本發(fā)明涉及三維圖像顯示技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于超像素復(fù)振幅調(diào)制的三維顯示系統(tǒng)和三維顯示方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)實(shí)生活中，世界里的各種物質(zhì)形態(tài)都是在三維(Three-Dimensional，3D)空間中客觀存在的，因此人眼看到的物體都是以三維的形式存在，同時(shí)也因?yàn)檫@樣，三維顯示系統(tǒng)相較于二維顯示系統(tǒng)能提供更加符合人們觀察習(xí)慣的圖像信息，有助于人們獲得更真實(shí)、豐富、可靠的視覺體驗(yàn)。因此，三維顯示技術(shù)備受關(guān)注，它可以使畫面變得立體逼真，其最基本的原理是利用左右人眼分別接收不同的畫面，經(jīng)過大腦對(duì)接收的圖像信息進(jìn)行疊加重構(gòu)，形成立體方向效果的影像。

目前，現(xiàn)有的一種重要的可以實(shí)現(xiàn)3D顯示的顯示裝置是在顯示面板的出光側(cè)設(shè)置狹縫光柵或液晶光柵等遮蔽物，利用狹縫光柵或液晶光柵在顯示面板的出光側(cè)形成若干視區(qū)。如圖1所示，以在顯示面板的出光側(cè)設(shè)置狹縫光柵101為例進(jìn)行說明，顯示面板上的不同的亞像素單元102(圖1以5個(gè)亞像素單元為例進(jìn)行說明)發(fā)出的光射落在不同的視場(chǎng)內(nèi)，觀看者的雙眼103落在不同的視場(chǎng)內(nèi)可以產(chǎn)生3D感覺。如圖1所示，a為顯示面板上的亞像素單元102與狹縫光柵101之間的距離，b為3D顯示裝置的視距即顯示面板上的亞像素單元102與觀看者的雙眼103之間的距離。

上述的這種基于二維雙目視差圖像的三維系統(tǒng)，由人類的視覺習(xí)慣和大腦處理形成立體的三維觀感。雖然其能夠?yàn)槿藗兲峁┮欢ǖ娜S視覺感受，但是它存在調(diào)焦-聚焦(accommodation-vergence)矛盾，違背人們的觀察習(xí)慣，長(zhǎng)時(shí)間觀看會(huì)有視覺疲勞、眩暈等不舒適感。

為了解決上述的技術(shù)問題，人們提出了多視角投影、體三維顯示和全息投影。而多視角投影、體三維顯示和全息投影，雖然能消除調(diào)焦-聚焦矛盾，改善視覺疲勞問題，但其對(duì)應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往復(fù)雜龐大，對(duì)硬件要求高，便攜性差。集成成像使用微透鏡陣列獲取三維場(chǎng)景的深度和多視角信息，所用微透鏡陣列通常需要加工定制，因此制備大尺寸、多陣列、同焦距的微透鏡組目前還存在不小的難度。

綜上可知，目前開發(fā)出一種能表達(dá)真實(shí)深度信息、硬件要求低且成像算法簡(jiǎn)單的三維顯示系統(tǒng)就迫在眉睫。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能表達(dá)真實(shí)深度信息、三維顯示效果好且立體觀感友好度高的三維顯示系統(tǒng)和三維顯示方法，以解決現(xiàn)有系統(tǒng)中人眼觀察時(shí)所存在調(diào)焦-聚焦矛盾、硬件要求度高且成像算法復(fù)雜的技術(shù)問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種三維顯示系統(tǒng)，其包括：相位調(diào)制板、及與所述相位調(diào)制板對(duì)應(yīng)的顯示器，

所述相位調(diào)制板上設(shè)有多個(gè)第一子元素區(qū)，所述每一個(gè)第一子元素區(qū)由n²個(gè)第一子像素所構(gòu)成；

所述顯示器上設(shè)有與所述相位調(diào)制板上第一子元素區(qū)對(duì)應(yīng)的第二子元素區(qū)，所述每一個(gè)第二子元素區(qū)由n²個(gè)第二子像素所構(gòu)成，所述每一個(gè)第二子像素與第一子像素相對(duì)應(yīng)以形成n²個(gè)超像素；

其中，n為正整數(shù)。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述相位調(diào)制板是由一束平面波和一束物光波疊加干涉曝光而成的全息衍射光學(xué)元件，且所述物光波由空間光調(diào)制器產(chǎn)生。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述疊加干涉曝光的函數(shù)公式為：

其中，I_H表示干涉場(chǎng)強(qiáng)度，表示平面波峰值強(qiáng)度面的法線方向，表示物光波峰值強(qiáng)度面的法線方向，為平面波傳播方向向量，p為相位調(diào)制量，

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述全息衍射光學(xué)元件為厚度為1μm-100μm，且該全息衍射光學(xué)元件的光學(xué)透過率大于50％。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述全息衍射光學(xué)元件為鹵化銀、重鉻酸鹽明膠、光致聚合物、光致抗蝕劑、光導(dǎo)熱塑或光折變晶體中的一種。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述顯示器為OLED、LED或液晶顯示器中的一種。

