一種基于空間劃分的彩色全息三維顯示裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于計算全息與三維顯示領域，具體涉及一種基于空間劃分的彩色全息三維顯示裝置。該顯示裝置由紅光LED光源，綠光LED光源，藍光LED光源，針孔，準直透鏡，偏振調(diào)制器件，濾光片，空間光調(diào)制器，計算機，驅(qū)動板，基于像素型納米光柵的定向衍射屏構(gòu)成。應用迭代傅里葉變換算法計算獲得目標物體的位相型全息圖；將單片空間光調(diào)制器劃分為紅、綠、藍三塊子區(qū)域，每塊子區(qū)域加載對應的紅、綠、藍三色分量全息圖，利用全息圖衍射重現(xiàn)的特性在重構(gòu)平面產(chǎn)生三個單色全息再現(xiàn)像，實現(xiàn)彩色信息再現(xiàn)；將相應的再現(xiàn)像像素定向衍射到固定的位置，形成不同的視點，得到多視角彩色再現(xiàn)像，實現(xiàn)真彩色三維立體顯示。
【專利說明】
-種基于空間劃分的彩色全息H維顯示裝置
技術(shù)領域
[0001] 本實用新型設及一種基于空間劃分的彩色全息S維顯示裝置，屬于計算全息與S 維顯示領域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著顯示技術(shù)W及計算機科學的迅速發(fā)展，人們對于醫(yī)學成像、商業(yè)藝術(shù)、軍事國 防等方面的顯示技術(shù)都提出了更高的要求。運些要求遠遠超出了當前二維（2D)顯示的范 疇，因此，真彩色=維(3D)顯示已經(jīng)成為現(xiàn)代信息社會的一種必然需求，是現(xiàn)代顯示技術(shù)發(fā) 展的重要目標。彩色全息=維顯示作為一種近乎完美的成像技術(shù)，不僅能夠提供幾乎接近 于真實世界的真彩色3D圖像，還能提供所有視點上、所有距離上的3D視覺，其重構(gòu)的景象幾 乎與原始的景物一樣，是最具吸引力的真彩色3D表現(xiàn)形式。然而，目前構(gòu)建的系統(tǒng)并不能滿 足真彩色3D顯示所希望的質(zhì)量和技術(shù)要求，彩色全息顯示仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中亟待 解決的關(guān)鍵問題是帶給觀察者3D體驗的同時提供色彩體驗。
[0003] 現(xiàn)階段，學者們提出了很多種彩色全息顯示的實現(xiàn)方法，大致可W分為兩類，一類 是傳統(tǒng)全息應用全息干板實現(xiàn)的彩色信息顯示，另一類是計算全息應用光調(diào)制器件承載全 息圖實現(xiàn)的彩色信息顯示。
[0004] 傳統(tǒng)全息方法是指利用全息記錄與再現(xiàn)的原理，將=維物體的全部信息（包括振 幅信息和位相信息)重現(xiàn)出來，實際上是一種=維物體波前重建的方法，能夠提供逼真的彩 色3D體驗。彩色全息的目的是記錄和再現(xiàn)彩色=維全息圖像，具體設及兩個基本問題原 色信息的獲取和=原色信息的再現(xiàn)。但用含有=原色的激光替代單色激光作全息記錄時， 在同一張全息干板上得到的是=幅全息圖，它們分別由紅、綠、藍激光相干而成，當用=色 激光再現(xiàn)時，每一波長的激光將再現(xiàn)=幅不同大小和位置略有不同的全息圖，=個波長的 激光將再現(xiàn)九幅全息圖，它們重疊在一起，圖像顯得模糊不清，運一現(xiàn)象稱為色串擾，因此 解決色串擾也是彩色全息的重要研究課題。針對運樣兩方面的問題，學者們開展了相關(guān)的 研究工作。例如，1962年，蘇聯(lián)學者Denisyuk首先提出了反射式全息圖。記錄時，參考光波與 物體信息從感光板的兩側(cè)射來，感光介質(zhì)記錄了物光波與參考光波的干設光場，當用白光 (點光源）W適當角度照射全息圖時，觀察者在照明光源同側(cè)即可觀察到彩色的物體信息。 但是，其記錄全息圖的大小受到激光束大小的制約，在制作大面積全息圖的應用中受到了 限制，制約了其在實踐中的應用推廣。1969年Benton首先用二步法制成了彩虹全息圖，彩虹 全息是像全息與狹縫相結(jié)合的產(chǎn)物，在自然光下可W實現(xiàn)全息信息再現(xiàn)，其優(yōu)點表現(xiàn)在白 光再現(xiàn)、觀察范圍比較大、采取合適的記錄光路可能有較大的能量利用率，不足之處是二 步記錄制作過程比較煩瑣，而且由于兩步記錄，全息圖的噪聲較大。1978年美籍華裔學者陳 選與楊正梟提出了一步彩虹全息術(shù)，利用透鏡對物體和狹縫進行成像，放置全息干板于物 體像與狹縫像之間，從光的傳播來看，透過真實狹縫的物光波經(jīng)透鏡后與參考光進行干設 形成彩虹全息圖，大大簡化了制作過程，并且降低了噪聲，但能量利用率較低，觀察范圍受 成像透鏡相對孔徑的限制，且制作大體積物體需成本高昂的高質(zhì)量大口徑透鏡，由于存在 W上運些不足使得運一制作方法的實用范圍有限。2010年化ture雜志報道了美國Blanche 等在光折變聚合物中實現(xiàn)了刷新時間為2s的近實時動態(tài)全息顯示成果，顯示尺寸為4英寸 X4英寸。其顯示原理如下:將=維物體若干個視角的二維圖片進行預處理得到的圖片依次 加載到空間光調(diào)制器上形成物光波，在記錄介質(zhì)上與參考光波干設形成一個全息單元，稱 為化gel。控制記錄介質(zhì)的移動進行下一幅圖片的記錄，依次進行下去就可W得到一幅由全 息單元組成的全息體視圖。讀出光再現(xiàn)時會將=維物體若干個視角的圖片再現(xiàn)出來，人眼 觀察時就會有立體感。引入擦除光后可將之前介質(zhì)上記錄的信息擦除，為下一幅圖像的顯 示做準備。為了實現(xiàn)彩色全息=維顯示，實驗中使用了角度復用的方法，W不同的角度同時 寫入S幅全息圖，并且用不同顏色的Lm)讀出，最終可W實現(xiàn)彩色全息S維顯示的效果。實 際上，此類彩色全息的局限性最主要體現(xiàn)在記錄介質(zhì)為傳統(tǒng)的光學記錄介質(zhì)，無法滿足實 時、動態(tài)的顯示需求，因此極大地限制了其在顯示方面的應用。
