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数字全息三维立体显示关键技术研究 摘要 真实地再现三维( 3 d ) 物场是成像技术的重要发展趋势，而全息显示的特点正是能够 在空间再现具有真实立体感的3 d 影像。近年来，基于空间光调制器的数字全息3 d 立体 显示技术的研究逐渐受到重视。本文在对该技术目前的研究现状和存在的问题进行分析 的基础上，开展了相关的研究工作，主要内容涵盖计算全息理论与算法研究、真彩色3 d 物体的全息计算方法、器件的特性分析、系统构建及实验研究。 在对典型的编码方式的再现效果进行综合分析的基础上，突出了相息图编码方式因 其具有高衍射效率且再现时无共轭像的特点，而在数字全息显示中的重要地位。将“混合 遗传一模拟退火”算法( g a s a ) 的思想引入到位相全息图的优化设计中，并对典型的全息 图优化算法( 包括g a - s a 算法) 的优缺点进行了分析和归纳。对优化算法的进一步研究具 有指导意义。 为了获得良好的3 d 再现效果，本研究在对典型的3 d 物体全息图计算方法的原理和 和特点进行分析的基础上，提出了一种新的3 d 物体全息图计算方法 动态随机位相 层析法”。利用该方法计算3 d 物体的相息图，能够有效地抑制3 d 再现像的噪声，且具 有衍射效率高、无零级斑和共轭像的特点。并采用峰值信噪比( p s n r ) 和互相关系数( c c ) 对算法的噪声抑制效果进行评价，验证了该方法的有效性。为了实现真彩色3 d 物体的全 息显示，本研究提出了两种计算r g b 真彩色相息图的方案一等距方案”和“等像素总 量方案”。在此基础上，结合动态随机位相层析法，实现了真彩色3 d 物体多视角相息图 的计算和数值再现，并对两种计算方案的各自特点进行了对比分析。 在利用空间光调制器( s l m ) 对位相型全息图进行再现时，为了使位相型全息图获得良 好的再现效果，要求s l m 具备纯位相( 或接近纯位相) 的调制能力。本研究对数字微反射 器件( d m d ) p a 及l c r 2 5 0 0 ( l c o s s l m ) 的振幅和位相调制特性进行了测试和比较分析， 表明l c o s s l m 在适当的器件配置和参数设置时能够实现纯位相调制，有利于位相型全 息图的正确再现。在此基础上，分析了r g b 各分量的调制特性曲线对多阶位相型傅立叶 变换相息图再现效果的影响，并提出了“灰度映射法”对位相型全息图进行矫正，以改善 相息图的再现效果，并通过数值再现验证了该方法的有效性，为进一步改善相息图光电 再现效果提供了新思路。从理论上分析了l c o s s l m 的像素开口率和像素间距对衍射场 分布的影响，并探讨了改善再现像强度的均匀性、增大再现像的尺度以及提高光能利用 效率的途径。 一v 一 上海大学博士学位论文 针对利用l c o s s l m 对位相型全息图进行光电再现时，栅格效应导致单一再现像的 能量利用效率较低的问题，本研究提出了在位相型全息图中加载特定周期和特定槽向的 “数字闪耀光栅”的方法，提高了再现像的强度和光能利用效率。从理论上分析了光电再 现时，实际再现距离和再现像的尺寸与全息图记录( 或计算) 时的真实值存在偏差的影响因 素，为数字全息光电再现系统的设计提供了理论依据。对采用本研究提出的动态随机位 相法计算的相息图进行光电再现，结果表明：该方法能够对光电再现像的噪声进行有效 地抑制。分析了在对r g b 真彩色3 d 物体进行全息光电再现时，各分量相息图再现像存 在空间位置偏差( 即色差) 的影响因素，提出了在相息图中加载特定周期和槽向的数字闪耀 光栅以及特定焦距的数字菲涅耳透镜的方法，对r g b 各分量再现像的空间位置偏差进行 矫正，并进行了实验验证。 关键词：数字全息，计算全息，光电再现，三维真彩色立体显示，空间光调制器 数字全息三维立体显示关键技术研究 a b s t r a c t t h ei m p o r t a n tt r e n do fd i s p l a yt e c h n o l o g i e si st od i s p l a yr e a l e x i s t i n gt h r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) i m a g e s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sa r en o wp a i do n3 de l e c t r o h o l o g r a p h i cd i s p l a y ( 3 d - e h d ) b e c a u s eo fi t sc a p a b i l i t yo fr e c o n s t r u c t i n gr e a l e x i s t i n g 3 di m a g e s s o m e r e s e a r c h i n gw o r k sa s s o c i a t e dw i t h3 d e h da r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h