素周期和沟槽取向的计算方法如下:根据视点的位置和数 目，计算每个光栅像素的周期和沟槽取向，具体可以建立显示平面光栅像素坐标与观察平 面视点坐标的对应关系，如图3所示，A(x，y，0)为显示屏上某个像素，B( Xl，yi，z)为观察屏上 某个视点，两个屏幕相差z距离，为使显示屏上单幅视角图像全部聚焦于视点B处，需要对屏 幕上各像素的周期和取向作分析。假设入射光线波长为λ，入射角度为Θ，波导折射率为n，根 据坐标可知:A点的衍射角(衍射波矢量与z轴正方向的夹角)为Θ:，衍射方位角(衍射波矢量 在xy平面的投影与X轴正方向的夹角)为fi，则：
同时由广义光栅方程可以求出：
其中，Λ为光栅周期，p为光栅取向角(沟槽与y轴正方向的夹角） 由（1)、（2)、（3)、（4)可以求出每个坐标对应的光栅像素的光栅周期和取向角：
依据此方法计算出每个坐标对应的光栅像素周期和沟槽取向后，可利用连续紫外变空 频光刻系统高效地制作出基于像素型纳米光栅的定向衍射屏，而定向衍射屏定向导光的示 意图如图4所示，入射光射入衍射屏后，每个像素型光栅将对应的入射光衍射到固定的方 向，实现定向导光。
[0034]步骤4)中所述的以空间光调制器为核心器件，基于像素型纳米光栅的定向衍射屏 为定向分光器件的全息显示系统的装置图如图5所示，包括1-激光光源，2-偏振调制器件， 3_分光棱镜，4-空间光调制器，5-全息图，6-计算机，7-透镜，8-全息再现像，9-定向衍射屏， 10-纳米光栅像素，11-观察平面。在全息再现实验中，激光光源发出的光波通过偏振调制器 件，偏振调制器件对入射光的偏振态进行调制，得到的偏振光通过分光棱镜后入射到空间 光调制器中。空间光调制器和生成全息图的计算机通过数据线连接。再现光波通过加载有 全息图的空间光调制器后衍射光波经分光棱镜和透镜后成像于透镜的后焦面，即全息再现 像面。而在此位置处，设有预先设计制作完成的定向衍射屏，定向衍射屏中的纳米光栅像素 将对应的再现像像素衍射到固定的位置，形成不同的视点。人的双眼在由视点组成的观察 平面内即可观察到不同的视差图像，产生立体感。伴随着空间光调制器对全息图的快速刷 新加载，人的双眼即可观察到动态全息三维显示的效果。
[0035]步骤4)中所述的用空间光调制器阵列12代替单个空间光调制器4的全息显示系统 的装置图如图6所示，用若干个空间光调制器拼接成空间光调制器阵列来提高空间带宽积， 实现全息再现像的图像拼接，也即是实现目标物的多视角拼接。
[0036]综上所述，本发明公开了一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置。在 本发明中，利用空间光调制器的全息再现像定向分离实现了三维显示，结合空间光调制器 刷新加载全息图可以实现动态全息三维显示，具有刷新速度快、串扰小、视角大等特点。
【主权项】
1. 一种基于空间光调制器的全息Ξ维显示方法，包括w下步骤： 1) .Ξ维目标物体多视角二维图像的获取与预处理步骤:利用摄像机扫描拍摄或者使 用计算机图形学的方法获得Ξ维物体在一个视角范围内的全视差图像序列，并将此全视差 图像序列作为计算全息图（5)的数据源； 2) .位相型全息图（5)的获取步骤:根据衍射理论编程计算获得Ξ维目标物体多视角二 维图像对应的位相型全息图； 3) .定向衍射屏(9)的设计与制作步骤:根据视点的位置和数目，利用广义光栅方程计 算相应的像素型纳米光栅（10)的周期和沟槽取向，设计像素型纳米光栅（10)的结构分布， 利用连续紫外变空频光刻系统制作基于像素型纳米光栅(10)的定向衍射屏(9); 4) .全息再现步骤:搭建W空间光调制器(4)为核屯、器件、基于像素型纳米光栅（10)的 定向衍射屏(9)为定向分光器件的全息再现显示系统，人的双眼在观察平面（11)处接收全 息再现的像。2. 根据权利要求1所述的基于空间光调制器的全息Ξ维显示方法，其特征在于：步骤1) 中所述的摄像机扫描拍摄是，使用单个CO)摄像机沿水平方向和垂直方向运动拍摄目标物； 或者，由多个CO)摄像机组成的二维阵列在不同角度拍摄。