浅谈三维显示技术

浅谈三维显示技术

摘要：目前许多研究者已经把三维显示系统作为下一代最有潜力的显示系统，并已经提出了许多三维显示技术，三维立体显示技术在未来几年必将掀起了一场3D

视觉革命。当前研究中的三维立体显示器件可以分成三类：戴眼镜式、多视点

裸眼式、真三维显示。当前市场上可以看到的三维显示器件主要是戴眼镜式和

多视点裸眼式，上述两种显示技术的主要问题是长时间观看会产生视觉疲劳。

真三维显示可以消除视觉疲劳，特别是近几年，全息立体显示技术发展迅速，

包括硅基液晶、光折变材料、表面等离子体等技术实现新型的全息立体显示方

式。三维显示技术的已成为当前的研究得热点，其中可以真实得再现出与真实

物体一样的深度和视差信息的全息显示技术，被认为是最理想的三维显示。可

以预见在未来的5至10年以后，具有高临场感、浸入式的三维立体显示技术将

无处不在。本文首先介绍了三维显示技术的背景和发展概况，接着简要介绍了

各种三维显示技术的原理及特点。

我们生活的世界是立体的，我们的眼睛在现实世界中获取的视觉信息，有很多都具有立体的三维信息。当然我们在现实生活中所接触到的大量图像信息中也有很多都是平面视觉信息，例如在报纸、杂志、电视机上看到的图片或者视频图像，这些信息均是对三维实物或场景的二维投影表达，从而失去了诸如：立体视差，移动视差等的心理暗示，没有真正的立体感。今天我们周围出现了越来越多用计算机模拟出来的三维景物。它们主要应用于各种各样三维显示的软硬技术中。这些技术无一例外都必须符合人眼立体感知的机理，提供足够多的三维感知因素使人们能有一种强烈的立体感。现有的一些三维技术，虽然能实现一定的三维显示功能，但长时间观看会有头晕、疲惫的感觉，主要原因在于技术设计上。没有很好地考虑人眼立体感知的工作机理。目前国内外已有不少这方面的研究，但大多分布在认知心理学、计算机科学等几个领域内的零散文献中。真实地再现世界始终是成像技术的重要发展方向。近几年来，由于计算机性能和处理能力的大大提高，计算机图形图像技术也得到了快速的发展，进而出现了各种各样的三维图像，并且在三维显示方法和系统实现方面也做了不少研究。

按基本工作原理是否为双目视差将三维立体显示分为两大类。基于双目视差原理的三维立体显示主要有眼镜立体显示和光栅式自由立体显示，这类三维立体显示的技术相对成熟并有相应产品；非基于双目视差原理的三维立体显示主要有全息立体显示、集成成像立体显示和体显示等,这类三维立体显示的技术较不成熟,大多没有相应产品。接下来对这些三维立体显示的器件结构、工作原理以及各自的特性进行阐述。

首先，必须了解什么是视差。视差就是从有一定距离的两个点上观察同一个目标所产生的方向差异。从目标看两个点之间的夹角，叫做这两个点的视差，两点之间的距离称作基线。只要知道视差角度和基线长度，就可以计算出目标和观测者之间的距离。

基于戴眼镜的三维立体显示技术的原理如下：此种三维立体显示是在观看者双眼前各放置一个显示屏, 观看者的左右眼只能分别观看到显示在对应屏

上的左右视差图,从而提供给观看者一种沉浸于虚拟世界的沉浸感。这种立体显示存在单用户性、显示屏分辨率低、及易给眼睛带来不适感等固有缺点。

光栅式自由立体显示的原理如下：光栅式自由立体显示器主要是由平板显示屏和光栅精密组合而成,左右眼视差图像按一定规律排列并显示在平板显示

屏上,然后利用光栅的分光作用将左右眼视差图像的光线向不同方向传播,当

观看者位于合适的观看区域时其左右眼分别观看到左右眼视差图像,经过大脑

融合便可观看到有立体感的图像。

全息三维显示技术的原理如下：它是利用干涉原理将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,形成全息图,全息图中包含了物光波前的振幅及

位相信息。当用相干光源照射全息图时,基于衍射原理重现原始物光波,从而形成原物体逼真三维图像。全息立体显示是一种真三维立体显示技术,观看全息

立体图像时具有观看真实物体一样的立体感。全息图的每一部分都记录了物体各点的光信息,故即使全息图有所损坏也照样能再现原物体的整个图像。通过

多次曝光可在同一张底片上记录多个不同图像且互不干扰地分别显示出来。

集成成像三维显示技术的原理如下：它也由记录和再现两个基本过程组成, 与全息技术不同的是其记录再现过程并不需要相干光的参与,而是利用二维微

透镜阵列来实现。第一步将记录介质置于微透镜板的焦平面上,每个微透镜单

元从不同的方向记录物体空间的部分信息,将每个微透镜单元所记录的一幅幅

小图像称为子图像,空间物体的视差信息就被这一幅幅子图像记录下来。第二

步将记录介质置于具有相同参数的微透镜阵列的焦平面上,用散射光照射,由

光线可逆原理就可在微透镜板另一侧观看到再现物体空间场景。利用集成成像技术实现三维立体显示可供多个观看者同时观看且无需配戴特殊眼镜,观看三

维图像时不存在眼睛会聚与调节不匹配的问题,再现的三维场景具有全真色彩

以及连续视差。

体显示技术的原理如下：体显示通常是将三维物体分割为点阵或一系列二维图像,再依次扫描利用人眼的视觉暂留效应形成立体图像。体显示可供多个

观看者同时从不同角度观看到同一显示图像的不同侧面,且兼顾了人眼的调节

和会聚特性,不会引起视觉疲劳。

由于全息三维显示技术是目前最理想的三维显示技术，这里着重阐述一下它的应用以及发展前景。经过近十几年的发展,全息术在实际中的应用已相当

广泛。1) 模压全息技术：模压全息技术是把全息和电镀、压印等技术结合起

来的一种技术,它使全息技术冲破实验室的束缚实现市场化。这种模压全息技

术可以像印刷一样大批量快速复制,又可以和其他印刷术结合使用,且价格低廉,被称为“21 世纪的印刷术”。由于全息图的制作工艺复杂,技术难度大,再

加上在拍摄过程中, 可以加上编码技术进行加密处理,所以模压全息技术已作

为一种行之有效的防伪手段越来越广泛的用于商品包装、信用卡、钞票等的防伪上。此外,由于激光全息图的色彩神奇、图像逼真,在艺术和装饰等方面也颇受青睐。2) 全息干涉计量：用全息干涉的方法进行精密测量,称为全息干涉计量,是目前全息应用最广泛的领域之一。干涉计量的基础是波前比较。全息术

是唯一能记录和再现波前的技术,这使我们有可能用严格标准波前与一个编写

物体产生的波前相比较而实现干涉计量。由于标准波前和变形波前是通过同一光路来产生的,因而可以消除系统误差, 这样对光学元件的精度要求可以降低,这是其它干涉计量方法不容易做到的。目前, 全息干涉计量分析在无损检验、振动分析、微应力应变测量、形状和等高线的检测等领域中已得到广泛的应用。

目前,全息技术的产品正越来越多地走向市场,而且这种新技术正以极大

的魅力吸引着众多的科技人员致力研究,其发展前景无限美好。下述课题的研