一種基于空間光調(diào)制器的全息三維顯示方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維顯示方法，具體涉及一種基于空間光調(diào)制器的全息三維顯示 方法及裝置，屬于計(jì)算全息與三維顯示領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維顯示是現(xiàn)代顯示技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)，裸眼三維顯示技術(shù)以其不需要佩戴任 何助視設(shè)備即可獲得三維顯示效果，并且更符合人們的觀察需求，是未來(lái)三維顯示技術(shù)的 發(fā)展方向。近年來(lái)，裸眼三維顯示技術(shù)越來(lái)越受到研究者們的熱愛(ài)，目前較為成熟的裸眼三 維顯示技術(shù)有視差屏障技術(shù)和柱透鏡陣列技術(shù)。從效果上看，無(wú)論是從視角、亮度還是串?dāng)_ 上分析，這兩項(xiàng)裸眼技術(shù)都尚有許多地方有待優(yōu)化，比如觀看時(shí)視角范圍窄、圖像分辨率 低、串?dāng)_大等等一系列難以解決的問(wèn)題。
[0003] 現(xiàn)階段，學(xué)者們提出了很多種裸眼三維顯示的實(shí)現(xiàn)方法，大致分為全息方法和體 視方法兩類。
[0004] 全息方法是指利用全息記錄與再現(xiàn)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(xiàn)出來(lái)，實(shí)際上是一種三維物體波前重建的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)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(lián)首次放映了全息電影， 光源是每秒二十次的紅寶石激光，記錄軟片是70mm的AgfalOE75軟片，全息圖像被投影到全 息屏幕上，可供四個(gè)人同時(shí)觀看，放映時(shí)間為2min，內(nèi)容是手持鮮花的女孩全身像，她從屏 幕的右方通過(guò)屏幕，觀眾可以擺動(dòng)頭部看到鮮花后面女孩的臉。但是，由于全息電影拍攝的 是運(yùn)動(dòng)物體，需要脈沖激光器拍攝，目前的激光器制作水平還很難達(dá)到拍攝大場(chǎng)景和拍攝 彩色全息電影的要求，并且通常全息圖孔徑有限，只有很少的觀察者能同時(shí)觀察到全息像， 使得全息電影的發(fā)展受到極大的限制。
[0005] 體視方法是指為人的雙眼提供兩幅具有位差的圖像，映入雙眼后即形成立體視覺(jué) 所需的視差，經(jīng)過(guò)視神經(jīng)中樞的融合反射以及視覺(jué)心理反應(yīng)，產(chǎn)生三維立體感覺(jué)，主要包括 以下幾種方式:基于全息光學(xué)、基于幾何光學(xué)和基于衍射光學(xué)元件。
[0006] 1、基于全息光學(xué)：利用全息記錄與再現(xiàn)的原理，將三維物體的多幅具有視差的二 維圖像重現(xiàn)出來(lái)，形成不同的視點(diǎn)，產(chǎn)生三維顯示效果。例如，2010年Nature雜志報(bào)道了美 國(guó)Blanche等在光折變聚合物中實(shí)現(xiàn)了刷新時(shí)間為2s的近實(shí)時(shí)動(dòng)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:將三維物體若干個(gè)視角的二維圖片進(jìn)行預(yù)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)上與參考光波干涉形成一個(gè)全 息單元，稱為Hogel?？刂朴涗浗橘|(zhì)的移動(dòng)進(jìn)行下一幅圖片的記錄，依次進(jìn)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(xiàn)時(shí)會(huì)將三維物體若干個(gè)視角的圖片再現(xiàn) 出來(lái)，人眼觀察時(shí)就會(huì)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(zhǔn)備。但是，全息技術(shù)一方面受限于海量的運(yùn)算數(shù)據(jù)量和緩慢的運(yùn)算速度等 技術(shù)環(huán)節(jié)的制約，另一方面受到全息記錄介質(zhì)本身材料性能的影響，主要包括材料的響應(yīng) 速度、刷新速率、衍射效率及制作成本的影響，使得此技術(shù)至今不能滿足實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的視頻 顯示需求，限制了其作為主流顯示技術(shù)的應(yīng)用。
[0007] 2、基于幾何光學(xué):利用幾何光學(xué)原理設(shè)計(jì)背光結(jié)構(gòu)，使入射到背光結(jié)構(gòu)的光線，經(jīng) 過(guò)反射、折射后，出射光具有方向性，能夠準(zhǔn)確地投射到雙眼中，同時(shí)搭配液晶顯示屏(LCD) 上的圖像時(shí)序刷新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)裸眼三維顯示。例如，2005年中國(guó)臺(tái)灣Yu-Mioun Chu提出利 用兩個(gè)契形結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板、兩組光源和一個(gè)吸收層來(lái)制作契形溝槽結(jié)構(gòu)，利用光線在契形溝 槽上的全反射使光線以一定角度出射，并且控制光源的輪流切換與LCD的圖像刷新匹配，可 以實(shí)現(xiàn)裸眼三維顯示。2009年日本John c.Schultz等人利用導(dǎo)光板、3D薄膜（由棱鏡和透鏡 組成）、吸收層等結(jié)構(gòu)配合刷新速率達(dá)到120Hz的液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)高分辨率的裸眼三維顯 示。但是，基于幾何光學(xué)原理設(shè)計(jì)出的三維顯示系統(tǒng)往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其微結(jié)構(gòu)的加工精度與 復(fù)雜度要求較高，并且這類結(jié)構(gòu)多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的指向性背光，使得觀看時(shí)的視角 范圍受到極大的約束，限制了其應(yīng)用范圍。
