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1、空间三维显示一、什么是空间三维显示？1、 传统意义上的三维是在平面 上通过一定的构图方式，使得图形有 深度上的变化，从而给观测者造成视 觉上的假象，产生立体的印象。这种三维图象并不占用一定体积 的物理空间，仅仅是在平面上显示了 三维的图形。即构成图象的元素仍然 是平面的。2、空间三维显示是通过立体显示器显 示出占用实际物理空间的立体图形。3、两者区别构成元素平面三维显示的构成元素是点 、线、面，它们都是二维元素；立 体三维显示的构成元素是体素，它 是三维元素，相比于二维元素，更 复杂，表现力更强。对物理空间的占据平面三维显示不占据物理空间，而立体 三维显示由于构成元素是三维的，所以需要 占据一
2、定的物理空间。 显示器平面显示器只允许观测者同时看到所显 示物的一个面，而立体显示器则允许观测者 从360度对显示物进行观测。4、构成空间三维的要素体素（Voxels） 表示 v（x，y，z，x，y，z）包含：方向、强度、波长例：在点p（x，y，z）有（x，y，z ） 的变化，变化的方向为4 sr(球面角度) ，强 度可以分解为幅值和相位两个参量，同时强度和 波长均可以离散化处理。字形（Fonts）如同二维显示中的字形由点、线构成 ，三维中的字形是一系列由预设的体素经 过排列组成的符号。这些符号可以预先计算和存储，做成 符号库，并且和2D设置相同，可以在桌 面上获取。二、空间三维显示器3D显示
3、最早的专利可以回溯到1912年 但第一个严谨的空间3D显示器构建于1958 年。Perspecta 3D System的设计概念灵感 来源自试图将一系列2D断层图像构建为三 维场景，而后在一个纺锤表面上面固定一 些镜面而实现。1、原型1960年 1958年90年代中期，来自美国海军司令 部，海洋监测中心的一群科学家建造 了不同的空间3D显示器。第二代显示 容量为激光合成的4万体素（voxels） 显示器，声光扫描，有一个91.4cm、 重125磅、旋转速度600rpm机械螺旋。最近几年来，空间3D技术在性能上 发生了飞跃，使用灵活，可以放在桌 面上，图像分辨率也增加了几个数量 级。2、螺旋靶型
4、显示器A.显示原理： 和1958年的构想原理相似 1、高速2D散射装置以约每秒5000帧的速率将 图形发散到漫射投射屏上，屏旋转速率为 730 rpm。 2、一组互相重叠的镜子将图像传递给旋转中 的显示屏，它们可以确保准确的聚焦而忽略 屏的倾角。 3、镜子和投射屏一起旋转。 4、每一个 2-D薄片上有代表性的三维数据设 计。如果薄片散射图像的顺序很快，则一个 3-D 图像将会悬浮在寻址区域内，扫频频率 为投射投射屏的频率。B.与全景摄影的区别：这种图像可以在显示器周围的任意位 置进行观察，而没有严格的离散的观测区 的限制和图形自身产生的不可见区域的限 制。原因是散射光打在屏上的是相互交叉 的数
5、据组，而不是通常屏幕的瞬态图。然 而，因为屏的本质是朗伯散射，每一个体 素都是全方位的相位发出光。因此，图像 是透明的，没有观测者位置的变化隐藏表 面的移动是不可能的。C.应用 1、机械设计使用OpenGL作为软件基础，这种格 式可以直接生成三维图像。图1 要显示的原型图2 使用OpenGL工具包生成的三维数据 模型图3 发散成的立体图像2、医学用途。 2001年设计制造的第一台三维CT扫描设备。可以直接 看到患者的内部。符合MRI标准和CT数据要求。通过体素的颜色描述 密度。3、数学和军事：上排数学模型，下排军用可视地图3、光纤沉浸液显示器 A.原理： 将光源置于光纤一端，通过液晶光阀，使用
6、位寻址功能控制光 纤是否发光。B.实现方案 1、体素的执行元件是光学树脂，它溶解了有机染料。 2、为了便于制造，三维象素即光学树脂和透明薄板玻璃 配合使用，玻璃和光学树脂具有相同的折射率。 3、薄板玻璃垂直叠在一起，形成体素的三维排列，每个 体素和一根光纤连接。 4、当光，尤其是紫外光照射时，采用光线体素寻址的方 法，使得光纤发出可见的荧光，荧光的颜色取决于树脂 中溶解的染料。 5、为了消除Fresnel反射和光穿过玻璃到空气中时发生的 折射现象（它们会使图象发生扭曲），玻璃之间的缝隙 必须寻找相匹配的介质来填充。关于介质介质的原型为液体，它要求和沉 浸在其中的光纤、玻璃等具有相同的 折射率。
7、存在两种介质体：混合了Dow Corning的硅酮油、Cargille浸液。前一种的透明度较好，后一种为 微黄色液体。C.实验说明 1、光纤可以采用多模熔硅光纤，直径约为 100m，外层有镀层。光纤和镀层的折射率 必须接近；这种匹配是对显示度要求不高时的，若要达 到较高的显示水平，光纤做成密集的一束效果较 好。光纤和镀层折射率一致程度高，图像越清晰 。 2、要注意染料的选择，即染料和树脂的匹 配，光谱的匹配；为了可视的效果，染料的可吸收光 谱范围应该和树脂边界可吸收光谱的范 围划分开。 3、所有的光纤、玻璃和树脂都沉浸在 有机介质中； 4、体素的转换开关使用液晶光阀； 5、光源使用汞灯。系统示
