全像漂浮影像显示原理.pdf

全像漂浮影像顯示原理 計畫主持人/參與研究生：陳政寰/邱博聖、周府隆 摘要 立體顯示一直是人們想實現的目標，而漂浮影像更是其中的聖杯。 現今立體顯示技術中，多半需占有一定實體空間造成與觀察者有距離 感，或是需要配戴偏振眼鏡才能看到立體影像。電影《 Star Wars》中 的立體通訊系統，以及《鋼鐵人》中的漂浮觸控實驗桌，將漂浮影像 概念展現在世人面前，其為一種影像可視但不可觸及漂浮在空中的顯 示型式。因其不占有體積且相較體積龐大顯示裝置更有未來發展性。 顯示系統希望用於人眼直接觀看，因此採用發光二極體 (Light Emitting Diode, LED)為系統光源，搭配純相位調變之矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCoS) 空間光調制器(Spatial Light Modulator, SLM) 設計光學系統並運用適當全像演算法產 生立體影像，以實現立體顯示 之漂浮影像，另外因為 LED 為低同調性光源，因此也加上針孔增加 其同調性。此系統雛型不僅可讓人眼直視，亦可讓影像漂浮到約 70 公分遠處，在未來更可進一步發展到環場可視的漂浮影像系統。 系統架構 圖一為本研究的幾何成像以及全像顯示系統的架構圖，目前採用 單一光源來證實理論之可行性。以下變說明系統架構原理，首先由電 腦根據 Fresnel diffraction 公式計算出全像圖，經由 HDMI線輸入到空 間光調制器，並以加了針孔的 LED 光源當作重建光來重建影像。最 後根據幾何成像原理，將重建影像置於凹面鏡的一倍焦距到兩倍焦距 之間，即可將重建之虛像再次程像為空間中的實像。   圖一： (a)光學設計架構 (b) 系統架構 不同深度之影像 為了產生不同深度之影像，將立體影像根據不同深度平面做分割， 並將每一不同深度的平面進行全像計算 ，最後再將不同平面的相位圖 疊加起來，因此一張全像圖就可以重建出不同深度的影像。圖三中， 我們利用快速傅立葉轉換，可以分別得到兩個不同深度的相位資訊， 並將他們的電腦全像圖疊加，如此一來即可利用一顯示面板產生不同 深度之影像。 圖三：兩不同深度之箭頭經計算後疊加在同一張全像圖內 上述圖一(b)為系統之架構圖，將計算好的電腦全像圖輸入到矽 基液晶面板，重建光部分由一綠光 LED 加上 0.3mm的針孔組成，最 後利用凹面來使重建的虛像再次成像為實像漂浮在空間中。在圖四 (a) 中兩個箭頭在不同的距離，因此有不同的放大率。為了證明箭頭確實 漂浮在空間中，在圖四 (b)中利用螺絲起子協助定位，並利用移動視 差法，左右搖動來證實箭頭確實位於螺絲起子的位置上。 圖四： (a) 兩個不同深度箭頭 (b)箭頭漂浮的位置為螺絲起子所在處 3D 立體影像 若為平面影像加上不同深度即可產生立體的影像，我們利用旋轉 矩陣計算出立方體邊長上每一個點的座標，並根據不同深度計算電腦 全像圖，最後再將每一張全像圖疊加起來，即可利用前述之系統重建 出有立體效果的立方體影像，如圖五所示。 圖五： (a)旋轉立體方塊 (b)LCoS內之影像 (c) 空間中的飄浮實像 結論 1. 本篇採用綠光 LED 為系統光源，搭配純相位調變之矽基液晶 (Liquid Crystal on Silicon, LCoS) 空間光調制器(Spatial Light Modulator, SLM)建構光學系統，以實現立體