[0005] 計算全息方法是指應用紅(R)、綠(G)、藍(B)=色激光作為光源，利用光調(diào)制器件 承載全息圖實現(xiàn)對激光的調(diào)制，進而實現(xiàn)彩色全息顯示。其中，加載有全息圖的空間光調(diào)制 器作為一種全息光學元件，可W對激光進行振幅或者位相的調(diào)制，具有再現(xiàn)任意光場的潛 力。運類彩色全息顯示的優(yōu)勢體現(xiàn)在可W實現(xiàn)動態(tài)全息顯示，同時又具有激光顯示的優(yōu)點， 比如高光譜亮度、色域大、色飽和度豐富等。應用此類方法實現(xiàn)彩色全息顯示，主要包括W 下幾種方式:時分復用、空分復用、空間劃分和空間疊加。
[0006] 1.時分復用：紅(R)、綠(G)、藍(B)=色W-定的速率順序顯示，通過人眼的視覺暫 留效應實現(xiàn)彩色信息顯示。該方法要求承載=色信息的硬件有較高的響應速度，當速度達 到一定程度后，人眼通過積分效應感覺到一個時間合成的彩色圖像?；跁r分復用方法的 彩色全息顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用器件較少，特別是只需要一個信息承載介質(zhì)器件即可實 現(xiàn)彩色顯示。但是它需要精確地保證單色光源的工作時間與加載對應顏色分量全息圖時間 的同步性。對于單色分量來說在時間軸上有一定的能量損失。同時，因為需要高速切換=個 單色全息圖合成彩色全息重構(gòu)像，系統(tǒng)對于空間光調(diào)制器的響應時間也提出了較高的要 求。例如，2011年王濤等構(gòu)建的基于時分復用的彩色全息顯示系統(tǒng)中使用了獨立的RGBS 色激光器作為光源，利用激光-空間光調(diào)制器同步控制裝置控制分時照明與對應的全息圖 加載同步進行，最終利用CCD采集全息光電再現(xiàn)像，實現(xiàn)彩色全息顯示。
[0007] 2.空分復用：采用紅(R)、綠(G)、藍(B)S色光源分別照明S個空間光調(diào)制器進行 光學重構(gòu)，并在重構(gòu)平面實現(xiàn)=個單色全息再現(xiàn)像的合成。全息再現(xiàn)時，將計算得到的=個 單色全息圖同時加載到對應的空間光調(diào)制器上，驅(qū)動電路同時驅(qū)動S個空間光調(diào)制器工 作，S色光源分別入射S個空間光調(diào)制器，最終的RGBS色全息再現(xiàn)像在空間進行配準合 成，得到彩色全息再現(xiàn)像。基于空分復用方法的彩色全息顯示系統(tǒng)具有更高的光學效率，并 在色彩還原和分辨率等方面具有諸多優(yōu)勢，是彩色全息顯示發(fā)展的一個重要方向。但需要 指出的是運種方法構(gòu)建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復雜，采用的器件較多，比如需要使用=片空間光調(diào) 制器，并且需要顏色合成元件對=色光進行合成，增加了系統(tǒng)的成本，而且系統(tǒng)中還存在= 個單色全息再現(xiàn)像空間合成時的精確配準問題。例如，2012年王岳等建立的基于空分復用 的彩色全息顯示系統(tǒng)借鑒了商業(yè)投影儀的結(jié)構(gòu)，S片娃基液晶化COS)呈U形排布，通過分光 棱鏡和合色棱鏡的共同作用，實現(xiàn)彩色全息顯示。
[0008] 3.空間劃分:利用單片高分辨率的空間光調(diào)制器，將其劃分為紅(R)、綠(G)、藍(B) =塊子區(qū)域，每塊子區(qū)域加載對應的紅、綠、藍=色分量全息圖，利用全息圖衍射重現(xiàn)的特 性在重構(gòu)平面形成彩色全息再現(xiàn)像?；诳臻g劃分方法的彩色全息顯示系統(tǒng)雖然使用了較 少的空間光調(diào)制器，但是卻犧牲了紅、綠、藍S色全息圖的分辨率，會對全息重構(gòu)像的顯示 質(zhì)量產(chǎn)生嚴重的影響。例如，2010年Michal Makowski等建立的基于空間劃分的彩色全息顯 示系統(tǒng)中將單片空間光調(diào)制器等分為=片區(qū)域，計算得到=色分量全息圖分別加載到對應 的1/3區(qū)域，利用光闊的作用，使每束激光僅僅照射空間光調(diào)制器的1/3區(qū)域，利用全息再現(xiàn) 的方法實現(xiàn)彩色全息顯示，但是此種方式對應顯示信息的豐富程度與再現(xiàn)像的顯示質(zhì)量都 比較低。
[0009] 4.空間疊加：在同一平面不同的位置形成=色全息再現(xiàn)像，感興趣的彩色全息再 現(xiàn)像由S個單色全息再現(xiàn)像的重疊交集部分構(gòu)成。例如，2004年日本學者Tomoyoshi Ito提 出了一種基于單片空間光調(diào)制器實現(xiàn)彩色全息顯示的方法，紅、綠、藍S色Lm)W直角S角 形狀在空間分布，每幅全息圖均再現(xiàn)出了=個分量的信息，得到的=個單色全息再現(xiàn)像的 位置相互不同，彩色全息再現(xiàn)像的有效部分僅為=色分量的中間合成區(qū)域，再現(xiàn)像信息沒 有得到充分利用，造成了大量信息的損失，對再現(xiàn)復雜物體帶來了很大的局限性。
