本發(fā)明涉及成像顯示領(lǐng)域，尤其涉及一種全息圖像生成方法、處理器及全息圖像顯示裝置、設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，全息圖和全息投影在我們的日常生活及工作生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用前景。具體的，全息圖和全息投影可廣泛用于圖像顯示，光存儲加密，衍射元件設(shè)計，光通信，光刻等領(lǐng)域。尤其在顯示領(lǐng)域，全息圖和全息投影的能量利用率遠高于傳統(tǒng)投影，而且具有戶外高亮度，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，沒有圖像壞點，穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，因此，全息圖可以用來實現(xiàn)大屏幕2D/3D投影，汽車抬頭顯示，頭戴增強現(xiàn)實等。

傳統(tǒng)的全息圖像生成方法利用Gerchberg-Saxton(GS)算法，Iterative Fourier Transform Algorithm(IFTA)算法，Simulated Annealing(模擬退火)算法等，但是，其共同缺點是效果受迭代次數(shù)的影響，運算量過大，迭代幾次后容易停滯，誤差不繼續(xù)收斂，導(dǎo)致重建圖像質(zhì)量下降，噪聲多，運算時間長等問題，而且即使繼續(xù)增加迭代次數(shù)也無法減小噪聲，重建圖像質(zhì)量差，無法實現(xiàn)圖像的實時顯示。另外，雖然可以利用視覺殘留效應(yīng)，短時間內(nèi)將全息圖的快速疊加來降低噪聲，但效果仍不能滿足需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，提出了本發(fā)明以便提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的全息圖像生成方法、處理器及全息圖像顯示裝置、設(shè)備。

本發(fā)明的一個方面，提供了一種全息圖像生成方法，包括:

基于目標圖像的目標振幅相位分布進行全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的全息相位圖像；

對所述全息相位圖像進行相位量化，得到量化全息圖像；

對所述量化全息圖像進行逆全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像；

若所述重建圖像滿足預(yù)設(shè)條件，則確定所述量化全息圖像為目標全息圖像；

否則，對所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像的振幅相位進行約束，并基于振幅相位約束后的圖像繼續(xù)迭代。

本發(fā)明的另一個方面，提供了一種信號處理器，包括:

全息變換模塊，用于對基于目標圖像的目標振幅相位分布進行全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的全息相位圖像；

相位量化模塊，用于對所述全息相位圖像進行相位量化，得到量化全息圖像；

逆全息變換模塊，用于對所述量化全息圖像進行逆全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像；

判定模塊，用于判斷全息相位圖像是否滿足預(yù)設(shè)條件，當所述重建圖像滿足預(yù)設(shè)條件時，確定所述量化全息圖像為目標全息圖像；

復(fù)振幅約束模塊，用于當所述重建圖像不滿足預(yù)設(shè)條件時，對所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像的振幅相位進行約束，并返回所述全息變換模塊，以供所述全息變換模塊基于振幅相位約束后的圖像繼續(xù)進行迭代。

本發(fā)明的第三方面，提供了一種全息圖像顯示裝置，包括如上所述的信號處理器、光源設(shè)備、空間光調(diào)制器SLM、傅里葉透鏡、空間濾波器以及投影物鏡，所述空間光調(diào)制器SLM用于將所述信號處理器得到的目標全息圖像作為圖像源，作用到所述光源設(shè)備入射的光束上，并通過所述傅里葉透鏡和空間濾波器進行衍射傳輸變換和選擇后得到全息重建圖像，并通過所述投影物鏡將所述全息重建圖像投影放大后，形成對應(yīng)的放大顯示圖像。

本發(fā)明的第四方面，提供了一種全息圖像顯示裝置，包括如上所述的信號處理器、光源設(shè)備、加載有數(shù)字球面相位調(diào)制的空間光調(diào)制器SLM、空間濾波器以及投影物鏡，所述加載有數(shù)字球面相位調(diào)制的空間光調(diào)制器SLM用于將所述信號處理器得到的目標全息圖像作為圖像源，作用到所述光源設(shè)備入射的光束上進行衍射傳輸變換，并通過所述空間濾波器進行選擇處理后得到全息重建圖像，并通過所述投影物鏡將所述全息重建圖像投影放大后，形成對應(yīng)的放大顯示圖像。