e o r i e sa n d m e t h o d so fc o m p u t e rh o l o g r a p h y , a l g o r i t h m sf o rc a l c u l a t i n gc o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a m ( c g h ) o f t r u e c o l o r3 do b j e c t ，c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so ft h es p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ( s l m ) ， e s t a b l i s h m e n to f3 d - e h ds y s t e ma n de x p e r i m e n tf o rd i s p l a y i n gt r u e - c o l o r3 di m a g e s t i l e y a r ed e s c r i b e di nd e t a i la sf o l l o w s ： b a s i ct h e o r i e sa n dt y p i c a lm e t h o d so fc o m p u t e r h o l o g r a p h y a l ed e s c r i b e d ，a n d c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i si sc a r r i e do u tf o rs o m et y p i c a lc o d i n gm e t h o d si nc o m p u t e r h o l o g r a p h y a n a l y t i c a lr e s u l ts h o w st h a t ，k i n o f o r mi s a l l i m p o r t a n tc o d i n gm e t h o di n e l e c t r o - h o l o g r a p h i cd i s p l a yf o ri t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y , w i t h o u t t w i ni m a g ei ni m a g e p l a n e g e n e t i cs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ( g a s a ) i si n t r o d u c e d t oc g h c a l c u l a t i o n t y p i c a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sf o rc g h c a l c u l a t i o na r ec o m p a r e db y c o n s i d e r i n gc o n v e r g e n c e ，e f f i c i e n c ya n da d a p t a b i l i t y t y p i c a la l g o r i t h m sf o rc a l c u l a t i n gt h ec g h o f3 do b j e c ta r ei n t r o d u c e d an o v e la l g o r i t h m i s p r o p o s e d a n dn a m e da s d y n a m i c - p s e u d o r a n d o m - p h a s et o m o g r a p h i cc o m p u t e r h o l o g r a p h yp p p - t c h ) ，i no r d e rt or e d u c es p e c k l en o i s e ，i m p r o v ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y a n de l i m i n a t et w i ni m a g e t h eq u a l i t i e so fd i g i t a lr e c o n s t r u c t e di m a g e sa r ee v a l u a t e dw i t h p e a ks i g n a l - n o i s er a t i o ( p s n r ) a n dc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ( c c ) 。