动态全息三维显示研究最新进展

全息三维显示是真三维显示技术, 其原理是利用光学干涉记录和衍射再现将物体或场景的三维信息全部重建出来, 所以观看全息三维图像与观看真实物体或场景的效果一样. 近期全息研究领域有一些突破性的成果被报道, 将推动全息显示的应用不断走向成熟. 本文将重点介绍基于光学材料和空间光调制器为全息图承载载体的动态全息三维显示最新发展状况. 虽然动态全息三维显示研究仍然存在挑战, 但最近研究中已经利用光学材料实现了实时动态全息三维视频显示, 这为未来实现大尺寸、高分辨率、彩色全息真三维视频显示提供了可能.     

显示技术的演进与应用

This paper overviews some display technologies which play main roles on today＇s display market. And new technologies which may be used for tomorrow＇s display technologies have been discussed. New technologies will boost the development of display technologies.     

显示技术的演进与应用(英文)

This paper overviews some display technologies which play main roles on today′s display market. And new technologies which may be used for tomorrow′s display technologies have been discussed. New technologies will boost the development of display technologies.     

Liquid crystal Fresnel lens display

A novel see-through display with a liquid crystal lens array was proposed.A liquid crystal Fresnel lens display(LCFLD) with a holographic screen was demonstrated.The proposed display system has high efficiency,simple fabrication,and low manufacturing cost due to the absence of a polarizer and color filter.     

多平面全息三维显示及其噪声消除研究

基于层析法和Gerchberg-Saxton迭代算法,计算得到了多个平面构成的三维物体的计算全息图,并将该计算全息图加载于空间光调制器上,获得了具备全视差的三维立体显示。基于以上方法,对灰度图像进行显示,获得了较高的像质。构建了由100个平面组成的立方体,获得了立方体的三维图像。另外,在计算全息图时附加了相位平移函数,消除了由空间光调制器的栅格结构引起的多重衍射像噪声,将能量利用效率提高到原来的379%。这样,可获得高衍射效率、高像质且具备全视差的三维全息显示。     

视网膜投影显示系统设计

 针对传统透射型头盔显示器在眼睛调节焦距时,二维虚拟信息在视网膜上无法清晰成像问题,提出一种新型的透射型头盔显示器。采用麦克斯韦观察法原理,用微型LCD结合激光直接将图像成像到视网膜上,成像面独立于眼睛的调节,其目的是眼睛在调节过程中,图像总是清晰的。讨论了透射型头盔显示器显示原理,根据系统参数选择合适的初始结构,设计了光学系统,根据系统整体结构对混合现实的需要,加入半透半反结构,通过ZEMAX软件对系统进行优化。最后对系统功能做了验证,结果表明系统轴上视场MTF达到了衍射极限。     

集成成像三维显示系统显示性能的研究进展

集成成像三维显示技术是利用透镜阵列获取和显示立体图像的一种三维显示技术。本文首先综述了集成成像三维显示系统的特点,考虑其系统性能主要受分辨率、景深和观看视场角的限制,对近年来集成成像三维显示系统在增大分辨率、景深和观看视场角方面的研究进展做了综合论述,比较分析了各种改进方法的优劣。最后,对我国集成成像三维显示技术的研究现状进行了总结,并简述了本研究小组在该领域取得的若干研究成果。     

基于液晶空间光调制器的全息显示

在传统的纯相位全息显示系统中, 一般基于快速傅里叶变换(FFT)算法来计算相位全息图, 在FFT的计算中需要遵循Nyquist采样定理, 因此, 重建图像的尺寸往往受限于空间光调制器的固定采样率. 这个限制可以通过卷积算法或者两步菲涅耳衍射算法来解决, 但是需要使用多个FFT的计算, 导致计算量增大. 鉴于此, 提出了一种基于透镜的纯相位全息图计算方法. 在全息图的计算中, 通过透镜的成像原理建立一个采样率可变的虚拟全息面, 通过调节相应的距离参数使得在全息图的计算中可以任意调节原始图像的采样率, 摆脱了传统方法中液晶空间光调制器带宽积对重建图像尺寸的限制, 并且这种算法只需使用一次FFT就能达到变采样率的衍射计算, 大幅提高了全息图的计算速度. 数值模拟及光学实验结果证明了此方法可以在全息显示光学系统中清晰地重建不同尺寸的图像. 同时该系统可以有效地消除由空间光调制器的像素化结构带来的零级衍射.     

