專利名稱:基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制單元的全視角三維全息顯示系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制單元的全視角三維全息顯示系統(tǒng)及其方法。
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(chǎng)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)為視差三維圖像顯示技術(shù),通過(guò)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°的范圍實(shí)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(duì)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(jué)疲勞而影響了其推廣應(yīng)用。計(jì)算全息三維顯示的基本原理是用計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)衍射過(guò)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(gè)平面上模擬衍射光的復(fù)振幅,實(shí)現(xiàn)三維圖像信息的全記錄,再通過(guò)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(guò)光學(xué)系統(tǒng)衍射直接生成的三維圖像觀察視角比較小。專利“一種全視角真三維顯示方法和系統(tǒng)”(申請(qǐng)?zhí)?01010577360. X)通過(guò)高速反射鏡的掃描,實(shí)現(xiàn)小視角基元三維圖像的合成,但其存在兩個(gè)問(wèn)題1.采用單個(gè)反射鏡,最多只能同時(shí)采用兩個(gè)調(diào)制器件從反射鏡片上下方入射調(diào)制信息,所以,若希望得到較大視角范圍(甚至360° )的真三維圖像顯示,對(duì)調(diào)制器件的刷新頻率要求很高;2.水平面內(nèi)反射鏡旋轉(zhuǎn)掃描到不同角位置時(shí),各基元三維圖像的水平視角范圍隨垂直內(nèi)視角方位的不同而變化,視角合成時(shí)在不同的垂直視角方位上存在圖像的重疊或間隙,影響最終顯示的效果。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足,將調(diào)制器件的旋轉(zhuǎn)和鏡面反射技術(shù)相結(jié)合,采用具有一定刷新頻率的光調(diào)制器件,將具有一定觀察視角的基元計(jì)算全息三維圖像順序連結(jié),依靠人眼的視覺(jué)滯留,實(shí)現(xiàn)360°全視角的三維圖像顯示。為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng),其特征在于,包括
一調(diào)制單元,其包括用于加載傅里葉計(jì)算全息編碼的空間光調(diào)制器、用于傅里葉變換空間光調(diào)制器的輸出光信息并形成傅里葉全息三維圖像的傅里葉變換透鏡、用于將傅里葉全息三維圖像鏡面成像于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域的反射鏡,該空間光調(diào)制器還連接有一控制光束入射時(shí)間的控制單元;其中,該調(diào)制單元整體繞一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),虛擬放置待顯示三維圖像于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域,目標(biāo)圖像顯示區(qū)域?yàn)橐孕D(zhuǎn)軸為中心的柱形區(qū)域,調(diào)制單元處于某角位置時(shí),獲取待顯示三維圖像關(guān)于該調(diào)制單元反射鏡鏡面的像,并以該鏡像作為該調(diào)制單元空間光調(diào)制器需要顯示的圖像,計(jì)算其二維傅里葉計(jì)算全息編碼,作為該調(diào)制單元空間光調(diào)制器在該角位置的對(duì)應(yīng)輸入編碼。該調(diào)制單元的傅里葉變換透鏡采用透鏡組或具有位相調(diào)制功能的衍射光學(xué)元件。該控制單元為快門(mén)或光源電流控制器。該調(diào)制單元的數(shù)量為兩個(gè),該反射鏡為雙面反射鏡,兩個(gè)調(diào)制單元共用同一個(gè)反射鏡,分別位于反射鏡兩邊,生成的三維圖像分別關(guān)于各自反射面和目標(biāo)圖像顯示區(qū)的虛置待顯示三維圖像成鏡像關(guān)系。該調(diào)制單元的數(shù)量為三個(gè)或三個(gè)以上,調(diào)制單元和旋轉(zhuǎn)軸存在一定距離,各調(diào)制單元繞旋轉(zhuǎn)軸圓周均勻分布,該反射鏡為單面或雙面反射鏡。另外,本發(fā)明還提供一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)的顯示方法,其包括以下步驟