t w os t r a t e g i e s ，n a m e da s e q u i d i s t a n ts t r a t e g y a n d “p i x e ln u m b e re q u a l i z e ds t r a t e g y ，a r ep r o p o s e df o r c a l c u l a t i n gc g h so ft r u e - c o l o ro b j e c t a n dm e i rc h a r a c t e r i s t i c s a r ea l s o a n a l y z e d m u l t i - a n g l ek i n o f o r m so ft h et r u e c o l o r3 do b j e c t sa r ec a l c u l a t e da n dd i g l t a lr e c o n s t r u c t e d r g bt r u e - c o l o r3 di m a g e sa r eo b t a i n e db yu s eo fd p p - t c ha n dt h ec a l c u l a t i o ns t r a t e g i e s p h a s e o n l y o ra p p r o x i m a t e l y p h a s e - o n l ym o d u l a t i o n i sn e e d e dt or e a l i z ec o r r e c t r e c o n s t r u c t i o no fp h a s eh o l o g r a m t h ea m p l i t u d ea n dp h a s em o d u l a t i o np r o p e r t i e so f d i 百t a lm i c r o - m i r r o rd e v i c e ( d m d ) a n dl c - r 2 5 0 0 ( l c o s s l m ) a r em e a s u r e d a n a l y t i c a l r e s u l t ss h o wt h a t , l c r 2 5 0 0c a l lr e a l i z ep h a s e o n l ym o d u l a t i o nu n d e rs p e c i a ls y s t e m c o n f i g u r a t i o n sa n ds e t t i n g s ，a n di tc a nb eu s e df o rp h a s eh o l o g r a mr e c o n s t r u c t i o n t h e m o d u l a t i o ng u l v e $ o fl c o s s u a r em e a s u r e du n d e rd i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，s u c ha sd i f f e r e n t w a v e l e n g t h su s e df o rr g b t r u e c o l o rh o l o g r a p h i cd i s p l a y , d i f f e r e n ti n c i d e n ta n g l e sa n d v 一 上海大学博士学位论文 p o l a r i z i n ga n g l e so fl a s e rb e a m s p h a s e - o n l ym o d u l a t i o n ( p o m ) m o d ei st h e nr e a l i z e di n o r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fp h a s eh o l o g r a mr e c o n s t r u c t i o n t h ee f f e c t so fp h a s e m o d u l a t i o nc u r v e so nt h er e c o n s t r u c t e di m a g e sa r ea l s oa n a l y z e du n d e rp o mm o d e g r a y l e v e lm a p p i n g ( g l p ) i sp r o p o s e dt oa d j u s tt h eg r a yl e v e lo fe a c hp i x e li np ：h a s eh o l o g r a m s ， a n dt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee r r o rb e t w e e nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t a r ea n a l y z e d ，w h i c hc a l lg u i d ef u r t h e ro p t i m