INFITEC – 一种新型的波长多元成像立体显示工具

概要
目前，3-D立体成像的生成（例如，虚拟物体的成像）所用到的技术有：利用遮光眼镜的主动立体以及利用偏振镜片的被动立体。 INFITEC是一种全新的立体成像技术，该技术将可见光谱以三元素在不同的波长中传送图象信息。在该体系下干扰微乎其微。在INFITEC体系下左右眼的图象光谱是互为补充的,理论上,两幅图象都可以只用一个光源来生成。不仅如此，波长多元成像立体显示兼容多人观察功能。

介绍
空间成像技术对于各个领域专业用户的各种应用都非常重要，这些用户包括业余爱好者到专家。在后者领域的应用中通常包括数字成像技术并且在过去的几年当中他们经历了特定的快速成长过程。在图形卡性能日趋增长的驱动下，与此同时（以虚拟现实为首）大量的应用开始涉及虚拟物体的空间成像技术。
实际上，新的性能已经在实际当中应用，例如新产品的研发，在生产极为烦琐的新产品样机之前，他们即可在设计或构建过程当中对新产品的不足进行论证。

立 体 成 像
自然界中，对深度的感知是建立在不同的透视之上的，这些透视与观察者眼睛所处的不同位置相关。为了创建人工识别的深度，成像系统必须显示两幅与左右眼位置相关的图象。在该种立体成像方式中图象需要被分配到观察者各自的眼睛当中。
可以通过不同的方式来实现：
- 在自动立体成像系统中图象被分配到不同角度的视野当中（该技术的原理请参见Fig. 1）。 自动立体成像系统中观察者不需要特殊的眼镜。理论上也可以实现同一物体的多人观察。因此，该系统允许单个的观察者获得被显示物体独立的透视图。自动立体成像系统的缺点是它的低解析度。为了显示n 个透视图(n通常为10的倍数)其解析度将减少n倍( Fig. 1)。
- 在大荧幕的立体投影显示中（大荧幕立体投影显示可以轻易的提供沉浸感而非常适宜于虚拟现实系统） 图象可以用主动或被动立体技术来分配。在主动立体系统中左右眼的图象是交替显示的。为了将图象分配到不同的眼睛当中去，观察者需要佩带遮光眼镜以抑制多余的图象。 遮光功能通过液晶板来实现，这种眼镜需要供电（这是为什么叫做主动立体的原因）。 作为选择，在立体投影系统当中，被动立体也被用到。在这些系统当中，左右眼的图象通常都被极化，各自的极化是相互垂直的。观察者所佩带的眼镜带有偏振器（该偏振器不需要供电因此被称作被动立体）。主动和被动立体相对于自动立体成像模式的优点（除大尺寸之外）是高解析度。然而该方式有严重的缺陷，其限制了位于平行于图象的其他所有角度的第二个观察者对虚拟物体空间两幅图象的获取（无多人观察功能）。
在接下来的部分我们将讨论一种新的可以显示高解析度图象的被动立体模式。另外，该模式基本上可以兼容多人观察功能。

波长多元成像立体显示 – 工作原理

进入人眼的光线被与三基色蓝、绿、红相关的三种感应器分离为三个不同范围的光谱。 三种感应器对波长的灵敏度可以描述为Fig. 2. 表1概括了波长的最大灵敏度以及各自类型感应接收器的曲线FWHM（半最大值全波）值。根据位于人眼的三种不同类型的接收器，颜色由三个像素来确定。每个像素发射出与之相关类型的接收器灵敏度范围之内的光线。

发射的光谱宽度通常不是决定因素。该参数仅仅决定了主色的饱和度。大多数饱和色通过非常窄带宽的主色由显示器获取，例如：激光显示，所用到的几乎都是单频基色(Fig. 3)。然而在波长多元成像立体显示（另外一种原本就有的显示可能性）中，所利用的就是窄带宽主色，也就是说可以以不同的三基色元素平行的传送图象信息。

为了将这些信息分配到相关的接收器（观察者的眼睛）这些信息就必须在输入的时候由晶体振荡器广播的发射器信号进行依次滤出(Fig. 4)。 对于人眼的频率而言，相应的周期由高Q值滤光片对应，该滤光片由多层绝缘材质构成，例如：玻璃感光底层。这些滤光片可以被融合到普通眼镜当中。

