一種基於空間光調製器的全息三維顯示裝置的製作方法

2023-06-04 08:16:31 1

本實用新型涉及一種三維顯示裝置，具體涉及一種基於空間光調製器的全息三維顯示裝置，屬於計算全息與三維顯示領域。

背景技術：

三維顯示是現代顯示技術發展的重要目標，裸眼三維顯示技術以其不需要佩戴任何助視設備即可獲得三維顯示效果，並且更符合人們的觀察需求，是未來三維顯示技術的發展方向。近年來，裸眼三維顯示技術越來越受到研究者們的熱愛，目前較為成熟的裸眼三維顯示技術有視差屏障技術和柱透鏡陣列技術。從效果上看，無論是從視角、亮度還是串擾上分析，這兩項裸眼技術都尚有許多地方有待優化，比如觀看時視角範圍窄、圖像解析度低、串擾大等等一系列難以解決的問題。

現階段，學者們提出了很多種裸眼三維顯示的實現方法，大致分為全息方法和體視方法兩類。

全息方法是指利用全息記錄與再現的原理，將三維物體的全部信息（包括振幅信息和位相信息）重現出來，實際上是一種三維物體波前重建的方法，能夠實現逼真的三維顯示效果，可以提供人眼所需的全部立體感知。例如，1976年10月，蘇聯首次放映了全息電影，光源是每秒二十次的紅寶石雷射，記錄軟片是70mm的Agfa10E75軟片，全息圖像被投影到全息屏幕上，可供四個人同時觀看，放映時間為2min，內容是手持鮮花的女孩全身像，她從屏幕的右方通過屏幕，觀眾可以擺動頭部看到鮮花後面女孩的臉。但是，由於全息電影拍攝的是運動物體，需要脈衝雷射器拍攝，目前的雷射器製作水平還很難達到拍攝大場景和拍攝彩色全息電影的要求，並且通常全息圖孔徑有限，只有很少的觀察者能同時觀察到全息像，使得全息電影的發展受到極大的限制。

體視方法是指為人的雙眼提供兩幅具有位差的圖像，映入雙眼後即形成立體視覺所需的視差，經過視神經中樞的融合反射以及視覺心理反應，產生三維立體感覺，主要包括以下幾種方式：基於全息光學、基於幾何光學和基於衍射光學元件。

1、基於全息光學：利用全息記錄與再現的原理，將三維物體的多幅具有視差的二維圖像重現出來，形成不同的視點，產生三維顯示效果。例如，2010年Nature雜誌報導了美國Blanche等在光折變聚合物中實現了刷新時間為2s的近實時動態全息顯示成果，顯示尺寸為4英寸×4英寸。其顯示原理如下：將三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製器上形成物光波，在記錄介質上與參考光波幹涉形成一個全息單元，稱為Hogel。控制記錄介質的移動進行下一幅圖片的記錄，依次進行下去就可以得到一幅由全息單元組成的全息體視圖。讀出光再現時會將三維物體若干個視角的圖片再現出來，人眼觀察時就會有立體感。引入擦除光後可將之前介質上記錄的信息擦除，為下一幅圖像的顯示做準備。但是，全息技術一方面受限於海量的運算數據量和緩慢的運算速度等技術環節的制約，另一方面受到全息記錄介質本身材料性能的影響，主要包括材料的響應速度、刷新速率、衍射效率及製作成本的影響，使得此技術至今不能滿足實時、動態的視頻顯示需求，限制了其作為主流顯示技術的應用。

2、基於幾何光學：利用幾何光學原理設計背光結構，使入射到背光結構的光線，經過反射、折射後，出射光具有方向性，能夠準確地投射到雙眼中，同時搭配液晶顯示屏（LCD）上的圖像時序刷新技術來實現裸眼三維顯示。例如，2005年中國臺灣Yu-Mioun Chu提出利用兩個契形結構導光板、兩組光源和一個吸收層來製作契形溝槽結構，利用光線在契形溝槽上的全反射使光線以一定角度出射，並且控制光源的輪流切換與LCD的圖像刷新匹配，可以實現裸眼三維顯示。2009年日本John c.Schultz等人利用導光板、3D薄膜（由稜鏡和透鏡組成）、吸收層等結構配合刷新速率達到120Hz的液晶顯示屏實現高解析度的裸眼三維顯示。但是，基於幾何光學原理設計出的三維顯示系統往往結構複雜，其微結構的加工精度與複雜度要求較高，並且這類結構多數只能實現兩個方向的指向性背光，使得觀看時的視角範圍受到極大的約束，限制了其應用範圍。