本發(fā)明還提供了一種可穿戴設(shè)備，包括可穿戴裝置和設(shè)置在所述可穿戴裝置上的顯示屏幕和如上所述的全息圖像顯示裝置，所述顯示屏幕上鍍有反射膜或全息光學(xué)元件膜，以對所述全息圖像顯示裝置生成的投影顯示圖像形成虛擬放大的像。

本發(fā)明還提供了一種車載抬頭顯示設(shè)備，包括顯示屏幕和如上所述的全息圖像顯示裝置，所述顯示屏幕上鍍有反射膜或全息光學(xué)元件膜，以對所述全息圖像顯示裝置生成的投影顯示圖像形成虛擬放大的像。

本發(fā)明實施例提供的全息圖像生成方法、處理器及全息圖像顯示裝置、設(shè)備，通過判定重建圖像是否滿足預(yù)設(shè)條件，從而快速、高效地實現(xiàn)高對比度、低噪聲的實時全息圖像處理和顯示，而且，可實現(xiàn)成像距離的任意調(diào)節(jié)。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉本發(fā)明的具體實施方式。

附圖說明

通過閱讀下文優(yōu)選實施方式的詳細描述，各種其他的優(yōu)點和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實施方式的目的，而并不認為是對本發(fā)明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例的全息圖像生成方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明另一實施例的全息圖像生成方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明另一實施例的全息圖像生成方法的流程圖；

圖4為本發(fā)明實施例的信號處理器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明另一實施例的信號處理器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明另一實施例的信號處理器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例中的信號處理器的具體芯片結(jié)構(gòu)原理圖；

圖8為本發(fā)明實施例的全息圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為單色全息圖像顯示裝置的原理圖；

圖10為彩色全息圖像顯示裝置的原理圖；

圖11為可穿戴設(shè)備的成像原理圖；

圖12為車載抬頭顯示設(shè)備的成像原理圖。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應(yīng)當理解，可以以各種形式實現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)，具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語，應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非被特定定義，否則不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

圖1示意性示出了本發(fā)明一個實施例的全息圖像生成方法的流程圖。參照圖1，本發(fā)明實施例的全息圖像生成方法具體包括以下步驟：

步驟S11、基于目標圖像的目標振幅相位分布進行全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的全息相位圖像。其中，所述全息變換可采用傅里葉變換、菲涅爾變換、快速傅里葉變換、分數(shù)階傅里葉變換和角譜傳播空間變換等方式實現(xiàn)。具體的，對于不同距離的3D全息成像顯示，可采用菲涅爾變換、分數(shù)階傅里葉變換、角譜傳播空間變換等方式實現(xiàn)。

步驟S12、對所述全息相位圖像進行相位量化，得到量化全息圖像。

步驟S13、對所述量化全息圖像進行逆全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像。

步驟S14、若所述重建圖像滿足預(yù)設(shè)條件，則確定所述量化全息圖像為目標全息圖像；

步驟S15、若所述重建圖像不滿足預(yù)設(shè)條件，則對所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像的振幅相位進行約束，并基于振幅相位約束后的圖像繼續(xù)迭代。

本實施例中，如圖2所示，在所述基于目標圖像的目標振幅相位分布進行全息變換之前，還包括步驟S10：

步驟S10、獲取目標圖像，對所述目標圖像進行相位分布計算，得到所述目標圖像的目標振幅相位分布。

本實施例中，如圖2所示，在所述對所述全息相位圖像進行相位量化之后，所述方法還包括步驟S121：

步驟S121、若相位量化后的全息相位圖像存在渦旋，則對所述量化全息圖像的渦旋進行鄰域插值，或替換為預(yù)設(shè)值，得到修正后的量化全息圖像。相應(yīng)的，所述對所述量化全息圖像進行逆全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像，具體為對所述修正后的量化全息圖像進行逆全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像。

在實際應(yīng)用中，在對所述目標圖像進行相位分布計算之前，首先進行初始參數(shù)的設(shè)定，具體包括隨機初始相位目標圖像振幅其中I(p)為目標光強分布，p＝(u,v)為像空間坐標，r＝(x,y)為全息面坐標，像素尺寸M*N,信號窗口放大率Mag,權(quán)重因子ω₁、ω₂，精度ε，總迭代次數(shù)N_max,GS算法迭代次數(shù)N_GS,補償因子α_k，逃逸因子γ。

