基于准随机相长干涉的三维显示方法及装置的制作方法

专利名称：基于准随机相长干涉的三维显示方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维成像技术领域，更具体地涉及一种基于准随机相长干涉原理的立 体显示装置，特别适用于做计算机与电视显示屏，智能人机交换，机器人视觉等，可广泛应 用于教学、科研、娱乐、广告等领域。
背景技术：
近一、二十年来，液晶显示技术得到了飞速发展，从零点几英寸的投影液晶显示板 到几十英寸的平板液晶显示器都已经商品化。但现有液晶显示器主要用于二维平面显示， 即使小尺寸投影机液晶板，其像素尺寸也在十微米量级，与可见光波长相比，其分辨率还非 常低，还不能用它们代替全息胶片，进行大视场、高质量的三维全息立体显示。发明专利“基 于随机相长干涉的三维显示方法及装置”(申请号200810046861.8)提出了一种采用低 分辨率液晶显示器进行三维立体显示的新方法，其核心思想是把液晶显示器的每个像素转 化为一个个独立的子光源，通过这些子光源的相长干涉在三维空间形成一系列离散立体像 点，为了抑制高阶衍射产生的多重像，子光源的位置呈随机分布。该发明所提出的基于随机 相长干涉的三维显示方法还有一些地方需要进一步改进，例如，通过相长干涉形成离散立 体像点也相当于一个新的子光源阵列，如果它们的位置呈周期排列就可能发生相长干涉， 形成新的亮斑，这些亮斑相当于噪声，会干扰所显示的立体像。再如，如果利用现有商品化 的二维平面液晶显示器搭建该发明所提出的基于随机相长干涉的三维显示装置也会存在 一些困难，因为现有商品化的二维平面液晶显示器当它们工作于位相调节为主模式时，其 位相调节范围往往达不到2 π，一般只有3 π /2，这样就会造成严重的位相调节误差。另外 当采用一个微透镜阵列对现有商品化的二维平面液晶显示器的像素进行聚焦以获得位置 呈随机分布的点光源时，微透镜的直径必须远小于液晶显示器的像素的尺寸，这样微透镜 才可以在一个像素范围内随机移动，但由此会造成巨大光能浪费。本发明将对基于随机相 长干涉的三维显示方法进行补充完善，同时对基于随机相长干涉的三维显示装置的结构进 行简化更新，降低加工难度，提高光能利用率。

发明内容
本发明的目的是在于提供了一种基于准随机相长干涉的三维显示方法，并抑制次 级衍射像的产生。本发明的另一个目的是在于提供了一种基于准随机相长干涉的三维显示装置，以 简化的结构获得更高的光能利用率和好的像质。为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种基于准随机相长干涉的三维显示方法，它包括以下步骤A 把三维立体像分解为离散像点；B 选取第A步中的一个离散像点；C 从空间位置呈周期分布的相干子光源阵列中，根据第B步中选取的离散像点的亮度，随机抽取相干子光源，离散像点的亮度越高，随机抽取的相干子光源的数目越大；D 针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源，计算其离第B步中选取的离散像 点的距离和由此引起的位相差，每个相干子光源所需做出的位相调整量等于该位相差；E 针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源，确定每个相干子光源所需做出的 振幅调整量，该振幅调整量为一恒定常数，或正比于第B步中选取的离散像点的亮度；F 针对第A步中的所有离散像点，重复第B至第E步，记录下每个相干子光源针对 每个离散像点所需做出的位相和振幅调整量，根据复数求和的原则计算出每个相干子光源 所需做出的总的位相和振幅调整量；G 从第F步中计算出的每个相干子光源所需做出的总的位相调整量中减去每个 相干子光源自身的初始位相，得到每个相干子光源所需做出的最终位相调整量；把第F步 中计算出的每个相干子光源所需做出的总的振幅调整量作为每个相干子光源所需做出的 最终振幅调整量；调节空间位置呈周期分布的相干子光源阵列使其产生最终位相和振幅调整量。所述的基于准随机相长干涉的三维显示方法，其特征在于在第A步中，把三维立 体像分解为离散像点，且离散像点的位置呈随机分布。