[0010] W上運些實現(xiàn)彩色全息顯示的方法各有其特點，但是面對=維物體全息記錄時海 量的運算數(shù)據(jù)量，目前基于運些方法構(gòu)建的系統(tǒng)并不能夠滿足真彩色3D顯示所希望的質(zhì)量 和技術(shù)要求。針對運一問題，2013年惠普公司利用衍射光學原理，設計出波導背光照明下 的像素型納米光柵指向性背光結(jié)構(gòu)，結(jié)合液晶顯示化CD)技術(shù)實現(xiàn)大視場、全視差、高分辨 率的彩色裸眼3D顯示，其結(jié)果在化化re雜志上發(fā)表，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。運種新型的結(jié) 構(gòu)主要由導光板、準直光源、光源禪合裝置、納米光柵像素等組成。準直光線通過禪合裝置 W特定的角度入射到納米光柵像素表面，通過設計特定的周期、取向角的納米光柵，可W精 確地調(diào)控其出射方向，實現(xiàn)光線的定向?qū)С?，并且其方向調(diào)制范圍大，調(diào)制精度高，對應的 3D顯示系統(tǒng)視角大、串擾小。而且，結(jié)合LCD圖像刷新技術(shù)，此系統(tǒng)可W實現(xiàn)動態(tài)S維顯示的 效果。但是，為實現(xiàn)真彩色顯示，文章中采用六邊形結(jié)構(gòu)導光板實現(xiàn)紅、綠、藍=色光的定向 導出，然而運種六邊形導光板與現(xiàn)有的平板顯示方式不匹配。并且，采用電子束曝光的方法 制備納米光柵，其制備效率低、成本高，同樣也會限制其在顯示方面的應用。
[0011] 在國內(nèi)，有關(guān)彩色動態(tài)全息=維顯示的研究尚處于起步階段，并沒有較為成熟的 樣機和工程應用。針對運種情況，本實用新型提出了一種基于空間劃分的彩色全息=維顯 示裝置，旨在實現(xiàn)真彩色多視角動態(tài)全息裸眼=維顯示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本實用新型的目的是提供一種基于空間劃分的彩色全息=維顯示裝置。基于空間 劃分彩色全息顯示的原理，克服現(xiàn)有技術(shù)中運算數(shù)據(jù)量大、計算速度緩慢、難W實現(xiàn)動態(tài)= 維顯示等缺點，旨在設計出基于空間劃分的真彩色動態(tài)全息=維顯示裝置，實現(xiàn)真彩色動 態(tài)全息=維顯示，為今后的真彩色=維視頻顯示系統(tǒng)的研制奠定理論和實驗基礎。
[0013] 為實現(xiàn)W上技術(shù)目的，采用本實用新型來實現(xiàn)真彩色動態(tài)全息=維顯示的原理： 利用攝像機掃描拍攝或者使用3DS MAX、Maya等商業(yè)軟件由計算機圖形學的方法獲取彩色 =維物體對應的多視角彩色二維圖像(視角1，視角2,…視角N)，將每幅彩色視角圖像分解 為紅(R)、綠(G)、藍(B)S色分量圖像(Ri，Gi，Bi;化，G2，B2;…RN，GN，BN)，并且重新分組可W得 到 一系列單色圖像化，32，'''1^徊瓜，''佩;81瓜，''喻），經(jīng)過水平變換、豎直變換和像素排 列處理后得到適用于位相型全息圖計算的目標圖像(R物，G物，巧如。應用迭代傅里葉變換算法 (IFTA)編程計算相應的位相型全息圖（Rh,Gh,Bh)?；诳臻g劃分彩色全息顯示的方法，結(jié)合 如圖6所示的光路示意圖，利用單片空間光調(diào)制器6,將其劃分為紅(R)、綠(G)、藍(B)S塊子 區(qū)域，每塊子區(qū)域加載對應的紅、綠、藍=色分量全息圖（Rh,抽，Bh),利用全息圖衍射重現(xiàn)的 特性在重構(gòu)平面產(chǎn)生S個單色全息再現(xiàn)像(R像，始，始），實現(xiàn)彩色信息再現(xiàn)。利用基于像素 型納米光柵的定向衍射屏10為定向分光元件將全息再現(xiàn)像分離開來，形成不同的視點，得 到多視角彩色再現(xiàn)像(彩色視點1，彩色視點2,…彩色視點N)，實現(xiàn)真彩色=維立體顯示。 目前，商用的娃基液晶空間光調(diào)制器化COS)的刷新速率能夠達到75化或者更高，可W用于 動態(tài)彩色視頻顯示中。因此，通過計算全息的方法將對應圖像的位相型全息圖計算出來，在 全息再現(xiàn)時，紅光L邸光源13、綠光L抓光源14、藍光L邸光源15分別發(fā)出紅、綠、藍=色光，= 色光分別經(jīng)過相應的針孔2濾波、準直透鏡3準直后形成準直的平面光波進入對應的偏振調(diào) 制器件4,偏振調(diào)制器件4對入射光的偏振態(tài)進行調(diào)制，得到的偏振光入射至濾光片5,經(jīng)過 濾光片5濾光后出射的紅、綠、藍=色再現(xiàn)光分別入射至空間光調(diào)制器6上的紅、綠、藍=塊 子區(qū)域。單片空間光調(diào)制器6上的紅(R)、綠(G)、藍(B)S塊子區(qū)域分別加載對應的紅、綠、藍 S色分量全息圖（Rh, Gh, Bh),紅、綠、藍S色再現(xiàn)光分別照射到空間光調(diào)制器上的紅、綠、藍 ^塊子區(qū)域，在重構(gòu)平面可W得到S個單色全息再現(xiàn)像(R像，始，始），經(jīng)過定向衍射屏10定 向?qū)Ч夂蠓蛛x到不同的視點，實現(xiàn)彩色S維顯示。伴隨著空間光調(diào)制器6的快速刷新加載， 人的雙眼不斷地觀察到不同的彩色視差圖像，產(chǎn)生真彩色動態(tài)=維顯示效果。
[0014] 具體地，本實用新型采用的技術(shù)方案是：
[0015] 一種基于空間劃分的彩色全息=維顯示方法，包括W下步驟：
