一种全息功能屏及其制作方法

摘要

本发明揭示了一种全息功能屏，当所述全息功能屏放置在所述参照面PR上时，可实现对各单一空间谱所承载视图图像信息Imn的输入信息作与空间抽样角ωmn相应的空间谱展宽，展宽到各视图Imn的输出空间谱分布相互衔接却又不至于重叠覆盖，以确保所恢复三维空间信息的数码全息空间谱被连续完整地还原输出，即：对应于所述全息功能屏上的每个体像素Hjk来说，空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角ωmn，从而获得以恢复复杂波前为目的的全息三维显示。还揭示了所述全息功能屏的制作方法。

权利要求

1.一种全息功能屏，可用于彩色实时全息三维图像显示系统，所述彩色实时全息三维图像显示系统包括摄影采集装置及投影还原装置；其中，所述摄影采集装置包括M*N个彩色二维图像摄取单元Cmn，用于对所要三维显示的物体O在其任意空间谱面S上进行M*N个空间谱抽样摄取，每个抽样点Smn对应于物体O的一个体像素Hmn，各图像摄取单元Cmn所采集到的信息相当于所述体像素Hmn所对应的空间谱视图Imn，以获取物体O的M*N个阵列抽样空间谱视图的图像信息；所述M*N个彩色二维图像摄取单元Cmn在空间谱面S上按照预定的空间抽样角ωmn排列，且将其各自的成像光轴锚碇在物体O所对应空间的同一参照点R上；每一个摄像单元均聚焦在所对应空间谱方向的物体O的可视表面以获得所述方向的清晰空间谱视图Imn；所述投影还原装置包括M*N个彩色二维图像投影单元Pmn，用于分别同时将所采集的M*N个体像素Hmn处的相应空间谱视图Imn沿与采集时相应的锚碇关系投影成像到与原物体O相对应的还原空间中某个参照面PR上，并使在所述参照面上各个投影视图的投影图案与原物体O在所述方向的空间谱视图的图案一致；所述M*N个彩色二维图像投影单元Pmn在所述空间谱面S在还原空间的对应面上按照与摄取时相同的空间抽样角ωmn排列，且将各投影单元Pmn的成像光轴锚碇在所述参照点R在还原空间的对应点上；其中，M、N、m、n为自然数，且M和N中至少有一个大于2；

其特征在于：

当所述全息功能屏放置在所述参照面PR上时，可实现对各单一空间谱视图Imn的输入信息作与空间抽样角ωmn相应的空间谱展宽，展宽到各空间谱视图Imn的输出空间谱分布相互衔接却又不至于重叠覆盖，以确保所恢复三维空间信息的数码全息空间谱被连续完整地还原输出，即：对应于所述全息功能屏上的每个体像素Hjk来说，空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角ωmn，从而获得以恢复复杂波前为目的的全息三维显示；所述全息功能屏具有规律性分布的微细空间结构，所述分布使得入射到所述全息功能屏上各个方向的输入光线都会有一个相应的全谱空间展宽输出，其空间展宽角为恢复特定空间三维信息所必需的空间抽样角ωmn。

2.如权利要求1所述的全息功能屏，其特征在于，所述M＝1，N＞2，所述全息功能屏对应于在水平方向有一有限展宽角ωn，使得水平方向上均匀排列的各空间谱视图In的输出空间谱分布完全充分地相互衔接，而垂直方向的散射角ωm则类似于普通投影显示屏，为一相当大的角度，即：所述全息功能屏为一在水平方向上有限展宽的垂直定向散射屏。

3.如权利要求1或2所述的全息功能屏，其特征在于，将所述全息功能屏经真空镀铝或其它介质成为反射型全息功能屏，用于正投反射式彩色实时全息三维显示。

4.一种如权利要求1所述的全息功能屏的制作方法，其特征在于，利用激光散斑法，根据彩色实时全息三维图像显示系统的输出光强均匀分布在为ωmn的空间抽样角内的假设，通过激光照射漫散射体后所产生的散斑颗粒尺寸及分布的参数控制来获得相应参数的散射空间角，控制漫散射光对待制备全息功能屏的锥形空间入射角为ωmn/2，从而获得锥形空间散射角输出为ωmn的入射光场自相关函数所决定的激光散斑微细结构浮雕型全息功能屏母版。

5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

A1.将激光光源出射的光束通过位于第一透镜的焦点上的快门然后散射，再经第二透镜复又聚焦成光斑，光斑在漫散射体上发生漫散射，漫散射光经光阑组件和第三透镜之后，在干板上聚成散斑成像，其中，控制产生光斑的通光孔径为一长条形，其宽度对干板的张角为ωn/2；

A2.再多次移动干板平台，配合快门的开关，使干板各个点都曝光成像。

6.一种如权利要求1所述的全息功能屏的制作方法，其特征在于，利用离轴全息微小透镜阵列法，根据彩色实时全息三维图像显示系统的输出光强均匀分布在为ωmn的空间抽样角内的假设，在离轴式全息透镜制作过程中，控制各全息微小透镜单元的锥形空间入射角为ωmn，从而获得衍射输出锥形空间扩散角为ωmn的浮雕型全息功能屏母版。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

