基于空間光調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。由計算機設計三維物體模型并獲取帶有視差信息的系列二維體視數字圖像，通過(guò)計算全息方法對每一幅二維圖像計算得到相應的全息圖，再現時(shí)將左右眼視圖對應的全息圖同時(shí)輸出到兩個(gè)空間光調制器進(jìn)行實(shí)時(shí)光電再現，并使再現像的位置符合人眼雙目觀(guān)察需要，計算機控制不同視角全息圖順序輸出，從而實(shí)現合成全息立體顯示，同時(shí)可觀(guān)察合成全息動(dòng)感，而觀(guān)察者位置不必移動(dòng)，與傳統的合成全息顯示相比操作靈活，易于控制。在實(shí)驗中用液晶背投影光學(xué)引擎系統設計了硬件實(shí)驗系統，設計了相關(guān)的控制軟件，并給出了實(shí)驗結果。

關(guān)鍵詞：計算全息；合成全息；空間光調制器；光電再現；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)域得到了廣泛的應用。合成全息術(shù)是將專(zhuān)門(mén)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(zhù)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)域得到了廣泛的應用，同時(shí)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，合成全息的記錄和顯示以及觀(guān)察合成全息動(dòng)感仍然是通過(guò)空間面積分割來(lái)實(shí)現的。目前高分辨率電尋址液晶空間光調制器的像素尺寸達到了微米量級，已經(jīng)可以直接用于數字全息圖的實(shí)時(shí)光電再現。本文正是基于計算全息技術(shù)和數字全息圖的實(shí)時(shí)光電再現技術(shù)，提出了一種實(shí)現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，再現時(shí)利用兩個(gè)液晶空間光調制器同時(shí)對一對體視圖的兩幅全息圖進(jìn)行實(shí)時(shí)光電再現，同時(shí)使再現像符合人眼雙目視覺(jué)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，代替傳統合成全息中的空間面積分割，從而實(shí)現合成全息的顯示效果，同時(shí)可以方便的觀(guān)察合成全息動(dòng)感。本文分析了計算原理和實(shí)驗系統設計，并給出了實(shí)驗結果。

2 二維視圖對應全息圖的計算原理

根據體視圖原理，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(chǎng)的分布進(jìn)行編碼，得到數字化的全息圖。對二維光場(chǎng)分布，計算全息的記錄原理如圖2所示，設二維物光場(chǎng)分布為f(x。，y。)， Zo滿(mǎn)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。略去常數項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(guò) 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計并得到相應不同視角視圖的數字圖像，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(gè)圖像分別計算得到兩幅全息圖。為實(shí)現合成全息顯示效果，將三維物體不同側面對應體視圖計算并處理得到的系列全息圖按順序存儲。