本發(fā)明還提供了一種三維顯示方法，其包括以下步驟：

S1.將目標(biāo)物體復(fù)振幅信號(hào)的相位與相位調(diào)制板上的第一子元素區(qū)的第一子像素內(nèi)的相位信息比較，獲取兩者差值最小值時(shí)的第一子像素；

S2.用步驟S1中獲取的第一子像素內(nèi)的相位信息替代目標(biāo)物體復(fù)振幅信號(hào)的相位信息；

S3.獲取與步驟S1中得到的第一子像素對(duì)應(yīng)的顯示器上的第二子元素區(qū)，激活第二子元素區(qū)中與步驟S1中所得到的第一子像素對(duì)應(yīng)的第二子像素，并將其余第二子元素區(qū)中的第二子像素置零。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述相位調(diào)制板是由一束平面波和一束的物光波疊加干涉曝光而成的全息衍射光學(xué)元件，且所述物光波由空間光調(diào)制器產(chǎn)生。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述疊加干涉曝光的函數(shù)公式為

其中，I_H表示干涉場(chǎng)強(qiáng)度，表示平面波峰值強(qiáng)度面的法線方向，表示物光波峰值強(qiáng)度面的法線方向，為平面波傳播方向向量，p為相位調(diào)制量，

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述的顯示器為OLED、LED或液晶顯示器中的一種。

本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N三維顯示系統(tǒng)，通過在相位調(diào)制板和顯示器上分別采用超像素調(diào)制產(chǎn)生復(fù)振幅波前技術(shù)，將相位調(diào)制板上的第一子元素區(qū)設(shè)計(jì)成由多個(gè)承載相位信息的第一子像素所構(gòu)成，配合將顯示器上的第二子元素區(qū)與相位調(diào)制板上的第一子元素區(qū)對(duì)應(yīng)，并將第二子元素區(qū)設(shè)計(jì)成由多個(gè)承載振幅信息的第二子像素所構(gòu)成。通過對(duì)目標(biāo)物體的波前復(fù)振幅進(jìn)行優(yōu)化編碼，從而再現(xiàn)物體的三維波前。

由于本發(fā)明輸出直接就是三維復(fù)振幅信號(hào)，其包含目標(biāo)物體所有的深度信息，因此系統(tǒng)的立體觀感友好度高，避免了人眼觀察的調(diào)焦-聚焦矛盾。且本發(fā)明所用的復(fù)振幅調(diào)制算法簡(jiǎn)便，對(duì)硬件要求低。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的三維顯示裝置的光路示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種三維顯示系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的相位調(diào)制板的局部結(jié)構(gòu)放大圖；

圖4為本發(fā)明的顯示器的局部結(jié)構(gòu)放大圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

請(qǐng)參閱圖2所示，本發(fā)明的一種三維顯示系統(tǒng)，其包括：相位調(diào)制板2、及與相位調(diào)制板2對(duì)應(yīng)的顯示器1。

其中，本發(fā)明的相位調(diào)制板2上設(shè)有多個(gè)第一子元素區(qū)20，每一個(gè)第一子元素區(qū)20由n²個(gè)第一子像素31所構(gòu)成，每個(gè)第一子像素31內(nèi)加載相位信息，具體結(jié)構(gòu)見圖3所示。

顯示器1上設(shè)有第二子元素區(qū)30，每一個(gè)第二子元素區(qū)30與第一子元素區(qū)20相對(duì)應(yīng)，且每一個(gè)第二子元素區(qū)30由n²個(gè)第二子像素31所構(gòu)成，每第二子元素區(qū)30的第二子像素31與第一子元素區(qū)20的第一子像素31相互對(duì)應(yīng)以形成n²個(gè)超像素，并使每個(gè)第二子元素區(qū)30中的每一個(gè)第二子元素區(qū)30內(nèi)加載不同的振幅信息，具體結(jié)構(gòu)見圖4所示，且本發(fā)明的n為正整數(shù)。

工作原理：

物體的三維信息波前可以由一個(gè)既有振幅又有相位的復(fù)振幅信號(hào)表示，當(dāng)人眼觀察該信號(hào)時(shí)，可以獲取一個(gè)真實(shí)的三維物體場(chǎng)景圖像。設(shè)定待顯示的目標(biāo)物體復(fù)振幅信號(hào)為Aexp(iθ)，其中A為振幅(分布在[0,1])，θ為相位(分布在[0,2π])，是虛數(shù)單位，同時(shí)，設(shè)定本發(fā)明的n為2。

在上述技術(shù)參數(shù)下，本發(fā)明的相位調(diào)制板2上的第一子元素區(qū)20是由2×2的子像素矩陣所構(gòu)成，由于相位分布在[0,2π]范圍內(nèi)，則第一子元素區(qū)20的四個(gè)第一子像素31中所加載的相位信息分別為π/2、π、3π/2和2π四個(gè)階值。在使用本發(fā)明的三維顯示系統(tǒng)時(shí)，均將待顯示的目標(biāo)物體波前每一像素點(diǎn)的位相由該四個(gè)階值組成的2×2的子像素矩陣進(jìn)行表達(dá)。