全息波导头盔显示技术

文章首先阐述了全息波导头盔显示技术的基本原理,说明了它的技术先进性和可实现性;然后以几个有代表性的范例介绍了全息波导头盔显示技术的发展水平,展示了目前全息头盔显示技术所能达到的参数指标;最后,在分析了全息波导头盔显示技术的关键技术的基础上,说明其技术瓶颈并对其未来的发展方向进行了展望。     

基于鱼眼投影的头戴显示器全景显示系统

设计了一套结合鱼眼摄像头和头戴显示器的新型全景显示系统。采用鱼眼正交投影法建立合适的数学模型,基于该数学模型合理展开虚拟半球的UV,将鱼眼图像映射到虚拟半球上,同时使用双目虚拟摄像头采集已经矫正畸变的图像,并将其显示在头戴显示器中,达到头戴显示器全景显示的效果。通过实际测试验证了该方案的可行性。     

新颖材料器件为全息显示带来的新机遇

三维显示是人类获取身临其境视觉信息的有效途径,其中全息技术能够提供人眼所需的全部深度信息,被认为是理想的三维显示方式.然而受目前显示器件的限制,如可刷新调制器件的时间-空间(时空)带宽积受限、海量数据云处理速率限制、图像质量不高的问题等,全息显示技术的发展进入了瓶颈期.为了提高显示质量、扩大时空带宽积、提升系统性能,需要发展崭新的全息显示器件,从根本上解决目前遇到的问题.超颖材料、超构表面以及二维材料等诸多新颖材料的涌现为全息显示带来新的机遇.超颖材料(表面)通过特殊设计,利用远小于波长的超构单元实现对波前各向同性或各向异性的振幅与相位的特异调控,进而将全息信息映射到超颖材料(表面)全息显示器件上,通过调控光波实现各种显示.发展可刷新的超构(表面、二维)材料并应用于动态全息显示中是未来的重要方向.虽然现有的新颖器件还面临着各种问题,但它们可为全息显示的发展提供潜在的可行性和新的视角与发展动力.     

A real-time LPC-based vocal tract area display for voice development

This article reports the design and implementation of a graphical display that presents an approximation to vocal tract area in real time for voiced vowel articulation. The acoustic signal is digitally sampled by the system. From these data a set of reflection coefficients is derived using linear predictive coding. A matrix of area coefficients is then determined that approximates the vocal tract area of the user. From this information a graphical display is then generated. The complete cycle of analysis and display is repeated at ≈20 times/s. Synchronised audio and visual sequences can be recorded and used as dynamic targets for articulatory development. Use of the system is illustrated by diagrams of system output for spoken cardinal vowels and for vowels sung in a trained and untrained style     

激光显示中光学系统研究

为了满足机械转镜扫描要求(转镜转速每分钟不少于3万转)及光束与水平信号的行场同步要求，提出采用面阵空间光调制器及多像素并行扫描方式。采用“面阵空间光调制器”对激光束进行选通和光强调制，使覆盖多像素的激光束在高速扫过面阵空间光调制器时，光强按视频图像的强弱进行调制，从而形成激光视频图像。由于采用了多像素并行扫描、新型二维扫描转镜和积分器光路，扫描速度大大降低，由每分钟几万转降低到3000转，解决了扫描式激光显示的技术瓶颈和激光干涉条纹问题，获得了很好的显示效果。     

基于人眼视觉的集成成像三维显示分辨率的比较

为了对不同集成成像系统三维显示应用中的视觉分辨效果进行表征, 提出了一种基于人眼视觉的集成成像三维显示分辨率的分析比较方法. 通过分析集成成像三维显示系统的分辨率与人眼在最佳显示观看距离下分辨本领的关系, 定义了相对分辨率参数, 分析了其与集成成像三维显示实际观看时视觉分辨效果的关系. 研究结果表明, 透镜阵列的大小对集成成像三维显示的视觉分辨效果有重要的影响. 针对两个系统实例的理论计算结果表明, 系统间的相对分辨率参数差异是传统分辨率差异的1.75倍, 实验结果与理论分析一致. 该研究方法对三维显示分辨率的评价有一定的指导意义.     