進一步地，在所述對所述目標圖像進行相位分布計算之前，所述方法包括：根據(jù)不同顏色激光的波長，調(diào)節(jié)目標圖像中相應(yīng)顏色像素的尺寸。

在一個具體實施例中，采用720p的空間光調(diào)制器SLM，可令為[-π，π)的隨機分布，M＝480，N＝480,Mag＝1.5；ω₁＝2，ω₂＝1；ε＝1e-6；N_max＝30，N_GS＝5；α₁＝1，γ＝0.99。

對于彩色RGB全息顯示，在相同的距離z處，重建圖像的尺寸為：Δx為SLM的單像素尺寸，于是RGB激光分別重建的圖像尺寸不同，圖像不能重合，比例為L_R:L_G:L_B＝λ_R:λ_G:λ_B。

因此需要根據(jù)不同顏色激光的波長，調(diào)節(jié)目標圖像中相應(yīng)顏色像素的尺寸，以對應(yīng)不同顏色激光調(diào)節(jié)目標圖像的大小，滿足則可以實現(xiàn)RGB激光分別重建的圖像大小重合，實現(xiàn)彩色全息顯示。

可選地，可以藍色圖像像素尺寸為基準對紅色、綠色圖像像素數(shù)進行調(diào)整。

本實施例中，通過對目標圖像進行相位分布計算，得到目標振幅相位分布其中，K＝2π/λ為波數(shù)。

然后，對目標振幅相位分布F_k(p)通過衍射傳輸進行全息變換，取其相位得到全息圖φ_k(r)。

φ_k(r)＝angle{G_k(r)}

所述全息變換(衍射傳播函數(shù))可以為傅里葉變換、菲涅爾變換、快速傅里葉變換、分數(shù)階傅里葉變換、角譜空間傳播等方法。

其中，angle()為取復(fù)數(shù)輻角。

具體的，快速傅里葉變換可以用FFT{},IFFT{}實現(xiàn)，菲涅爾變換可以用菲涅耳衍射公式實現(xiàn)，為：

利用菲涅爾變換可以做成全息無透鏡系統(tǒng)，從而減少系統(tǒng)的體積、像差等。其中，U_I(x,y)為全息面光場復(fù)振幅分布，U_o(u,v)為像平面光場復(fù)振幅分布,k為波數(shù)，z為全息面到像平面的傳播距離，f_u,f_v為空間頻率。

具體的，角譜空間傳輸公式為：

U_O(u,v)＝IFFT{FFT{U_I(x,y)}·H(f_u,f_v)}

其中，

其中，U_I(x,y)為全息面光場復(fù)振幅分布，U_O(u,v)為像平面光場復(fù)振幅分布,H(f_u,f_v)為角譜傳播函數(shù)，k為波數(shù)，z為全息面到像平面的傳播距離，f_u,f_v為空間頻率。

具體的，分數(shù)階傅里葉變換可表示為：

分數(shù)階傅里葉變換可以計算的光衍射傳播平面可以從透鏡后表面到無限遠處，比傳統(tǒng)的傅里葉變換只能計算衍射到后焦平面上的光場分布來說，具有更廣泛的適用范圍和靈活性。其中，U_I(x,y)為全息面光場復(fù)振幅分布，U_O(u,v)為像平面光場復(fù)振幅分布,a為階數(shù)，由于三角函數(shù)的周期性，階數(shù)a的取值范圍是0-2，當a＝1時，上式變?yōu)橐粋€標準的傅里葉變換，k為波數(shù)，z為全息面到像平面的傳播距離。然后，對全息圖相位進行迭代量化，得到量化全息圖＝ψ_k(r)＝Q{φ_k(r)}。φ_k(r)在一個具體實施例中采用256階相位量化實現(xiàn)對全息圖相位的迭代量化。具體的，256階相位量化有多種實現(xiàn)方式。

本發(fā)明實施例中，量化算符Q{}定義為:

進一步地，在所述對所述全息相位圖像進行相位量化之前，所述方法包括：根據(jù)不同顏色激光的波長，確定各種顏色激光的量化階數(shù)及量化范圍。具體的，對于彩色RGB全息顯示全息圖像，由于SLM對不同波長的gamma響應(yīng)曲線不同，因此實際使用中的量化也不同。