Q值（与过滤器灵敏度相关）决定了能被平行显示的图象内容的最大尺寸。原则上滤光片是与振荡器相关联的，振荡器的数量决定了滤光片的灵敏度。增加振荡器的数量可以提高滤光片的灵敏度。

以两组三元素B1-G1-R1、B2-G2-R2为例，波长多元原理可以被用来显示立体图象（Fig. 5）。为了平行的增加观察者的数量（多人观察能力，参见前述），三元素的数量应该增加到观察者人数的两倍（每个观察者两个立体透视图）。可以观察到所有三元素的边界条件是所有的单频基色(B1 ... Bn, G1 ... Gn, R1 ... Rn)都位于人眼各自感应末梢的带宽之内。

由FWHM（半最大值全波）值可以看出，该带宽（对每个主色都有效）总计约为50nm。因此，波长多元成像立体显示综合了自动立体（多人观察能力）和立体镜学（高图象质量、高清晰度）的优点。

除此之外，波长多元方案在图象对比度方面有一个对置前投影有明显优势的特征：由于使用的是窄带，滤光片仅仅允许一小部分的日光透过，滤光片有效的增加了在明亮房间图象的对比度，该优点对于单色显示器同样有益（仅仅需要一个波长的三元素）。

另一个实用性体现在可以将多层绝缘材质（该材质决定了滤光片的特性）通过光学校正沉降在普通眼镜上。正因如此，用户可以不需要额外的眼镜而佩带自己附着了特殊的多层绝缘材质的眼镜。

INFITEC 系统 – 首个全彩色波长多元实现方案
显然，激光与基色高度一致，激光显示是波长多元成像的最理想的方式。不幸的是，现有系统的波长是不可调节的，另一方面，激光源即使可调也达不到显示所需要的功率水平。
因此我们的实验工作由另外一个系统开始，即热光发射源投影系统（Fig. 6），在该系统中三元素波段发射特性由整合于投影系统中的三元素波段过滤器生成（Fig. 7）。Fig. 8 a – c分别表示了在有和没有加入滤光片情况下的光谱发射量。
利用了INFITEC（滤光片技术）系统的立体投影通过在左眼图象上使用A型(基色：B1 - G1 - R1)滤光片，在在右眼图象上使用B型(基色：B2 - G2 - R2)滤光片实际上可以清晰的划分出通道，由于立体投影系统使用的是偏振镜片因而不会有任何的干扰。
左眼图象的颜色会略微偏红，右眼图象的颜色会略微偏绿。然而在两幅图象同时显示的时候两种颜色会相互抵消，最终的图象将会正常显示。色彩显示的主要因素是(i)最接近R1主色的红色感应器的最大值以及(ii)最接近G2主色的绿色感应器的最大值(Fig. 2)。
我们发现左右眼图象的色彩可以通过一个主色电子混频的公式有效的大致近似：
R' = a11 R + a12 G + a13 B (1)
G' = a21 R + a22 G + a23 B (2)
B' = a31 R + a32 G + a33 B (3)
该公式必须应用到左右两眼图象的信号。通过该公式我们可以得到一个在某种程度上令人满意的大致色彩， 同样通过投影系统就可以生成非常强劲并可以接受的色彩显示。通常，每个投影系统的灯光所呈现的属于该组的线形光线( Fig. 9 a)就象各自基色的强度那样是完全不一样的( Fig. 9 b , c)。
将来激光显示系统的相关要素将综合到一起也就是说将降低对额外电子色彩校正公式的依赖。

总结和展望
波长多元成像立体显示是一种可以多人同时获得正确透视图的立体图象显示技术。为了获得该功能该显示技术必须通过获取有效的窄带基色来实现。
简而言之，波长多元成像可以通过INFITEC技术实现，在该技术中窄带基色通过过滤宽带放射光源来生成。在INFITEC体系下左右眼的图象光谱没有共同部分（是互为补充的）,理论上,两幅图象都可以只用一个光源来生成。这就使得实现只需要一个光源一个物体的便携式立体投影仪成为可能。