[0008] 3、基于衍射光學(xué)元件:利用衍射光學(xué)原理，設(shè)計(jì)出衍射導(dǎo)光元件，使入射到元件上 的光線定向?qū)С?，同時(shí)結(jié)合圖像的刷新，實(shí)現(xiàn)裸眼三維顯示。例如，2013年惠普公司提出波 導(dǎo)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(LCD)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大視 場(chǎng)、全視差、高分辨率的彩色裸眼3D顯示，其結(jié)果在Nature雜志上發(fā)表，引起了業(yè)界的廣泛 關(guān)注。這種新型的結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)光板、準(zhǔn)直光源、光源耦合裝置、納米光柵像素等組成。準(zhǔn)直 光線通過(guò)耦合裝置以特定的角度入射到納米光柵像素表面，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的周期、取向角 的納米光柵，可以精確地調(diào)控其出射方向，實(shí)現(xiàn)光線的定向?qū)С觯⑶移浞较蛘{(diào)制范圍大， 調(diào)制精度高，對(duì)應(yīng)的3D顯示系統(tǒng)視角大、串?dāng)_小。而且，結(jié)合LCD圖像刷新技術(shù)，此系統(tǒng)可以 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維顯示的效果。但是，為實(shí)現(xiàn)真彩色顯示，文章中采用六邊形結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板實(shí)現(xiàn) 紅、綠、藍(lán)三色光的定向?qū)С?，然而這種六邊形導(dǎo)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(huì)限制其在顯示方面 的應(yīng)用。
[0009] 在國(guó)內(nèi)，有關(guān)動(dòng)態(tài)全息三維顯示的研究尚處于起步階段，并沒(méi)有較為成熟的樣機(jī) 和工程應(yīng)用。針對(duì)這種情況，本發(fā)明提出了一種基于空間光調(diào)制器的全息三維顯示方法及 裝置，旨在實(shí)現(xiàn)多視角動(dòng)態(tài)全息裸眼三維顯示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是提供一種基于空間光調(diào)制器的全息三維顯示方法及裝置?；谌?息三維顯示的原理，克服現(xiàn)有技術(shù)中運(yùn)算數(shù)據(jù)量大、空間帶寬積不足、計(jì)算速度緩慢、難以 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維顯示等缺點(diǎn)，旨在設(shè)計(jì)出基于空間光調(diào)制器的動(dòng)態(tài)全息三維顯示裝置，實(shí)現(xiàn) 動(dòng)態(tài)全息三維顯示。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)全息三維顯示的原理是：通過(guò)將計(jì)算全息 與雙目視差的原理結(jié)合，以空間光調(diào)制器的全息再現(xiàn)像為三維物體的二維視差圖像的載 體，利用基于像素型納米光柵的定向衍射屏為定向分光元件將若干個(gè)二維視差圖像分離開(kāi) 來(lái)，形成不同的視點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三維立體顯示。目前，商用的硅基液晶空間光調(diào)制器(IX0S)的刷 新速率達(dá)到60Hz或者更高，高于動(dòng)態(tài)視頻顯示的刷新速率要求(25Hz)。因此，通過(guò)計(jì)算全息 的方法將對(duì)應(yīng)的視差圖像的位相型全息圖計(jì)算出來(lái)，在全息再現(xiàn)系統(tǒng)的空間光調(diào)制器中不 斷刷新加載已經(jīng)計(jì)算好的位相型全息圖，可以分時(shí)地得到一系列全息再現(xiàn)像，經(jīng)過(guò)定向衍 射屏定向?qū)Ч夂蠓蛛x到不同的視點(diǎn)，人的雙眼不斷地觀察到不同的視差圖像，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的 三維顯示效果。
[0012] 具體地，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種基于空間光調(diào)制器的全息三維顯示方法，包括以下步驟： 1) .三維目標(biāo)物體多視角二維圖像的獲取與預(yù)處理步驟:利用攝像機(jī)掃描拍攝或者使 用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法獲得三維物體在一個(gè)視角范圍內(nèi)的全視差圖像序列，并將此全視差 圖像序列作為計(jì)算全息圖的數(shù)據(jù)源； 2) .位相型全息圖的獲取步驟:根據(jù)衍射理論編程計(jì)算獲得三維目標(biāo)物體多視角二維 圖像對(duì)應(yīng)的位相型全息圖； 3) .定向衍射屏的設(shè)計(jì)與制作步驟:根據(jù)視點(diǎn)的位置和數(shù)目，利用廣義光柵方程計(jì)算相 應(yīng)的像素型納米光柵的周期和溝槽取向，設(shè)計(jì)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； 4) .全息再現(xiàn)步驟:搭建以空間光調(diào)制器為核心器件、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)，人的雙眼在觀察平面處接收全息再現(xiàn)的像。
[0013] 上述技術(shù)方案中，步驟1)中所述的攝像機(jī)掃描拍攝是，使用單個(gè)CCD攝像機(jī)沿水平 方向和垂直方向運(yùn)動(dòng)拍攝目標(biāo)物;或者，由多個(gè)CCD攝像機(jī)組成的二維陣列在不同角度拍 攝。
[0014] 步驟1)中，圖像預(yù)處理變換過(guò)程分為兩個(gè)步驟，水平方向變換與豎直方向變換，在 變換之前，對(duì)采樣得到的原始圖像進(jìn)行編號(hào)，將采樣得到的所有二維圖像編組為一個(gè)二維 圖像陣列，維數(shù)為IX J，每一幅圖像編號(hào)為對(duì)應(yīng)水平方向的位置，對(duì)應(yīng)垂