專利名稱：一種基于非共軸多透鏡光路的三維圖像顯示方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及三維圖像顯示技術領域，具體公開了一種基于非共軸多透鏡光路和體 全息存儲技術的計算全息三維圖像顯示方法及系統。
背景技術：
由于二維顯示難以清楚準確表達第三維的深度信息，人們一直在致力于研究可顯 示立體場景的顯示技術——三維圖像顯示技術。人們對物體的三維立體視覺是由雙眼時 差產生的，一切能使人眼產生雙眼視差的光學裝置或結構就能產生三維立體視覺。自出現 三維顯示技術以來，三維顯示方法和技術越來越豐富，現在常見的三維顯示技術有體視技 術，自動立體三維技術，體三維顯示技術，集成成像技術和全息三維顯示技術。全息三維顯 示技術利用光的干涉，記錄物光的振幅和位相信息，再通過光的衍射將物光的信息重新構 建出來，是各種顯示方法中唯一真正意義上的三維顯示技術。早期的光學全息需要制備三維物體的模型，反射光束進行相干記錄，限制了全息 技術的實際應用。隨著光電技術及器件的迅速發展，數字全息三維顯示技術的發展及應用 取得了飛速發展，其基本原理是用計算機模擬光學衍射過程，并用光調制器件代替傳統全 息記錄材料，在光波傳輸路徑的某一個平面上模擬衍射光的復振幅，實現三維圖像信息的 全記錄，再通過光學衍射，復現出三維圖像。但受調制器空間分辨率的限制，光調制器通過光學系統衍射直接生成的三維圖像 觀察視角比較小、圖像較小，需要采用其它方法，對顯示三維圖像的視角進行展寬。為了解 決這個問題，目前常用的方法是通過快速角度掃描裝置，將不同觀察方位角的計算全息三 維圖像按相應方位出射，當掃描速度很快時，依靠人眼的視覺停留，形成連續大視角三維圖 像的顯示。但這種方法需要高精度高速度的角度掃描系統和高數據傳輸率的空間光調制 器，系統成本較高，限制了其進一步的實用化。
發明內容
針對空間光調制器衍射生成的三維圖像觀察視角有限和大小有限的問題，本發明 的目的是基于非共軸多透鏡光路，結合全息存儲技術，提出了一種大尺寸大視角三維圖像 顯示方法及系統。本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。根據本發明提 出的一種基于非共軸多透鏡光路的三維圖像顯示系統，包括四透鏡光路，該四透鏡光路包 括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡，以第四透鏡光軸為該四透鏡光路的系統光 軸，第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡可在垂直于系統光軸的平面內位移；單頻偏振激光器， 作為顯示系統光源；多個半波片，用以改變光束的偏振方向；擴束物鏡，用以對光束進行會 聚擴束準直透鏡，用以將擴束后的發散光束轉換成平行光束；偏振分光鏡，將入射偏振激 光束分成偏振方向相互垂直的兩束光；空間光調制器，同上述四透鏡光路構成物光光路，通 過輸入計算全息編碼，用以實現直接衍射生成的不同視角范圍像素三維圖像的顯示；偏振
4片，對空間光調制器出射的包含三維圖像信息的光束進行偏振濾光，得到同偏振方向的信 息光；多個位移平臺，分別用于承載上述四透鏡光路、及用于承載存儲介質，該存儲介質，通 過角度復用和空間復用，存儲不同觀察方位角和不同空間位置的像素三維圖像；以及反射 鏡，反射偏振分光鏡出射的參考光，保證其和物光光束相交于存儲介質處。根據本發明實施例的三維圖像顯示系統，在第一透鏡和第二透鏡之間，可以加入 第四透鏡和第五透鏡，組成六透鏡光路。根據本發明實施例的三維圖像顯示系統，所述任何一個或多個透鏡，可以用透鏡 組，或具有位相調節功能的衍射光學元件替代。根據本發明實施例的三維圖像顯示系統，所述空間光調制器為反射式或透射式， 通過反射鏡進行光路的調整，保證物光經四透鏡系統后，與參考光相交于存儲介質。