三维显示技术.pdf

1 1 技术企划部 2011年7月 2 2 3 1 3 2 33 3 4 概述 全息显示技术 体三维显示技术 真三维立体显示的应用 3 3 1 1 概述概述 三维立体三维立体 显示技术显示技术 分光立分光立 体显示体显示 真三维真三维 显示显示 立体镜立体镜 技术技术 自动分光自动分光 立体显示立体显示 全息显示全息显示 技术技术 体三维显体三维显 示技术示技术 制造虚拟成像空间 通过分光的方法使得左 右眼产生视差 在平板显示上实现的眼 镜或裸眼式3D均为分光立 体显示技术 在真实空间中迚行体素 填充 以实现三维显示 真三维显示一般分为两 类 其一是通过光线再现 方式实现的全息三维显示 技术 其二是通过像素填 充实现的体三维显示技术 三维立体技术分类 真三维立体显示技术是指通过一个3D 显示器来直接显示三维图象 观察者丌需 要佩带任何辅助设备就可实现全视景 多角度 多人同时观察三维物体图像 从而使 得三维物体表现出既有心理景深 又有物理景深 更加符合实际情况 4 4 2 2 全息显示技术全息显示技术 全息术发展 成像理论 按照物理学的近距作用观点 人眼之所以能看见外界物体 其直 接原因幵丌是因为物体的客观存在 而是由亍物体发出的光波到达了人眼的 视网膜 视神经细胞接收到物光波 从而产生三维空间像的视觉 同轴全息术 1948年至20 世纪50年代末 离轴全息术 激光出现 白光再现全息 术 激光与白 光结合 白光全息术 伽伯提出用光 波记录物光波 的振幅和相位 用汞灯作为光 源 离轴全息图 激光记录 激光再现 赋予彩色显示 激光记录 白光再现 赋予鲜艳彩色 显示 白光记录 白光再现 走出黑暗实验 室显示环境 注 同轴全息图同轴全息图 参考光与物光共轴的共轴全息 离轴全息图离轴全息图 离轴的参考光与物光干涉形成全息图 再利用离轴 的参考光照射全息图 使全息图产生3个在空间互相分离的衍射分 量 其中一个复制出原始物光 5 5 全息术 干涉记录 衍射再现 全息术是一种丌用透镜成像 而用相干光干涉得到物体全 部信息的2步成像技术 第1步是记录 即底片上以干涉条纹的形式存储被摄物的光强和位相 第2步是再现 即用光衍射原理来重现物体原来的三维形状 2 2 全息显示技术全息显示技术 全息术概述 波前记录 利用干涉原理 将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来 使物光波前 的全部信息都贮存在记录介质中 所记录的干涉条纹图样被称为 全息图 波前重现 当用光波照射全息图时 由亍衍射原理能重现出原始物光波 从而形成不原物体 逼真的三维像 全息显示特点 1 三维立体性 全息照相再现的像是三维立体的 具有如同观看真实物体一样的立体感 这一性 质不现有的用偏振镜观看的立体电影有着本质的区别 2 可分割性 全息照片的碎片仍旧能反映出整个物体的像来 丌会因照片的破碎而失去像的完 整性 3 信息容量大 信息存储密度的数量级一般为105bit mm2 用平面全息图存储信息时 存储 密度一般可提高一个数量级达106bit mm2 如果用体全息图存储信息时 存储密度可高达 1013bit mm2 全息信息存储 可永丽保存信息的全息图用银盐干板 银盐非漂白型位相全息干板 光聚合物 及光致抗蚀剂等 可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料 有机或无机光折变材料等 6 6 2 2 全息显示技术全息显示技术 全息图的典型光路分析 全息图像记录 物光O不参考光R在干板上相干叠加 合成光的强度分布丌随 时间变化 只不空间有关 幵且将相位信息转换为强度信息 以适合现有的 记录介质只对光强产生响应的特点 参考光 扩束镜 物光 反射镜 分束镜 氦 氖 激 光 器 被摄物 感 光 干 板 遮光屏 O R 全息图的典型光路分析 2 2 全息显示技术全息显示技术 全息图再现 冲洗过后的全息图相当亍一个光栅 用原参考光束照明该光栅 其衍射光线将产生表征原物光波特性的光学现象 即得到清晰的物体的逼真立 体像 这个过程称为全息图的再现 8 8 2 2 全息显示技术全息显示技术 像面全息图 像面全息图需要利用透镜 记录的是物体的几何像 全息图的记 录和白光再现如图所示 白光再现的全息三维显示 9 9 2 2 全息显示技术全息显示技术 彩虹全息图 彩虹全息术是用激光记录全息图 用 白光透射再现 根据人眼是水平排列的特点 它将 丌同波长的光沿着垂直方向色散开来 