[0016] 1).彩色=維目標物體多視角二維圖像的獲取步驟:利用攝像機掃描拍攝或者使 用計算機圖形學的方法獲得彩色=維物體在一個視角范圍內(nèi)的全視差圖像序列；
[0017] 2).圖像預處理變換步驟:將獲取的每幅彩色視角圖像分解為紅(R)、綠(G)、藍(B) 立色分量圖像(Ri，Gi，Bi; R2，G2，B2;…Rn，Gn，Bn)，對立色分量圖像進行重新分組可W得到一 系列單色圖像(Ri，R2, 一RNiGi^,-GNiBiiBs,-Bn),經(jīng)過水平變換、豎直變換和像素排列處 理后得到適用于位相型全息圖計算的目標圖像(R物，G物，巧勿)；
[0018] 3).位相型全息圖的獲取步驟:將目標圖像(R物，G物，B物)作為計算位相型全息圖的 數(shù)據(jù)源，根據(jù)衍射理論編程計算獲得相應的位相型全息圖；
[0019] 4).定向衍射屏的設計與制作步驟:根據(jù)視點的位置和數(shù)目，利用廣義光柵方程計 算相應的像素型納米光柵的周期和柵線取向，根據(jù)像素排列后得到的彩色像素分布來設計 像素型納米光柵的結(jié)構(gòu)分布，利用連續(xù)紫外變空頻光刻系統(tǒng)制作基于像素型納米光柵的定 向衍射屏；
[0020] 5).全息再現(xiàn)步驟:搭建W空間光調(diào)制器為核屯、器件，基于像素型納米光柵的定向 衍射屏為定向分光器件的全息再現(xiàn)顯示系統(tǒng)，將單片空間光調(diào)制器劃分為紅(R)、綠(G)、藍 (8)立塊子區(qū)域，每塊子區(qū)域加載對應的紅、綠、藍立色分量全息圖（Rh, Gh, Bh),設計并制作 濾光片，濾光片的尺寸與空間光調(diào)制器面板的尺寸相同，此濾光片依次設置互不重疊的紅 色濾光區(qū)、綠色濾光區(qū)和藍色濾光區(qū)，分別對應紅色濾光片、綠色濾光片和藍色濾光片，并 且每個顏色的濾光片尺寸與相同顏色分量全息圖的尺寸相同。濾光片置于空間光調(diào)制器 的前方，保證任意顏色濾光片、相同顏色分量全息圖和再現(xiàn)光=者在同一直線上。全息再現(xiàn) 時，紅光Lm)光源、綠光Lm)光源、藍光Lm)光源發(fā)出的=色光經(jīng)過針孔、準直透鏡、偏振調(diào)制 器件后出射的紅、綠、藍=色再現(xiàn)光入射至濾光片，經(jīng)過濾光片濾光后出射的紅、綠、藍=色 再現(xiàn)光分別入射至空間光調(diào)制器上的紅、綠、藍=塊子區(qū)域。與此同時，計算機通過驅(qū)動板 將已經(jīng)計算好的紅、綠、藍S色分量全息圖（姑，Gh, Bh)分別加載至空間光調(diào)制器上的紅、綠、 藍=塊子區(qū)域，再現(xiàn)光波通過加載有全息圖的空間光調(diào)制器后衍射光波成像于重構(gòu)平面， 即對應于全息再現(xiàn)像面，在此平面上得到=個單色全息再現(xiàn)像。而在全息再現(xiàn)像面位置處， 設有預先設計制作完成的定向衍射屏，定向衍射屏中的納米光柵像素將對應的再現(xiàn)像像素 衍射到固定的位置，形成不同的視點，得到多視角彩色再現(xiàn)像，實現(xiàn)真彩色=維立體顯示。
[0021] 所述的步驟1)中攝像機掃描拍攝可W使用單個CC時暴像機沿水平方向和垂直方向 運動拍攝目標物，也可W由多個CO)攝像機組成的二維陣列在不同角度拍攝。
[0022] 所述的步驟2)中圖像預處理變換過程分為五個步驟，第一步將獲取的每幅彩色視 角圖像分解為紅(R)、綠(G)、藍(B)S色分量圖像(Ri，Gi，Bi;化，G2，B2;…RN，GN，BN)，第二步進 行重新分組可W得到一系列單色圖像(Ri ,R2 , '^RnsGi ,G2 , '^GnsBi ,B2 ,，第二步進行水 平方向的變換，第四步進行豎直方向的變換，而在水平變換和豎直變換之前，對采樣得到的 原始圖像進行編號，將采樣得到的所有二維圖像編組為一個二維圖像陣列，維數(shù)為IX J，每 一幅圖像編號為Xij，i (= 1，2，. . .，I)對應水平方向的位置，j(= 1，2，. . .，J)對應垂直方向， 每一幅圖像枯維數(shù)相同，為MXN，即圖像的像素數(shù)為MXN，在水平方向變換過程中，將水平 方向維數(shù)為M的XijW向量的方式表示為Xu = Uiji,Xij2, .Xijk. . ,XijM)，其中向量Xijk是一個N 階向量，表示圖像矩陣沿沖第k列像素，從.XiJk..，町M)中提取某一像素列、從全 部二維圖像陣列中提取I個像素列，組成一幅新圖像;在豎直方向變換過程中，將豎直方向 維數(shù)為N的YijW向量的方式表示為Yリ = (yijl，yij2，.yijk..，yijN)T，T表示對矩陣進行轉(zhuǎn)置，其 中向量yijk是一個M階水平向量，表示圖像矩陣Yij中第k行像素，從(yiji，yij2, .yijk. .，yijN)T 中提取某一像素行、從全部圖像二維陣列中提取J個像素行，組成一幅新圖像;將生成的圖 像序列用于第五步的像素排列，最終得到適用于位相型全息圖計算的目標圖像(R物，G物， 巧勿)。
[0023] 所述的步驟3)中位相型全息圖為基于迭代傅里葉變換算法原理計算出來的位相 型全息圖，供空間光調(diào)制器加載。
[0024] 所述的步驟5)中全息再現(xiàn)過程，控制空間光調(diào)制器對位相型全息圖的快速刷新加 載，再現(xiàn)出目標物的多視角真彩色全視差動態(tài)全息=維圖像。