液晶空間光調(diào)制器的相位延遲公式為：

其中，表示入射光經(jīng)過SLM產(chǎn)生的相位延遲，Δn＝n_e-n_o為折射率差，n_o為液晶分子尋常光折射率，n_e為液晶分子非尋常光折射率，h為SLM的厚度，λ為波長。

在一個具體示例中，可選擇使gamma響應(yīng)曲線在533nm綠光的量化高度為[0,2π]，量化臺階為[0,255]。以綠光為基準，則650nm紅光的量化高度為[0,1.7π]，量化臺階為[0,255]；450nm紅光的量化高度為[0,2π]，量化臺階為[0,217]。

然后，對量化全息圖進行鄰域插值去除零點，得到修正的量化全息圖＝。ψ′_k(r)＝M{ψ_k(r)}

在實際應(yīng)用中，當量化的全息圖中出現(xiàn)零點，產(chǎn)生渦旋效應(yīng)，會使重建圖像噪聲加劇。因此量化后需要去除全息圖中零點值。具體的，去除零點有多種實現(xiàn)方式，如賦予零點一個極小值，或進行鄰域插值。

本發(fā)明實施例中，鄰域插值算符M{}定義為:

當I(x,y)＝0時

在實際應(yīng)用中，可選擇9鄰域插值，具體的可取R＝3，C＝3。

其中，去零值可在上一步量化過程中執(zhí)行，在量化過程中避免量化為0。

對修正的量化全息圖進行逆全息變換，通過衍射傳輸?shù)玫街亟▓D像f′_k(p)。

所述逆全息變換(衍射傳播函數(shù))可以為傅里葉逆變換、菲涅爾逆變換、快速傅里葉逆變換、分數(shù)階傅里葉逆變換、角譜空間逆?zhèn)鞑プ儞Q等方法。

其中，abs()為取復(fù)數(shù)的模。

圖3示意性示出了本發(fā)明另一個實施例的全息圖像生成方法的流程圖。參照圖3，本發(fā)明實施例的全息圖像生成方法具體包括以下步驟：

步驟S30、獲取目標圖像，對所述目標圖像進行相位分布計算，得到所述目標圖像的目標振幅相位分布。

步驟S31、基于目標圖像的目標振幅相位分布進行全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的全息相位圖像。其中，所述全息變換包括傅里葉變換、菲涅爾變換、快速傅里葉變換、分數(shù)階傅里葉變換和/或角譜空間傳播變換等方式實現(xiàn)。

步驟S32、對所述全息相位圖像進行相位量化，得到量化全息圖像。

步驟S321、若相位量化后的全息相位圖像存在渦旋，則對所述量化全息圖像的渦旋進行鄰域插值，或替換為預(yù)設(shè)值，得到修正后的量化全息圖像；

步驟S33、對所述修正的量化全息圖像進行逆全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像。

步驟S34、判斷所述重建圖像的誤差是否小于預(yù)設(shè)精度閾值，或所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)是否等于預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值；若是，則執(zhí)行步驟S35，否則，執(zhí)行步驟S36；

步驟S35、確定所述修正的量化全息圖像為目標全息圖像。

步驟S36、判斷所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)是否大于預(yù)設(shè)GS算法迭代次數(shù)閾值；若所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)小于或等于所述預(yù)設(shè)GS算法迭代次數(shù)閾值，則執(zhí)行步驟S37，否則執(zhí)行步驟S38；

步驟37、根據(jù)GS算法采用目標振幅對所述重建圖像進行第一類振幅約束；并返回步驟S31，將第一類振幅約束后的重建圖像作為新一輪迭代處理的目標圖像進行處理，并更新迭代次數(shù)計數(shù)，直到得到的重建圖像的誤差滿足預(yù)設(shè)精度閾值，或當前迭代次數(shù)等于預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值。

步驟38、若所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)大于所述預(yù)設(shè)GS算法迭代次數(shù)閾值，判斷所述重建圖像的誤差是否收斂；若所述重建圖像的誤差收斂，則執(zhí)行步驟S39，否則執(zhí)行步驟S311；