8、意图4、双频上转换三维立体显示A.起源频率上转换研究始于20世纪60年代。 上转换主要有2类：单频激发上转换和双频 激发上转换激发上转换.由于双频上转换对 各束激光准直在技术上要求很高,国际范围 内频率上转换仍主要集中在单频上转换研 究上.随着研究工作的深入和激光技术的日 新月异,双频上转换的研究得到了进一步的 发展。美国大学的3位教授 在1996年提出了双频上转换三色立体三维 显示方法，研制了第一台三维立体显示仪。 双频上转换三维立体显示克服了已有的三维 显示技术的更新频率低、动态显示困难、图 形分辨率低、三维跟踪范围小等缺点，是一 种自体视的、全新的三维立体显示技术。这 种显示方法不仅可以
9、再现各种物体的立体图 像，而且可以显示经计算机处理的运动的立 体图像。双频上转换三维立体显示被评为 1996年物理学最新成就之一。B.基本原理双频上转换三维立体显示是基于两能级 双频()上转换这种物理现象而实现 的，当把一种离子以较小的浓度掺杂到透明 块状的基质材料中，而且这种离子通过从2 束不同波长、近红外的激光束吸收能量被激 发到高能级时，这种物理现象才会发生。如图a所示,在基质材料中,离子最初处在基态 能 能级0,从第一束泵浦光1吸收能量跃迁到 到第一激发态能级1(基态吸收),如果第二束 束红外激光在中间能级与该粒子发生相互作用 用,该粒子将吸收第二束泵浦光的能量跃迁到第 第二激发态能级
10、2(激发态吸收);处在第二激 激发态能级的粒子自发辐射向下跃迁回到最初 初的能级,在向下跃迁过程中刚才所吸收的能量 量要以新的光子的形式释放出来.所以发射的光 光子能量要比所吸收到的每一个光子的能量高 高,因此发射的光子频率会比所吸收的光子频率 率要高,相当于在这样的一个过程中由频率低的 的光子转换成了频率高的光子,这就是两能级 双 双频上转换.在两能级双频上转换中，离子从2个不同 波长近红外激光来选择吸收的两步激发过程是 整个双频上转换三维立体显示的关键，因为这 能够使得可见光的发光点仅仅出现在2束激光 的交叉点，而其他地方没有。也就是说，在块 状的上转换材料中只有2束激光的交点是发光 亮点
11、。如果让2束激光的交叉点依照所显示的 图形的空间位置坐标在上转换材料中作相应快 速移动，由于眼睛的视觉暂留，就可以观察到 一个主动发光的三维立体图像。如图b通过控制2 束激光的交叉点,让 它在上转换材料中 沿着轨道的空间坐 标快速的移动,每到 一点,这点就发出可 见的荧光,这样运行 轨道的三维立体图 像就呈现在我们面 前.要想得到清晰的上转换图像，对上转 换材料有一定的要求。1、两级泵浦激光的波长都在红外；2、同时还要求相对这两级泵浦激光 的单频双光子或单频多光子的上转换发光 效率很低，这样才能避免产生非寻址点的 暗亮线。目前截止声子能量较低的 玻璃是双频上转换三维立体显示比较理想 的材料。C
12、、发展 1、1964年M. R. Brown第一个用使用两 个光子上转换方法的3D显示器申请了 专利。 他提出使用几种氟化物晶体， 其中包含0。0525的三价铥,铒或者 钬金属。在这种装置中，体素出现在 光束（在X,Y方向移动）和扇型光平面 （在Z方向移动）交叉的地方。由于夹 角几乎保持常量， 所以体素所形成的 图形本质上是不发变化的。如左图所示 ，体素出现在光 束（在X,Y方向 移动）和扇型光 平面（在Z方向 移动）交叉的地 方，即在图中的 立方体中。2、1967年 Dugay描述了一个使用双光子同 时吸收能量的3D显示器。特别的是它的 体素激活方式是很有价值的。两束共线的激光从不同的方向穿
13、过显 示体，第1束激光对体素进行编码，也就 是说，体素是否被激活。第2束激光寻找 这个信息并且执行这个过程。3、1971年Lewis开发了一种基于双频、 双步上转 换的3D显示器。显示体是由边长2cm的CaF2立 方晶体构成的，其中沉浸着稀土元素铒。两盏 垂直设置的氙滤光灯作为激活光源。通过使用 1540nm和830nm的泵激激活铒元素，540nm的 绿色光就会散发出来。第2个光束被反射穿过 晶体，它和第1束光交叉两次，出现两个体素 。体素直径2mm，输出功率 210-8 W ，意味 着在微暗的房间里可以清晰的看到。但是尽管 理论上很明确，这种显示器不能显示复杂的形 状或者移动的点。主要的问题
14、是缺少合适的激 活源和激活材料。图中的 方框处为显 示器，A为 互相垂直的 光源。箭头 方向表示出 了光所经过 的路径。4、1994年 Elizabeth Downing研究小组提 出了一种3D显示器。显示器是由三种稀 土元素沉浸在金属氟化物玻璃中构成的 ；激活源是三对红外激光灯。为了显示 出三种颜色，使用三种不同的参杂剂， 红色为镨，蓝色为铥，绿色为铒。每一 种参杂剂需要适当波长的光来激活。通 过计算机控制扫描和反射，体素就能在 显示体内部被打开，然后形成复杂的结 构。在移走激活源后，体素立刻消失， 整个图像将被定期有序的刷新。30至 100Hz的频率可以避免闪烁。5、1998年 Honda 研究了量子功率单频双 步上转换显示器， 在 ZBLAN 玻璃中沉 浸0.2 mol%铒元素。这是目前为止显示 效果最好的一种上转换显示器。左图为 ZBLAN显 示器显示 的图形