B1.激光光束通过分束器分为两路，一路通过透镜以获取物光，另一路作为参考光，所述物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板上曝光，通过计算机控制照相快门的开闭和光刻胶板的移动，使照相快门的开闭和光刻胶板的移动相谐调，在光刻胶板上均匀地记录多个全息透镜的信息；其中控制光束至光刻胶板的通光孔径为一长条形，其宽度对光刻胶板的张角为ωn；

B2.对曝光后的光刻胶板金属化处理，经电铸、拼版产生全息透镜阵列母版；

B3.采用所述母版对热塑材料模压，取得附设全息透镜阵列信息的屏幕体。

8.一种如权利要求1所述的全息功能屏的制作方法，其特征在于，利用计算全息法，根据彩色实时全息三维图像显示系统的输出光强均匀分布在为ωmn的空间抽样角内的假设，利用计算全息原理计算出产生该空间光分布的傅里叶变换全息图，并采用电子束曝光或金刚石微细加工设备制作浮雕形全息功能屏母版。

9.一种如权利要求1所述的全息功能屏的制作方法，其特征在于，利用注塑微小透镜阵列法，根据彩色实时全息三维图像显示系统的输出光强均匀分布在为ωmn的空间抽样角内的假设，利用光学设计基本知识及加工工艺制作微小透镜阵列母版，使得各微小透镜曲率半径刚好将输入平行光线在为ωmn的空间抽样角内均匀发散，通过注塑工艺批量生产该微小透镜阵列所构成的折射型全息功能屏。

10.如权利要求4-9中任一权利要求所述的制作方法，其特征在于，通过模压全息图的生产工艺，批量生产所述全息功能屏。

11.如权利要求4-9中任一权利要求所述的制作方法，其特征在于，将所述全息功能屏经真空镀铝或其它介质成为反射型全息功能屏，用于正投反射式彩色实时全息三维显示。

12.如权利要求4-9中任一权利要求所述的制作方法，其特征在于，当单一全息功能屏所具备的有限展宽功能不足以衔接每个投影视图输出空间谱时，将多个全息功能屏重叠以使多套输出离散空间谱图案所构成的莫阿条纹满足完整空间谱输出要求。

说明书

一种全息功能屏及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种全息功能屏，用于在彩色实时全息三维图像显示系统中实现三维信息逼真还原的全息三维显示，和所述全息功能屏的制作方法。

背景技术

[0002] 本发明以全文引用的方式将中国发明专利ZL200410022193.7“数字散斑全息图的制作方法和装置”，以及中国发明专利ZL200510022425.3“一种全息投影屏及其制作方法、系统及应用”的内容并入。

[0003] 从上世纪初开始，科学家们从未停止过寻找合理的方法来解决“三维成像”的难题。尽管上世纪中期立体电影院和透镜板立体相片的实际应用标志着某种突破，人类仍然还远离有效实现直观传递与显示大自然三维信息-视觉空间搬移的超级梦想。这些现有技术共同的致命缺点就是虚假的立体感(比如在电影院中无论观众如何移动其看到的图像是完全一样的)、以牺牲对成像质量的分辨率要求来换取对三维现实的有限主观感受，以及其复杂的工艺实现途径，有些还需要繁琐的特殊观看眼镜。

[0004] 全息术的提出，标志着一种崭新的人类视觉媒介的诞生，它可以用三维的方式自然地传递与显示视觉信息。但它们距离彩色实时全息三维视觉空间搬移显示还有很大差距。脉冲全息术、组合全息立体图、彩虹全息术催生了目前已风靡世界的全息印刷与包装产业，其核心是针对文件与品牌安全的防伪保真提供防伪表征。数码全息打印技术带来了一种比传统计算机制作全息图(CGH)技术更合理的方法，以更有效率的全息记录方式替代了繁琐计算与编码，从而克服了以恢复振幅和位相为目的的输出困难问题。但数码全息至今仍被限制在打印显示全息图上。

[0005] 有关实时三维显示，在全息术发明前后都有大量方案被提出，然而，由于对这个问题的主观视觉处理方式以及缺乏合理的理论支持与实验条件，这些方案均未得到进一步发展。

[0006] 最近，随着电视信息技术的进步及空间光调制器(SLM)的妙用，三维全息电视的方案被提出用于实时三维显示，然而如电影或电视节目一样，这些方法均是利用视觉时间暂留效应将空间三维信息分时扫描输出实现三维显示，而非严格意义上的全息地展现电视信息的真实全息电视。还有许多方法提出直接再现SLM上电写入的全息图实现三维实时显示，以及增大视角、实现彩色显示等技术，由于受到现有SLM空间带宽积的限制，这些方法都明显远离实际应用，而该空间带宽积的提高却又最终受限于表现电子芯片集成能力的所谓摩尔定律。最近在《自然》，卷451/7，2月2008/694-698上所发表的文章“An updatable holographic three dimensional display”，看起来似乎给出了全息电视的曙光，但这种新全息材料的实际应用却仍难以想象。