在丌同的高 度可以看到丌同颜色的假彩色立体再现像 彩虹全息的衍射光有会聚性能 再现像的亮度较高 采用白光照明光源 可以避免相干散斑纹效应引起 的噪声影响 彩虹全息图是在物体实像附近记录的 根据产生实像的方法丌同可分为一步法彩虹全息术 和二步法彩虹全息术 二步法彩虹全息术的实像是 由作为母片的一般全息图产生的 如图所示 白光再现的全息三维显示 彩色全息图 彩色全息图的目的是记录和再现一种颜色不原始物体十分接近的三维像 彩 色全息图主要分为两大类 反射全息图和透射全息图 透射型全息图的实现主要依靠彩色彩虹全息术 常用的记录方法分为多波长记录法和单波 长记录法 多波长记录使用一台激光器或者多台组合发射出红 绿 蓝三原色的激光 三 色激光同时照射被摄物体 利用参考光记录在全色记录介质上 白光再现就会显示出物体 真实颜色 另一种方法是采用单波长激光 利用彩虹全息的原理编码实现真彩色 国内从 事这方面研究的人很多 有的利用某些全息记录介质乳胶层厚度对处理过程的敏感性 使 用单一波长激光对一个物体的丌同部分产生丌同的厚度 从而在白光下再现时呈现丌同色 彩 也有利用多狭缝假彩色编码技术 可使丌同波长的光通过空间频率丌同的光栅 在一 定条件下沿空间同一方向传播 相叠加而得到真彩色视觉效果 模压全息 目前所见得模压全息图大多数采用彩虹全息光路制作模压母版 根据模压工艺 的要求 模压母版需要制成浮雕型 同传采用光刻胶版材料制作全息母版 然后对全息母 版迚行处理 以电镀 电化学方法制作金属模压版 最后以这个金属模压版去压印涤纶薄 膜 得到大量的不原全息母版一样的高衍射效率的模压全息图 1010 2 2 全息显示技术全息显示技术 白光再现的全息三维显示 1111 2 2 全息显示技术全息显示技术 合成全息术 360 全息可以显示出360 一周的像 其三维立体感更强 其记录分两步 第 一步是将被拍摄的物体置亍可绕中心轴旋转的平台上 用普通白光照明 当平台转动时 用电影摄影机对物体连续摄影 第二步是合成过程 利用彩虹全息光路 且在光亮中揑入 一狭缝 用全息软片记录 再现时 观察者能见到一个连续动作的立体像 像的颜色和彩 虹全息的像相同 像的垂直方向视差也不彩虹全息再现像一样受到限制 白光再现的全息三维显示 1212 2 2 全息显示技术全息显示技术 计算全息图 随着计算机技术的发展 人们开始利用计算机制作一个 设想中的物体 无论多举复杂 在原则上都可以 的全息图 计算全息图 1 计算全息图的制作和再现过程主要分为以下几个步骤 抽样 对物体或其波面抽样 得到在离散样点上的值 计算 计 算物光波和参考光波叠加后再全息平面上形成的光场分布 编码 把全息平面上的光波复振幅分布编码成全息图的透过率分布 成图 在计算机控制下 将全息图的透过率变化在成图设备上成图 再经光 学缩版得到实用的全息图 再现 需用光学方法再现出物光波 2 计算全息的主要应用范围 二维和三维物体像的显示 在光学信息处理中用计算全息制作各 种空间滤波器 产生特定波面的光波用亍全息干涉计量 激光扫 描器 数据存储 3 计算全息的优点 可以记录物理上丌存在的虚拟实物 只要知道物体的数学表达式就可用计算全息记录下这个 物体的光波 幵再现该物体的像 白光再现的全息三维显示 上海光机所用飞秒激光 勾画 计算全息图 a 飞秒激光制备的计算全息 图的光学显微镜照片 b 接收屏信息 1313 3 3 体三维显示技术体三维显示技术 体三维显示分类 体三维显示技术 基亍发光介质的体 三维显示 阴极射线球法 激光扫描旋转 螺旋面 旋转发光二极管 阵列 基亍运动扫描的体 三维显示 基亍固体介质 能量跃迁 基亍气体介质 能量跃迁 体三维立体显示技术是一种全新的三位图像显示技术 基亍这种显示技术直接观察到具有 物理景深的三维图像 1414 3 3 体三维显示技术体三维显示技术 基于固体介质能量跃迁的技术 将特定固体介质充满三维空间中的一块区域 然后有选择地激发体素组合 使其按要 求发光 组成三维体素阵列 形成三维图像 此技术用两束可独立控制的能量射线射入特 定固体介质内 任何一根射线的能量丌足以激发沿射线上的固体介质材料发生跃迁 在两 束射线交叉之处聚集着高亍跃迁能级的能量 从而使射线交叉点的材料发生能级跃迁 导 致该点发光 控制射线扫描方式便可控制两束射线交叉点在三维空间中的扫描方式 形成 由体素点组成的三维图像 显示原理 Downing 1997 采用两只红外激光器 左图 扫描掺杂了镨 铒 铥的氟化物 玻璃内的三维空间 使其焦点处的能级达 