[0025] 基于上述方法，本實用新型提供一種基于空間劃分的彩色全息=維顯示裝置，包 括紅光L邸光源13、綠光Lm)光源14、藍光L邸光源15，W及在光軸上依次設的用于對紅光LED 光源、綠光Lm)光源、藍光L邸光源發(fā)出的光進行濾波的針孔2,用于將經(jīng)過針孔2之后的光波 變?yōu)槠矫婀獠ǖ臏手蓖哥R3,用于調(diào)制入射光偏振態(tài)的偏振調(diào)制器件4,濾光片5,用于加載 計算機生成的位相型全息圖的空間光調(diào)制器6,用于將重構(gòu)平面的全息再現(xiàn)像定向衍射到 固定的方向，實現(xiàn)定向?qū)Ч獾亩ㄏ蜓苌淦?0,其特征在于:還包括用于驅(qū)動空間光調(diào)制器6 加載全息圖的驅(qū)動板7，計算機8，驅(qū)動板7與計算機8通過線纜連接，所述的針孔2放置在準 直透鏡3的物方焦點上，濾光片5上依次設置互不重疊的紅色濾光區(qū)、綠色濾光區(qū)和藍色濾 光區(qū)，分別對應紅色濾光片、綠色濾光片和藍色濾光片，濾光片5的尺寸與空間光調(diào)制器6面 板的尺寸相同，并且每個顏色的濾光片尺寸與相同顏色分量全息圖的尺寸相同，所述的定 向衍射屏10上設置像素型納米光柵，定向衍射屏10在光軸上的位置與空間光調(diào)制器6上加 載的全息圖的再現(xiàn)像面位置重合。
[00%] 上述技術(shù)方案中，所述的紅光Lm)光源13、綠光Lm)光源14、藍光Lm)光源15可W替 換為由紅、綠、藍=原色L邸合成的白光Lm)光源1，并且其光譜范圍與所用的濾光片5的光譜 范圍相同。
[0027]上述技術(shù)方案中，所述的偏振調(diào)制器件為偏振片或二分之一波片。
[00%]優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的空間光調(diào)制器為反射型，或者是透射型的空間光調(diào)制器， 調(diào)制模式為相位調(diào)制。
[0029] 所述的像素型納米光柵周期為0.3~3微米。
[0030] 由于上述技術(shù)方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點：
[0031] 1、本實用新型提供的彩色全息S維顯示裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用器件較少，特別是僅 需要一個空間光調(diào)制器，有利于降低成本.
[0032] 2、本實用新型提供的彩色全息S維顯示裝置利用空間光調(diào)制器對全息圖的快速 刷新加載，能夠?qū)崿F(xiàn)多視角真彩色全視差動態(tài)全息=維顯示，更加符合人眼的觀察習慣；
[0033] 3、本實用新型提供的彩色全息S維顯示裝置利用空間光調(diào)制器加載位相型全息 圖再現(xiàn)時無共輛像的特點，能夠提高對空間光調(diào)制器空間帶寬積的利用率；
[0034] 4、本實用新型提供的彩色全息=維顯示裝置利用基于像素型納米光柵的定向衍 射屏作為分光元件，提高了空間帶寬積，由于納米光柵結(jié)構(gòu)周期可做到300納米，對可見光 波長來說，在不同入射角度下的衍射角度可W達到90度，對應視點的張角可接近180度，實 際能達到150度，因此本實用新型中的彩色全息=維顯示方法對應的觀察視角大，而且視角 不僅局限于水平移動觀察，還能夠旋轉(zhuǎn)觀察；
[0035] 5、本實用新型提供的彩色全息=維顯示裝置利用基于像素型納米光柵的定向衍 射屏作為分光元件，對入射光進行波前轉(zhuǎn)換，在衍射屏前方形成視點，可W確保各視角圖像 之間在空間互不串擾，提升了圖像分離的準確性；
[0036] 6、本實用新型提供的彩色全息S維顯示裝置利用空間光調(diào)制器加載全息圖再現(xiàn) 得到彩色二維視角圖像，屬于頻域處理，而無論是利用圖像掩膜還是利用液晶顯示屏化CD) 直接顯示圖像都屬于空域處理，因此本實用新型對應的彩色全息=維顯示方法在頻域中處 理圖像相較于空域更加靈活、方便。
【附圖說明】
：
[0037] 圖1為基于空間劃分的彩色全息S維顯示的技術(shù)路線圖；
[0038] 圖2為彩色像素的帶狀排列方式圖；
[0039] 圖3為迭代傅里葉變換算法(IFTA)原理圖；
[0040] 圖4為光柵像素衍射的示意圖；
[0041 ]圖5為定向衍射屏定向?qū)Ч獾氖疽鈭D；
[0042] 圖6為基于空間劃分的彩色全息=維顯示裝置的第一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖7為基于空間劃分的彩色全息=維顯示裝置的第二個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖8為基于空間劃分的彩色全息S維顯示裝置的第S個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖9為與空間光調(diào)制器面板相對應的濾光片示意圖；
[0046] 圖10為空間劃分后的空間光調(diào)制器加載S色全息圖的示意圖。
[0047] 其中，視角1，視角2,…視角N為彩色S維物體對應的多視角彩色二維圖像，Ri、Gi、 Bi分別為視角圖像i a = I，2，…N)對應的紅(R)、綠(G)、藍(B)S色分量圖像，R物，G物，B物為 適用于位相型全息圖計算的目標圖像，姑，Gh, Bh為對應的位相型全息圖，R像，始，始為重構(gòu)平 面上的=個單色全息再現(xiàn)像，彩色視點1，彩色視點2,…彩色視點N為觀察平面上得到的彩 色視點圖像；
[004引I為全息圖的振幅分布，為全息圖的約束振幅，0為再現(xiàn)像的振幅分布，0/為目標 圖像的振幅分布，巧為全息圖的相位分布，拷為再現(xiàn)像的相位分布，F(xiàn)FT為快速傅里葉變 換，IFFT為快速傅里葉逆變換，e為數(shù)學常數(shù)；