[0007] 实际上，大自然本来就以真三维的形式展现给我们人类。二维图像信息只能让我们了解到事物的某个侧面，从而极大程度地限制了人们对事物本质的全面认识。遗憾的是，我们虽然居住在这个三维世界中，人类科技却无奈地只能用二维的方式来表现它，如：像片、电影、或电视节目，构成了20世纪留给我们的有效传递人类视觉信息的主要媒介。能否将按照一定规律所采集的上述海量图像信息，以真三维的方式重新解释并加以显示，[0008] 从而还原其所要表达的真实三维世界呢？怎样才能实现对上述海量图像信息的三维重构及显示呢？二维图像与三维显示究竟有着怎样的科学关联呢？这些问题是21世纪的科技发展所留给人们的必然思考。

发明内容

[0009] 本发明的目的就是提出一种全息功能屏，可用于全息投影实时三维显示系统，以实现人类长期以来梦寐以求的真三维显示。

[0010] 本发明的另一目的是提供所述全息功能屏的制作方法。

[0011] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0012] 一种全息功能屏，所述全息功能屏可用于彩色实时全息三维图像显示系统，所述彩色实时全息三维图像显示系统包括摄影采集装置及投影还原装置；其中，所述摄影采集装置包括M*N个彩色二维图像摄取单元Cmn，用于对所要三维显示的物体O在其任意空间谱面S上进行M*N个空间谱抽样摄取，每个抽样点Smn对应于物体O的一个体像素Hmn，各图像摄取单元Cmn所采集到的信息相当于所述体像素Hmn所对应的空间谱视图Imn，以获取物体O的M*N个阵列抽样空间谱图像信息；所述M*N个彩色二维图像摄取单元Cmn在空间谱面S上按照预定的空间抽样角ωmn排列，且将其各自的成像光轴锚碇在物体O所对应空间的同一参照点R上；每一个摄像单元均聚焦在所对应空间谱方向的物体O的可视表面以获得所述方向的清晰视图Imn；所述投影还原装置包括M*N个彩色二维图像投影单元Pmn，用于分别同时将所采集的M*N个体像素Hmn处的相应阵列抽样视图图像Imn沿与采集时相应的锚碇关系投影成像到与原物体O相对应的还原空间中某个参照面PR上，并使在所述参照面上各个投影视图图像的射影图案与原物体O在所述方向的空间谱射影图案一致；所述M*N个彩色二维图像投影装置Pmn在所述空间谱面S在还原空间的对应面上按照与摄取时相同的空间抽样角ωmn排列，且将各投影装置Pmn的成像光轴锚碇在所述参照点R在还原空间的对应点上；其中，M、N、m、n为自然数，且M和N中至少有一个大于2；

[0013] 当所述全息功能屏放置在所述参照面PR上时，可实现对各单一空间谱所承载视图图像信息Imn的输入信息作与空间抽样角ωmn相应的空间谱展宽，展宽到各视图Imn的输出空间谱分布相互衔接却又不至于重叠覆盖，以确保所恢复三维空间信息的数码全息空间谱被连续完整地还原输出，即：对应于所述全息功能屏上的每个体像素Hjk来说，空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角ωmn，从而获得以恢复复杂波前为目的的全息三维显示。

[0014] 一种全息功能屏的制作方法，利用激光散斑法，根据彩色实时全息三维图像显示系统的输出光强均匀分布在为ωmn的空间抽样角内的假设，通过激光照射漫散射体后所产生的散斑颗粒尺寸及分布的参数控制来获得相应参数的散射空间角，控制漫散射光对待制备全息功能屏的锥形空间入射角约为ωmn/2，从而获得锥形空间散射角输出约为ωmn的入射光场自相关函数所决定的激光散斑微细结构浮雕型全息功能屏母板。

[0015] 一种全息功能屏的制作方法，利用离轴全息微小透镜阵列法，根据彩色实时全息三维图像显示系统的输出光强均匀分布在为ωmn的空间抽样角内的假设，在离轴式全息透镜制作过程中，控制各全息微小透镜单元的锥形空间入射角约为ωmn，从而获得衍射输出锥形空间扩散角约为ωmn的浮雕型全息功能屏母板。

[0016] 一种全息功能屏的制作方法，利用计算全息法，根据彩色实时全息三维图像显示系统的输出光强均匀分布在为ωmn的空间抽样角内的假设，利用计算全息原理计算出产生该空间光分布的傅里叶变换全息图，并采用电子束曝光或金刚石微细加工设备制作该浮雕形全息功能屏母板。

[0017] 一种全息功能屏的制作方法，利用注塑微小透镜阵列法，根据彩色实时全息三维图像显示系统的输出光强均匀分布在为ωmn的空间抽样角内的假设，利用光学设计基本知识及加工工艺制作微小透镜阵列母板，使得各微小透镜曲率半径刚好将输入平行光线在为ωmn的空间抽样角内均匀发散，通过注塑工艺批量生产该微小透镜阵列所构成的折射型全息功能屏。

