基于空間光調(diào)制器的合成全息顯示技術(shù)研究

摘要：提出了一種基于液晶空間光調(diào)制器和計算全息技術(shù)的合成全息顯示新方法。由計算機設(shè)計三維物體模型并獲取帶有視差信息的系列二維體視數(shù)字圖像，通過計算全息方法對每一幅二維圖像計算得到相應(yīng)的全息圖，再現(xiàn)時將左右眼視圖對應(yīng)的全息圖同時輸出到兩個空間光調(diào)制器進行實時光電再現(xiàn)，并使再現(xiàn)像的位置符合人眼雙目觀察需要，計算機控制不同視角全息圖順序輸出，從而實現(xiàn)合成全息立體顯示，同時可觀察合成全息動感，而觀察者位置不必移動，與傳統(tǒng)的合成全息顯示相比操作靈活，易于控制。在實驗中用液晶背投影光學(xué)引擎系統(tǒng)設(shè)計了硬件實驗系統(tǒng)，設(shè)計了相關(guān)的控制軟件，并給出了實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：計算全息；合成全息；空間光調(diào)制器；光電再現(xiàn)；光學(xué)引擎

1 引 言

Gabor于1948年提出的全息技術(shù) ，能夠記錄和再現(xiàn)三維物體，已經(jīng)在光學(xué)計量、微光學(xué)、立體顯示等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。合成全息術(shù)是將專門制作的一組帶有視差信息的二維圖片，綜合成為能顯示三維圖像的全息術(shù)，尤其在記錄室外大場景和人物肖像等方面有著自己獨特的優(yōu)勢 。計算全息術(shù)將全息原理與計算機技術(shù)相結(jié)合，使全息圖的制作更加靈活方便 J，合成全息圖同樣可以利用計算機圖形處理能力和計算全息技術(shù)制作得到。高分辨率電尋址的液晶空間光調(diào)制器目前已經(jīng)商用化，并在光學(xué)信息處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時也對合成全息技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持，利用其與計算機的良好接口，作為二維圖片發(fā)生器參與合成全息圖的拍攝，極大地提高了合成全息圖拍攝的靈活性和可靠性。但計算機輔助的只在拍攝環(huán)節(jié)，合成全息的記錄和顯示以及觀察合成全息動感仍然是通過空間面積分割來實現(xiàn)的。目前高分辨率電尋址液晶空間光調(diào)制器的像素尺寸達到了微米量級，已經(jīng)可以直接用于數(shù)字全息圖的實時光電再現(xiàn)。本文正是基于計算全息技術(shù)和數(shù)字全息圖的實時光電再現(xiàn)技術(shù)，提出了一種實現(xiàn)合成全息顯示的新方法，由計算機制作三維物體模型并得到體視圖陣列，計算每一視角二維體視圖的全息圖，再現(xiàn)時利用兩個液晶空間光調(diào)制器同時對一對體視圖的兩幅全息圖進行實時光電再現(xiàn)，同時使再現(xiàn)像符合人眼雙目視覺需要以達到立體顯示效果，計算機控制全息圖陣列按一定頻率輸出，代替?zhèn)鹘y(tǒng)合成全息中的空間面積分割，從而實現(xiàn)合成全息的顯示效果，同時可以方便的觀察合成全息動感。本文分析了計算原理和實驗系統(tǒng)設(shè)計，并給出了實驗結(jié)果。

2 二維視圖對應(yīng)全息圖的計算原理

根據(jù)體視圖原理，如圖1所示，選取合適的角度攝取一對體視對圖片，并有 a=arctan(B／2l)，B為人眼一般瞳距62mm，l取明視距離300mm，則可計算得 a=5．9度。計算全息術(shù)根據(jù)光學(xué)全息的原理，利用計算機計算得到物光波在全息平面上的分布，并對光場的分布進行編碼，得到數(shù)字化的全息圖。對二維光場分布，計算全息的記錄原理如圖2所示，設(shè)二維物光場分布為f(x。，y。)， Zo滿足菲涅耳衍射條件，則全息面 xh一yh 上的物光波分布為 ：

式中:

Zo是物平面到全息面的距離，為常數(shù)。略去常數(shù)項exp(jkz。)／jAZo后，式(1)可以表示成：

式中:

則全息面上的物光分布可以通過 f(X。，Y。)P( X。，Y。)的傅里葉變換得到，變換頻率 在計算全息中物光波是離散化的，三維物體由計算機設(shè)計并得到相應(yīng)不同視角視圖的數(shù)字圖像，因而可用快速傅里葉變換(FFTr)計算菲涅耳衍射。用博奇編碼法制作得到1024×768像素的離軸菲涅耳計算全息圖。對體視對中的兩個圖像分別計算得到兩幅全息圖。為實現(xiàn)合成全息顯示效果，將三維物體不同側(cè)面對應(yīng)體視圖計算并處理得到的系列全息圖按順序存儲。