根據本發明實施例的三維圖像顯示系統，所述半波片包括第一半波片、第二半波 片、及第三半波片，激光器出射光束由第一半波片調節其偏振方向，經擴束物鏡和準直透鏡 濾波準直后，由偏振分光鏡分成物光光束和參考光光束；物光光束經第二半波片調整偏振 方向后入射反射式空間光調制器，加載二維編碼信息，經第四透鏡顯示三維圖像于第三透 鏡附近，再經第二透鏡和第一透鏡成像并進行合成存儲；反射鏡反射過來的參考光經第三 波片調整偏振方向后與物光相交與存儲介質處。根據本發明實施例的三維圖像顯示系統，所述位移平臺包括四個，其中三個透鏡 位移平臺用于承載第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，用以垂直于光軸的二維空間的位移，一 個存儲介質位移平臺用于承載存儲介質，用以相對存儲每一個單元的位移。另外，本發明還提出了一種基于非共軸多透鏡光路的三維圖像顯示方法，其包括 以下步驟計算三維圖像在空間光調制器輸入面的計算全息二維信號編碼，以空間光調制 器作為二維光場調制屏幕，表現不同觀察方位角的像素三維圖像的二維編碼信息；空間光 調制器加載的像素三維圖像的二維編碼信息，經對應的具有不同透鏡偏移量的四透鏡光路 衍射傳輸，再現具有相應觀察方位角的像素三維圖像于像面處，置存儲介質于像面附近，并 通過反射鏡令參考光與物光相交于存儲介質處，相干記錄具有不同觀察方位角的像素三維 圖像，實現像素三維圖像的視角展寬合成；以及位移存儲介質，順序存儲各小尺寸三維圖像 于存儲介質不同空間位置，實現單元三維圖像的空間擴展合成，讀出時同時復現所有像素 三維圖像，實現大尺寸大視角三維圖像的顯示。借由上述技術方案，本發明一種基于非共軸多透鏡光路的三維圖像顯示系統至少 具有的有益效果是本發明采用四透鏡非共軸光路進行計算全息編碼時，對不同單元不同視角的像素 三維圖像，具有共同的取樣點陣，可以簡化目標圖像的數學模型處理，提高計算全息算法的 效率；采用四透鏡光學系統進行光路的傳播，可以得到大觀察視角范圍內的像素三維圖像， 存儲合成后通過復現可實現大視角三維圖像的顯示；采用體全息技術，充分利用其存儲容 量高的特點，可以對所有單元的大視角三維圖像的物光進行存儲，然后同時復現所有單元， 得到大尺寸的三維圖像，有利于三維圖像顯示技術的實用化。
圖1為本發明所述的四透鏡非共軸光學系統光路圖。
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圖2為本發明所述的基于非共軸多透鏡光路的三維圖像顯示系統結構圖。圖3為無串擾視角合成示意圖。圖4為三維圖像計算全息編碼的位置關系圖。10四透鏡光路11第--透鏡
12第二透鏡13 第三三透鏡
14第四透鏡15第--位移平臺
16第二位移平臺17 第三三位移平臺
18偏振片20空間光調制器
30存儲介質31第四位移平臺
40單頻偏振激光器41第--半波片
42準直透鏡43擴束物鏡
44第二半波片45 第三三半波片
50偏振分光鏡60反射鏡
具體實施例方式為了更加詳細的解釋本專利所提出的大尺寸三維圖像顯示技術，以下結合附圖及 四透鏡光學系統的某一具體系統參數，對本發明進行詳細闡述。應當理解，此處所描述的實 施例僅僅是用以解釋本發明的設計，并不用于限定本發明。實施例為了得到擁有大視角范圍的大尺寸三維圖像，本發明設計了一種非共軸四透鏡光 學系統。如圖1所示，所述四透鏡光路10包括第一透鏡11、第二透鏡12、第三透鏡13和 第四透鏡14，以第四透鏡14的光軸作為系統光軸；第一透鏡11承載于第一位移平臺15上， 第二透鏡12承載于第二位移平臺16上，第三透鏡13承載于第三位移平臺17，它們可以垂 直于系統光軸進行位移；在空間光調制器(SLM) 20中輸入計算全息編碼經第四透鏡14衍射 顯示小尺寸小視角的三維圖像于第三透鏡13處；再通過第二透鏡12與第一透鏡11成像于 像面，獲得對應的小尺寸小視角像素三維圖像；通過第一透鏡11、第二透鏡12和第三透鏡 13在垂直于系統光軸平面內的位移，可以改變像面處像素三維圖像的觀察方位角，實現空 間光調制器20直接衍射生成的不同視角范圍像素三維圖像的顯示；空間光調制器20和上 述四透鏡光路10構成物光光路。