所述的基于准随机相长干涉的三维显示方法，其特征在于在第B步中，选取第A步 中的一个离散像点，且给该离散像点设置一个附加位相，该附加位相在0 2 π范围内随机 分布；进一步，在第D步中，针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源，计算其离第B 步中选取的离散像点的距离和由此引起的位相差，每个相干子光源所需做出的位相调整量 等于该位相差再加上在第B步中给该离散像点设置的附加位相。一种实现所述的基于准随机相长干涉的三维显示方法的装置，包括相干光源；将所述相干光源发出的细激光束扩束转换成宽激光束的照明光学系统；振幅位相调节器阵列，其每个振幅位相调节器分别对所述照明光学系统发出的宽 激光束进行调节以生成相互独立的子光束阵列；以及相干子光源发生器阵列，其每个相干子光源发生器分别对准所述振幅位相调节器 阵列的一个相应的振幅位相调节器，使得所述相互独立的子光束一一对应地入射到相干子 光源发生器阵列中的每个相干子光源发生器，并汇聚产生位置呈周期分布的相干子光源阵 列。所述的一种基于准随机相长干涉的三维显示装置，其特征在于所述的振幅位相调 节器阵列由第一、第二、第三透射式液晶板和第一、第二、第三偏振片组成，第一块偏振片、 第一块透射式液晶板、第二块透射式液晶板、第二块偏振片、第三块透射式液晶板和第三块 偏振片依次紧贴放置，第一、第二、第三透射式液晶板的像素一一对准，第一块透射式液晶 板和第二块透射式液晶板工作于位相调节为主模式，第三块透射式液晶板工作于振幅调节 为主模式。所述的一种基于准随机相长干涉的三维显示装置，其特征在于所述的相干子光源 发生器阵列由周期分布的微透镜阵列组成，微透镜阵列中的每个微透镜分别对准振幅位相 调节器阵列中的一个振幅位相调节器，并汇聚产生位置呈周期分布的相干子光源阵列。
所述的一种基于准随机相长干涉的三维显示装置，其特征在于所述的相干子光源 发生器阵列由三套周期分布的第一、第二、第三微透镜阵列组成，每套微透镜阵列分别对准 第一、第二、第三透射式液晶板的红、绿、蓝子像素，使得每个微透镜的光轴与所对准的第 一、第二、第三透射式液晶板的红、绿、蓝子像素的中心重合。下面对本发明的原理与技术方案进行说明。首先对申请号为200810046861. 8，名称为“基于随机相长干涉的三维显示方法及 装置”的发明专利提出的基于随机相长干涉的三维立体成像原理进行说明。基于随机相长干涉的三维立体成像原理主要依据两点，第一，根据光学干涉原理， 利用许多相干子光源的相长干涉，可在空间任意指定位置形成亮点，并通过许多这样的亮 点构成离散三维立体像；第二，如果使得所有相干子光源的位置呈随机分布，可消除高阶衍 射产生的多重像，得到单一高质量立体像。本发明主要从如下三个方面对上述发明提出的基于随机相长干涉的三维显示方 法及装置进行了补充、完善和简化第一，次生衍射像的抑制通过相长干涉产生的离散三维像，其每个像素相当于一 个新的点光源，如果这些新的点光源的空间位置呈周期分布，且同位相，它们发出的光会发 生干涉，在空间产生新的亮斑，组成次生衍射像。本发明通过两个途径来抑制这种次生衍射 像，其一，使得离散三维像素的位置呈随机分布，即在对待显示的立体像离散化的过程中， 采用随机划分，避免周期划分；其二，给每个离散三维像素在0 2 π范围内随机设置一个 附加位相，但保持其亮度不变，因为人眼对位相不敏感，因此离散三维像看起来没有任何变 化。当离散三维像素的位置或位相呈随机分布时，它们就很难通过相长干涉产生次级衍射 像。第二，准随机分布严格的随机分布要求点光源的位置可以以相同的概率取任意 位置，但这种严格的随机分布会带来许多制造工艺上的麻烦。为了简化制造工艺，可以把点 光源的位置量子化，即如同量子力学一样，其变化必须为一个最小单位的整数倍，相当于说 每个点光源只能位于固定的格点上，而不能位于格点之间的任意位置。这些固定格点的位 置本身呈周期分布，但点光源可随机地位于其中任意一个格点上，由此得到的随机分布是 一个准随机分布。当格点的密集度变大时，准随机分布就越来越趋向于严格随机分布。