步驟S39、根據(jù)預(yù)設(shè)的目標圖像和重建圖像對應(yīng)的權(quán)重因子，以及補償因子，對所述重建圖像的振幅進行第二類振幅約束，以加速所述重建圖像的誤差收斂。其中，所述第二類振幅約束包括振幅補償約束及能量守恒約束。

步驟S310、并根據(jù)所述補償因子進行補償約束；并返回步驟S31，將第二類振幅約束后的重建圖像作為新一輪迭代處理的目標圖像進行處理，并更新迭代次數(shù)計數(shù)，直到得到的重建圖像的誤差滿足預(yù)設(shè)精度閾值，或當前迭代次數(shù)等于預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值。

步驟S311、對所述重建圖像進行第三類振幅或復(fù)振幅約束，以使所述重建圖像的振幅或復(fù)振幅跳出局部極值；

步驟S312、將補償因子重置為初始值；并返回步驟S31，將跳出局部極值后的重建圖像作為新一輪迭代處理的目標圖像進行處理，并更新迭代次數(shù)計數(shù)，直到得到的重建圖像的誤差滿足預(yù)設(shè)精度閾值，或當前迭代次數(shù)等于預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值。

在一個具體實施例中，判斷重建圖像誤差Error_k是否滿足預(yù)設(shè)精度ε或重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)k超過總迭代次數(shù)N_max。

其中，

其中，μ_k的作用是保證計算過程中能量守恒。

若重建圖像誤差Error_k小于精度ε或達到總迭代次數(shù)N_max，即k≥N_max||Error_k≤ε時，則得到最終全息圖＝；ψ_final＝ψ′_k(r)；結(jié)束循環(huán)。

若不滿足重建圖像誤差Error_k小于精度ε或k小于總迭代次數(shù)N_max，即k≤N_max||Error_k≥ε時，則繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)。并判斷k是否超過GS算法迭代次數(shù)N_GS，即是否滿足k≤N_GS。

若k超過GS算法迭代次數(shù)N_GS，即k≥N_GS時，判斷誤差是否收斂，即是否滿足。Error_k-1-Error_k-2＜0

若k不超過GS算法迭代次數(shù)N_GS，即k≤N_GS時采用GS算法對重建圖像振幅進行第一類振幅約束，使振幅為目標振幅，相位不變，即：

f_k+1(p)＝C₁{f′_k(p)}＝f(p)

若k超過GS算法迭代次數(shù)M_GS且誤差收斂，即k＞N_GS&&Error_k-1-Error_k-2＜0時，則對重建圖像信號窗口的振幅進行第二類振幅約束，加速收斂約束，保留噪聲窗口的振幅，相位不變，即：

其中，ω₁,ω₂分別為目標圖像和重建圖像的權(quán)重因子，作用是分別控制目標圖像和重建圖像的能量大小。

α_k為補償因子，作用是根據(jù)重建圖像相對目標圖像的能量分布對重建圖像進行強度補償。

μ_k的作用是保證計算過程中能量守恒。

W_signal,W_noise分別為信號窗口和噪聲窗口。

然后，調(diào)節(jié)補償因子α_k進行反饋約束。

其中，α_k為補償因子，初始為1，作用是根據(jù)重建圖像相對目標圖像的能量分布對重建圖像進行反饋能量補償。

若超過GS算法迭代次數(shù)且誤差不收斂時，即k＞N_GS&&Error_k-1-Error_k-2≥0時，則進行第三類振幅或復(fù)振幅約束，以對重建圖像減少約束，使迭代跳出局部極值，回歸收斂。