[0018] 将本发明的全息功能屏用于彩色实时全息三维图像显示系统中，能够实现对三维空间信息高度逼真的还原。

附图说明

[0019] 图1是物空间、空间谱面、观察空间示意图；

[0020] 图2是平面空间谱面示意图；

[0021] 图3是体像素示意图；

[0022] 图4是空间谱采集示意图；

[0023] 图5是空间三维信息还原示意图；

[0024] 图6是人眼看到M*N个点光源示意图；

[0025] 图7是体像素上离散空间谱示意图；

[0026] 图8是空间谱大角度均匀展宽输出示意图(单空间谱输入)；

[0027] 图9是空间谱大角度均匀展宽输出示意图(M*N空间谱输入)；

[0028] 图10是功能屏投影输出示意图；

[0029] 图11是水平视差投影输出示意图；

[0030] 图12是单谱与全谱展宽关系示意图；

[0031] 图13是定向散斑法制作功能屏示意图；

[0032] 图131是数字散斑产生基本原理示意图；

[0033] 图132是定向数字散斑产生基本原理示意图；

[0034] 图133是本发明实施例数字散斑全息图的制作方法和装置的示意图；

[0035] 图14是全息透镜法制作功能屏示意图；

[0036] 图141是本发明实施例全息透镜投影屏的制作系统光学结构示意图；

[0037] 图142为本发明实施例全息透镜信息记录原理示意图；

[0038] 图143为本发明实施例全息投影屏的制作方法基本制作流程示意图；

[0039] 图144为本发明实施例全息投影屏的制作方法具体制作流程示意图；

[0040] 图15是还原逼真度示意图；

[0041] 图16是应用本发明的全息三维显示系统的一个实验系统示意图。

[0042] 本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

具体实施方式

[0043] 本发明以全文引用的方式将中国发明专利申请200810241842.0“全息投影实时三维显示系统及方法”(要求其优先权)的内容并入。

[0044] 首先，对用到本发明全息功能屏的全息三维显示系统和方法进行说明。全息三维显示系统和方法包括空间三维信息的摄影采集、投影还原和在投影还原时用本发明的全息功能屏进行有限展宽。

[0045] 1、空间三维信息的采集

[0046] 假设一封闭曲面S包围着物体O，并定义S为物体O的空间谱面，因为该物体的完整空间谱都被包含在通过S上的每个点P所反映的O的视图上。理论上讲，S可以是平面、圆柱面、球面或其他任何形状的曲面，可被用以作为采集相应空间谱的抽样面。类似于普通透镜成像过程，定义S内为物空间而S外为观察空间如图1所示。当考虑S上的一点P的时候，观察空间变成了所谓的像空间，在那里物体O的相应空间谱在观察空间中形成了其相应视图的像，而当成像系统被引入的时候就在成像面上表现出一张图像照片。为了简化分析并使过程更加容易理解，假设上述的空间谱面S是一个平面，就像在观察空间中通过一面透明玻璃窗去看被研究物体，如图2所示。假设在该虚拟玻璃窗上放置一虚拟针孔如图3，该虚拟针孔可被当成被研究物体的空间谱抽样，其大小可由相应的探测器(如：人眼)的分辨能力所决定，称其为被研究物体O的“体像素”，并为其起一个英文名叫“Hoxel”。如果以视频的速度移动针孔对整个玻璃窗进行扫描，我们就会发现被研究物体以三维的形式展现在我们面前，就好像直接打开玻璃窗，而窗上蒙上了一层针孔般大小被称之为体像素的格子，它们对应于二维平面数码图像中的像素(Pixel)。换句话说，可以通过恢复玻璃窗上的每个体像素对应于其原来的空间谱表达，便可通过玻璃窗看到被研究物体的三维表现，在这里每个体像素与其同原物O同样透视的方式和其视图相关联，即：体像素是物体O的某个视点。

[0047] 在图2中，我们将玻璃窗分成M*N(M≥1，N≥1)个小单元等份，这相当于对被研究物体O在谱面S上进行空间谱抽样，如图4所示；当然，谱面S不一定是平面，它取决于最终三维信息的还原手段及表现方式。各个单元的中心点Smn便代表被研究物体O在谱面S上的空间谱抽样，它对应于物体O的一个视图Imn，根据本发明，可以由M*N个相同参数的数码摄像机在谱面S上的Smn相应位置对焦在物体O上的同一个点R而获得，该对焦点R取名为空间参照点。M与N的数量决定了三维空间还原的逼真程度，对传统全息术来讲，M与N的数量大得惊人，接近单光子量子抽样，使得谱面S上的空间谱几乎是连续均匀分布，从而最大限度地逼真还原了物体O所占据的三维空间。对于数码打印全息术来说，对这M*N张数码照片的各个像素Pmnjk进行拆分重组而形成另一套能在谱面上反映其原始信息的空间编码图案，便能逐点打印该图案的傅里叶变换全息图，构成相应的数码全息显示。当M＝N＝1时，相当于目前二维平面显示所对应的传统摄影摄像过程；当M＝1、N＝2时，相当于目前的体视对摄影及双目立体成像技术；当M＝1、N＞2时，相当于下述实施例中的水平视差(HPO)立体成像技术。

