本發(fā)明屬于全息與投影顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)目標物實時全息投影顯示的全息投影系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)和全息技術(shù)的快速發(fā)展，全息顯示已經(jīng)深入到社會生活的各個領(lǐng)域。全息投影系統(tǒng)利用激光照射全息圖，獲得目標的真實再現(xiàn)。相對于傳統(tǒng)的單一像素到單一像素的投影系統(tǒng)，全息激光投影利用全息圖上所有像素對再現(xiàn)面上的每一個點進行再現(xiàn)，其再現(xiàn)圖像色彩鮮艷、對比度高，并且具有信息冗余、容錯性能力強等諸多優(yōu)點。全息投影技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于舞臺、影院、廣告、博覽會等公共場合，可替代任何現(xiàn)有的顯示設(shè)備，具有非常強的感染力和獨特效果，商業(yè)潛力巨大。同時，全息投影系統(tǒng)在未來的國防軍事領(lǐng)域同樣具有廣闊的應(yīng)用潛力。全息投影系統(tǒng)的核心問題在于目標物全息圖的生成。目前，全息圖的獲取技術(shù)主要包含以下幾種：一種是利用光學(xué)全息的方法，即采用物光波與參考光波在全息材料上形成干涉條紋獲取全息圖。該方法制備過程繁瑣，對環(huán)境要求苛刻，且無法記錄虛擬物體或者大場景圖像。一種是采用計算全息理論，將目標物視為自發(fā)光物體，模擬物面到全息面的衍射和干涉過程獲得數(shù)字全息圖；或者采用優(yōu)化算法，通過在全息面和再現(xiàn)面之間的多次傅里葉變換及其逆變換的迭代操作，獲得全息面的位相分布作為全息圖。由于全息圖所包含的數(shù)據(jù)量極大，一張利用光學(xué)全息制作的手掌大小的全視差全息圖含有近1000億比特的數(shù)據(jù)，這對全息圖的計算速度提出了重大的挑戰(zhàn)。因此，目標物全息投影的實時性是困擾該技術(shù)應(yīng)用的一個瓶頸問題。目前，國內(nèi)針對實時全息投影系統(tǒng)尚處于理論與實驗研究階段，尚無工程應(yīng)用?；谶@種情況，本發(fā)明提供了一種基于共軛延拓的實時全息投影系統(tǒng)，利用光計算方法極大地提高了全息圖的獲取速度，實現(xiàn)了目標物的實時全息投影顯示。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)δ繕宋飳崟r再現(xiàn)的全息投影系統(tǒng)。關(guān)鍵技術(shù)在于對目標物通過光學(xué)系統(tǒng)或者計算機數(shù)字處理的方式進行共軛延拓，根據(jù)共軛延拓圖像的傅立葉變換是實值函數(shù)的性質(zhì)，通過傅立葉光學(xué)系統(tǒng)或者數(shù)字傅立葉變換獲取目標物的數(shù)字全息圖，加載到空間光調(diào)制器中，在激光光源的照射下實時衍射成目標物的全息投影圖像。本發(fā)明的特征在于，一種基于共軛延拓的實時全息投影系統(tǒng)，至少含有：目標物，共軛成像系統(tǒng)，共軛延拓圖像，傅里葉變換透鏡，CCD攝像機，數(shù)字全息圖，計算機，激光光源，準直系統(tǒng)，空間光調(diào)制器，投影屏幕。其中，由傅里葉變換透鏡、CCD攝像機和計算機構(gòu)成全息圖獲取系統(tǒng)，由激光光源、準直系統(tǒng)、空間光調(diào)制器和投影屏幕構(gòu)成數(shù)字全息圖的投影再現(xiàn)系統(tǒng)。采用本發(fā)明實現(xiàn)目標物的實時投影再現(xiàn)步驟為：由共軛成像系統(tǒng)對目標物進行水平或者垂直方向的共軛延拓，傅立葉變換透鏡構(gòu)成的傅立葉光學(xué)系統(tǒng)對其光學(xué)成像，CCD攝像機拍攝成像結(jié)果作為數(shù)字全息圖?；蛴蒀CD攝像機拍攝目標物圖像，計算機對其數(shù)字共軛延拓并進行快速傅立葉變換(FFT)，取變換結(jié)果的實部構(gòu)成數(shù)字全息圖。將數(shù)字全息圖加載到空間光調(diào)制器中，激光光源經(jīng)過準直系統(tǒng)準直后，被加載了數(shù)字全息圖的空間光調(diào)制器調(diào)制，在投影屏幕上實時再現(xiàn)目標物。