[发明专利]一种基于光学4f系统的超大成像深度三维显示方法

说明书

技术领域

本发明属于基于头盔的三维显示技术领域，主要解决三维显示景深小、长时间观看易疲劳、无法在单目头盔三维显示中应用的问题。

背景技术

采用视网膜投影成像的方法是常见的一种头盔辅助显示技术，透过光学投影显示装置，将形成的二维图像投影在固定的像面位置上，形成虚拟显示器。为了实现三维影像的观看，需将投影在视网膜上的虚拟二维影像转换成三维影像，现有的可借鉴的方法为基于双目视差的立体显示技术，但这种技术存在所形成的三维影像成像深度小，长时间观看易疲劳的问题，且仅能使用在双目头盔显示系统中。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在所形成的三维影像成像深度小，长时间观看易疲劳的问题，提供一种基于光学4f系统的超大成像深度三维显示方法。

本发明针对现有基于双目视差方法的三维头盔三维显示系统存在的问题，给出了一种基于光学4f成像系统的超大成像深度的三维头盔显示的新方法。该方法与现有的基于双目视差方法相比，可获得更大的成像深度，克服了长时间观看易疲劳的问题，且在单目和双目头盔显示系统中均能使用。

本发明提供的基于光学4f系统的超大成像深度三维显示方法，具体步骤如下：

第1、确定显示层数m及显示深度位置s_i，i=1，…m，m为整数，在本发明中，显示层数m越多，可显示的三维图像的纵向深度的信息的分辨率越高，理论上越大越好，但受到显示器件（本发明中的振幅型空间光调制器的分辨率）性能和相位模板的加工难度的限制，一般取3～10。将待显示的三维图像进行切片，获得m片显示深度位置分别为s_i，i=1，…m的二维图像，显示深度位置为每层二维图像距离基准面的距离，在本发明的显示系统中，该基准面为第二面傅里叶透镜（L2）所在的平面；

如图1所示，将三维图像沿x轴方向以一定的间隔分割成一系列的二维图像的薄片，本发明方法的光学系统可将这些二维薄片图像在相应不同深度的成像位置上重新显示出来，观看者沿箭头所示方向观看，即可看到三维显示图像。

第2、生成编码图像

设一级频谱距离频谱中心的距离为d，根据显示层数m，设计相应数量的不同角度的条纹图像，条纹的间隔为a，表示为：其中，λ为入射光的波长，f为光学4f系统中傅里叶透镜的焦距；将不同显示深度位置的二维图像与相应方向的条纹图像相乘，获得被条纹图像调制的图像，将这些图像相加，获得编码图像；

以三个字母A、B和C为例，它们分别代表不同显示深度位置的二维图像，所获得的被条纹调制的图像分别如图2中(a)、(b)和(c)所示，将这些图像叠加，可获得一幅编码图像，如图2中的(d)所示，该图像包含了不同显示深度位置的二维图像，且仅以二维图像的方式存储，实现了将三维图像存储在二维图像的目的。

第3、相位模板的构建

相位模板由m个不同焦距的透镜组成，每种焦距透镜的形状为扇形，并以中心对称的方式成对使用，不同焦距的扇形透镜拼接成一个完整的圆形，获得相位模板，相位模板的中心放置直径为φ的挡光板，φ=d；

其中，每种透镜的焦距由以下公式计算，

其中，f为傅里叶透镜的焦距，s_i为显示深度位置，即再现图像距离第二面傅里叶透镜（L2）的距离；

当s=f时，则相位模板中相应的扇形透镜的焦距无穷大，即该部分为光学平板。

第4、搭建基于光学4f系统的三维显示系统

在光学4f系统的输入面（P1）的位置放置以透射方式显示编码图像的二维图像显示装置（如振幅型空间光调制器），将第3步构建的相位模板放置在第一面傅里叶透镜（L1）的后焦面（P2）处，使不同显示深度位置的二维图像的一级频谱刚好落在相位模板上对应的每组透镜中；

第5、三维显示成像

将第2步生成的编码图像放置在光学4f系统输入面（P1）上，以透射方式显示编码图像，通过在第二面傅里叶透镜（L2）后面观察，即能够看到不同显示深度的二维图像在空间重构再现的三维图像。

根据傅里叶光学的基本原理，以准直光照射到编码图像上，在傅里叶透镜L1的后焦面P2上，即能够获得编码图像的二维傅里叶频谱，单一方向条纹调制的图像频谱的中心为零级频谱，如图4所示，不同方向的条纹调制的图像的一级衍射频谱，会分布在与条纹垂直方向且距离中心零级为d的位置上，其中，λ为入射光的波长，a为编码图像条纹的间距。