[0049] xyz為空間直角坐標系，ki和kd分別是入射波與透射波的有效波矢量，G為光柵矢 量，Cii和&分別是入射光線與X軸和y軸之間的夾角，02和&分別是衍射光線與X軸和y軸之間 的夾角；
[0050] 1 -白光L抓光源，2-針孔，3-準直透鏡，4-偏振調(diào)制器件，5-濾光片，6-空間光調(diào)制 器，7-驅(qū)動板，8-計算機，9-全息再現(xiàn)像，10-定向衍射屏，11-觀察平面，12-分光棱鏡，13-紅 光LH)光源，14-綠光LH)光源，15-藍光LH)光源；
[0051] Red area為紅色濾光片，Green area為綠色濾光片，Blue area為藍色濾光片；
[0052] Rh為紅色分量全息圖，抽為綠色分量全息圖，曲為藍色分量全息圖。
【具體實施方式】
[0053] 下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型"一種基于空間劃分的彩色全息=維顯示裝 置"做進一步描述。
[0054] 實施例一：
[0055] -種基于空間劃分的彩色全息=維顯示裝置，圖1是本實用新型的整體技術(shù)路線 圖，包括W下步驟：
[0056] 步驟1)，彩色=維物體多視角二維圖像的獲取。利用攝像機掃描拍攝或者使用3DS MAX、Maya等商業(yè)軟件由計算機圖形學的方法均可獲得彩色S維物體在一個視角范圍內(nèi)的 全視差圖像序列。
[0057] 步驟2)，圖像預處理變換。將獲取的每幅彩色視角圖像分解為紅(R)、綠(G)、藍(B) S色分量圖像(Ri ,Gi ,Bi;R2,G2 ,B2 ; '''RniGniBn)，對S色分量圖像進行重新分組可W得到一 系列單色圖像(Ri，R2，;Gi，G2，- 'Gn;Bi，B2，…Bn)，經(jīng)過水平變換、豎直變換和像素排列 處理后得到適用于位相型全息圖計算的目標圖像(R物，G物，巧勿)。
[0化引步驟3)，位相型全息圖的計算。將目標圖像(R物，G物，B物)作為計算位相型全息圖的 數(shù)據(jù)源，根據(jù)衍射理論應用迭代傅里葉變換算法(IFTA)編程計算相應的位相型全息圖。
[0059] 步驟4)，定向衍射屏的設計與制作。根據(jù)視點的位置和數(shù)目，利用廣義光柵方程計 算相應的光柵像素周期和柵線取向，調(diào)節(jié)槽深、占空比等參數(shù)優(yōu)化衍射效率，根據(jù)像素排列 后得到的彩色像素分布來設計像素型納米光柵的結(jié)構(gòu)分布，建立像素型納米光柵模型，利 用連續(xù)紫外變空頻光刻系統(tǒng)制作基于像素型納米光柵的定向衍射屏。
[0060] 步驟5)，全息再現(xiàn)。搭建W空間光調(diào)制器為核屯、器件，基于像素型納米光柵的定向 衍射屏為定向分光器件的全息顯示系統(tǒng)，應用空間劃分的方法進行全息再現(xiàn)實驗，控制空 間光調(diào)制器對位相型全息圖的快速刷新加載，實現(xiàn)真彩色動態(tài)全息=維顯示的效果。
[0061] 步驟1)中所述的彩色S維物體多視角二維圖像，由單個CO)攝像機沿水平方向和 垂直方向運動拍攝目標物獲得，或者由多個CO)攝像機組成的二維陣列在不同角度拍攝獲 得，也可W采用計算機圖形學的方法，由目標物的=維模型直接獲取。
[0062] 步驟2)中所述的圖像預處理變換分為五個步驟，第一步將獲取的每幅彩色視角圖 像分解為紅(R)、綠(G)、藍(B)^色分量圖像化斯，81瓜瓜，82;-1^麻而），第二步進行重 新分組可W得到一系列單色圖像(Ri ,R2 , '''RnsGi ,G2, '''GnsBi ,B2,…Bn)，第二步進行水平方 向的變換，第四步進行豎直方向的變換，第五步進行像素排列，最終可W得到適用于位相型 全息圖計算的目標圖像(R物，G物，郵)，其中第S步和第四步運兩個過程可交換先后順序。
[0063] W紅(R)、綠(G)、藍(B)=種顏色中任意一種為例，對水平變換和豎直變換的過程 進行詳細地描述:在變換之前，需要對采樣得到的原始圖像進行編號，將采樣得到的所有二 維圖像編組為一個二維圖像陣列，維數(shù)為IX J，每一幅圖像編號為Xu, i( = l，2，...，1)對應 水平方向的位置，j( = l，2，...，J)對應垂直方向，每一幅圖像Xu維數(shù)相同，為MXN，即圖像 的像素數(shù)為MX N。
[0064] 在水平方向變換過程中，將水平方向維數(shù)為M的XijW向量的方式表示為Xij = (Xiji，Xij2，. Xijk. .，XijM)，其中向量Xijk是一個N階向量，表示圖像矩陣Xu中第k列像素，因此， 此時沿j=(Xijl，Xij2, .Xijk. . ,XijM)是由M個像素列拼成的一幅二維圖像。水平方向變換的過 程是:從(Xijl，町2, .XiJk..，町M)中提取某一像素列、從全部二維圖像陣列中提取I個像素 列，組成一幅新圖像，例如，當J = 1，提取Xii, X21，.. .，Xn中的每一個第1列，依次排列為 (xiii,X2ii,X3ii, . . . ,XIII)，組成新圖像矩陣，記為Yii;提取Xii,拉1, . . . ,Xii中的每一個第2列， 依次排列為(X112，腳2，X312，. . .，XI12 )，組成新圖像矩陣，記為Yi2 ;依次類推，直到Y(jié)lM= ( XllM， X21M，X31M, . . . ,XIlM)。此時得到一組新的二維圖像序列，Yll , Yi2，. . .，YiM。對每一個j = 1， 2, ...，J，重復W上步驟，則可得到J組新的二維圖像序列。圖像陣列的水平變換可W表示 為：
