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激光与光电子学进展
49
,
050002
(
2012
)
犔犪狊犲狉牔犗
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○
C
2012
《中国激光》杂志社
计算全息三维实时显示的研究进展
贾
甲
王涌天
刘
娟
李
昕
谢敬辉
(北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京
100081
)
摘要
计算全息三维实时显示是目前国际光学领域的研究热点之一。综述了计 算 全息三 维 显示技 术 研究的 现 状。
从计算全息三维显示的原理出发,简介了全息图计算的复 杂度、再 现 像 尺 寸 与 视 场 角 等 参 数 的 关 系 以 及 影 响 再 现
图像质量的主要因素
。分析了各种获得高质量、大图像和 宽视 场角 的全 息三 维实 时显 示技 术方 案,指 出 了 其 中 存
在的关键问题,并对全息三维实时显示的未来进行了展望。
关键词
全息术;计算全息;三维实时显示;计算速度;视场角
中图分类号
O438.1
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犔犗犘49.050002
犘狉狅
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犗犆犐犛犮狅犱犲狊
090.1760
;
090.2870
收稿日期:
20111010
;收到修改稿日期:
20111031
;网络出版日期:
20120112
基金项目:国家自然科学基金(
61077007
)、国家
863
计划(
2009AA01Z309
)和 教 育 部 长 江 学 者 和 创 新 团 队 发 展 计 划 项 目
(
IRT0606
)资助课题。
作者简介:贾
甲(
1983-
),男,博士研究生,主要从事计算全息三维显示和光信息处理等方面的研究。
Email
:
j
ia
j
ia0864
@
126.com
导师简介:王涌天(
1957-
),男,教授,博士生导师,主要从事成像和照明光学系 统 设计及
CAD
、图 像处理、虚 拟现实 和 增
强现实技术、三维显示技术等方面的研究。
Email
:
w
y
t
@
bit.edu.cn
1
引
言
三维(
3D
)信息的获取与显示一直 是人 们研 究的 热点。计 算全 息三 维投 影显 示能 够完 整记 录和 重 建三
维物体的波前,提供人眼视觉系统所需全部深度信息,因而是国际上裸视真三维显示技术的研究热点。与光
学全息显示相比,计算全息三维投影显示具有制作简单、效率高、成本低和便于信息的存储和传输等显著优
点,不仅可以显示静态的实物,而且可以显示虚拟动态物体。但是计算全息三维投影显示通常需要借助空间
光调制器(
SLM
)来显示三维图像,因此图像的质量也受目前
SLM
的阵列大小、像素尺寸、填充率、帧频和 衍
射效率等性能参数的限制。
SLM
按照读出光的读出方式不同,分为反射式和透射式;按照输入控制信号的
不同分为光寻址(
OA
)和电寻址(
EA
);按照调制类型分为振幅型和相位型。目前市场上的
SLM
有液晶显示
(
LCD
),数字微镜阵列(
DMD
)和硅基液晶(
LCOS
)。其中
LCOS
是近年来发展非常迅速的一类器件,它采用
有源点阵反射式液晶显示技术,是
LCD
和
CMOS
集成电路的有机结合,和
LCD
相比,
LCOS
具有更高的分
0500021
49
,
050002
激光与光电子学进展
www.o
p
tics
j
ournal.net
辨率、开口率和衍射效率。相位型
SLM
由于具有较高的衍射效率,最近几年得到了广泛的应用。
最早成功实现全息三维投影显示的是美国麻省理工学院媒体实验室空间光学成像实验小组,他们在
1989
年开发了以扫描声光调制器为核心的第一代全息投影显示系统
[
1
]
,其后几年先后开发了第二代和第三代全息
投影显示系统,其中第三代系统可以显示尺寸为
80mm×60mm×80mm
、视场角为
24°
的三维图像
[
2
]
。但是由
于声光调制器是一个一维装置,必须通过扫描镜来获取水平和垂直的图像,在使用时受到了限制。
美国德克萨斯州西南大学医学中心于