單頻偏振激光器40出射光束，假設反射式空間光調制器20出射平行光束，經四透 鏡系統會聚于物面一點。第一透鏡11、第二透鏡12和第三透鏡13處于位置1時，對應的 可觀察范圍為視角1，處于位置2時，可觀察范圍為視角2，兩個視角的觀察方位因第一透鏡 11、第二透鏡12和第三透鏡13位置的不同而不同。在本發明的實施例中，空間光調制器 (SLM) 20可以是反射式或透射式，通過反射鏡60進行光路的調整，保證物光經四透鏡系統 后，與參考光相交于存儲介質30。如圖2所示，結合非共軸四透鏡光學系統，本發明采用角度復用與空間復用全息 存儲技術，通過體全息存儲介質為媒介，實現計算全息像素三維圖像的合成，從而實現大尺 寸大視角三維圖像的顯示。單頻偏振激光器40出射光束由第一半波片41調節其偏振方 向，經擴束物鏡43和準直透鏡42濾波準直后，由偏振分光鏡50分成物光光束和參考光光束；物光光束經第二半波片44調整偏振方向后入射反射式空間光調制器20，加載像素三維 圖像的二維編碼信息，經第四透鏡14顯示三維圖像于第三透鏡13附近，再經過第一透鏡11 和第二透鏡12成像于像面；當第一透鏡11、第二透鏡12和第三透鏡13整體偏離系統光軸 S1距離時，置光致聚合物記錄介質于像面附近，反射鏡60反射過來的參考光經第三半波片 45調整偏振方向后與物光相交于存儲介質30處，相干記錄視角范圍為視角1的三維圖像； 移動第一透鏡11、第二透鏡12和第三透鏡13到偏離光軸S2的位置2處，重復以上過程，記 錄視角范圍為視角2的三維圖像；如此往復，采用相同的參考光，當像面處顯示的空間光調 制器(SLM) 20調制生成的像素三維圖像的視角區域理想地順序連接起來時，記錄介質30中 就存儲了該單元三維圖像的不同視角的各個像素三維圖像；然后通過第四位移平臺31移 動存儲介質30，重復以上過程，記錄第二個單元三維圖像的各視角像素三維圖像，進行單元 三維圖像的空間合成；如此反復，直到完成所有單元三維圖像的像素三維圖像的存儲記錄。 偏振片18可以對空間光調制器20出射的光波進行偏振濾波，濾去非信號光。讀出時參考 光入射所有存儲位置，各個單元的大視角三維圖像同時復現，實現大尺寸的三維圖像顯示。在本實施例中，對本發明所采用非共軸四透鏡光學系統，設定某些系統光學參數， 對其工作過程進行詳細描述如圖3所示，令第三透鏡13和第二透鏡12的距離U1 = 2f\，像面與第一透鏡11的 距離Y0 = 2f。，第一透鏡11與第二透鏡12的距離uQ+Vl = 24+24。當第一透鏡11、第二透 鏡12和第三透鏡13相對于四透鏡光路10的偏移量S1 = 0時，如圖4所示，假設目標圖像處 于像面處，采用迭代算法計算三維圖像在空間光調制器20輸入一單元面的計算全息編碼， 輸入空間光調制器20，經四透鏡系統衍射傳輸，再現目標圖像單元于像面處，其觀察視角為
圖3所示粗虛線夾角。位移第一透鏡11、第二透鏡12和第三透鏡13到A 二|/)，即圖3所
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示的細實線圖示位置，重新由像面處的假設目標圖像單元采用迭代算法計算空間光調制器 20的調制輸入，并該單元的三維圖像于像面處，反復移動第一位移平臺15、第二位移平臺
16和第三位移平臺17，記錄& =^|D，k= 士 1，士2...時的該單元的像素三維圖像，將這