[00 化]
[0066]豎直方向的變換原理和水平方向變換過程類似，在豎直方向變換過程中，將豎直 方向維數(shù)為N的YijW向量的方式表示為Yリ=(yiリ，yij2，.yijk..，yijN)T，T表示對矩陣進行轉(zhuǎn) 置，其中向量yijk是一個M階水平向量，表示圖像矩陣Yij中第k行像素，因此，此時Yij = (yiji, yij2, .yijk. .，yijN)T是由N個像素行拼成的一幅二維圖像。豎直方向變換的過程是:從(yiji， yij2, .yijk..，yijN)T中提取某一像素行、從全部圖像二維陣列中提取J個像素行，組成一幅新 圖像，具體過程和水平方向變換類似，直到得到一組新的二維圖像序列，Zmi，Zm2, ...，Zmn^ 像陣列的豎直變換可W表示為：
[0067]
[006引此時得到S組的圖像陣列(分別記為mapr、mapg、mapb)，將適用于第五步的像素排列， 其中
。 第五步進行像素排列，需要選擇合適的像素排列方式，在此實施方式中選用帶狀排列方式， 如圖2所示，經(jīng)過排列后得到的彩色像素分布map化，1)滿足：
因此最終得到的適用于位相型全息圖計算的目標圖像（R物，G物，B物）分別為：
[0069] 步驟3)中所述的迭代傅里葉變換算法（IFTA)原理如圖3所示，通過多次傅里葉變 換及其逆變換的迭代操作，直到再現(xiàn)像面上得到的振幅分布與所期望得到的振幅分布的相 似程度達到預期為止，即是使再現(xiàn)像面(傅里葉變換面)輸出所需的目標圖像，運時獲得全 息面上的位相分布，即可得到目標圖像對應的位相型全息圖。
[0070] 步驟4)中所述的光柵像素周期和柵線取向的計算方法如下:根據(jù)視點的位置和數(shù) 目，計算每個光柵像素的周期和柵線取向，具體可W建立光柵像素衍射的示意圖，如圖4所 示，設定入射光線為平面波：
[0071] Ui(T) =Ai(;r)exp(-;Lki ? r) (1)
[0072] 相同地，經(jīng)由納米光柵像素單元的透射波可表達為：
[0073] Ud(r)=Ad(:r)exp(-;Lkd ? r) (2)
[0074] 其中，Ai(r)和Ad(r)分別為入射波和透射波的振幅;ki和kd分別是入射波與透射波 的有效波矢量。根據(jù)拉曼奈斯理論，對于如圖4所示的納米光柵像素，入射光波與其一級衍 射光之間的關(guān)系可W寫成：
[0075] kd = ki-G (3)
[0076] 其中，G為光柵矢量，其值IG I = 2V八，A為光柵像素的周期，I ki I = n23TA，I kd I = 2 nA，結(jié)合方程(3 )，在X方向和y方向的光柵周期可表達為：
[0077] 曲
[007引 巧
[0079] 其中，Ax和Ay分別是光柵周期在X方向與y方向的分量;n是衍射屏的有效折射率； 口 1和&分別是入射光線與X軸和y軸之間的夾角，02和阮分別是衍射光線與X軸和y軸之間的 夾角。結(jié)合方程(4)和(5)，可W求出光柵周期W及光柵矢量與y軸之間的夾角分別為：
[0080] 御
[0081] ^ )
[0082] 依據(jù)此方法計算出每個坐標對應的光柵像素周期和柵線取向后，可利用連續(xù)紫外 變空頻光刻系統(tǒng)高效地制作出基于像素型納米光柵的定向衍射屏，而定向衍射屏定向?qū)Ч?的示意圖如圖5所示，入射光射入衍射屏后，每個像素型光柵將對應的入射光衍射到固定的 方向，實現(xiàn)定向?qū)Ч狻?br>[0083] 步驟5)中所述的W空間光調(diào)制器為核屯、器件，基于像素型納米光柵的定向衍射屏 為定向分光器件的彩色全息=維顯示裝置的第一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，包括 13-紅光L抓光源，14-綠光L抓光源，15-藍光L抓光源，2-針孔，3-準直透鏡，4-偏振調(diào)制器 件，5-濾光片，6-空間光調(diào)制器，7-驅(qū)動板，8-計算機，9-全息再現(xiàn)像，10-定向衍射屏，11-觀 察平面。在全息再現(xiàn)實驗中，將單片空間光調(diào)制器6劃分為紅(R)、綠(G)、藍(B)S塊子區(qū)域， 每塊子區(qū)域加載對應的紅、綠、藍S色分量全息圖（Rh,抽，Bh),如圖10所示，其中空間光調(diào)制 器6可W是各種純位相調(diào)制的空間光調(diào)制器，如透射式或反射式，運里選用透射式的相位調(diào) 制型空間光調(diào)制器作為本發(fā)明一個方便說明的實例。其次，設計并制作一塊結(jié)構(gòu)如圖9所示 的濾光片，濾光片5的尺寸與空間光調(diào)制器6面板的尺寸相同，此濾光片5包含紅色濾光片、 綠色濾光片和藍色濾光片，并且每個顏色的濾光片尺寸與相同顏色分量全息圖的尺寸相 同。濾光片5置于空間光調(diào)制器6的前方，保證任意顏色濾光片、相同顏色分量全息圖和再現(xiàn) 光S者在同一直線上。紅光Lm)光源13、綠光Lm)光源14、藍光Lm)光源15分別發(fā)出紅、綠、藍 =色光，=色光分別經(jīng)過相應的針孔2濾波后，再現(xiàn)光具有了空間相干性和時間相干性。經(jīng) 過針孔2之后的光波通過準直透鏡3后形成準直的平面光波進入偏振調(diào)制器件4,偏振調(diào)制 器件4對入射光的偏振態(tài)進行調(diào)制，得到的偏振光入射至濾光片5,經(jīng)過濾光片5濾光后出射 的紅、綠、藍=色再現(xiàn)光分別入射至空間光調(diào)制器6上的紅、綠、藍=塊子區(qū)域。