i z a t i o no fo p t o e l e c t r o n i cr e c o n s t r u c t i o nf o r p h a s eh o l o g r a m s t h ee f f e c t so fa p e r t u r er a t i oa n dp i x e lp i t c ho nt h ed i f f r a c t i o np a t t e r na r e a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , a n da p p r o a c h e sa led i s c u s s e df o ri m p r o v i n gt h ei n t e n s i t yu n i f o r m i t y o fi m a g e ，e n l a r g i n gt h es i z eo fi m a g ea n di m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fl i g h tp o w e r an o v e lm e t h o di sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ei n t e n s i t yo fr e c o n s t r u c t e di m a g eb ys u p e r p o s i n g d i g i t a lb l a z e dg r a t i n g ( d b g ) w i t hp h a s eh o l o g r a mi no p t o e l e c t r o n i cr e c o n s t r u c t i o ns y s t e m b a s e do nl c o s - s l m t h ee f f e c t so fs u p e r p o s i n gd b gw i t hd i f f e r e n tg r a t i n gp e r i o d sa n d o r i e n t a t i o n so nt h ep o s i t i o na n di n t e n s i t yo fr e c o n s t r u c t e di m a g ea r ea l s oa n a l y z e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa l s o v e r i f yt h a t ，b y t h e p r o p o s e dm e t h o d ，t h ei n t e n s i t y o f r e c o n s t r u c t e di m a g ei si n c r e a s e da n dt h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fl i g h tp o w e ri si m p r o v e d t h e o r e t i c a la n a l y s i si sc a r r i e do u tf o rt h ed i f f e r e n c e so fp o s i t i o na n ds i z eb e t w e e n o p t o e l e c t r o n i cr e c o n s t r u c t i o na n dd i g i t a lr e c o n s t r u c t i o n , w h i c hc a r tg u i d et h ed e s i g no f o p t o e l e c t r o n i cd i s p l a ys y s t e m 。e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tf o rt r u e - c o l o r3 dh o l o g r a p h i c d i s p l a yw i t ht h es y s t e ma n dk i n o f o r m sc a l c u l a t e db yd p p - t c h t h er e s u l t sa l s os h o wt h a t t h es p e c k l en o i s eo f r e c o n s t r u c t e di m a g e sc a nb er e d u c e ds i g n i f i c a n t l yb yu s eo f d p p - t c h f a c t o r si n f l u e n c i n gt h ep o s i t i o nd e v i a t i o n so ft h er e c o n s t r u c t e dr g bs e c t i o ni m a g e sa l e a