3、基於衍射光學元件：利用衍射光學原理，設計出衍射導光元件，使入射到元件上的光線定嚮導出，同時結合圖像的刷新，實現裸眼三維顯示。例如，2013年惠普公司提出波導背光照明下的像素型納米光柵指向性背光結構，結合液晶顯示（LCD）技術可以實現大視場、全視差、高解析度的彩色裸眼3D顯示，其結果在Nature雜誌上發表，引起了業界的廣泛關注。這種新型的結構主要由導光板、準直光源、光源耦合裝置、納米光柵像素等組成。準直光線通過耦合裝置以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，可以精確地調控其出射方向，實現光線的定嚮導出，並且其方向調製範圍大，調製精度高，對應的3D顯示系統視角大、串擾小。而且，結合LCD圖像刷新技術，此系統可以實現動態三維顯示的效果。但是，為實現真彩色顯示，文章中採用六邊形結構導光板實現紅、綠、藍三色光的定嚮導出，然而這種六邊形導光板與現有的平板顯示方式不匹配。並且，採用電子束曝光的方法製備納米光柵，其製備效率低、成本高，同樣也會限制其在顯示方面的應用。

在國內，有關動態全息三維顯示的研究尚處於起步階段，並沒有較為成熟的樣機和工程應用。針對這種情況，本實用新型提出了一種基於空間光調製器的全息三維顯示裝置，旨在實現多視角動態全息裸眼三維顯示。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種基於空間光調製器的全息三維顯示裝置。基於全息三維顯示的原理，克服現有技術中運算數據量大、空間帶寬積不足、計算速度緩慢、難以實現動態三維顯示等缺點，旨在設計出基於空間光調製器的動態全息三維顯示裝置，實現動態全息三維顯示。

為實現上述發明目的，採用本實用新型來實現動態全息三維顯示的原理：通過將計算全息與雙目視差的原理結合，以空間光調製器的全息再現像為三維物體的二維視差圖像的載體，利用基於像素型納米光柵的定向衍射屏為定向分光元件將若干個二維視差圖像分離開來，形成不同的視點，實現三維立體顯示。目前，商用的矽基液晶空間光調製器（LCOS）的刷新速率達到60Hz或者更高，高於動態視頻顯示的刷新速率要求（25Hz）。因此，通過計算全息的方法將對應的視差圖像的位相型全息圖計算出來，在全息再現系統的空間光調製器中不斷刷新加載已經計算好的位相型全息圖，可以分時地得到一系列全息再現像，經過定向衍射屏定嚮導光後分離到不同的視點，人的雙眼不斷地觀察到不同的視差圖像，產生動態的三維顯示效果。

具體地，本實用新型採用的技術方案是：

一種基於空間光調製器的全息三維顯示裝置，包括用於生成全息圖的計算機、用於加載全息圖的空間光調製器、雷射光源、用於調製光偏振態的偏振調製器件、用於將通過偏振調製器件的光反射到空間光調製器的分光稜鏡、透鏡、定向衍射屏，定向衍射屏上設置像素型納米光柵，分光稜鏡、透鏡、定向衍射屏依次設置在空間光調製器的光軸心線上，定向衍射屏在光軸上的位置與空間光調製器上加載的全息圖的再現像面位置以及透鏡的後焦面位置重合。

上述技術方案中，所述的偏振調製器件為偏振片或二分之一波片。

所述的空間光調製器為反射型或者透射型，調製模式為相位調製。

所述的全息圖為基於迭代傅立葉變換算法原理計算出來的位相型全息圖。

所述的像素型納米光柵周期為0.3~3微米。

進一步的技術方案，所述的空間光調製器為由若干個空間光調製器拼接成的空間光調製器陣列。

由於上述技術方案運用，本實用新型與現有技術相比具有下列優點：

1、與基於全息單元(Hogel)原理的體視三維顯示相比，利用空間光調製器對全息圖的快速刷新加載，能夠實現多視角全視差動態全息三維顯示，更加符合人眼的觀察習慣；

2、與基於全息單元(Hogel)原理的體視三維顯示相比，利用基於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，由於納米光柵結構周期可做到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以達到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三維顯示方法對應的觀察視角大，而且視角不僅局限於水平移動觀察，還能夠旋轉觀察；