[0048] 2.空间三维信息的还原

[0049] 当把采集所获得的物体O的M*N个视图Imn，用M*N个相同参数的数码投影机投射到对应原物体O的某个平面上，且让各个视图投影的参照点R在该平面重叠，该平面取名为参照面PR，如图5所示；当然，各个投影视图Imn可以是原物体O的放大或缩小像，参照面PR也不一定是平面，同样取决于最终三维信息的还原手段及表现方式。在图5中，参考面PR上的光信息分布相当于原物体O被谱面S上M*N个空间谱所恢复信息的还原，在理论上，其具体过程可由光子离散能量几率分布波函数的离散傅里叶变换所表现。在这里，离散过程主要包括两个部分：一是对原物体O的空间谱抽样中所牵涉到的视图数字化过程，其表现为各视图数字成像的平面像素数目J*K，目前最典型的为1024*768；二是恢复原物体O的空间三维信息所需采集的空间谱数量，即这里所描述的M*N。当然，还有一个离散过程是关于时间的，这便是三原色叠加所带来的色彩恢复。

[0050] 将参考面PR分解成J*K个体像素Hjk，与原物体O各空间谱视图的平面像素Pmnjk大小相同且理想状况下完全重叠。现在我们分析一下参考面PR上光信息分布的基本特征及物理现象表现：

[0051] 1)如果PR上放置一个如图2所示的透明“玻璃窗”，透过该“玻璃窗”人眼所看到的将会是M*N个带有物体信息的点光源，如图6；而这时PR上每个体像素Hjk的空间谱被离散地分布在相应的M*N个方向，如图7所示。因此，当M*N的空间谱抽样密度与各个数码投影视图的像素数目J*K相当，便能直接恢复体像素为J*K的三维空间信息；但就目前信息科技水平来说，M*N远远小于J*K，从而，虽然M*N个像素数目为J*K的视图信息都被完整地反映在PR上，但人眼所能同时接收的毕竟只有M*N个原物O的空间谱某一小部分，它们构成了上述M*N个带有物体信息的点光源。

[0052] 2)如果PR上放置一个普通漫散射屏幕，则M*N个投影机中任何一个单独投影Imn都会显示出对应于物体该空间谱方向的完整清晰视图，即现有平面二维显示的所有特征，因为每个平面像素所对应的空间谱从单方向小空间角输入转换为均匀散射大空间角输出，使得各个平面像素的输出空间谱展宽相互重叠，形成一个相当大的空间观察范围，如图8所示。若M*N个投影机同时投影出相应M*N个空间谱方向的清晰视图，由于各个视图在同一体像素Hjk位置的平面像素Pjk的光强并不一致，相互叠加后会出现一堆模糊不清的重叠影像，如图9所示。因此，现代数码图像显示技术都是单空间谱输入，无论是电还是光，而对该图像的每个独立像素来说都会有一个均匀展宽的大观察角，即：同一空间谱信息的窄带输入宽带输出，使得每个像素在所有空间方向上保持同样的颜色和亮度。

[0053] 3)如果PR上放置一个本发明所提出的功能显示屏幕，其作用是将1)中所看到的M*N个带有物体信息的点光源刚好散射为每个投影机所占据的单元面积Amn，并完全相连(或仅有少许重叠)使得M*N个空间视图的信息在谱面上连成一片均匀光背景，如图10所示，则每个体像素Hjk的输出空间谱与数码全息打印一致，故能实现全视差完美三维空间信息的还原，其还原逼真度取决于M*N所决定的空间谱抽样密度。

[0054] 4)当M＝1、N＞2，且PR上放置一个水平展宽为抽样间距Dn的条形散射屏幕时，便能获得一个水平视差(HPO)完美三维空间信息的还原，如图11所示。

[0055] 3.三维空间信息的还原逼真度

[0056] 香农(Shannon)抽样定理为现代数码信息时代奠定了重要理论基础，它与傅里叶变换理论的有机结合便构成了现代数字信号通信及图像处理等信息科技最新成果的丰富内容，乃至数码全息。我们现在将讨论空间抽样角ωmn对三维空间信息的还原逼真度的影响。

[0057] 1)众所周知，人眼睛的角分辨率为1.5*10-4弧度左右，这就意味着面对光子抽样的大自然，我们每个人的每只眼都像一个空间谱探测器，在体像素的海洋中以上述裸眼叫分辨率肆意对焦并注视着任何一点。换句话说，如果ωmn＝ωE，由裸眼可辨认的所有全部三维空间信息将会被完美逼真地恢复，我们便能获得完美逼真的空间三维信息重构。这看起来虽然还相当遥远，但本发明的基本思想结合现有纳米技术及材料的研究将会是实现这一未来IT终极目标的有效现实途径。