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些視角區域理想地順序連接接起來，完成該單元的視角展寬合成，記錄在存儲介質30中， 該存儲介質30可置于像面附近任意位置，參考光和物光光束在存儲介質30上相交，并通過 角度復用和空間復用，存儲不同觀察方位角和不同空間位置的像素三維圖像；讀出時，參考 光入射所有存儲位置，同時復現各像素三維圖像，實現大尺寸大視角的的三維圖像顯示；移 動第四位移平臺(存儲介質位移平臺)31使存儲介質30到達合適位置，采用同樣參考光進 行第二個單元三維圖像的合成存儲，反復操作，直到完成所有單元三維圖像的存儲記錄。讀 出時，參考光入射所有存儲位置，各個單元三維圖像同時復現，實現大尺寸大視角的三維圖 像顯示。另外，在第一透鏡和第二透鏡之間，可以加入第五透鏡和第六透鏡，組成六透鏡光 路；通過合適設定的第一透鏡、第二透鏡、第五透鏡和第六透鏡偏離系統光軸的位移量，相 對于四透鏡光路，可以擴大系統所能顯示三維圖像的最大觀察方位角，獲得更大的視角觀 察范圍。如此類推，在第五透鏡和第六透鏡之間加入第七和第八透鏡，可以得到八透鏡系 統；繼續加入透鏡，可以得到十透鏡光路、十二透鏡光路.......
另外，如果本發明舍棄上述存儲介質，采用分時復用的方法，將第一透鏡11、第二 透鏡12和第三透鏡13通過高速位移平臺，在垂直于系統光軸的平面內順序掃描至不同位 置，同時由高速空間光調制器20輸入對應像素三維圖像的計算全息編碼；當位移平臺的掃 描速度和空間光調制器20的刷新頻率大于人眼分辨率時，采用本發明的顯示系統和方法， 同樣可以實現大視角三維圖像的實時顯示。綜上所述，本發明的特點在于設計了非共軸四透鏡系統，結合計算全息技術，通過 四透鏡系統中多個透鏡位置的變化，生成目標圖像不同單元的不同觀察視角的三維圖像， 完成該單元的三維視角展寬，得到不同單元的大視角三維圖像；基于提全息存儲技術，移動 存儲介質平臺到合適位置采用同樣參考光記錄不同單元的大視角三維圖像，同時復現，實 現大尺寸三維圖像的顯示。采用四透鏡非共軸光學系統進行計算全息編碼時，對不同單元不同視角范圍的的 三維圖像，具有共同的取樣點陣，可以簡化目標圖像的數學模型處理，提高計算全息算法的 效率；采用四透鏡光學系統進行光路的視角展寬，其合成后三維圖像的視角范圍大于透鏡 數值孔徑所限制的視角區域，通過復現可實現大尺寸三維圖像的顯示，提高了三維圖像顯 示的效果；采用體全息技術，充分利用其存儲容量高的特點，可以對所有大視角單元三維圖 像的物光進行存儲，然后同時復現所有單元，得到大尺寸大視角三維圖像的顯示，有利于三 維圖像顯示技術的實用化。
權利要求
一種基于非共軸多透鏡光路的三維圖像顯示系統，其特征在于其包括四透鏡光路，該四透鏡光路包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡，以第四透鏡光軸為該四透鏡光路的系統光軸，第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡可在垂直于系統光軸的平面內位移；單頻偏振激光器，作為顯示系統光源；多個半波片，用以改變光束的偏振方向；擴束物鏡，用以對光束進行會聚擴束；準直透鏡，用以將擴束后的發散光束轉換成平行光束；偏振分光鏡，將入射偏振激光束分成偏振方向相互垂直的兩束光；空間光調制器，同上述四透鏡光路構成物光光路，通過輸入計算全息編碼，用以實現直接衍射生成的不同視角范圍像素三維圖像的顯示；偏振片，對空間光調制器出射的包含三維圖像信息的光束進行偏振濾光，得到同偏振方向的信息光；多個位移平臺，分別用于承載上述四透鏡光路、及用于承載存儲介質，該存儲介質，通過角度復用和空間復用，存儲不同觀察方位角和不同空間位置的像素三維圖像；以及反射鏡，反射偏振分光鏡出射的參考光，保證其和物光光束相交于存儲介質處。
2.根據權利要求1所述的三維圖像顯示系統，其特征在于在第一透鏡和第二透鏡之 間，可以加入第四透鏡和第五透鏡，組成六透鏡光路。