n a l y z e d an o v e lm e t h o di sp r o p o s e dt oc o r r e c tt h ed e v i a t i o n sb ys u p e r p o s i n gd b g w i m p r o p e rg r a t i n gp e r i o da n do r i e n t a t i o n ，a n dd i g i t a lf r e s n e ll e n s ( d f l ) w i t hp r o p e rf o c a l l e n g t hi nt h ek i n o f o r m s t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o di sd e s c r i b e d ，a n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sv e r i f yt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sf e a s i b l e k e y w o r d s ：d i g i t a lh o l o g r a p h y , c o m p u t e r h o l o g r a p h y , o p t o e l e c t r o n i cr e c o n s t r u c t i o n , t h r e e d i m e n s i o n a lt r u e - c o l o rd i s p l a y , s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ( s l m ) 一一 上海大学博士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表或撰写过的研 究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：主叛丝日期：之哩：至：望 数字全息三维立体显示关键技术研究 第一章绪论 1 1 全息术的发展概况 1 1 1 全息术的发展历史 早在1 9 4 8 年，为了提高电子显微镜的分辨本领，英籍匈牙利物理学家d g a b o r t i 】提 出了全息原理，并开始了全息照相的研究工作。但由于汞灯光源的相干性较差，使全息 图的质量受到很大的影响。这方面的工作直到1 9 6 0 年激光发明后才有突破性的进展 2 1 。 根据全息学的基本原理，全息技术可分为记录和再现两个相对独立的环节( 图1 1 所 示为一般光学全息的记录和再现过程示意图) 。 图1 - 1 光学全息的记录过程( a ) 和再现过程c o ) 从发展过程来看，全息技术基本上可分为四代【3 】。第一代全息技术采用汞灯作为光 源进行同轴记录，创始人即物理学家d g a b o r 。第二代全息技术采用激光作为记录和再 现光源，并产生了离轴全息技术。1 9 6 3 年，美国科学家e n l e i t h 和j u p a t n i e k s 首次提 出了离轴全息【4 】。第三代则是激光记录、白光再现的全息技术。2 0 世纪6 0 年代末以来， 全息技术的研究和应用取得了较快的发展，反射全息、像全息、彩虹全息及合成全息等 技术不断出现。1 9 6 9 年，s a b e n t o n 提出7 - - 步彩虹全息【5 】。1 9 7 8 年，美籍华人杨振寰 教授等【6 】在此基础上提出了一步彩虹全息。第四代，用白光记录和白光再现全息图，这 是全息技术发展的终极目标，但目前还无法实现。 在记录材料方面，由于传统光学全息采用卤化银、重铬酸盐明胶和光致抗蚀剂等制 成感光胶片来记录全息图，需要进行后续的显影、定影、烘干等处理，显得烦琐而费时。 近些年来，全息记录材料的研究取得了一些重要的进展，避免了传统全息记录中复杂的 后处理，使全息技术在实际应用中取得了重要突破。例如光导热塑料【7 1 、光致聚合物【8 1 、 多量子阱材料【9 1 和光折变晶体 1 0 , 1 1 】等，这些材料不仅能省去繁琐的化学处理，而且存储信 息的容量和衍射效率都比较高。特别是光导热塑料和光折变晶体还具有可重复擦除和记 录等优点【1 2 ”1 ，因而在信息存储和检测领域具有广阔的应用前景。 一1 一 上海大学博士学位论文 不论采用感光胶片或新型光敏介质( 如光导热塑料、光致聚合物、多量子阱材料、光 折变晶体等) 记录全息图，都需要通过光波衍射的方式再现所记录的波前，并用肉眼直接 观察再现结果，或通过记录再现像的强度分布进行间接观察。因而难以对记录对象进行 精确的定量分析，从而限制了全息技术的实际应用。 2 0 世纪6 0 年代末，j w g o o d m a n 等【1 6 】提出了一种新兴的全息技术数字全息技 术，其最初的定义是指用光敏电子元件( 如c c d ) 代替普通照相记录介质，并通过数字计 算方式再现的全息技术。但是，由于受当时计算机技术和数字记录元件发展水平的制约， 数字全息技术的研究曾一度陷入低谷。 