[0058] 2)如果空间抽样角ωmn＞＞ωE，而清晰显示的最终标准是体像素的尺寸Δh与位于参照面全息功能屏幕上的各单一空间谱投影图像的平面像素相同。如图15所表示，功能屏上的每一个点可被合理地认为是将其单一空间谱信息在抽样空间角ωmn内发射，从而离开功能屏上的其它信息将被当作由大小为ΔZ*ωmn的光斑构成，这里ΔZ是离开功能屏前或后的距离。当Δh＝ΔZ*ωmn，可认为其相应体像素尺寸逼真度的空间恢复能力为：

[0059] 2ΔZ＝2Δh/ωmn

[0060] 表1为我们给出了一目了然的结果，可帮助我们设计任何全息三维显示工程。当然表中的严格依据是体像素尺寸，在实际应用中可被放大好几倍。

[0061] 表1：

[0062]

[0063] 由此，本发明提供一种全息功能屏装置，用于彩色实时全息三维图像显示系统，所述彩色实时全息三维图像显示系统包括摄影采集装置及投影还原装置；其中，所述摄影采集装置包括M*N个彩色二维图像摄取单元Cmn，用于对所要三维显示的物体O在其任意空间谱面S上进行M*N个空间谱抽样摄取，每个抽样点Smn对应于物体O的一个体像素Hmn，各图像摄取单元Cmn所采集到的信息相当于所述体像素Hmn所对应的空间谱视图Imn，以获取物体O的M*N个阵列抽样空间谱图像信息；所述M*N个彩色二维图像摄取单元Cmn在空间谱面S上按照预定的空间抽样角ωmn排列，且将其各自的成像光轴锚碇在物体O所对应空间的同一参照点R上；每一个摄像单元均聚焦在所对应空间谱方向的物体O的可视表面以获得所述方向的清晰视图Imn；所述投影还原装置包括M*N个彩色二维图像投影单元Pmn，用于分别同时将所采集的M*N个体像素Hmn处的相应阵列抽样视图图像Imn沿与采集时相应的锚碇关系投影成像到与原物体O相对应的还原空间中某个参照面PR上，并使在所述参照面上各个投影视图图像的射影图案与原物体O在所述方向的空间谱射影图案一致；所述M*N个彩色二维图像投影装置Pmn在所述空间谱面S在还原空间的对应面上按照与摄取时相同的空间抽样角ωmn排列，且将各投影装置Pmn的成像光轴锚碇在所述参照点R在还原空间的对应点上；其中，M、N、m、n为自然数，且M和N中至少有一个大于2；

[0064] 当所述全息功能屏放置在所述参照面PR上时，可实现对各单一空间谱所承载视图图像信息Imn的输入信息作与空间抽样角ωmn相应的空间谱展宽，展宽到各视图Imn的输出空间谱分布相互衔接却又不至于重叠覆盖，以确保所恢复三维空间信息的数码全息空间谱被连续完整地还原输出，即：对应于所述全息功能屏上的每个体像素Hjk来说，空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角ωmn，从而获得以恢复复杂波前为目的的全息三维显示。

[0065] 所述全息功能屏具有规律性分布的微细空间结构，所述分布使得入射到所述全息功能屏上各个方向的输入光线都会有一个相应的全谱空间展宽输出，其空间展宽角为恢复特定空间三维信息所必需的空间抽样角ωmn。

[0066] 在一种实施例中，前述的M＝1、N＞2，如图11所示，所述全息功能屏对应于在水平方向有一有限展宽角ωn，使得水平方向上均匀排列的各视图In的输出空间谱分布完全充分地相互衔接，而垂直方向的散射角ωm则类似于普通投影显示屏，为一相当大的角度，即：所述全息功能屏为一在水平方向上有限展宽的垂直定向散射屏。如图16所示，其展示了本实施例的全息功能屏在彩色实时全息三维图像显示系统的一个实验例中的应用，其中M＝1，N＞2，即输出空间谱只在水平方向上进行有限展宽，此时Cmn、Pmn亦可表示为Cn、Pn。

[0067] 本发明进一步提供以下几种制作全息功能屏的方法。

[0068] a)定向散斑法

[0069] 利用中国发明专利ZL200410022193.7“数字散斑全息图的制作方法和装置”，有多种数字或非数字方法制作该全息功能屏作用的定向散射型模压全息母板。其基本原理是利用激光照射漫散射体后所产生的散斑颗粒尺寸及分布的参数控制来获得相应参数的散射空间角，这可以通过在制作过程中加入合理形状和大小的通光孔径而得以实现。如图13所示，通光孔径与全息功能屏所形成的空间角约为ωmn/2。对应于图11所示的水平视差全息投影显示来说，图13中的通光孔径为一长条形，其宽度对全息功能屏的张角为ωmn/2(M＝1，此时可表示为ωn/2)。

[0070] 图131-133示出了用定向散斑法制造功能屏的一个实施例。

[0071] 如图131所示，数字散斑产生的基本原理为：一个中心波长为λ，带宽为Δλ的激光光源1-20，照射在大小为δu*δv的漫射体上，漫射体的特征光学不平整度为ld，漫射元大小Δu*Δv。在相距h的xy平面内进行观察，所观察到的散斑花样是：

