一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维显示方法，具体涉及一种基于空间光调制器的全息三维显示 方法及装置，属于计算全息与三维显示领域。
【背景技术】
[0002] 三维显示是现代显示技术发展的重要目标，裸眼三维显示技术以其不需要佩戴任 何助视设备即可获得三维显示效果，并且更符合人们的观察需求，是未来三维显示技术的 发展方向。近年来，裸眼三维显示技术越来越受到研究者们的热爱，目前较为成熟的裸眼三 维显示技术有视差屏障技术和柱透镜阵列技术。从效果上看，无论是从视角、亮度还是串扰 上分析，这两项裸眼技术都尚有许多地方有待优化，比如观看时视角范围窄、图像分辨率 低、串扰大等等一系列难以解决的问题。
[0003] 现阶段，学者们提出了很多种裸眼三维显示的实现方法，大致分为全息方法和体 视方法两类。
[0004] 全息方法是指利用全息记录与再现的原理，将三维物体的全部信息（包括振幅信 息和位相信息）重现出来，实际上是一种三维物体波前重建的方法，能够实现逼真的三维显 示效果，可以提供人眼所需的全部立体感知。例如，1976年10月，苏联首次放映了全息电影， 光源是每秒二十次的红宝石激光，记录软片是70mm的AgfalOE75软片，全息图像被投影到全 息屏幕上，可供四个人同时观看，放映时间为2min，内容是手持鲜花的女孩全身像，她从屏 幕的右方通过屏幕，观众可以摆动头部看到鲜花后面女孩的脸。但是，由于全息电影拍摄的 是运动物体，需要脉冲激光器拍摄，目前的激光器制作水平还很难达到拍摄大场景和拍摄 彩色全息电影的要求，并且通常全息图孔径有限，只有很少的观察者能同时观察到全息像， 使得全息电影的发展受到极大的限制。
[0005] 体视方法是指为人的双眼提供两幅具有位差的图像，映入双眼后即形成立体视觉 所需的视差，经过视神经中枢的融合反射以及视觉心理反应，产生三维立体感觉，主要包括 以下几种方式:基于全息光学、基于几何光学和基于衍射光学元件。
[0006] 1、基于全息光学：利用全息记录与再现的原理，将三维物体的多幅具有视差的二 维图像重现出来，形成不同的视点，产生三维显示效果。例如，2010年Nature杂志报道了美 国Blanche等在光折变聚合物中实现了刷新时间为2s的近实时动态全息显示成果，显示尺 寸为4英寸X4英寸。其显示原理如下:将三维物体若干个视角的二维图片进行预处理得到 的图片依次加载到空间光调制器上形成物光波，在记录介质上与参考光波干涉形成一个全 息单元，称为Hogel。控制记录介质的移动进行下一幅图片的记录，依次进行下去就可以得 到一幅由全息单元组成的全息体视图。读出光再现时会将三维物体若干个视角的图片再现 出来，人眼观察时就会有立体感。引入擦除光后可将之前介质上记录的信息擦除，为下一幅 图像的显示做准备。但是，全息技术一方面受限于海量的运算数据量和缓慢的运算速度等 技术环节的制约，另一方面受到全息记录介质本身材料性能的影响，主要包括材料的响应 速度、刷新速率、衍射效率及制作成本的影响，使得此技术至今不能满足实时、动态的视频 显示需求，限制了其作为主流显示技术的应用。
[0007] 2、基于几何光学:利用几何光学原理设计背光结构，使入射到背光结构的光线，经 过反射、折射后，出射光具有方向性，能够准确地投射到双眼中，同时搭配液晶显示屏(LCD) 上的图像时序刷新技术来实现裸眼三维显示。例如，2005年中国台湾Yu-Mioun Chu提出利 用两个契形结构导光板、两组光源和一个吸收层来制作契形沟槽结构，利用光线在契形沟 槽上的全反射使光线以一定角度出射，并且控制光源的轮流切换与LCD的图像刷新匹配，可 以实现裸眼三维显示。2009年日本John c.Schultz等人利用导光板、3D薄膜（由棱镜和透镜 组成）、吸收层等结构配合刷新速率达到120Hz的液晶显示屏实现高分辨率的裸眼三维显 示。但是，基于几何光学原理设计出的三维显示系统往往结构复杂，其微结构的加工精度与 复杂度要求较高，并且这类结构多数只能实现两个方向的指向性背光，使得观看时的视角 范围受到极大的约束，限制了其应用范围。