后来，由于通过计算机可实现全息图的计算，以及数字化的全息图可通过光电子器 件进行光电再现，数字全息的范畴被拓展到计算全息和全息光电再现领域，形成了广义 上的数字全息，即通过各种数字化元器件( 设备) 获得数字全息图并通过数字化元器件( 设 备) 进行再现的全息技术。 近2 0 年来，由于计算机技术、光敏电子元器件以及空间光调制器件等相关软硬件技 术的迅速发展，全息技术( 尤其是数字全息技术) 的研究又开始活跃起来【1 7 - 1 9 1 ，取得了新的 进展。不同类型的全息技术相继出现【2 0 】，其分类方法也较多，比如：按照全息图记录介 质的不同，大致可分为：感光材料记录( 感光胶片、光敏材料等) 和数字光敏器件( c c d 等) 记录；按照全息图记录介质的厚度不同，可分为：平面全息和体积全息；按照参考光与 物光的夹角不同，可分为：同轴全息和离轴全息两种；按照全息图记录距离的不同，可 分为：菲涅耳全息、傅里叶变换全息、像面全息；按照是否需要实际的记录对象，可分 为：光学记录全息和计算全息；按照全息图的再现的方式不同，又可分为：纯光学再现、 光电再现和数值再现；等等。 1 1 2 数字全息概述 在光学全息记录装置上用c c d 代替感光胶片，从而方便、快捷地记录全息图是数字 全息技术的显著特征。另外，数字全息图也可在计算机中通过模拟光学记录过程而获得。 全息图的数值再现是在计算机中模拟传统全息图的衍射重现的过程，计算得到再现 像面的物波分布。与传统的光学全息术相比，对全息图进行数值再现的优点主要表现在： 可消除像差、噪声及记录过程中底片非线性等因素的影响；数值再现的过程便于进 行定量分析；有利于快速动态测试。因而，用数字方式记录并再现全息图为全息术开 辟了广阔的发展空剐1 8 ，2 1 2 2 】，相关应用领域的研究备受关注。1 9 9 4 年，w ：j f i p t n e r 及其研 究组首先将数字全息技术应用于3 d 物体离轴记录和再现【2 3 , 2 4 1 ，从此数字全息技术及其应 一2 一 数字全息三维立体显示关键技术研究 用得到了很大的发展，各种技术和方法不断出现，如数字剪切全息术【2 5 1 、数字相移全息 术【2 6 。2 8 】、数字显微全息术和数字干涉全息术【3 0 。3 3 】等。主要应用领域包括：3 d 物体显示 3 4 】、3 d 物体表面轮廓重构 3 5 3 6 1 、3 d 物体识别3 7 - 3 9 1 、粒子场测试 4 0 - 4 2 】、流场测定 4 3 1 、变 形测量m 4 5 1 、振动测量 4 6 4 7 1 ，等等。 然而，数字全息图再现像的质量受多方面因素的影响，比如前端的记录方法和装置 的硬件等问题致使记录的全息图质量往往不够理想，进而影响再现像的质量。再者，对 全息图进行不同处理和采用不同的再现方法，也会影响再现像的质量。针对这些问题， 前人做了许多研究工作，提出了一些可行的方法。 ( 1 ) 数字全息再现中零级斑及共轭像的消除方法 数字全息中零级斑和共轭像的存在使得再现像的质量受到较大的影响。消除零级斑 和共轭像的途径大致有频域滤波和空域滤波两种。典型的方法有：在数字全息记录过 程中引入相移技术2 6 2 8 】；根据离轴全息中再现像的频谱分离条件，在频域中滤除零级 斑和共轭像的频谱成分【4 8 】；采用图像处理的方法在空域中对c c d 所记录的离轴数字 全息图进行拉普拉斯运算和卷积处理 4 9 , 5 0 】；在同轴全息中，采用模拟位相恢复算法【5 1 1 、 数字高通滤波法【5 2 1 、双强度记录法网或者利用光学设备进行滤波处理【5 4 1 ，等等。 ( 2 ) 数字全息记录系统分辨率的改善方法 数字全息记录系统的空间分辨率与c c d 的像素数、像素尺寸、记录距离及记录波长 均有关。但数字记录所采用的记录元件( c c d ) 的横向分辨率约只有1 0 0l p m m ( “i p ”表示“线 对”) ，与传统全息记录胶片所能达到的5 0 0 0l p m m 的分辨率相比，两者之间存在很大的 差距 5 5 5 7 1 ，这使得数字全息所能记录的对象及记录距离受到较大的限制。 为了在现有硬件条件下改善数字全息记录系统的分辨率，大致有五种途径：采用 同轴记录方式【2 6 , 5 3 】；在保证再现像分离的前提下，缩短物体和c c d 之间的距离( 即增 大记录系统的数值孔径) ；采用无透镜傅里叶变换全息术【5 8 ，5 9 】；通过移动c c d 或采 用多c c d 记录的方式提高再现像的分辨率6 0 科】；利用空间角分复用技术【6 5 , 6 6 】。 总而言之，在目前c c d 硬件条件下，为了改善数字全息再现像的质量，一方面应尽 可能充分利用c c d 的分辨率，另一方面，设计合理的全息图记录和再现方法尤为重要。 1 2 三维立体显示技术的发展概况 现实世界是3 d 立体世界，它为人的双眼提供了两幅具有视差的图像，映入双眼后即 形成立体视觉所需的视差，并经过视神经中枢的融合反射以及视觉心理反应，便产生了 l ：海大学博t 论女 3 d 立体感觉。