[0072] (1)若Δλ＜＜ld，散斑的对比度等于1，

[0073] (2)散斑的大小为：δx＝λh/δu……….(1a)

[0074] δy＝λh/δv………(1b)

[0075] (3)散斑覆盖区域的大小为：Δx＝λh/Δu…(2a)

[0076] Δy＝λh/Δv…(2b)

[0077] (4)散斑辐射度图样的自相关函数，其形状如同漫射体上辐照度图样的傅里叶变换。

[0078] 从图131和公式(1a)(1b)可以看出，若漫射体大小δu＜＜δv，则散斑图上，δx＞＞δy，散斑为条形散斑即定向散斑。

[0079] 如图132所示：如果光照射如图所示的散斑图，则其光线将沿垂直于散斑的方向散射，即散射光具有方向选择性。

[0080] 如图133所示，本发明数字散斑全息图的制作方法包括步骤：

[0081] ①首先设置包括激光光源1-10、透镜1-31、1-32、1-33、快门1-40、漫散射屏1-50、光阑组件1-60、干板1-70和干板平台1-80的光学成像系统1；所述透镜1-31设置于激光光源1-10和快门1-40之间，快门1-40之外依次设置透镜1-32、漫散射屏1-50、光阑组件1-60、透镜1-33、干板1-70和干板平台1-80，所述干板1-70固定于干板平台1-80之上；

[0082] ②然后开启激光光源1-10出射光束1-20，光束通过位于透镜1-31的焦点1-24上的快门1-40然后散射，再经透镜1-32复又聚焦成光斑1-25，光斑1-25在漫散射屏1-50上发生漫射，漫射光经光阑组件1-60和透镜1-33之后，在干板1-70上聚成散斑1-27成像，其中，控制产生光斑的通光孔径为一长条形，其宽度对干板的张角为ωn/2；

[0083] ③再多次移动干板平台1-80，配合快门1-40的开关，使干板1-70上各个点都曝光成像。

[0084] 所述光斑1-25的大小由调节透镜1-31、1-32之间的距离获得。

[0085] 本实施例还设置伺服系统1-2。

[0086] 优选地，所述移动干板平台1-80，是由伺服系统1-2中干板平台驱动器1-98受微计算机1-100控制所驱动；所述转动光阑组件1-60，是由伺服系统1-2中光阑组件驱动器1-96受微计算机1-100控制所驱动；所述快门1-40的开关，是由伺服系统1-2中快门驱动器1-94受微计算机1-100控制所驱动；所述微计算机1-100中固化控制软件，散斑的形态和排列规律是由软件控制的。光阑组件驱动器1-96转动光阑组件1-60时，分别转动长阑
1-61和圆阑1-63。

[0087] 采用本方法时，所需的空间谱展宽角ωmn取决于还原时投影头的中心间距相对人眼的张角，可通过控制产生光斑的通光孔径约为ωmn/2，从而得到功能屏的所需展宽角ωmn。

[0088] 本方法的缺点是只能定性地反映所制作屏幕的散射空间角分布，而不能严格定量地表现其空间谱展宽，但作为本发明实施例现实阶段的应用却已绰绰有余。

[0089] b)全息透镜法

[0090] 利用中国发明专利ZL200510022425.3“一种全息投影屏及其制作方法、系统及应用”，也有多种数字或非数字方法制作具有该全息功能屏作用的离轴式定向衍射型模压全息母板。其基本原理是严格控制全息微透镜阵列制作过程中各个微小全息透镜的空间扩散角严格为ωmn，如图14所示。对应于图11所示的水平视差全息投影显示来说，图14中的通光孔径为一长条形，其宽度对功能屏的张角为ωmn(M＝1，此时可表示为ωn)。

[0091] 图141-144示出一个用全息透镜法制作该功能型定向散射屏幕的例子：

[0092] 根据图141所示，本实施例的制作系统包括计算机2-1、激光器2-2、照相快门2-3、分束器2-4、光刻胶板2-5、透镜2-61、2-62、光阑2-7、空间滤波器2-8和平面反射镜2-91、2-92。

[0093] 激光器2-2发出激光光束，激光光束通过分束器2-4分为两路，一路获取透镜2-61的物光，另一路作为参考光，物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板2-5上，在物光与参考光的光路中均设置空间滤波器2-8，空间滤波器2-8包括扩束镜2-81和针孔2-82，扩束镜2-81置于针孔2-82的前端，两个空间滤波器2-8分别对物光和参考光进行相应的滤波处理。

[0094] 照相快门2-3置于激光光束前端，控制物光和参考光在光刻胶板2-5上的曝光，计算机2-1控制照相快门2-3的开闭、曝光量，和光刻胶板2-5的移动，使照相快门2-3的开闭和光刻胶板2-5的移动相协调。