所述的共軛成像系統(tǒng)可以是由分光鏡、梯形等腰棱鏡、屋脊棱鏡、潛望棱鏡或者等腰直角棱鏡、潛望棱鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，也可以是由CCD攝像機與計算機構(gòu)成的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。其中，由分光鏡、梯形等腰棱鏡、屋脊棱鏡和潛望棱鏡組成的垂直轉(zhuǎn)像移像系統(tǒng)實現(xiàn)對目標物的垂直方向共軛延拓，由等腰直角棱鏡、潛望棱鏡組成的水平轉(zhuǎn)像移像系統(tǒng)實現(xiàn)對目標物的水平方向共軛延拓。所述的全息圖獲取系統(tǒng)采用對共軛延拓圖像進行單次傅立葉變換，變換結(jié)果為實數(shù)矩陣，該實數(shù)矩陣即為目標物的全息圖。共軛延拓圖像的單次傅立葉變換通過傅里葉變換透鏡組成的傅立葉光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)，當采用計算全息時，由計算機進行快速傅立葉變換(FFT)實現(xiàn)。所述的數(shù)字全息圖包含了目標物的所有幅值和相位信息，可以是相位型全息圖，也可以是幅值型全息圖。同時，所述的數(shù)字全息圖具有可疊加性，通過不同目標物全息圖的數(shù)字相加，可以實現(xiàn)多個目標物的同時投影再現(xiàn)。所述的空間光調(diào)制器可以是透射型的，也可以是反射型的，調(diào)制模式為幅值調(diào)制或相位調(diào)制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的全息投影系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1、由于共軛延拓圖像的傅立葉變換為實值函數(shù)，將該實值函數(shù)作為全息圖包含了目標物的所有信息，避免了僅將幅值或者僅將相位作為全息圖的信息損失，全息圖的再現(xiàn)質(zhì)量更高。2、通過單次傅立葉變換計算全息圖，避免了普通全息圖計算方法中多次傅立葉變換的時間損耗，提高了全息圖的計算效率。其中，采用傅里葉變換透鏡的光計算方法更極大地提高了全息圖的計算速度，實現(xiàn)了目標物的實時投影再現(xiàn)。附圖說明本發(fā)明基于共軛延拓的實時全息投影系統(tǒng)的附圖有3個。圖1基于共軛延拓的實時全息投影系統(tǒng)第一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2基于共軛延拓的實時全息投影系統(tǒng)第二個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3基于共軛延拓的實時全息投影系統(tǒng)第三個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1～圖3中，(1)-目標物，(2)-共軛成像系統(tǒng)，(3)-共軛延拓圖像，(4)-傅立葉變換透鏡，(5)-CCD攝像機，(6)-數(shù)字全息圖，(7)-計算機，(8)-激光光源，(9)-準直系統(tǒng)，(10)-空間光調(diào)制器，(11)-投影屏幕，(12)-分光鏡，(13)-梯形等腰棱鏡，(14)-屋脊棱鏡，(15)-潛望棱鏡，(16)-等腰直角棱鏡，(17)-等腰直角棱鏡，(18)-潛望棱鏡，(19)-目標物的數(shù)字圖像。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明“一種基于共軛延拓的實時全息投影系統(tǒng)”做進一步描述。圖1為本發(fā)明提供的全息投影系統(tǒng)的第一個實施例，包括目標物(1)，共軛成像系統(tǒng)(2)，共軛延拓圖像(3)，傅里葉變換透鏡(4)，CCD攝像機(5)，數(shù)字全息圖(6)，計算機(7)，激光光源(8)，準直系統(tǒng)(9)，空間光調(diào)制器(10)，投影屏幕(11)，分光鏡(12)，梯形等腰棱鏡(13)，屋脊棱鏡(14)，潛望棱鏡(15)。在該實施例中，目標物是一幅二維平面圖像，共軛延拓圖像(3)由分光鏡(12)、梯形等腰棱鏡(13)、屋脊棱鏡(14)和潛望棱鏡(15)組成的共軛成像系統(tǒng)(2)對目標物(1)成像形成。