2003
年建立了一套利用
DMD
芯片的全息动态投影显示系统
[
3
]
。
将计算全息图加载到
DMD
上,通过数字微反射镜对入射光场的调制,实现变距离的三维投影,生成的实像
利用凝胶媒质接收,虚像则 可用眼 睛 直接观 察。但 由于
DMD
像素数 较 少,重 建图像 的 尺 寸 和 分 辨 率 都 较
低
,制约了其在全息投影显示系统中的应用。
日本千叶大学的
Shimobaba
等
[
4
]
和日本
H
y
o
g
o
大学的
Sato
等
[
5
]
分别于
2003
年和
2006
年利用时分法
实现单片
LCD
的真彩色全息显示。但是这种方法只能再现静态的图像,动态图像的再现则需要具有更高帧
频速率的
LCD
。
2004
年,
Ito
等
[
6
]
应用红绿蓝(
RGB
)三色
LED
光源合成多色光源,同样采用单片
LCD
实现
了三维真彩色全息像显示。
2009
年,他们又使用
RGB
三片
LCD
实现了三维真彩色全息像显示
[
7
]
。这种方
法需要再现的三原色像非常好地重合在一起,需精细校准,对实验要求比较高。
2005
年,波兰和美国的研究人 员利用 相 位型
LCOS
实 现 了 三 维 物 体 的 全 息 投 影 显 示
[
8
]
。 但是受当时
LCOS
的空间分辨率所限,重建的三维图像质量较差。
英国
Qineti
q
公司和剑桥大学高级光子和电子技术中心于
2004
年利用电寻址液晶
SLM
和光寻址的双稳
态液晶
SLM
研制了一台视频显示的数字全息投影显示系统
[
9
,
10
]
,全息图衍射窗孔的面积达
136mm×34mm
,
像素数超过
100 M
,以
30Hz
帧速刷新,可以视频方式显示宽度大于
300mm
的全视差三维彩色图像。但是该
系统比较复杂且造价高昂。
国内多所高校及科研单位也相继开展了全息显示方面的工作,取得了一 定的 进展。北 京理 工大 学在 三
维物体建模、数字全息图设计计算、应用纯相位调制
LCOS
投影显示
[
11
]
、消除零级衍射
[
12
]
、解决全息 三维 显
示体视遮挡
[
13
]
、增大图像尺寸
[
14
]
、实现复振幅调制和快速算法等方面进行了深入细 致的 研究 并取 得了 初步
成果。安徽大学开发了一套以
DMD
为核心的数字 全息 光学 再现 装置,计 算生 成的 全息 图加 载至
DMD
,在
激光照射下产生原物的全息像
[
15
]
。浙江师范大学在彩色全息显示、三维场景消隐等算法上取得了一定的进
展
[
16
,
17
]
。中山大学实现了 基 于 三 维 实 景 的 三 角 形 面 片 导 向 型 全 息 编 码 算 法
[
18
]
。 上 海 大 学 的 课 题 组 利 用
RGB
序列相息图对真彩色显示问题进行了研究
[
19
]
。
计算全息三维显示发展至今,尽管在各方面取得了进展,但有两个问题始终制约着它的进一步发展:一
个是全息图的计算速度达不到实时显示的要求;另一个是受目前市场光电显示器件的限制,无法获得大尺寸
和大视场角的三维图像。为了解决这些问题,科学家们仍在不懈努力。已提出了各种方案,但目前尚未见到
关于这些技术方案的归纳整理和总结的文献报道。
本文从计算全息三维显示的原理出发,分析了全息图计算过程的复杂度、再现像尺寸与视场角的关系以
及影响因素,重点阐述了提高计算全息三维显示图像性能的技术方法,并对这些技术存在的问题进行了分析
和讨论。通过对这些技术方法进行总结,展望了进一步研究的未来趋势。
2
计算全息三维显示原理
计算全息三维显示技术是全息术与计算机显示技术的有机结合。通过计算机模拟计算出三维物体在全
息面上的复振幅分布,然后将振幅或者相位加载到
SLM
上,由再现光重建出三维物体的波前。点源法是一
种简单灵活的计算复振幅的方法,也是目前使用最多的方法之一。
点源法基于一个基本假设,即认为被记录的物体是理想的漫散射体,三维物体被看作是由
狀
个点光源组
成,每个点光源发出的漫射光均匀地照射在整个全息面上。
设被记录三维物体与全息图的空间坐标分别为
犡犗犢
和
犡′犗′犢′
,每个点源的坐标为(
狓
犼
,
狔
犼
,
狕
犼
),如图
1
所示。全息图上的复振幅分布可表示为
0500022
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