3、與基於幾何光學原理的體視三維顯示相比，利用基於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換，在衍射屏前方形成會聚視點，可以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；

4、與基於衍射光學元件的體視三維顯示相比，本實用新型中利用空間光調製器加載全息圖再現得到二維視角圖像，屬於頻域處理，而無論是利用圖像掩膜還是利用液晶顯示屏（LCD）直接顯示圖像都屬於空域處理，因此本實用新型對應的三維顯示方法在頻域中處理圖像相較於空域更加靈活、方便；

5、與基於衍射光學元件的體視三維顯示相比，本實用新型中用若干個空間光調製器拼接成空間光調製器陣列代替單個空間光調製器，有利於提高空間帶寬積，屬於頻域拼接，有效地擴大了再現圖像的信息量，實現全息再現像的圖像拼接，也即是實現目標物的多視角拼接。

附圖說明

圖1為基於空間光調製器的動態全息三維顯示的技術路線圖；

圖2為迭代傅立葉變換算法(IFTA)原理圖；

圖3為顯示平面和觀察平面之間的坐標位置關係圖；

圖4為定向衍射屏定嚮導光的示意圖；

圖5為基於空間光調製器的動態全息三維顯示系統裝置圖；

圖6為基於空間光調製器陣列的動態全息三維顯示系統裝置圖。

其中： I為全息圖的振幅分布，I』為全息圖的約束振幅，O為再現像的振幅分布，O』為目標圖像的振幅分布， 為全息圖的相位分布，為再現像的相位分布，FFT為快速傅立葉變換，IFFT為快速傅立葉逆變換，e為數學常數；xyz為空間直角坐標系，A（x,y,0）為顯示屏上某個像素，B(x1,y1,z)為觀察屏上某個視點，兩個屏幕相差z距離；

1、雷射光源；2、偏振調製器件；3、分光稜鏡；4、空間光調製器；5、全息圖；6、計算機；7、透鏡；8、全息再現像；9、定向衍射屏；10、納米光柵像素；11、觀察平面；12、空間光調製器陣列。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述：

實施例：一種基於空間光調製器的全息三維顯示裝置，以空間光調製器為核心器件，基於像素型納米光柵的定向衍射屏為定向分光器件實現。參見附圖5所示，包括1-雷射光源，2-偏振調製器件，3-分光稜鏡，4-空間光調製器，5-全息圖，6-計算機，7-透鏡，8-全息再現像，9-定向衍射屏，10-納米光柵像素，11-觀察平面。在全息再現實驗中，雷射光源1發出的光波通過偏振調製器件2，偏振調製器件2對入射光的偏振態進行調製，得到的偏振光通過分光稜鏡3後入射到空間光調製器4中。空間光調製器4和生成全息圖5的計算機6通過數據線連接。再現光波通過加載有全息圖的空間光調製器後衍射光波經分光稜鏡3和透鏡7後成像於透鏡的後焦面，即全息再現像面8。而在此位置8處，設有預先設計製作完成的定向衍射屏9，定向衍射屏9中的納米光柵像素10將對應的再現像像素衍射到固定的位置，形成不同的視點。人的雙眼在由視點組成的觀察平面11內即可觀察到不同的視差圖像，產生立體感。伴隨著空間光調製器對全息圖的快速刷新加載，人的雙眼即可觀察到動態全息三維顯示的效果。

上述裝置採用的基於空間光調製器的全息三維顯示方法，整體技術路線圖如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1)，三維物體多視角二維圖像的獲取與預處理。利用攝像機掃描拍攝或者使用3DS MAX、Maya等商業軟體由計算機圖形學的方法均可獲得三維物體在一個視角範圍內的全視差圖像序列，作為計算全息圖的數據源。

步驟2)，位相型全息圖的計算。應用迭代傅立葉變換算法(IFTA)編程計算相應的位相型全息圖。

步驟3)，定向衍射屏的設計與製作。根據視點的位置和數目，利用廣義光柵方程計算相應的光柵像素周期和溝槽取向，調節槽深、佔空比等參數優化衍射效率，建立像素型納米光柵模型，利用連續紫外變空頻光刻系統製作基於像素型納米光柵的定向衍射屏。