3.根據權利要求1所述的三維圖像顯示系統，其特征在于所述任何一個或多個透鏡， 可以用透鏡組，或具有位相調節功能的衍射光學元件替代。
4.根據權利要求1所述的三維圖像顯示系統，其特征在于所述空間光調制器為反射 式或透射式，通過反射鏡進行光路的調整，保證物光經四透鏡系統后，與參考光相交于存儲 介質。
5.根據權利要求1所述的三維圖像顯示系統，其特征在于所述半波片包括第一半波 片、第二半波片、及第三半波片，激光器出射光束由第一半波片調節其偏振方向，經擴束物 鏡和準直透鏡濾波準直后，由偏振分光鏡分成物光光束和參考光光束；物光光束經第二半 波片調整偏振方向后入射反射式空間光調制器，加載二維編碼信息，經第四透鏡顯示三維 圖像于第三透鏡附近，再經第二透鏡和第一透鏡成像并進行合成存儲；反射鏡反射過來的 參考光經第三波片調整偏振方向后與物光相交與存儲介質處。
6.根據權利要求1所述的三維圖像顯示系統，其特征在于所述位移平臺包括四個，其 中三個透鏡位移平臺用于承載第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，用以在垂直于光軸的二維 空間進行位移，一個存儲介質位移平臺用于承載存儲介質，用以相對存儲每一個單元的位 移。
7.一種基于非共軸多透鏡光路的三維圖像顯示方法，其特征在于其包括以下步驟計算三維圖像在空間光調制器輸入面的計算全息二維信號編碼，以空間光調制器作為 二維光場調制屏幕，表現不同觀察方位角的像素三維圖像的二維編碼信息；空間光調制器加載的像素三維圖像的二維編碼信息，經對應的具有不同透鏡偏移量的 四透鏡光路衍射傳輸，再現具有相應觀察方位角的像素三維圖像于像面處，置存儲介質于 像面附近，并通過反射鏡令參考光與物光相交于存儲于介質處，相干記錄具有不同觀察方位角的像素三維圖像，實現像素三維圖像的視角展寬合成；以及位移存儲介質，順序存儲各小尺寸三維圖像于存儲介質不同空間位置，實現單元三維 圖像的空間擴展合成，讀出時同時復現所有像素三維圖像，實現大尺寸大視角三維圖像的顯不。
8.根據權利要求7所述的三維圖像顯示方法，其特征在于所述四透鏡光路包括第一 透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡，其中，第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡可垂直于第四 透鏡的光軸位移。
9.根據權利要求7所述的三維圖像顯示方法，其特征在于所述空間光調制器通過輸 入計算全息編碼，經上述第四透鏡衍射生成三維圖像于第三透鏡附近，再經第二透鏡和第 一透鏡成像于像面處；通過第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡位置的同步移動，改變像面處像 素三維圖像的觀察方位角，得到一個大的視角區域范圍內不同觀察方位角的各像素三維圖 像，采用相同入射角參考光相干存儲于介質同一空間位置，實現三維圖像的視角展寬合成。
全文摘要
本發明公開了一種基于非共軸多透鏡光路的三維圖像顯示方法及系統。本發明提出并設計了非共軸四透鏡光路系統，結合體全息存儲技術，通過四透鏡光路透鏡位置的變化，將不同觀察方位角的小視角小尺寸計算全息三維圖像(像素三維圖像)順序存儲于存儲介質同一空間位置，同時讀出實現小尺寸大視角三維圖像(單元三維圖像)的顯示；移動存儲介質，將相鄰空間位置的單元三維圖像順序存儲于介質不同空間位置，實現三維圖像顯示的尺寸擴展，最終實現大視角大尺寸的三維圖像顯示。
文檔編號H04N13/00GK101968625SQ20101015814
公開日2011年2月9日 申請日期2010年4月20日 優先權日2010年4月20日
發明者楊康明, 滕東東, 王彪, 郭靖 申請人:中山大學