a、建立xyz軸坐標(biāo),設(shè)置單個(gè)或多個(gè)調(diào)制單元繞旋轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)軸和ζ軸重合;
b、虛擬放置待顯示三維圖像于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域,目標(biāo)圖像顯示區(qū)域?yàn)橐孕D(zhuǎn)軸為中心的柱形區(qū)域;
C、調(diào)制單元處于某角位置時(shí),獲取待顯示三維圖像關(guān)于該調(diào)制單元反射鏡鏡面的像, 并以該鏡像作為該調(diào)制單元空間光調(diào)制器需要顯示的圖像,計(jì)算其二維傅里葉計(jì)算全息編碼,作為該調(diào)制單元空間光調(diào)制器在該角位置的對(duì)應(yīng)輸入編碼;
d、確定各角位置角位置0、角位置L···角位置η···;
e、調(diào)制單元繞旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),調(diào)制單元運(yùn)動(dòng)到任一角位置時(shí),控制單元控制光入射, 該調(diào)制單元空間光調(diào)制器同步輸入對(duì)應(yīng)計(jì)算全息編碼,實(shí)現(xiàn)360°全視角的三維圖像顯示。與現(xiàn)有技術(shù)相比較,本發(fā)明具備如下優(yōu)勢(shì),
繞軸旋轉(zhuǎn)的光調(diào)制器生成的傅里葉計(jì)算全息三維圖像,經(jīng)鏡面反射,其鏡像在旋轉(zhuǎn)軸垂面內(nèi)具有相同的觀察視角,不隨旋轉(zhuǎn)面內(nèi)視角的變化而變化,以其作為基元圖像,可以實(shí)現(xiàn)視角的無(wú)隙無(wú)重疊順序連接,利用人的視覺(jué)滯留,當(dāng)光調(diào)制器件的刷新頻率和旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到一定值時(shí),可以實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)視角的真三維圖像顯示;當(dāng)調(diào)制單元反射鏡位置偏離系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸時(shí),可以繞旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置多套調(diào)制單元,同時(shí)鏡像顯示不同方位角的多個(gè)基元圖像,降低對(duì)器件刷新頻率的要求。本發(fā)明專利對(duì)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單調(diào)制單元的系統(tǒng)光路圖2共軸雙面反射雙調(diào)制單元的系統(tǒng)光路圖; 圖3非共軸雙面反射雙調(diào)制單元的系統(tǒng)光路圖; 圖4單面反射多調(diào)制單元系統(tǒng)的系統(tǒng)光路圖; 圖5雙面反射多調(diào)制單元系統(tǒng)的系統(tǒng)光路圖; 10 調(diào)制單元11 空間光調(diào)制器12:傅里葉變換透鏡 13:反射鏡20:快門(mén)。
具體實(shí)施例方式為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題,本專利基于空間光調(diào)制器的時(shí)分復(fù)用和鏡面反射技術(shù),通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的光調(diào)制器進(jìn)行信息調(diào)制,設(shè)計(jì)全視角全息三維圖像顯示系統(tǒng)。一.單調(diào)制單元系統(tǒng)
采用單調(diào)制單元,系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)如圖1所示調(diào)制單元10由空間光調(diào)制器11、傅里葉變換透鏡12和反射鏡13組成,其中空間光調(diào)制器11分辨率為
MxAT,像素間距為輸入的二維調(diào)制編碼經(jīng)傅里葉變換顯示三維圖像于透鏡
12(焦距力/ )的后焦面附近,當(dāng)調(diào)制單元處于某位置時(shí),定義該小視角的傅里葉計(jì)算全息