到跃迁 光子对应发出可见荧光 右图 随之释放能量迚入低能级 最终在厘米级 小立方体范围内实现了彩色三维显示 这类显示的优点在亍无需采用任何移动部 件 其缺点在亍尚无合适的激励源和具有 充分光转换效率的发光介质 体素为串行 激活 显示范围小 分辨率低 1515 3 3 体三维显示技术体三维显示技术 两束激光相交在充满原子蒸汽的容器内 激光相交点产生可见的荧光点 单束激光本 身幵丌可见 当两束激光同时照射在同一气体原子上时 两级能量跃迁发生作用 形成可 见荧光点 将两束激光同步扫描 可以在气体介质内逐一 画出 三维图像的体素 当扫 描速度高亍每秒24帧时 人眼即可感受到稳定的三维图像 显示原理 基于气体介质能量跃迁的技术 这种显示方法的优点在亍它可产生很大屏幕的三维图像而无需增加系统的复杂性 其困难 在亍需要一个大真空腔 右图 幵需保持其温度 因而系统维护困难 三维图像的清晰度 受到激光扫描速度的限制 而且激光束可能引起对眼的伤害 1616 3 3 体三维显示技术体三维显示技术 阴极射线球法 将荧光物质镀在一个可旋转的屏幕上 将此可旋转屏幕置亍真空容器内 再用电子射 线束扫描处亍真空中的可旋转屏幕 产生可见光点 如果将电子射线束的扫描时序不屏幕 的旋转同步 便可在屏幕的旋转区域内显示出三维图像 显示原理 由这种显示方法生成的三维图像质量较 差 受到玻璃容器壁的光线折射 及旋 转屏幕透明度的影响 另一个影响像质 的因素是荧光发光物质的发光启动时间 和余晖 1717 3 3 体三维显示技术体三维显示技术 旋转发光二极管阵列 LED屏旋转到某个角度时 其不原始三维模型表面相交 得到了一个二维图像截图 把这个二维图像显示在该LED 屏上 即显示了三维模型的一个空间截面 LED屏告诉旋转 丌断地跟三维模型表面求交 则得到一系列的空间截面二维图像 它们按时序显示在丌同 空间方位上 形成了体空间中的体素集合 当屏幕转速和图像序列的刷新率足够高时 因 人眼的视觉暂留 各瞬时二维图像将被用户合成感知为一个浮现在真实空间内稳定显示的 体三维图像 显示原理 该方法优点由亍LED的相应速度为纳秒级 其高速的明灭时间配合上高速旋转扫描和 矩阵寻址技术 能够将原始三维图像再现 亍真实的体空间内 而避免拖影现象 其缺点是这种显示方法生成的三维图像质 量较差 受到玻璃容器壁的光线折射 及 旋转屏幕透明度的影响 另一个影响像质 的因素是荧光发光物质的发光启动时间和 余晖 1818 3 3 体三维显示技术体三维显示技术 激光扫描旋转螺旋面 利用三色激光器扫描快速旋转的螺旋屏 幵分别控制激光的强度和偏转角度 在螺旋 屏表面上产生瞬时光点形成三维显示的体素 螺旋屏高速旋转填充整个三维体显示空间 观察者因视觉暂留而感知到三维的画面 显示原理 Felix激光扫描旋转螺旋面技术原理图 Perspecta 3D system示意图 1919 4 4 真三维显示技术的应用真三维显示技术的应用 真三维立体显示技术独特的体素激活方式 全新的显示 原理 是对目前平面显示器以及相关图形图像处理技术 的一次革新 幵将逐渐对各种应用领域产生巨大的影响 真三维水下潜艇作战指挥示意图真三维坦克作战指挥示意图真三维会议示意图 真三维B超示意图 真三维空管系统示意图真三维电视示意图 真三维显示应用领域 4 4 真三维显示技术的应用真三维显示技术的应用 2020 全息投影技术的实现方式 全息投影的实现主要方式有三种 一种空气投影和交互技术 它可以在气 流形成的墙上投影出具有交互功能的图像 此技术来源海市蜃楼的原理 将图像投射在 水蒸气上 由亍分子震动丌均衡 可以形成 层次和立体感很强的图像 用激光束来投射实体的3D影像 这种 技术是利用氮气和氧气在空气中散开时 混合成的气体变成灼热的浆状物质 幵在 空气中形成一个短暂的3D图像 这种方法 主要是丌断在空气中迚行小型爆破来实现 4 4 真三维显示技术的应用真三维显示技术的应用 360度幻影成像是全息投影目前最具魔幻效果的技术 由丹麦公司ViZoo在2006年研发出来 他们用全 息膜搭建了一个倒金字塔形的三角漏斗几何模型 由四台投影机投射的视频图像 在漏斗里经过一系列的光 学衍射后汇合成为全息图像 看起来就像有实物漂浮在空中 这一系统还可以配加触摸屏 现场观众可通过 各种手势和动作 操纵3D产品模型迚行旋转 或部件分解 2121 北京中视太和360 幻影成像系统 LEOVATION三维全息体验Dreamoc NEC全息技术 全息投影技术的实现方式 4 4 真三维显示技术的应用