步驟4)，全息再現。搭建以空間光調製器為核心器件，基於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進行全息再現實驗，控制空間光調製器對位相型全息圖的刷新加載，實現動態全息三維顯示的效果。用若干個空間光調製器拼接成空間光調製器陣列代替單個空間光調製器，提高空間帶寬積，實現全息再現像的圖像拼接，也即是實現目標物的多視角拼接。

步驟1)中所述的三維物體多視角二維圖像，由單個CCD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CCD攝像機組成的二維陣列在不同角度拍攝獲得，也可以採用計算機圖形學的方法，由目標物的三維模型直接獲取。

步驟1)中所述的圖像預處理變換分為兩個步驟，首先進行水平方向的變換，然後進行豎直方向變換，並且這兩個過程可交換先後順序。在變換之前，需要對採樣得到的原始圖像進行編號，將採樣得到的所有二維圖像編組為一個二維圖像陣列，維數為I×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Xij維數相同，為M×N，即圖像的像素數為M×N。

在水平方向變換過程中，將水平方向維數為M的Xij以向量的方式表示為 ，其中向量Xijk是一個N 階向量，表示圖像矩陣Xij中第K列像素，因此，此時是由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，提取中的每一個第1列，依次排列為，組成新圖像矩陣，記為Y11；提取中的每一個第2列，依次排列為，組成新圖像矩陣，記為Y12；依次類推，直到。此時得到一組新的二維圖像序列，。對每一個，重複以上步驟，則可得到J組新的二維圖像序列。圖像陣列的水平變換可以表示為：

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，將豎直方向維數為N的Yij以向量的方式表示為，T表示對矩陣進行轉置，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，。圖像陣列的豎直變換可以表示為：

此時的圖像陣列將適用於位相型全息圖的計算。

步驟2)中所述的迭代傅立葉變換算法(IFTA)原理如圖2所示，通過多次傅立葉變換及其逆變換的迭代操作，直到再現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，即是使再現像面（傅立葉變換面）輸出所需的目標圖像，這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。

步驟3)中所述的光柵像素周期和溝槽取向的計算方法如下：根據視點的位置和數目，計算每個光柵像素的周期和溝槽取向，具體可以建立顯示平面光柵像素坐標與觀察平面視點坐標的對應關係，如圖3所示，A（x,y,0）為顯示屏上某個像素，B(x1,y1,z)為觀察屏上某個視點，兩個屏幕相差z距離，為使顯示屏上單幅視角圖像全部聚焦於視點B處，需要對屏幕上各像素的周期和取向作分析。假設入射光線波長為λ，入射角度為θ，波導折射率為n，根據坐標可知：A點的衍射角（衍射波矢量與z軸正方向的夾角）為θ1，衍射方位角（衍射波矢量在xy平面的投影與x軸正方向的夾角）為，則：

同時由廣義光柵方程可以求出：

其中，Λ為光柵周期，為光柵取向角（溝槽與y軸正方向的夾角）

由（1）、（2）、（3）、（4）可以求出每個坐標對應的光柵像素的光柵周期和取向角：

依據此方法計算出每個坐標對應的光柵像素周期和溝槽取向後，可利用連續紫外變空頻光刻系統高效地製作出基於像素型納米光柵的定向衍射屏，而定向衍射屏定嚮導光的示意圖如圖4所示，入射光射入衍射屏後，每個像素型光柵將對應的入射光衍射到固定的方向，實現定嚮導光。

步驟4)中所述的用空間光調製器陣列12代替單個空間光調製器4的全息顯示系統的裝置圖如圖6所示，用若干個空間光調製器拼接成空間光調製器陣列來提高空間帶寬積，實現全息再現像的圖像拼接，也即是實現目標物的多視角拼接。

綜上所述，本實用新型公開了一種基於空間光調製器的全息三維顯示方法及裝置。在本實用新型中，利用空間光調製器的全息再現像定向分離實現了三維顯示，結合空間光調製器刷新加載全息圖可以實現動態全息三維顯示，具有刷新速度快、串擾小、視角大等特點。