三維圖像為此位置對(duì)應(yīng)的基元鏡像,該基元鏡像關(guān)于反射鏡13的像為此位置對(duì)應(yīng)的基元圖像;調(diào)制單元的所有組件同步繞旋轉(zhuǎn)軸ο’ ο’’旋轉(zhuǎn)。傅里葉變換透鏡12的光軸和旋轉(zhuǎn)軸ο’ ο’,處于同一個(gè)旋轉(zhuǎn)面內(nèi),傅里葉變換透鏡12的光軸交其后焦面于ο點(diǎn)。假設(shè)掃描反射鏡鏡面平行于y軸的位置為0位置,如圖1所示,旋轉(zhuǎn)軸和ζ軸重合, 用實(shí)線三角形代表待顯示三維圖像,被虛擬放置于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域,其關(guān)于反射鏡面的反射像用虛線三角形表示,即為該位置對(duì)應(yīng)的基元鏡像。將基元鏡像的傅里葉計(jì)算全息編碼輸入空間光調(diào)制器11,生成的基元鏡像經(jīng)反射鏡13,顯示為0位置對(duì)應(yīng)的基元圖像,和虛置的待顯示三維圖像在空間上重合。如圖1,空間光調(diào)制器衍射生成的a’點(diǎn),經(jīng)反射鏡面反射,顯示給觀察者的是其關(guān)于反射鏡13的像a,其旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的視角和旋轉(zhuǎn)軸垂面內(nèi)的視角
都是有限的,當(dāng)空間光調(diào)制器11的有效調(diào)制面垂直于光軸時(shí),二者分別為Sictoi^^^j 和2 ^!^^^^·〕。同時(shí),對(duì)該基元圖像上的任何一點(diǎn),其觀察視角范圍都是相等的。調(diào)制單元繞ο’ ο’’轉(zhuǎn)動(dòng)Sicta^^^^j的1、2···η等整數(shù)倍時(shí),其位置分別定
義為角位置1、角位置2,…,角位置η,…。這些角位置對(duì)應(yīng)不同的觀察方位角,每個(gè)角位置對(duì)應(yīng)一對(duì)基元圖像(基元圖像η)和基元鏡像(基元反射圖像η),其中基元圖像η為
^Hctmj^;^ (沿旋轉(zhuǎn)方向和χ軸負(fù)方向的夾角)方向的小視角視圖,空間上和虛置的
待顯示圖像重合,基元鏡像η的傅里葉計(jì)算全息編碼定義為編碼η。由于調(diào)制器11的旋轉(zhuǎn),各基元圖像在旋轉(zhuǎn)軸垂面內(nèi)的視角范圍是均為。調(diào)制單元高速旋轉(zhuǎn),到達(dá)任一位置η時(shí),控制單元讓照射光束入射,空間光調(diào)制器 11同步輸入編碼η ;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(shí),利用人眼的視覺(jué)滯留,可以實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)視角的三維目標(biāo)圖像顯示。圖1所示為空間光調(diào)制器11出射信息光直流傳播方向、光軸和旋轉(zhuǎn)軸平行時(shí)的光路,三者也可以非平行,此時(shí)需要調(diào)整反射鏡鏡面的角度和位置,以保證各基元圖像和虛置的待顯示圖像(位于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域)在空間上重合;同時(shí),在這種情況下,旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的視角方位也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)俯視、平視、仰視的三維圖像顯示。圖1所示系統(tǒng),ο點(diǎn)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的距離也可以調(diào)整,包括ο點(diǎn)位于O’ O’ ’軸上的情況。若空間光調(diào)制器11的像素為& ,分辨率1_¥864,傅里葉變換透鏡12 焦距/ = 200^以332 波長(zhǎng)光入射,則基元鏡像在旋轉(zhuǎn)軸垂面內(nèi)的觀察視角為
沒(méi)danaanpi^xlgx—Mdd。,則需要約72幅基元三維圖就可以覆蓋旋轉(zhuǎn)軸垂面
360°內(nèi)的所有視圖。要消除人眼的閃爍感,單幅基元圖像的刷新頻率要到達(dá)到30Hz以上, 則空間光調(diào)制器的刷新頻率需要達(dá)到72x30 =2160 Hz,對(duì)其刷新頻率的要求較高。二.多調(diào)制單元系統(tǒng)
為了降低對(duì)調(diào)制器11刷新頻率的要求,在上述單調(diào)制單元系統(tǒng)基礎(chǔ)上,可以設(shè)計(jì)多調(diào)制單元系統(tǒng)。1.單反射鏡雙調(diào)制單元系統(tǒng)
在圖1中,采用雙面反射鏡13,兩個(gè)調(diào)制單元分別從反射鏡兩個(gè)反射面入射,共用同一個(gè)反射鏡13,可實(shí)現(xiàn)雙調(diào)制單元系統(tǒng)。設(shè)置兩個(gè)調(diào)制單元10的光軸和旋轉(zhuǎn)軸共面,此時(shí)存在兩種情況
