斑发生器阵列(2 )，振 幅位相调节器阵列(1 )与随机光斑发生器阵列(2 )对准，使得 由振幅位相调节器阵列(1)中的每个振幅位相调节器产生的子 光源——对应地入射到随机光斑发生器阵列(2)中的每个随机 光斑发生器，产生位置随机分布的相干子光源阵列，在相干子光 源阵列所覆盖的整个区域内，子光源的位置呈均匀随机分布；所述的振幅位相调节器阵列(1)由两块透射式液晶板(5、 6)、两块偏振片(7、 8)、两块半透半反镜(9、 10)、两块反射 镜(11、 12)和一个投影镜头(13)组成，两块半透半反镜(9、 10)和两块反射镜(11、 12)按照迈克耳逊干涉器方式放置，两 块透射式液晶板(5、 6)分别放置在迈克耳逊干涉器的两臂，第 一块透射式液晶板(5)与第二块半透半反镜(9)的半透半反面(Al-A2)成45度夹角，第二块透射式液晶板(6)与第一块透 射式液晶板(5)相对于第二块半透半反镜(9)的半透半反面(Al-A2)互相对称，位于投影镜头(13)的一倍焦距至两倍焦 距之间，两块偏振片(7、 8)分别平行于二块透射式液晶板(6、5)，第一块偏振片(7)和第二块偏振片(8)分别位于迈克耳逊 干涉器的进光口和出光口，两块透射式液晶板(5、 6)皆工作于 位相调节为主模式，照明光学系统(4 )发出的相干照明光束垂 直穿过第一块偏振片(7)后变成线偏振光，接着被第一块半透 半反镜(10)分成两束光，这两束光被两块反射镜(11、 12)分 别反射后垂直照明两块透射式液晶板(5、 6)，再经过第二块半 透半反镜(9)垂直照射到第二块偏振片(8)，通过投影镜头(13) 进行成像；所述的随机光斑发生器阵列(2)由一块微孔挡光板(14)和 一块透射式散射屏(22)或反射式散射屏(25)或微透镜阵列(15) 组成，微孔挡光板(14)为覆盖有一层挡光层的透明平板，挡光 层上制作有透光微孔阵列，每个透光微孔的通光口径小于透射式 液晶板(5或6)的每个像素成像到微孔挡光板(14)上时的尺 寸，微孔挡光板(14)上每个微孔的位置呈均匀随机分布，透射 式散射屏(22)或反射式散射屏(25)或微透镜阵列(15)紧贴 微孔挡光板(14)放置或直接制作在微孔挡光板(14)上，微透 镜阵列(15)上每个微透镜与微孔挡光板(14)上每个微孔一一 对应，微透镜阵列(15)上每个微透镜的光轴与微孔挡光板U4) 上它所对应的微孔的中心重合；随机光斑发生器阵列(2)位于 两块透射式液晶板(5、 6)被投影镜头(13)所成像的像面；所述的照明光学系统(4)由两块焦距不等的光学透镜(16、 17)组成，第一块透镜(16)的焦距小于第二块透镜(17)的焦 距，放置在进光口一端，第一块透镜(16)和第二块透镜(17) 组成一个望远镜系统，第一块透镜(16)与第二块透镜(17)皆 为凸透镜，第一块透镜(16)的像方焦点与第二块透镜(17)的 物方焦点重合。
4、 根据权利要求3所述的一种基于随机相长干涉的三维 显示装置，其特征在于振幅位相调节器阵列(1)由一块半透 半反镜(9)，两块偏振片(7、 8)、 一个投影镜头(13)和两块 反射式液晶板(20、 21)或两块液晶光栅(23、 24)与数字微镜光学投影系统(26)组成，两块反射式液晶板(20、 21)或两块 液晶光栅(23、 24)和半透半反镜(9)按照反射式迈克耳逊干 涉器方式放置，两块反射式液晶板(20、 21)或两块液晶光栅(23、 24)分别作为反射式迈克耳逊干涉器的两个臂中的反射镜，它们 的液晶层朝向半透半反镜(9)，第一块反射式液晶板(20)或第 一块液晶光栅(23)与半透半反镜(9)的半透半反面(Al-A2) 成45度夹角，第二块反射式液晶板(21)或第二块液晶光栅(24) 与第一块反射式液晶板(20)或第一块液晶光栅(23)相对于半 透半反镜(9)的半透半反面(Al-A2)互相对称，位于投影镜头(13)的一倍焦距至两倍焦距之间，两块偏振片(7、 8)分别平 行于二块反射式液晶板(20、 21)或液晶光栅(23、 24)，两块 反射式液晶板(20、 21)或液晶光栅(23、 24)皆工作于位相调 节为主模式，数字微镜光学投影系统(26)放置在两块液晶光栅(2 3 、 2 4 )的后面，把两幅光学影像分别成像到两块液晶光栅(2 3 、 24)的背面，这两幅光学影像的像素相对于半透半反镜(9)的 半透半反面(Al-A2)互相对称，第一块偏振片(7)和第二块偏 振片(8)分别位于迈克耳逊干涉器的进光口和出光口，照明光 学系统(4)发出的相干照明光束垂直穿过第一块偏振片(7)后 变成线偏振光，接着被半透半反镜(9)分成两束光，这两束光 分别垂直照明两块反射式液晶板(20、 21)或两块液晶光栅(23、 24)正面的液晶层，反射后经同一半透半反镜(9)垂直照射到 第二块偏振片(8)，通过投影镜头(13)进行成像。