[0095] 物光光路如下：

[0096] 激光器2-2→照相快门2-3→分束器2-4→平面反射镜2-92→空间滤波器2-8→透镜2-61→光阑2-7→透镜2-62→光刻胶板2-5。

[0097] 参考光光路如下：

[0098] 激光器2-2→照相快门2-3→分束器2-4→平面反射镜2-91→空间滤波器2-8→光刻胶板2-5。

[0099] 如图142所示，物光O通过透镜L聚焦于焦点O’，透镜L的孔径为D焦距为f。将全息记录材料H置于焦点O’附近距焦点O’距离为f’处，H上物光光斑直径为d，参改光R以入射角A射入记录全息图，这样记录的全息图相象于孔径为d，焦距为f′，再现角为A的全息透镜，其视场角θ与透镜L相同，即：2tgθ＝D/f＝d/f’。按照图141所示的光路，沿x和y方向平移全息材料H，平移距离为全息透镜的孔径d，顺序曝光，则得到一全息透镜阵列H即全息屏幕，其最小分辨距离为全息透镜的大小d。

[0100] 如图141和图143所示，本发明的基本制作流程如下：

[0101] I)在光刻胶板2-5上通过物光和参考光在其上的曝光，记录全息透镜信息。

[0102] II)对曝光后的光刻胶板金属化处理，经电铸、拼版产生全息透镜阵列母版。

[0103] III)采用该母版对热塑材料模压，取得附设全息透镜阵列信息的屏幕体。

[0104] 如图141和图144所示，本实施例的具体制作流程如下：

[0105] 1.激光器2-2发出的激光光束通过分束器2-4分为两路，一路获取透镜2-61的物光，另一路作为参考光，所述物光与参考光以一夹角汇射于光刻胶板2-5上曝光。

[0106] 2.通过计算机2-1控制照相快门2-3的开闭和光刻胶板2-5的移动，使照相快门2-3的开闭和光刻胶板2-5的移动相协调，在光刻胶板2-5上均匀地记录多个全息透镜的信息，在本发明中，计算机1可以控制照相快门2-3的曝光时间、曝光量等，同时，计算机2-1控制光刻胶板2-5在x方向和y方向的位移，例如计算机2-1控制精密步进电机的转动，从而带动光刻胶板2-5移动。

[0107] 3.每当在一个位置曝光后，计算机2-1控制光刻胶板2-5移动至下一个位置，再进行曝光，如此循环，在光刻胶板2-5上均匀地记录多个全息透镜的信息，形成全息投影屏，其中控制光束至光刻胶板的通光孔径为一长条形，其宽度对光刻胶板的张角为ωn。

[0108] 4.对曝光后的光刻胶板金属化处理，经电铸、拼版产生全息透镜阵列母版。

[0109] 5.采用该母版对热塑材料模压，热塑材料采用透明材料，热塑材料可为聚酯(PET：Polyester)、聚氯乙烯(PVC：Polyrinyl Chloride)、聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)或双向拉伸聚丙烯(BOPP：Biaxial Oriented Polypropylene)等，材料模压可呈硬板型或薄膜型。

[0110] 6.在模压后的热塑材料的全息透镜阵列上镀保护层，保护层可采用透明或半透明介质保护层，如硫化锌ZnS或二氧化硅SiO2等，也可以采用金属反射材料保护层(如镀铝、铜等)，最后取得以热塑材料为基低材料的屏幕体，该屏幕体上附设全息透镜阵列信息。

[0111] 采用此方法制作功能显示屏时，可通过调节光阑尺寸以在屏上形成张角ωmn来调节所产生全息透镜的空间发散角，从而调节全息功能屏的空间谱展宽角ωmn。

[0112] 本方法的优点是可以精确控制所制作屏幕的空间扩散角分布，缺点是斜入射投影，难以克服由色散带来的颜色失真，这种失真现象对水平视差全息投影显示来说影响不大。本方法的另一突出优点是其透明成像特征，使得其图像显示悬浮在空中，从而更具三维显示魅力。

[0113] c)计算全息法

[0114] 对该同轴式定向衍射型全息功能屏的制作实际上等效于制作一个衍射效率极高的同轴傅里叶变换全息图模压全息母板，该全息图在谱面上刚好表现为每个投影机所占据单元面积Amn上的均匀光强分布。而该傅里叶变换全息图，完全可以通过计算全息理论及现有电子束曝光或金刚石精密数控雕刻输出工艺来获得。

[0115] d)注塑成型微透镜法

[0116] 只要设计一个空间发散角为ωmn的微透镜模具，然后利用注塑成型方法用其阵列模具复制出相应的塑料板微透镜阵列，便能有效地制作出该功能型散射屏；微透镜的大小决定了三维显示的清晰度，而发散角ωmn取决于投影机的排列参数。

[0117] e)莫阿条纹展宽法原理及方案

[0118] 当a)，b)，c)，d)任何一种方式所制作的全息功能屏所具备的有限展宽功能不足以衔接每个投影图像输出空间谱时，可将该类屏幕重叠，以期同样两套输出离散空间谱图案所构成的莫阿条纹满足完整空间谱输出要求。

[0119] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。