当 采用微透镜阵列对液晶板的像素进行汇聚产生相干点光源时，可以把液晶板周期分布的像 素位置作为格点，尽管由此产生的点光源阵列也呈周期分布，但在通过相长干涉产生某一 个三维像素时，我们不是让所有的点光源都参与该三维像素的产生，而是随机地抽取一些 点光源来产生该三维像素。这些随机抽取的点光源的位置就如上所述，呈准随机分布。这 种准随机分布同样可极大地抑制高阶衍射像的产生，特别是当液晶板的像素间隔较大时， 高阶衍射本身就已经很弱，再加上准随机分布的抑制，高阶衍射就可以忽略不计了。这种准 随机分布可简化制造工艺，特别是微透镜直径可以与液晶板像素大小相当，可大大提高光 能利用率。第三，完整复矢量调节现有商品化液晶板在工作于位相为主模式时，位相调节范 围往往只有3 π /2左右，达不到2 π，这样会产生非常大的位相调节误差。或者说用现有商 品化液晶板进行复矢量调节时，在复矢量空间，约有一个象限是不能到达的，因此这种复矢 量调节是不完整的。为此我们需要设计专用液晶板，或者采用两块液晶板进行位相调节，使位相调节量达到2 π。本发明与现有技术相比，特别是与申请号为200810046861.8的发明专利相比具 有以下优点和效果第一，通过随机划分和设置所显示离散三维立体像的像素位置和位相，抑制了次 生衍射像的产生，降低了由此引起的干扰噪声；第二，通过点光源的准随机分布，简化了结 构，提高了光能利用率；第三，通过采用多块液晶板，使得利用现有商品化液晶板实现0 2 π位相调节成为可能，减小了位相调节误差。


图1为本发明在采用三块透射式液晶显示板时的结构示意图。图2为单一周期排列的微透镜阵列结构示意图。图3为三套周期排列的微透镜阵列结构示意图。
具体实施例方式实施例1 图1给出了一种采用三块透射式液晶显示板时基于准随机相长干涉的三维显示 装置示意图。它由相干光源1、照明光学系统2、振幅位相调节器阵列3和相干子光源发生 器阵列4组成。照明光学系统2将相干光源1发出的细激光束扩束转换成宽激光束，并均 勻照明振幅位相调节器阵列3。振幅位相调节器阵列3由第一、第二、第三透射式液晶板5、 6、7和第一、第二、第三偏振片8、9、10组成，第一块偏振片8、第一块透射式液晶板5、第二 块透射式液晶板6、第二块偏振片9、第三块透射式液晶板7和第三块偏振片10依次紧贴放 置，第一、第二、第三透射式液晶板5、6、7的像素一一对准，第一块偏振片8和第二块偏振片 9的偏振方向互成60度，使得第一块透射式液晶板5和第二块透射式液晶板6工作于位相 调节为主模式(不同液晶能板，偏振片的偏振方向需要取不同值，下同)，第二块偏振片9和 第三块偏振片10的偏振方向互成90度，使得第三块透射式液晶板7工作于振幅调节为主 模式。相干子光源发生器阵列4采用微透镜阵列15，其结构如图2所示。微透镜阵列15中 的每个微透镜与液晶显示器的每个像素对准，每个微透镜的直径与液晶显示器的每个像素 的大小相当，这样光能得到最大利用。照明光学系统2产生的宽激光束均勻照明振幅位相 调节器阵列3，由透射式液晶板5、6、7构成的振幅位相调节器阵列3的每个像素对宽照明激 光束的振幅和位相进行调节，形成子激光束阵列，一个像素产生一个子激光束，每个子激光 束的振幅和位相相互独立，再经微透镜阵列15聚焦产生位置呈周期分布的点光源阵列，其 中一个子激光束对准一个微透镜，经微透镜汇聚产生一个点光源。实施例2 下面结合图1所给出的装置，对基于准随机相长干涉的三维显示方法进行说明， 一种基于准随机相长干涉的三维显示方法，它包括以下步骤A 把三维立体像11分解为M个具有一定空间位置和亮度的离散像点，在分解过程 中采用非周期划分，使得离散像点的位置呈随机分布，在图1中M = 21 ；B 选取第A步中的某一个离散像点m，并给该离散像点设置一个附加位相Φω，该 附加位相0111在0 范围内随机分布；