5、 根据权利要求3所述的一种基于随机相长干涉的三维 显示装置，其特征在于振幅位相调节器阵列(1)由一块半透 半反镜(9)， 一个投影镜头(13)和两块光寻址电光位相调节器(30、 31)与数字微镜光学投影系统(26)组成，两块光寻址电 光位相调节器(30、 31)和半透半反镜(9)按照反射式迈克耳 逊干涉器方式放置，两块光寻址电光位相调节器(30、 31)分别 作为反射式迈克耳逊干涉器的两个臂中的反射镜，两块光寻址电 光位相调节器(30、 31)的电光材料层(38)分别朝向半透半反镜(9)，第一块光寻址电光位相调节器(30)与半透半反镜(9) 的半透半反面(Al-A2)成45度夹角，第二块光寻址电光位相调 节器(31)与第一块光寻址电光位相调节器(30)相对于半透半 反镜(9)的半透半反面(Al-A2)互相对称，位于投影镜头(13) 的一倍焦距至两倍焦距之间，数字微镜光学投影系统(26)放置 在两块光寻址电光位相调节器(30、 31)的后面，把两幅光学影 像分别成像到两块光寻址电光位相调节器(30、 31)背面的光敏 层(35)，这两幅光学影像的像素相对于半透半反镜(9)的半透 半反面(Al-A2)互相对称，照明光学系统(4)发出的相干照明 光束被半透半反镜(9)分成两束光，这两束光分别垂直照明两 块光寻址电光位相调节器(30、 31)正面的电光材料层(38)， 反射后再次穿过半透半反镜(9)，通过投影镜头(13)进行成像； 所述的光寻址电光位相调节器(30、 31)由光敏层(35)、挡 光层(36)、反射层(37)、电光材料层(38)和两块透明导电玻 璃(34、 39)组成，第一块透明导电玻璃(34)、光敏层(35)、 挡光层(36)、反射层(37)、电光材料层(38)和第二块透明导 电玻璃(39)依次相互紧贴。
6、 根据权利要求3所述的一种基于随机相长干涉的三维 显示装置，其特征在于随机光斑发生器(2)由两块微孔挡光 板(32、 33)组成，两块微孔挡光板(32、 33)上每个微孔的位 置呈相同的均匀随机分布，第一块微孔挡光板(32)与半透半反 镜(9)的半透半反面(Al-A2)成45度夹角，第一块微孔挡光 板(32)与第二微孔挡光板(33)相对于半透半反镜(9)的半 透半反面(Al-A2)互相对称放置，两块微孔挡光板(32、 33) 位于投影镜头(13)的物面。
7、 根据权利要求3所述的一种基于随机相长干涉的三维 显示装置，其特征在于振幅位相调节器阵列(1)由两块透射 式液晶板(40、 41)和三块偏振片(42、 43、 44)组成，第一块 偏振片(42)、第一块透射式液晶板(40)、第二块偏振片(43)、 第二块透射式液晶板(41)和第三块偏振片(44)依次紧贴放置，两块透射式液晶板(40、 41)的像素——对准，两块透射式液晶 板(40、 41 )分别工作于振幅调节为主模式和位相调节为主模式。
8 、 根据权利要求3或4或7所述的 一 种基于随机相长干涉 的三维显示装置，其特征在于透射式液晶板(5、 6、 40、 41) 或反射式液晶板(20、 21)上每个像素的位置呈相同的均匀随机 分布。
9、 根据权利要求3所述的一种基于随机相长干涉的三维 显示装置，其特征在于随机光斑发生器(2)由两块微透镜阵 列(45、 46)组成，两块微透镜阵列(45、 46)互相平行，互相 对准，使得从第一块微透镜阵列(45)上每个微透镜出射的光一 一对应地入射到第二块微透镜阵列(46)上的每个微透镜，第一 块微透镜阵列(45)的像方焦点离第二块微透镜阵列(46)的物 方焦点的距离在第二块微透镜阵列(46)的一倍焦距以内，第一 块微透镜阵列(45)上每个微透镜的光轴位置呈周期分布，第二 块微透镜阵列(46)上每个微透镜的光轴位置相对于它所对应的 第一块微透镜阵列(45)上的微透镜的光轴位置呈均匀随机分布。
10、 根据权利要求3所述的一种基于随机相长干涉的三 维显示装置，其特征在于随机光斑发生器(2)由单模光纤束(47)和微透镜阵列(48)组成，单模光纤束(47)中的每一根 光纤都为单模光纤，单模光纤束(47)的一端作为进光端口，在 进光端口，所有单模光纤胶合或熔合为一体，在光学上互相隔离， 该端面通过光学抛光成平面后放置在微透镜阵列(48)的焦面上， 单模光纤束(47)中的每一根单模光纤对准微透镜阵列(48)中 的一个微透镜，单模光纤束(47)的另一端作为出光端口，出光 端口朝向立体像(18)，位于出光端口的相邻两根单模光纤之间 的横向间隔呈均匀随机分布。
全文摘要
本发明公开了一种基于随机相长干涉的三维显示方法及装置，它采用振幅位相调节器阵列产生离散子光源，通过离散子光源的相长干涉形成三维立体像，与振幅位相调节器阵列对准的随机光斑发生器阵列使子光源的位置呈随机分布，消除高阶衍射产生的多重像。它可采用低分辨率的液晶显示器实现大尺寸、大视角立体像的实时彩色显示，可广泛应用于计算机与电视三维显示，三维人机交换，机器人视觉等领域。
文档编号G03B35/00GK101226325SQ20081004686
公开日2008年7月23日 申请日期2008年2月3日 优先权日2008年2月3日
发明者李志扬 申请人:李志扬