1).共軸雙面反射雙調(diào)制單元系統(tǒng)兩調(diào)制單元10共光軸,忽略反射鏡兩反射面間距, 其關(guān)于共同的后焦面對(duì)稱放置,如圖2。兩個(gè)調(diào)制單元的光調(diào)制器11同時(shí)編碼顯示空間分布重合的基元鏡像n,經(jīng)反射鏡13,在目標(biāo)圖像顯示區(qū)域顯示空間分布重合的虛、實(shí)基元圖像,其旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的視角大小一致,視角方位關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱,旋轉(zhuǎn)軸垂面內(nèi)的視角大小也相同,但方位相差180°。進(jìn)行360°全視角顯示時(shí),此系統(tǒng)可以將對(duì)空間光調(diào)制器11的刷新頻率要求降低一倍。2).非共軸雙面反射雙調(diào)制單元系統(tǒng)兩調(diào)制單元10的光軸不平行,兩調(diào)制器11 同時(shí)編碼顯示空間分布重合的基元鏡像n,經(jīng)反射鏡13,在圖像顯示區(qū)顯示空間分布重合的虛、實(shí)基元圖像,如圖3,其旋轉(zhuǎn)軸垂面內(nèi)的視角大小相同,方位相差180°,旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的視角大小近似,但方位不關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱。通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)光軸和旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角,雙調(diào)制單元10同步高速旋轉(zhuǎn),在實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸垂面內(nèi)全視角顯示的同時(shí),可以在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)或間斷的雙顯示視角范圍,實(shí)現(xiàn)垂直視角的展寬。2.多調(diào)制單元系統(tǒng)
在圖1中,若調(diào)制單元和旋轉(zhuǎn)軸存在一定距離,調(diào)制單元10各器件和旋轉(zhuǎn)軸無(wú)交點(diǎn),可以設(shè)計(jì)多調(diào)制單元系統(tǒng)。設(shè)置各調(diào)制單元10的光軸分別和旋轉(zhuǎn)軸共面,此時(shí)存在兩種情況 1).單面反射多調(diào)制單元系統(tǒng)
以m=6為例,如圖4,六個(gè)上述單調(diào)制單元系統(tǒng)作為組件,繞Z軸圓對(duì)稱分布,其在旋轉(zhuǎn)軸垂面上的投影用橢圓表示。因?yàn)閙個(gè)調(diào)制器11可同時(shí)在旋轉(zhuǎn)軸垂面內(nèi)顯示方位角相差 360°/ 的m個(gè)基元圖像,則顯示360°可視三維圖像時(shí),對(duì)調(diào)制器11刷新頻率的要求降低了 m倍。
增大光軸和旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角,并相應(yīng)調(diào)整反射鏡13位置和角度,可以適當(dāng)?shù)靥岣咛岣哒{(diào)制單元10的數(shù)目m,進(jìn)一步降低對(duì)調(diào)制器11的頻率要求。2).雙面反射多調(diào)制單元系統(tǒng)
設(shè)置,以奇數(shù)(m)個(gè)共軸雙面反射雙調(diào)制單元系統(tǒng)作為組件,繞ζ軸對(duì)稱分布,如圖 4(m=5)。各共軸雙面反射雙調(diào)制單元生成的虛像基元圖像,信息傳輸方向背向ζ軸,直接可視;實(shí)像基元圖像,也可以經(jīng)過(guò)兩個(gè)共軸雙面反射雙調(diào)制單元間的空隙直接可視,將調(diào)制器 11刷新頻率的要求降低an倍。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有刷新頻率達(dá)到1000Hz的空間光調(diào)制器,采用本發(fā)明發(fā)明技術(shù), 選用較大焦距的傅里葉變化透鏡,可以實(shí)現(xiàn)較大尺寸三維圖像的全視角顯示,對(duì)三維圖像顯示技術(shù)的發(fā)展,具有很積極的作用。
權(quán)利要求