C 从图1所示装置所产生的空间位置呈周期分布的相干子光源阵列中，根据第B 步中选取的特定离散像点m的亮度，随机抽取数目为N的相干子光源，离散像点m的亮度越 高，随机抽取的相干子光源的数目N越大；在图2中，涂黑的M个微透镜所汇聚产生的相干 光源被抽取选中，它们的位置呈准随机分布；D 针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源j，计算其中心位置离第B步 中选取的特定离散像点m的距离和由此引起的位相差，每个相干子光源所需做出的位 相调整量Φ。」,m等于上述位相差再加上第B步中给离散像点m设置的附加位相Φω， Φ^'" = h · (r , - R) + Φ 如果这些被随机抽取的的相干子光源的初始位相为零，它们发 出的光到达离散像点m时将同位相，且都为位相Φω，这样就可以发生相长干涉；E 针对第C步中所随机抽取的每个相干子光源，它所需做出的振幅调整量A“m可 以取一恒定常数，或正比于第B步中选取的特定离散像点m的亮度；F 针对第A步中的所有M个离散像点，重复第B至第E步，同时记录下每个相干子 光源针对每个离散像点所需做出的位相和振幅调整量Φ。 ω、Ac^m，并根据矢量叠加的原则 求出每个相干子光源j所需做出的总的位相Φ。」和振幅Α。」调整量
m-MAi = Acj, m exp(Oc/, m) = Acj εχρ(Φ /)
m-\G 从第F步中计算出的每个相干子光源j所需做出的总的位相调整量Φ。」中减去 由于相干照明光源本身亮度的不均勻性等各种因素所产生的每个相干子光源自身的初始 位相ΦΜ，得到每个相干子光源所需做出的最终的位相调整量，当然在最终位相调整量中可 以丢掉的整数倍。同时把第F步中计算出的每个相干子光源所需做出的总的振幅调整 量Ay作为每个相干子光源最终所需做出的振幅调整量。最后通过驱动电路驱动透射式液 晶板5、6和7，使得每个相干子光源产生上述最终振幅和位相调整量。通过上述A-G共7个步骤，通过许多子光源的相长干涉可以形成初始立体像11，同 时由于子光源的位置呈准随机分布，因此高阶衍射像得到极大抑制，特别是当子光源的周 期很大时，高阶衍射像基本可以忽略不计。如果在第C步中，相干子光源阵列的空间位置呈 严格随机分布，则对高阶衍射像的抑制更大，可以得到单一立体像。进一步由于初始立体像 11的离散像素的位置和位相呈随机分布，由这些立体离散像素相干可能产生的次生衍射像 也将得到很好抑制，从而保证所显示的立体像画面干净单一，噪声低。实施例3 如图2所示，如果采用现有商品化液晶显示器，其每个像素(图中虚线框所示)由 三个子像素12，13和14组成，这三个子像素分别蒸镀有红、绿、蓝滤光膜，通过三原色组合 形成彩色图像。当微透镜对准每个像素时，微透镜的光轴中心与位于中间的子像素13的中 心重合，但与图中上下两个子像素12和14的中心偏离。假设图2中三个子像素12，13和 14分别对应红绿蓝三原色，并采用平行光照明，则经过微透镜汇聚后分别产生三原色点光 源，但这些点光源发出的光锥会指向不同方向，其中红色光锥向下倾斜，而蓝色光锥向上倾 斜，而且互不交汇，这样就很难把红绿蓝三原色立体像显示在空间同一位置，组成一幅彩色 立体像。为了解决这一问题，可如图3所示，采用三套周期分布的第一、第二、第三微透镜阵 列16、17和18，并分别与液晶板的红绿蓝子像素对准。在图3中，第一套微透镜阵列16与 红色子像素对准，第二套微透镜阵列17与绿色子像素对准，而第三套微透镜阵列18与蓝色子像素对准 ，这样就能保证由微透镜汇聚产生的红绿蓝三原色光锥覆盖空间同一位置，实 现彩色立体像显示。
权利要求
1.一种基于准随机相长干涉的三维显示方法，它包括以下步骤 A 把三维立体像分解为离散像点；B 选取第(A)步中的一个离散像点；C:从空间位置呈周期分布的相干子光源阵列中，根据第(B)步中选取的离散像点的亮 度，随机抽取相干子光源，离散像点的亮度越高，随机抽取的相干子光源的数目越大；D:针对第(C)步中所随机抽取的每个相干子光源，计算其离第B步中选取的离散像点 的距离和由此引起的位相差，每个相干子光源所需做出的位相调整量等于该位相差；E:针对第(C)步中所随机抽取的每个相干子光源，确定每个相干子光源所需做出的振 幅调整量，该振幅调整量为一恒定常数，或正比于第(B)步中选取的离散像点的亮度；F 针对第(A)步中的所有离散像点，重复第(B)至第(E)步，记录下每个相干子光源针 对每个离散像点所需做出的位相和振幅调整量，根据复数求和的原则计算出每个相干子光 源所需做出的总的位相和振幅调整量；G:从第(F)步中计算出的每个相干子光源所需做出的总的位相调整量中减去每个相 干子光源自身的初始位相，得到每个相干子光源所需做出的最终位相调整量；把第(F)步 中计算出的每个相干子光源所需做出的总的振幅调整量作为每个相干子光源所需做出的 最终振幅调整量；调节空间位置呈周期分布的相干子光源阵列使其产生最终位相和振幅调 整量。