[0008] 3、基于衍射光学元件:利用衍射光学原理，设计出衍射导光元件，使入射到元件上 的光线定向导出，同时结合图像的刷新，实现裸眼三维显示。例如，2013年惠普公司提出波 导背光照明下的像素型纳米光栅指向性背光结构，结合液晶显示(LCD)技术可以实现大视 场、全视差、高分辨率的彩色裸眼3D显示，其结果在Nature杂志上发表，引起了业界的广泛 关注。这种新型的结构主要由导光板、准直光源、光源耦合装置、纳米光栅像素等组成。准直 光线通过耦合装置以特定的角度入射到纳米光栅像素表面，通过设计特定的周期、取向角 的纳米光栅，可以精确地调控其出射方向，实现光线的定向导出，并且其方向调制范围大， 调制精度高，对应的3D显示系统视角大、串扰小。而且，结合LCD图像刷新技术，此系统可以 实现动态三维显示的效果。但是，为实现真彩色显示，文章中采用六边形结构导光板实现 红、绿、蓝三色光的定向导出，然而这种六边形导光板与现有的平板显示方式不匹配。并且， 采用电子束曝光的方法制备纳米光栅，其制备效率低、成本高，同样也会限制其在显示方面 的应用。
[0009] 在国内，有关动态全息三维显示的研究尚处于起步阶段，并没有较为成熟的样机 和工程应用。针对这种情况，本发明提出了一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及 装置，旨在实现多视角动态全息裸眼三维显示。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置。基于全 息三维显示的原理，克服现有技术中运算数据量大、空间带宽积不足、计算速度缓慢、难以 实现动态三维显示等缺点，旨在设计出基于空间光调制器的动态全息三维显示装置，实现 动态全息三维显示。
[0011]为实现上述发明目的，本发明实现动态全息三维显示的原理是：通过将计算全息 与双目视差的原理结合，以空间光调制器的全息再现像为三维物体的二维视差图像的载 体，利用基于像素型纳米光栅的定向衍射屏为定向分光元件将若干个二维视差图像分离开 来，形成不同的视点，实现三维立体显示。目前，商用的硅基液晶空间光调制器(IX0S)的刷 新速率达到60Hz或者更高，高于动态视频显示的刷新速率要求(25Hz)。因此，通过计算全息 的方法将对应的视差图像的位相型全息图计算出来，在全息再现系统的空间光调制器中不 断刷新加载已经计算好的位相型全息图，可以分时地得到一系列全息再现像，经过定向衍 射屏定向导光后分离到不同的视点，人的双眼不断地观察到不同的视差图像，产生动态的 三维显示效果。
[0012] 具体地，本发明采用的技术方案是： 一种基于空间光调制器的全息三维显示方法，包括以下步骤： 1) .三维目标物体多视角二维图像的获取与预处理步骤:利用摄像机扫描拍摄或者使 用计算机图形学的方法获得三维物体在一个视角范围内的全视差图像序列，并将此全视差 图像序列作为计算全息图的数据源； 2) .位相型全息图的获取步骤:根据衍射理论编程计算获得三维目标物体多视角二维 图像对应的位相型全息图； 3) .定向衍射屏的设计与制作步骤:根据视点的位置和数目，利用广义光栅方程计算相 应的像素型纳米光栅的周期和沟槽取向，设计像素型纳米光栅的结构分布，利用连续紫外 变空频光刻系统制作基于像素型纳米光栅的定向衍射屏； 4) .全息再现步骤:搭建以空间光调制器为核心器件、基于像素型纳米光栅的定向衍射 屏为定向分光器件的全息再现显示系统，人的双眼在观察平面处接收全息再现的像。
[0013] 上述技术方案中，步骤1)中所述的摄像机扫描拍摄是，使用单个CCD摄像机沿水平 方向和垂直方向运动拍摄目标物;或者，由多个CCD摄像机组成的二维阵列在不同角度拍 摄。
[0014] 步骤1)中，图像预处理变换过程分为两个步骤，水平方向变换与竖直方向变换，在 变换之前，对采样得到的原始图像进行编号，将采样得到的所有二维图像编组为一个二维 图像阵列，维数为IX J，每一幅图像编号为对应水平方向的位置，对应垂