3. 根据权利要求1或2所述的基于空间光调制器的全息Ξ维显示方法，其特征在于：步 骤1)中，图像预处理变换过程分为两个步骤，水平方向变换与竖直方向变换，在变换之前， 对采样得到的原始图像进行编号，将采样得到的所有二维图像编组为一个二维图像阵列， 维数为一，每一幅图像编号为馬，竣Η:，变屬对应水平方向的位置，基….，巧 对应垂直方向，每一幅图像馬维数相同，为J策或雜，即图像的像素数为if k蘇，在水平 方向变换过程中，将水平方向维数为Μ的XijW向量的方式表示为 ，其中向量Xi化是一个Ν阶向量，表示图像矩阵Xi j中第k列像素，从： ..... ) 中提取某一像素列、从全部二维图像阵列中提取(^\,;:-\:2，1克^;,..，.\^<)个像素列，组成一幅 新图像；在竖直方向变换过程中，将竖直方向维数为Ν的Yu W向量的方式表示为 }'言(>W柏，.%..、>'邦f，T表示对矩阵进行转置，其中向量Yijk是一个Μ阶水平向量，表 示图像矩阵Yij中第k行像素，从(>^1，>'^;,.>^^..，>'4^〇^中提取某一像素行、从全部图像二 维阵列中提取J个像素行，组成一幅新图像;将生成的图像序列用于位相型全息图的计算。4. 根据权利要求1或2所述的基于空间光调制器的全息Ξ维显示方法，其特征在于：步 骤2)中所述位相型全息图为基于迭代傅里叶变换算法原理计算出来的位相型全息图，供空 间光调制器加载。5. 根据权利要求1所述的基于空间光调制器的全息Ξ维显示方法，其特征在于:所述的 步骤4)中全息再现过程，控制空间光调制器对位相型全息图的刷新加载，再现出目标物的 多视角全视差动态全息Ξ维图像。6. -种基于空间光调制器的全息Ξ维显示装置，包括用于加载全息图（5)的空间光调 制器(4)、激光光源（1)、用于调制光偏振态的偏振调制器件（2)、用于将通过偏振调制器件 (2)的光反射到空间光调制器(4)的分光棱镜(3)、透镜(7)、定向衍射屏(9)，其特征在于:定 向衍射屏(9)上设置像素型纳米光栅(10)，分光棱镜(3)、透镜(7)、定向衍射屏(9)依次设置 在空间光调制器(4)的光轴屯、线上，定向衍射屏(9)在光轴上的位置与空间光调制器(4)上 加载的全息图（5)的再现像面位置W及透镜(7)的后焦面位置重合。7. 根据权利要求6所述的基于空间光调制器的全息Ξ维显示装置，其特征在于:所述的 空间光调制器(4)为反射型或者透射型，调制模式为相位调制。8. 根据权利要求6或7所述的基于空间光调制器的全息Ξ维显示装置，其特征在于：所 述的空间光调制器(4)为由若干个空间光调制器拼接成的空间光调制器阵列。9. 根据权利要求6或7所述的基于空间光调制器的全息Ξ维显示装置，其特征在于：所 述的偏振调制器件(2)为偏振片或二分之一波片。10. 根据权利要求6或7所述的基于空间光调制器的全息Ξ维显示装置，其特征在于:所 述的像素型纳米光栅(10)周期为0.3~3微米。
【专利摘要】本发明公开了一种基于空间光调制器的全息三维显示方法及装置，显示装置由激光光源、偏振调制器件、分光棱镜、空间光调制器、计算机、透镜、基于像素型纳米光栅的定向衍射屏构成。获取目标物体的多视角二维图像，经预处理变换过程后生成一组用于位相型全息图计算的图像阵列。应用迭代傅里叶变换算法计算相应的位相型全息图，并将全息图加载到空间光调制器中，利用激光光源照射全息图得到全息再现像。设计并制作基于像素型纳米光栅的定向衍射屏，将相应的再现像像素定向衍射到固定的位置，形成不同的视点。结合空间光调制器对全息图的快速刷新加载，实现目标物的多视角全视差动态全息三维再现，为裸眼三维显示技术的应用提供切实可行的方案。
【IPC分类】G03H1/08, G03H1/22, G02B27/22
【公开号】CN105700320
【申请号】CN201610228247
【发明人】苏衍峰, 吴建宏
【申请人】苏州大学
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年4月13日