根据这个原理，目前的立体显示技术可分为两种：一种是利用人眼的双目 视差效应产生立体感，如基f 取目视差的3 d 立体显示技术( s t e r e o s c o p i c a u t o s t e r e o s c o p i c d i s p l a y ) 以及体积显示技术( v o l u m e t r i cd i s p l a y ) ；另一种则是在空问显示真实的立体影像， 如基于全息技术的3 d 立体显示技术( h o l o 可a p h l cd i s p l a y ) 。下面对典型的3 d 立体显示技 术进行简要概述。 1 2 1 基于双目视差的三维立体显示技术 ( 1 ) 头盔立体显示器 头盔立体显示器( h m d ) 是目前3 d 立体显示技术中起源最早的一种。其基本原理是： 在每只眼睛前面分别放置一个显示屏( 如图l - 2 所示) ，分别同时显示包含视差的两幅二维 f 2 d ) 图像，从而产生立体感。h m d 的种类很多，根据不同的需要，可分为单目、双目， 全投入式、半投八式等类型。，3 。泛用于军事、c a d c a m 、工业生产、模拟和训练、3 d 责体显示与电子游戏、显微技术和医疗等领域。然而，佩戴h m d 观察的缺点是：一方 面会减少观看立体影像时的娱乐性、舒适性和自然性，人眼近距离聚焦容易感到疲劳： 另一方面，h m d 屏幕成像小，使视野受到一定程度的影响。 f 2 13 d 立体眼镜 采用3 d 立伴眼镜与普通显示器结合，可获得3 d 视觉效果。基本原理是：观察者戴 上3 d 立体眼镜观察，使双跟获得具有视差的两幅图像，从而获得立体感觉。根据原 理可分为三类：基于不同的波长( 例如颜色) ；基于电子开关( 例如快门系统) ； 基 于偏振原理( 如图i 3 所示) 。通过3 d 立体眼镜获得立体视觉的特点主要有：一是成本低， 立体显示效果好，容易实现：二是可与现有的2 d 电视系统兼容，适用于基于平面显示屏 的立体显示；三是可广泛用于游戏、虚拟现实等领域，尤其是用于电视显示系统。 图1 2 头盔立体显示器 幽1 - 3 偏振光显示系统 3 d 立体眼镜的缺点是：由于需要佩戴特殊的眼镜，会减少观看立体影像时的娱乐 性、舒适性和自然性：3 d 立体眼镜的沉浸感不如h m d ；基于波长的方法使得观察 者难以看见彩色的图像：应用快门系统则要求显示器具有很高的刷新频率，否则容易 产生闪烁感。 4 一 ，e 息= 维t 体娃示关键技术研究 ( 3 ) 多视图显示器与头部跟踪显示器 多视图立体显示器的结构示意图如图i - 4 所示，其原理是【6 s ：从多角度获取被观察 物体的2 d 图像，并在3 d 立体显示器的各个视窗输出相应的图像，从而使观察者在特定 位置观察到具有视差的左右两幅图像而获得立体视觉感受。 多视图头部跟踪显示器的结构如图1 - 5 所示，其基本原理是：立体摄像仪跟踪头部 运动，并将信息反馈给4 1 算单元，经过计算处理得到人眼的位置和此时应浚看见的图像， 将图像信息传递给显示单元显示相应的图像，将位置信息传递给控制单元控制透镜组的 运动使图像偏振到相应的位置，从而使左眼和右跟能够持续看见相应的图像1 6 8 , 6 9 】。 圈1 4 多视圈立体显示器幽1 - 5 多视图头部跟踪立体屁示器 多视图头部跟踪显示器主要是针对单个观察者，只显示两幅具有视差的图像，并通 过跟踪观察者的头部运动或和眼睛观察的方向使每只眼睛始终看见正确的视图。但其缺 点是：不适合多人观察；且对人眼的足艮踪算法复杂，如粜跟踪失败，则容易导致观察者 产生错觉。 相比之下，多视图显示器的特点是观察者t 叮以自由地在观察区域中移动头部，仍可 感觉到3 d 效果，而且支持多个观察者同时观察，小需要头部跟踪以及井日关的复杂的技术。 但多视图显示的不足之处在于是：建立多视图显示系统比较困难：同时产生所有的视图， 可能使观察者看见错误的图像，且偏离理想的观测距离越远，这种可能性越大。 ( 4 1 透镜阵列3 d 立体显示器 透镜阵列3 d 立体显示器是近年来国内外3 d 立体显示领域的研究热点之一。其原理 ( 如图l 6 所示) 同样是利用两眼获取两幅具有视差的图像产生立体感。但和头箍显示器和 立体眼镜不同的是：观察者的双眼只要处于显示器前的特定观察窗内，而不需要佩戴任 何观察仪器，即可观看到具有3 d 立体感的影像。 实现方法是，将投影到左右眼的两幅图片( 左、右图像) 根据液品面板的像素大小分割 成相等数量的子图像对”( s u b - i m a g ep a i r ，简称“s i p ”) ，每个s i p 由 右两个子图像构成。 s i p 依次交叉排列，并且紧贴在柱透镜阵列的焦平面上。许多的s i p 经过柱透镜阵列后分 5 上坶大学博t 学位皓立 别投射到左、右服的观看视区，当左、右眼分别看到存在视差的s i p 时，便产生立体视 觉【州。 该方法的不足之处在于：若要产生垂直视差，则需要投影更多的“子图像对”；视场 范围较小，因此多人同时观察较不方便。为了突破视场的限制，可根据视角的变化实时 缩放像素单元尺寸并实时开闭相应的基元透镜川，或将微透镜由平面阵列分布变为曲面 阵列分布( 如图1 7 所示) 。但这种处理方法的不足之处在于：当视角增大时，微透镜 和像素单元的匹配易出现偏差，导致视觉效果受到一定的影响。 以上四类立体显示方式存在的共同问题是：由于可观察到立体像的距离相对固定， 使得眼睛在场景中不能像观看一个真实物体时那样自由地改变观察距离，难以正确估算 影像的真实深度和空间位置。 