1.一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng),其特征在于,包括一調(diào)制單元,其包括用于加載傅里葉計(jì)算全息編碼的空間光調(diào)制器、用于傅里葉變換空間光調(diào)制器的輸出光信息并形成傅里葉全息三維圖像的傅里葉變換透鏡、用于將傅里葉全息三維圖像鏡面成像于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域的反射鏡,該空間光調(diào)制器還連接有一控制光束入射時(shí)間的控制單元;其特征在于,該調(diào)制單元整體繞一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),虛擬放置待顯示三維圖像于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域,目標(biāo)圖像顯示區(qū)域?yàn)橐孕D(zhuǎn)軸為中心的柱形區(qū)域,調(diào)制單元處于某角位置時(shí),獲取待顯示三維圖像關(guān)于該調(diào)制單元反射鏡鏡面的像,并以該鏡像作為該調(diào)制單元空間光調(diào)制器需要顯示的圖像,計(jì)算其二維傅里葉計(jì)算全息編碼,作為該調(diào)制單元空間光調(diào)制器在該角位置的對(duì)應(yīng)輸入編碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng),其特征在于,該調(diào)制單元的傅里葉變換透鏡采用透鏡組或具有位相調(diào)制功能的衍射光學(xué)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng),其特征在于,該控制單元為快門(mén)或光源電流控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng),其特征在于,該調(diào)制單元的數(shù)量為兩個(gè),該反射鏡為雙面反射鏡,兩個(gè)調(diào)制單元共用同一個(gè)反射鏡,分別位于反射鏡兩邊,生成的三維圖像分別關(guān)于各自反射面和目標(biāo)圖像顯示區(qū)的虛置待顯示三維圖像成鏡像關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng),其特征在于,該調(diào)制單元的數(shù)量為三個(gè)或三個(gè)以上,調(diào)制單元和旋轉(zhuǎn)軸存在一定距離,各調(diào)制單元繞旋轉(zhuǎn)軸圓周均勻分布,該反射鏡為單面或雙面反射鏡。
6.一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制器件的全息三維顯示系統(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),設(shè)置單個(gè)或多個(gè)調(diào)制單元繞旋轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)軸和ζ軸重合;b、虛擬放置待顯示三維圖像于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域,目標(biāo)圖像顯示區(qū)域?yàn)橐孕D(zhuǎn)軸為中心的柱形區(qū)域;C、調(diào)制單元處于某角位置時(shí),獲取待顯示三維圖像關(guān)于該調(diào)制單元反射鏡鏡面的像, 并以該鏡像作為該調(diào)制單元空間光調(diào)制器需要顯示的圖像,計(jì)算其二維傅里葉計(jì)算全息編碼,作為該調(diào)制單元空間光調(diào)制器在該角位置的對(duì)應(yīng)輸入編碼;d、確定各角位置角位置0、角位置L···角位置η···;e、調(diào)制單元繞旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),調(diào)制單元運(yùn)動(dòng)到任一角位置時(shí),控制單元控制光入射, 該調(diào)制單元空間光調(diào)制器同步輸入對(duì)應(yīng)計(jì)算全息編碼,實(shí)現(xiàn)360°全視角的三維圖像顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制器件的全息三維顯示系統(tǒng)及其方法,該系統(tǒng)包括調(diào)制單元和控制單元,其中調(diào)制單元包括用于加載傅里葉計(jì)算全息編碼的空間光調(diào)制器、用于傅里葉變換空間光調(diào)制器的輸出光信息并形成傅里葉全息三維圖像的傅里葉變換透鏡,以及用于將傅里葉全息三維圖像鏡面成像于目標(biāo)圖像顯示區(qū)域的反射鏡;控制單元用于控制光束入射時(shí)間。該調(diào)制單元整體繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn);該調(diào)制單元的數(shù)量為一個(gè)或多個(gè)。本發(fā)明將具有一定觀察視角的基元計(jì)算全息三維圖像順序連結(jié),依靠人眼的視覺(jué)滯留,實(shí)現(xiàn)360°全視角的三維圖像顯示。
文檔編號(hào)G03H1/22GK102213943SQ20111018525
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者劉立林 申請(qǐng)人:中山大學(xué)