而與上述的相位調(diào)制板2對(duì)應(yīng)的顯示器1，其上的每一個(gè)第二子元素區(qū)30都是由2×2個(gè)第二子像素31所構(gòu)成，并使每一個(gè)第二子像素31內(nèi)加載不同的振幅信息。

使用時(shí)，當(dāng)待顯示目標(biāo)物體的復(fù)振幅信號(hào)某一點(diǎn)分布為A_mnexp(iθ_mn)，傳遞至系統(tǒng)時(shí)，首先，將待顯示目標(biāo)物體的復(fù)振幅信號(hào)中的相位信息θ_mn與相位調(diào)制板2上的第一子元素區(qū)20中的每一個(gè)第一子像素31進(jìn)行比較，獲取兩者之差。當(dāng)兩者差值最小時(shí)，將該第一子像素31記作替代像素。

將用該替代像素中的相位信息替換待顯示目標(biāo)物體的復(fù)振幅信號(hào)中的相位信息θ，同時(shí)，將與該替代像素對(duì)應(yīng)的顯示器1上的第二子元素區(qū)30中的第二子像素31激活，而將第二子元素區(qū)30中的其它第二像素置零予以熄滅，按照上述方案遍歷整個(gè)待顯示目標(biāo)復(fù)振幅場(chǎng)后即可得到對(duì)應(yīng)的顯示器1調(diào)制圖像，如圖2中的三維物體正方體301或/和三維物體圓柱302。

為了進(jìn)一步，詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，以下將詳細(xì)介紹本發(fā)明的相位調(diào)制板2的結(jié)構(gòu)及其制作原理。

本發(fā)明的相位調(diào)制板2即為空間離散化的階值相位分布，它是由一束平面波和一束由空間光調(diào)制器產(chǎn)生的物光波疊加干涉曝光而成的全息衍射光學(xué)元件，其中該疊加干涉過程可由下式表達(dá)：

I_H表示干涉場(chǎng)強(qiáng)度，表示平面波峰值強(qiáng)度面的法線方向，表示物光波峰值強(qiáng)度面的法線方向，為平面波傳播方向向量，p為相位調(diào)制量，

若體全息光柵的干涉條紋的空間周期為Δ，則根據(jù)光柵方程有：

為兩平面波的夾角。由于體全息光柵的特性，是上述公式的使用條件，其必須以這個(gè)角度入射才能使用，因此，體全息光柵與平面光柵的不同之處在于使用時(shí)還需滿足布拉格條件：

其中為布拉格角。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的全息衍射光學(xué)元件為厚度為1μm-100μm，且該全息衍射光學(xué)元件的光學(xué)透過率大于50％，優(yōu)選的，該全息衍射光學(xué)元件為鹵化銀、重鉻酸鹽明膠、光致聚合物、光致抗蝕劑、光導(dǎo)熱塑或光折變晶體中的一種。

且該顯示器1為OLED、LED或液晶顯示器中的一種。

本發(fā)明還提供了一種三維顯示方法，其包括以下步驟：

S1.將目標(biāo)物體復(fù)振幅信號(hào)的相位與相位調(diào)制板2上的第一子元素區(qū)20的第一子像素31內(nèi)的相位信息比較，獲取兩者差值最小值時(shí)的第一子像素31；

S2.用步驟S1中獲取的第一子像素31內(nèi)的相位信息替代目標(biāo)物體復(fù)振幅信號(hào)的相位信息；

S3.獲取與步驟S1中得到的第一子像素31對(duì)應(yīng)的顯示器1上的第二子元素區(qū)30，激活第二子元素區(qū)30中與步驟S1中所得到的第一子像素31對(duì)應(yīng)的第二子像素31，并將其余第二子元素區(qū)30中的第二子像素31置零。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明有以下技術(shù)效果：

1.本發(fā)明采用若干個(gè)第一像素區(qū)和第二像素區(qū)構(gòu)成一個(gè)超像素，利用超像素調(diào)制產(chǎn)生復(fù)振幅波前，提供了真三維立體場(chǎng)景，消除了眼睛的調(diào)焦-聚焦矛盾。

2.本發(fā)明所提出的超像素復(fù)振幅調(diào)制的算法較簡(jiǎn)單，對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求低，運(yùn)算速度快，可實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)刷新顯示。

3.本發(fā)明的振顯示器1為OLED、LED或者液晶顯示器1中的一種，即可采用單色的OLED或LED顯示器1作為本發(fā)明的顯示器1，無需對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)有較大的改變，便于推廣和使用。

4.本發(fā)明的相位調(diào)制板2為采用干涉曝光加工成的全息衍射光學(xué)元件，易于復(fù)制進(jìn)行大面陣加工，且系統(tǒng)緊湊輕薄，攜帶便利。

5.衍射光學(xué)元件厚度為1μm-100μm，材料為鹵化銀、重鉻酸鹽明膠、光致聚合物、光致抗蝕劑、光導(dǎo)熱塑或光折變晶體，光透過率大于50％。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。