2.根据权利要求1所述的一种基于准随机相长干涉的三维显示方法，其特征在于在第(A)步中，把三维立体像分解为离散像点，且离散像点的位置呈随机分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于准随机相长干涉的三维显示方法，其特征在于在第(B)步中，选取第(A)步中的一个离散像点，且给该离散像点设置一个附加位相，该附加位 相在0 范围内随机分布；进一步，在第(D)步中，针对第(C)步中所随机抽取的每个相干子光源，计算其离第(B) 步中选取的离散像点的距离和由此引起的位相差，每个相干子光源所需做出的位相调整量 等于该位相差再加上在第(B)步中给该离散像点设置的附加位相。
4.一种实现权利要求1所述的基于准随机相长干涉的三维显示方法的装置，包括 相干光源⑴；将所述相干光源(1)发出的细激光束扩束转换成宽激光束的照明光学系统O)； 振幅位相调节器阵列(3)，其每个振幅位相调节器分别对所述照明光学系统( 发出 的宽激光束进行调节以生成相互独立的子光束阵列；以及相干子光源发生器阵列，其每个相干子光源发生器分别对准所述振幅位相调节器 阵列(3)的一个相应的振幅位相调节器，使得所述相互独立的子光束一一对应地入射到相 干子光源发生器阵列(4)中的每个相干子光源发生器，并汇聚产生位置呈周期分布的相干 子光源阵列。
5.根据权利要求4所述的一种基于准随机相长干涉的三维显示装置，其特征在于所 述的振幅位相调节器阵列(3)由第一、第二、第三透射式液晶板(5、6、7)和第一、第二、第三 偏振片(8、9、10)组成，第一块偏振片(8)、第一块透射式液晶板(5)、第二块透射式液晶板 (6)、第二块偏振片(9)、第三块透射式液晶板(7)和第三块偏振片(10)依次紧贴放置，第 一、第二、第三透射式液晶板(5、6、7)的像素一一对准，第一块透射式液晶板( 和第二块透射式液晶板(6)工作于位相调节为主模式，第三块透射式液晶板(7)工作于振幅调节为 主模式。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于准随机相长干涉的三维显示装置，其特征在于 所述的相干子光源发生器阵列由周期分布的微透镜阵列(15)组成，微透镜阵列(15) 中的每个微透镜分别对准振幅位相调节器阵列(3)中的一个振幅位相调节器，并汇聚产生 位置呈周期分布的相干子光源阵列。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于准随机相长干涉的三维显示装置，其特征在于 所述的相干子光源发生器阵列由三套周期分布的第一、第二、第三微透镜阵列(16、17、 18)组成，每套微透镜阵列分别对准第一、第二、第三透射式液晶板(5、6、7)的红、绿、蓝子 像素(12、13、14)，使得每个微透镜的光轴与所对准的第一、第二、第三透射式液晶板(5、6、 7)的红、绿、蓝子像素(12、13、14)的中心重合。
全文摘要
本发明公开了一种基于准随机相长干涉的三维显示方法及装置，它采用振幅位相调节器阵列产生子光束阵列，并通过与之对准的相干子光源发生器阵列汇聚形成相干子光源阵列，通过位置呈准随机分布的相干子光源的相长干涉形成单一离散立体像，并通过随机设置离散立体像的像素位置和位相，消除次级衍射像。它可采用低分辨率的液晶显示器实现大尺寸、悬浮式立体像的实时彩色显示，可广泛应用于计算机与电视三维显示，三维人机交换，机器人视觉等领域。
文档编号G02F1/21GK102103319SQ20091027328
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者李志扬 申请人:李志扬