將二維平面圖像視為自發(fā)光物體，其發(fā)出的光線經(jīng)過分光鏡(12)后，一組光線透射直接成像；另一組光線被梯形等腰棱鏡(13)、屋脊棱鏡(14)和潛望棱鏡(15)反射后，形成目標物的垂直共軛圖像，兩幅圖像組合成共軛延拓圖像(3)。在本例中，全息圖獲取系統(tǒng)為由傅里葉變換透鏡(4)構(gòu)成的傅立葉光學(xué)系統(tǒng)，數(shù)字全息圖(6)由傅立葉光學(xué)系統(tǒng)對共軛延拓圖像(3)進行傅立葉變換生成。將CCD攝像機(5)置于傅里葉變換透鏡(4)的焦平面上，計算機(7)通過CCD攝像機(5)即可得到數(shù)字全息圖(6)。設(shè)共軛延拓圖像(3)為f(x，y)，由于其為共軛延拓的中心對稱圖像，則有f(x，y)＝f*(x，y)(1)f(x，y)＝f(-x，-y)(2)其中*為共軛運算。令其傅里葉變換為其中算符為傅里葉變換運算，u，v為空間頻率。根據(jù)傅立葉變換的性質(zhì)有故有F(u，v)＝F(-u，-v)＝F*(-u，-v)(6)令F(u，v)＝a(u，v)+ib(u，v)(7)其中i為虛數(shù)單位，a(u，v)為F(u，v)的實部，b(u，v)為F(u，v)的虛部。則a(u，v)+ib(u，v)＝a(-u，-v)+ib(-u，-v)＝a(-u，-v)-ib(-u，-v)(8)若上式成立，當且僅當ib(u，v)＝-ib(u，v)(9)所以b(u，v)＝0，即F(u，v)的虛部為0，故共軛延拓圖像f(x，y)的傅立葉變換F(u，v)為中心對稱的實值函數(shù)。根據(jù)這一性質(zhì)，取共軛延拓圖像(3)傅立葉變換的實值函數(shù)作為數(shù)字全息圖(6)，能夠?qū)⒛繕宋锏乃行畔谌D中。數(shù)字全息圖(6)被加載到空間光調(diào)制器(10)中，空間光調(diào)制器可以是各種空間光調(diào)制器，如透射式或反射式，相位調(diào)制型或幅值調(diào)制型，這里選用透射式的相位型空間光調(diào)制器作為本發(fā)明一個方便說明的實例。通過準直系統(tǒng)(9)，激光光源(8)發(fā)出的激光被整形為平行光，并入射到空間光調(diào)制器(10)上。空間光調(diào)制器由于加載了數(shù)字全息圖，對入射激光進行調(diào)制，并在置于再現(xiàn)像面的投影屏幕(11)上形成目標物的衍射圖像，實現(xiàn)了目標物的全息投影再現(xiàn)。圖2為本發(fā)明提供的基于共軛延拓的實時全息投影系統(tǒng)的第二個實施例，其具體結(jié)構(gòu)與第一個實施例相似，其實施原理與本發(fā)明的第一實施例相同。但在該實施例中，共軛成像系統(tǒng)(2)由第一等腰直角棱鏡(16)、第二等腰直角棱鏡(17)、潛望棱鏡(18)構(gòu)成。目標物發(fā)出的光線一組透過該系統(tǒng)直接成像，另一組被第一等腰直角棱鏡(16)、第二等腰直角棱鏡(17)、潛望棱鏡(18)依次反射后，在成像面形成目標物的水平共軛圖像。該光學(xué)系統(tǒng)的直接成像結(jié)果與水平共軛圖像組成共軛延拓圖像(3)。在本發(fā)明的第一個和第二個實施例中，目標物的共軛延拓圖像的生成，以及共軛延拓圖像的傅立葉變換計算，全部由透鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)完成，實現(xiàn)了目標物全息圖的光計算，極大地提高了全息圖的計算速度，保證了本發(fā)明提供的全息投影系統(tǒng)的實時性。圖3為本發(fā)明提供的基于共軛延拓的實時全息投影系統(tǒng)的第三個實施例，其實施原理與第一、二個實施例相同，但該系統(tǒng)采用了計算全息的方法。由CCD攝像機(5)拍攝目標物(1)獲取其數(shù)字圖像(19)，通過計算機(7)利用數(shù)字圖像處理的方法獲得目標物數(shù)字圖像(19)的共軛延拓圖像(3)，利用快速傅里葉變換(FFT)并取實部全息圖的方法獲得目標物(1)的計算全息圖(6)，加載到空間光調(diào)制器(10)中。由于用數(shù)字圖像處理的方式獲得計算全息圖，其運算速度低于本發(fā)明的第一、二個實施例，但該實施例對光學(xué)系統(tǒng)的要求較低，適用范圍更加廣泛。