與此同時，計 算機8通過驅(qū)動板7將已經(jīng)計算好的紅、綠、藍S色分量全息圖Rh, Gh,曲分別加載至空間光 調(diào)制器6上的紅、綠、藍=塊子區(qū)域，再現(xiàn)光波通過加載有全息圖的空間光調(diào)制器后衍射光 波成像于重構(gòu)平面，即對應于全息再現(xiàn)像面9,在此平面上得到=個單色全息再現(xiàn)像。而在 全息再現(xiàn)像面9位置處，設有預先設計制作完成的定向衍射屏10,定向衍射屏10中的納米光 柵像素將對應的再現(xiàn)像像素衍射到固定的位置，形成不同的視點，得到多視角彩色再現(xiàn)像。 人的雙眼在由視點組成的觀察平面11內(nèi)即可觀察到不同的彩色視差圖像，從而產(chǎn)生真彩色 立體顯示的感覺。伴隨著空間光調(diào)制器對全息圖的快速刷新加載，人的雙眼即可觀察到真 彩色動態(tài)全息=維顯示的效果。
[0084] 實施例二：
[0085] 圖7為本實用新型提供的基于空間劃分的彩色全息=維顯示裝置的第二個實施例 的結(jié)構(gòu)示意圖，其具體結(jié)構(gòu)與第一個實施例相似，其實施原理與本實用新型的第一個實施 例相同。但在該實施例中，光源采用紅、綠、藍S原色Lm)合成的白光Lm)光源1，并且要求其 光譜范圍與所用的濾光片5的光譜范圍相同。
[0086] 實施例
[0087] 圖8為本實用新型提供的基于空間劃分的彩色全息=維顯示裝置的第=個實施例 的結(jié)構(gòu)示意圖，其具體結(jié)構(gòu)與第二個實施例相似，其實施原理與本實用新型的第一個實施 例相同。但在該實施例中，空間光調(diào)制器6采用反射式的相位調(diào)制型空間光調(diào)制器，同時需 要多加入一個分光棱鏡12。
[0088] 綜上所述，本實用新型公開了一種基于空間劃分的彩色全息=維顯示裝置。在本 實用新型中，利用空間劃分的方法實現(xiàn)了真彩色全息=維顯示，帶給觀察者3D體驗的同時 提供色彩體驗。結(jié)合空間光調(diào)制器快速刷新加載全息圖可W實現(xiàn)真彩色動態(tài)全息=維顯 示，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用器件少、刷新速度快、串擾小、視角大等特點。
【主權(quán)項】
1. 一種基于空間劃分的彩色全息三維顯示裝置，包括紅光LED光源（13)、綠光LED光源 (14)、藍光LED光源（15)，以及在光軸上依次設的用于對紅光LED光源（13 )、綠光LED光源 (14)、藍光LED光源（15)發(fā)出的光進行濾波的針孔(2)，用于將經(jīng)過針孔(2)之后的光波變?yōu)?平面光波的準直透鏡(3)，用于調(diào)制入射光偏振態(tài)的偏振調(diào)制器件(4)，濾光片(5)，空間光 調(diào)制器(6)，定向衍射屏（10)，其特征在于:還包括用于驅(qū)動空間光調(diào)制器(6)加載全息圖的 驅(qū)動板(7)，計算機(8)，驅(qū)動板(7)與計算機(8)通過線纜連接，所述的針孔(2)放置在準直 透鏡(3)的物方焦點上，濾光片（5)上依次設置互不重疊的紅色濾光區(qū)、綠色濾光區(qū)和藍色 濾光區(qū)，分別對應紅色濾光片、綠色濾光片和藍色濾光片，濾光片（5)的尺寸與空間光調(diào)制 器(6)面板的尺寸相同，并且每個顏色的濾光片尺寸與相同顏色分量全息圖的尺寸相同，所 述的定向衍射屏（10)上設置像素型納米光柵，定向衍射屏（10)在光軸上的位置與空間光調(diào) 制器(6)上加載的全息圖的再現(xiàn)像面位置重合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間劃分的彩色全息三維顯示裝置，其特征在于:所 述的紅光LED光源（13 )、綠光LED光源（14 )、藍光LED光源（15)可以替換為由紅、綠、藍三原色 LED合成的白光LED光源(1 )，并且其光譜范圍與所用的濾光片(5)的光譜范圍相同。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間劃分的彩色全息三維顯示裝置，其特征在于:所 述的偏振調(diào)制器件(4)為偏振片或二分之一波片。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間劃分的彩色全息三維顯示裝置，其特征在于:所 述的空間光調(diào)制器(6)為反射型，或者是透射型的空間光調(diào)制器，調(diào)制模式為相位調(diào)制。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間劃分的彩色全息三維顯示裝置，其特征在于:所 述的全息圖為基于迭代傅里葉變換算法原理計算出來的位相型全息圖。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5之一所述的一種基于空間劃分的彩色全息三維顯示裝置，其特征 在于:所述的像素型納米光柵周期為〇. 3~3微米。
【文檔編號】G02B27/26GK205691945SQ201620504259
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年5月30日 公開號201620504259.4, CN 201620504259, CN 205691945 U, CN 205691945U, CN-U-205691945, CN201620504259, CN201620504259.4, CN205691945 U, CN205691945U
【發(fā)明人】蘇衍峰, 吳建宏
【申請人】蘇州大學