馘 幽1 6下面透镜阵列台成盐示系统剀l 一7曲面透镜阵剁台成冻缆 1 2 2 体积显示技术 近几年来，随着计算机数据处理能力的迅速提高和数据存储技术的茇展，体积显示 技术( v o l u m e t r i c d i s p l a y ) 逐渐进入了人们的视野。该技术主要利用屏幕的旋转和光投影等 技术，将原来的多幅2 d 图像合成富有真实立体感的3 d 立体影像，和真实物体的视觉效 果比较接近。该技术允许多人从多角度观察模型( 有的系统可支持交互显示功能) ，其娱乐 性、舒适度及自然性也较好。例如，d e p t h c u b e3 d 立体显示器就是其中一种m 】。该显示 器主要由高速的图像投影仪和多平面光学元件两部分组成( 如图1 8 所示) 。d e p t h c u b e3 d 立体显示器本质上是一种背投式3 d 立体显示器，只是其中的传统投影仪被由一系列电控 光学元件组成的3 d 投影仪所代替。高速投影仪将一系列的2 d 图片投影到多平面光学元 件( m o e ) 上，m o e 一般由多层液晶面板构成，并通过m o e 驱动器实现与高速投影仪显 示的2 d 图像同步，即输出相应深度位置的图像时，驱动m o e 中相应位置的液晶层显示 该图像。由于视觉暂留的作用，观测者可以看到具有真实立体感的3 d 影像。 数，全自= 镕 * “h ；关键投女q 究 ： l 幽1 - 8d e p t h c u b e3 d 立体显不器的结构 除此以外，美田a c t u a l i t ys y s t e m s 公司丌发的p e r s p e c t a3 d 立体显示器( 如图1 9 所示) 采用个x g a 级别的高分辨率( 1 0 2 4 7 6 8 ) 投影仪快速连续地将2 d 图像( 各视角下 的投影视图) 投影到2 d 屏幕上，该屏幕与光学投影器件构成旋转单元，以9 0 0r p m 以上 的速度作3 6 0 。旋转。由于视觉暂留的作用，观测者可以从不同视角看到具有真实立体感 的3 d 影像。 从原理上看，p e r s p e c t a3 d 立体显示器和d e p t h c u b e3 d 立体显示器均需通过高速扫 描的方式显示2 d 图像获得3 d 立体效果，所不同的是，d e p t h c u b e3 d 立体显示器采川分 层扫描方式，而p e r s p e c t a3 d 立体显示器则采用3 6 0 。旋转扫描方式。 在这方面，南京航空航天大学的沈春林教授及其课题组也开展了基于3 6 0 。旋转屏幕 和d m d 投影的3 d 立体显示方面的研究工作，并取得了一定的研究成粜。 。笺，圆 划1 - 9 p e “p e c t a3 d 立体显示器结 q ( a ) + o 显示诎果0 ) 1 23 基于数字全息的三维立体显示技术 数字全息技术和显示技术的结合使全息技术的应用莳景更加广阔，形成了数字全息 3 d 立体显示技术，该技术涉及全息技术、计算机技术、光电技术、光调制技术、显示技 术以及信息处理技术等相关领域，是门交叉性较强的技术。 近年来，计算机技术、空间光调制器( s l m ) 及数字光处理技术( d l p ) 不断取得新的突 破，以及相关的理论和应用研究也取得了长足的发展，这为数字全息在真3 d 立体显示中 的应用奠定了良好的基础。 1 2 3 1 数字合成全息三维立体显示技术 1 海犬学博f 。学位论空 数字合成全息显示技术是全息技术、数字图像处理技术、显示技术和计算机技术相 结合的产物。数字合成彩虹全息技术便是其中的典型。该技术利用3 d 物体一系列2 d 视 差图像合成自体视全息图，可用白光进行再现，其再现像的视场范围较大，且具有动感、 彩色效果。 1 9 9 9 年，美国的z e b r a i m a g i n g 公司发明了数字合成彩虹全息图( 如图1 l o 所示) 。其 制作过程是 3 ”“i ：利用计算机图形软件，产生一系列带有视差的2 d 图像并用电寻 址的透射液晶屏以相干光图像的形式进行显示；针对每幅2 d 视差图像采用彩虹全 息在光致聚合物胶片上l a 录一幅2m m x 2m m 的反射式像素全息图f 称为“h o g e i ”) ；利 用计算机控制的分步重复技术，将3 0 0 3 0 0 个“h o g e l s ”排列成6 0e m 6 0c r r i 的全息图单 元：将多个全息图单元拼合在一起，合成一幅超大尺寸的全息图。其特点是：采用 光致聚合物记录全息图，无需显影、定影等复杂的后处理；衍射效率高，颜色鲜艳， 水平和垂直视角均可达1 0 0 。理论上该方法制作的全息图面积可以任意大。但存在的问 题是：从制作过程看，这种方式显示的仍然是多视角的2 d 图像，且制作过程复杂、费时， 难以实现动态显示。 鹕驴鞠 国1 1 0 数字台成彩虹全息显示系统。( 曲全息显示单元：0 ) 单元拼台；( c ) 轿车模型的全息显示 1 2 3 2 基于空问光调制器的数字全息三维立体显示技术 空间光调制器( ( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ，s l m ) 通常指的是：可将信息加载于一维或两 维的光学