[实用新型]一种能减少再现浪费信息的计算全息三维显示装置

说明书

本新型公属于计算全息与三维显示领域，具体涉及一种能减少再现浪费信息的计算全息三维显示装置；通过人眼跟踪传感器追踪识别人眼观察位置，仅再现人眼观察位置内接收到的三维物体信息，通过空间光调制器加载计算全息图再现体素点的方式来精确调控体素点的强度、位置和传播方向，设置与各个体素点的被遮挡信息对应的全息图的灰度值，从而正确表示体素点的遮挡关系，结合空间光调制器阵列刷新加载计算全息图可以实现动态三维显示，并同时适用于三维实像显示和三维虚像显示，可实现能够减少再现浪费信息的计算全息动态三维显示，降低了运算数据量，并能够正确表示三维物体再现像的遮挡关系。

技术领域

本实用新型属于计算全息与三维显示领域，具体涉及一种计算全息三维显示装置。

背景技术

随着科技的发展和社会需求的进步，三维显示技术已经深入到人类生活的各个方面，逐渐成为研究的热点。全息三维显示是一种三维物体波前重建技术，其原理在于利用全息记录与再现的原理重建三维物体的全部信息(包括振幅信息和位相信息)，可以提供人眼所需的全部立体感知，并且观看者可在不佩戴任何助视设备的情况下观看到立体图像，是一种极具前景的真三维显示技术。计算全息三维显示利用空间光调制器承载计算全息图，对入射光的波阵面进行调制，进而光电重构显示三维图像，但是由于其海量的运算数据量和核心器件空间光调制器的空间带宽积有限等因素的制约，使得以空间光调制器为承载器件的计算全息三维显示技术的发展遭遇瓶颈。现阶段较为有效的解决方法是使用高帧频的空间光调制器阵列进行时空复用的拼接方案。1995年N.Fukaya等人利用半透半反镜实现了3片振幅型LCD无缝拼接，从而获得较大的视场角。2008年J.Hahn等人通过将12个空间光调制器倾斜排列成一个圆弧，实现了空间光调制器的无缝拼接，获得了22.8°的视场角。2011年F.Yaras等人使用9个空间光调制器倾斜拼接的方法，并且利用半透半反镜消除了空间光调制器间的缝隙，扩大了再现像的视场角，获得了尺寸为10mm，视场角为24°的三维再现像。2014年H.Sasaki等人利用16个空间光调制器拼接实现了对角尺寸为85mm、水平视角为5.6°、刷新频率为20Hz的动态全息三维显示。可知拼接空间光调制器的方法可在一定程度上拓宽视角，增加空间带宽积。但是，计算全息三维显示中由遮挡效果提供的移动视差往往容易被忽略。2009年英国剑桥大学Rick H-Y Chen等人提出通过创建遮挡列表的方式来计算可以表示遮挡效果和移动视差的全息图，但是该方法需要进行二维插值计算，这不仅会增加计算复杂度，还会带来误差。2009年北京理工大学张浩等人提出基于光线追迹的遮挡关系表示方法，将隐藏面消除算法中常用的光线追迹方法用于全息图计算，获得了可以表示遮挡效果的较高质量三维再现像。该方法需要从全息图中每个抽样点像素投射出一组光线，计算出每条投射光线与三维场景的最近交点来确定三维场景对该抽样点的贡献，这不仅会增加计算量，而且对于较大深度的三维场景难以精确表示其遮挡关系。2014年中国专利CN 103997636 A中公布了一种基于垂直投影的三维物体再现像前后遮挡关系表示方法，通过对全息图不同采样区域执行垂直投影过程，消除各个子全息图对应的遮挡信息。但是对于任意不规则形状的三维物体，分解成二维投影图后的信息量和信息的冗余度将大大增加，而且对于三维物体再现像遮挡关系的表示精确度也有待进一步提高。

另一方面，传统的全息三维显示旨在重建完整的三维图像，该图像允许多个观察者同时从周围空间的不同位置进行观察。但是，由于目前空间光调制器像素尺寸过大，使其衍射光受限于最大衍射角，观察者只能在特定的衍射光范围内看到再现像的信息，该范围内的信息称之为有效信息，而在该范围之外的信息则不被人眼所接收到，称之为浪费信息。在计算全息图的生成过程中，如果保证计算有效信息不变的情况下，减少再现浪费信息的计算，则可减少全息图运算数据量，充分利用空间光调制器的空间带宽积，进而减少空间光调制器的拼接数量，简化系统复杂度。因此，针对减少计算全息图再现浪费信息的研究非常有意义。