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(jì)算全息技術(shù)的合成全息顯示新方法。由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)算全息方法對(duì)每一幅二維圖像計(jì)算得到相應(yīng)的全息圖，再現(xiàn)時(shí)將左右眼視圖對(duì)應(yīng)的全息圖同時(shí)輸出到兩個(gè)空間光調(diào)制器進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)控制不同視角全息圖順序輸出，從而實(shí)現(xiàn)合成全息立體顯示，同時(shí)可觀察合成全息動(dòng)感，而觀察者位置不必移動(dòng)，與傳統(tǒng)的合成全息顯示相比操作靈活，易于控制。在實(shí)驗(yàn)中用液晶背投影光學(xué)引擎系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的控制軟件，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：計(jì)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(jì)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(chǎng)景和人物肖像等方面有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì) 。計(jì)算全息術(shù)將全息原理與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)圖形處理能力和計(jì)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(shí)也對(duì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(dòng)感仍然是通過空間面積分割來實(shí)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(dá)到了微米量級(jí)，已經(jīng)可以直接用于數(shù)字全息圖的實(shí)時(shí)光電再現(xiàn)。本文正是基于計(jì)算全息技術(shù)和數(shù)字全息圖的實(shí)時(shí)光電再現(xiàn)技術(shù)，提出了一種實(shí)現(xiàn)合成全息顯示的新方法，由計(jì)算機(jī)制作三維物體模型并得到體視圖陣列，計(jì)算每一視角二維體視圖的全息圖，再現(xiàn)時(shí)利用兩個(gè)液晶空間光調(diào)制器同時(shí)對(duì)一對(duì)體視圖的兩幅全息圖進(jìn)行實(shí)時(shí)光電再現(xiàn)，同時(shí)使再現(xiàn)像符合人眼雙目視覺需要以達(dá)到立體顯示效果，計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)合成全息的顯示效果，同時(shí)可以方便的觀察合成全息動(dòng)感。本文分析了計(jì)算原理和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 二維視圖對(duì)應(yīng)全息圖的計(jì)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(duì)體視對(duì)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(jì)算得 a=5．9度。計(jì)算全息術(shù)根據(jù)光學(xué)全息的原理，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算得到物光波在全息平面上的分布，并對(duì)光場(chǎng)的分布進(jìn)行編碼，得到數(shù)字化的全息圖。對(duì)二維光場(chǎng)分布，計(jì)算全息的記錄原理如圖2所示，設(shè)二維物光場(chǎng)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(xiàng)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(jì)算全息中物光波是離散化的，三維物體由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算全息圖。對(duì)體視對(duì)中的兩個(gè)圖像分別計(jì)算得到兩幅全息圖。為實(shí)現(xiàn)合成全息顯示效果，將三維物體不同側(cè)面對(duì)應(yīng)體視圖計(jì)算并處理得到的系列全息圖按順序存儲(chǔ)。