One-step, full-view rainbow holograms with conventional plates of 6 μm emulsion

A method of one-step full-view rainbow holography using conventional holographic plates of 6 °m emulsion as recording materials is described aand experimentally demonstrated. The requirement for the inter-beam angle to avoid cross-talk between two images is discussed. The simplicity and low cost of this method make it particularly suitable for the full-view white light holographic display of moderate-sized objects.     

三维立体显示技术研究新进展

在分析传统基于二维平面图像的三维立体显示技术的原理及特点的基础上,重点阐述了数字全息三维显示技术的应用研究现状,介绍了三种典型的数字全息显示技术:基于数字合成全息的三维显示技术、基于空间光调制器的数字全息三维显示技术以及基于集成数字全息技术的三维显示技术,并对三维显示技术研究及其应用中存在的关键技术问题进行了分析和讨论。     

Holographic storage of three-dimensional image and data using photopolymer and polymer dispersed liquid crystal films

We present holographic storage of three-dimensional(3D) images and data in a photopolymer film without any applied electric field.Its absorption and diffraction efficiency are measured,and reflective analog hologram of real object and image of digital information are recorded in the films.The photopolymer is compared with polymer dispersed liquid crystals as holographic materials.Besides holographic diffraction efficiency of the former is little lower than that of the latter,this work demonstrates that the photopolymer is more suitable for analog hologram and big data permanent storage because of its high definition and no need of high voltage electric field.Therefore,our study proposes a potential holographic storage material to apply in large size static 3D holographic displays,including analog hologram displays,digital hologram prints,and holographic disks.     

空间光调制器曲面拼接实现全息三维显示视角拓展

本文对多空间光调制器不同拼接方式拓展全息三维再现像视角的方法进行了分析,基于多片空间光调制器拼接拓展视角的思想,利用平面反射镜、分光镜和两片透射式空间光调制器设计了曲面拼接系统,进行了全息三维再现像的视角拓展实验研究。用该系统对四棱锥物体的层析菲涅尔衍射全息图进行再现,结果表明,总视角由基于单片空间光调制器的1.7°增大到3.2°,即拓展到约1.9倍,分光镜能够消除两片空间光调制器间的间隙,实现无缝拼接。该方法同样适用于更多空间光调制器的曲面拼接中,可以有效地拓展全息再现像的视场角大小。     

彩色全息显示中液晶空间光调制器位相调制偏差的矫正方法

采用三基色激光照明并结合时分复用或空间复用技术,可实现基于液晶空间光调制器(LC-SLM)的彩色全息显示.但由于在不同激光波长入射条件下LC-SLM的位相调制特性曲线不同,难以同时满足多波长入射条件下2π线性位相调制的要求,致使彩色全息再现结果受到共轭像和零级斑的干扰.针对该问题,本文通过实验测试获得LC-SLM在不同波长入射时的位相调制特性曲线,并分析了RGB激光器各分量的位相调制特性曲线非线性偏差和调制幅度偏差对多阶位相型傅里叶变换相息图再现效果的影响.根据"查表法"建立了各波长入射条件下满足2π线性位相调制的灰度映射关系,并对RGB分量相息图进行修正.通过对修正前后RGB分量相息图的数值模拟再现和光电再现实验与分析,结果表明:该方法有效地克服了LC-SLM位相调制特性曲线偏差的不利影响,从而改善了彩色全息显示中各分量相息图的再现质量.     

Holographic distant display in dichromated gelatin

A transmission holographic optical element (HOE) has been manufactured, which changes the direction and divergence of light from a laser-illuminated transparent object, for example, a meter scale, so creating a virtual image a considerable distance from the viewer. The HOE is made in dichromated gelatin, with Ar laser light of wavelength 488 nm, and is reconstructed at 633 nm with a HeNe laser. Diffraction efficiency, luminance and contrast are measured at various points in the 16 X 16 cm² hologram. The visibility is good and there are modest distortions.