在本實施例中，具體可采用以下三種方法實現(xiàn)第三類振幅或復(fù)振幅約束：

方法1：對重建圖像信號窗口的振幅進行約束，使其為目標振幅，保留噪聲窗口的振幅，相位不變。即：

方法2：對重建圖像信號窗口的振幅進行約束，使其為能量相對降低的目標振幅，保留噪聲窗口的振幅，則噪聲窗口能量相對提高，相位不變，即：

γ為逃逸因子，γ＜1,作用為降低信號窗口能量的權(quán)重，減少對目標的約束，使迭代回歸收斂。

方法3：對重建圖像振幅約束同第二類振幅約束,然后對相位加一個隨機微擾，使迭代跳出局部極值。

迭代跳出局部極值后，調(diào)節(jié)補償因子，將其重置為1。

α_k+1＝1

本發(fā)明實施例提供的全息圖像生成方法、處理器及全息圖像顯示裝置、設(shè)備，通過初始參數(shù)設(shè)定；衍射傳輸生成全息圖；對全息圖相位進行迭代量化；逆衍射傳輸?shù)玫街亟▓D像；判斷是否滿足精度或總迭代次數(shù)；是否超過GS迭代次數(shù)；超過GS迭代次數(shù)時，誤差是否收斂；GS迭代次數(shù)內(nèi)的振幅約束；超過GS迭代次數(shù)，且誤差收斂時的振幅約束；補償因子約束；超過GS迭代次數(shù)，且誤差不收斂時，跳出局部極值的振幅或復(fù)振幅約束；補償因子約束等一系列處理流程。有效地實現(xiàn)了加速迭代收斂，跳出局部最小值，進而實現(xiàn)高對比度，低噪聲的實時快速動態(tài)全息圖生成。而且，可實現(xiàn)成像距離的任意調(diào)節(jié)。

對于方法實施例，為了簡單描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知悉，本發(fā)明實施例并不受所描述的動作順序的限制，因為依據(jù)本發(fā)明實施例，某些步驟可以采用其他順序或者同時進行。其次，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該知悉，說明書中所描述的實施例均屬于優(yōu)選實施例，所涉及的動作并不一定是本發(fā)明實施例所必須的。

圖4示意性示出了本發(fā)明一個實施例的信號處理器10的結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖4，本發(fā)明實施例的信號處理器具體包括全息變換模塊101、相位量化模塊102、逆全息變換模塊103、判定模塊104以及復(fù)振幅約束模塊105，其中：

所述的全息變換模塊101，用于對目標圖像的目標振幅相位分布進行全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的全息相位圖像；

所述的相位量化模塊102，用于對所述全息相位圖像進行相位量化，得到量化全息圖像；

所述的逆全息變換模塊103，用于對所述量化全息圖像進行逆全息變換，得到所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像；

所述的判定模塊104，用于判斷全息相位圖像是否滿足預(yù)設(shè)條件，當所述重建圖像滿足預(yù)設(shè)條件時，確定所述量化全息圖像為目標全息圖像；

所述的復(fù)振幅約束模塊105，用于當所述重建圖像不滿足預(yù)設(shè)條件時，對所述目標圖像對應(yīng)的重建圖像的振幅相位進行約束，并返回所述全息變換模塊，以供所述全息變換模塊基于振幅相位約束后的圖像繼續(xù)進行迭代。

本發(fā)明另一實施例中，如圖5所示，所述信號處理器還包括相位計算模塊100，所述的相位計算模塊100，用于在所述基于目標圖像的目標振幅相位分布進行全息變換之前，獲取目標圖像，對所述目標圖像進行相位分布計算，得到所述目標圖像的目標振幅相位分布。

進一步地，所述信號處理器還包括附圖中未示出的像素調(diào)節(jié)模塊，所述的像素調(diào)節(jié)模塊，用于在所述基于目標圖像的目標振幅相位分布進行全息變換之前，根據(jù)不同顏色激光的波長，調(diào)節(jié)目標圖像中相應(yīng)顏色像素的尺寸。

進一步地，所述的相位量化模塊102，還用于在對所述全息相位圖像進行相位量化之前，根據(jù)不同顏色激光的波長，確定各種顏色激光的量化階數(shù)及量化范圍。

本實施例中，如圖6所示，所述信號處理器還包括修正模塊106，所述的修正模塊，用于在所述對所述全息相位圖像進行相位量化之后，當相位量化后的全息相位圖像存在渦旋時，對所述量化全息圖像的渦旋進行鄰域插值，或替換為預(yù)設(shè)值，得到修正后的量化全息圖像。

本發(fā)明另一實施例中，所述判定模塊104，具體用于判斷所述重建圖像的誤差是否滿足預(yù)設(shè)精度閾值，或所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)是否達到預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值；若所述重建圖像的誤差小于預(yù)設(shè)精度閾值，或所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)等于預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值，則確定所述重建圖像滿足預(yù)設(shè)條件。

相應(yīng)的，所述判定模塊104，具體還用于當所述重建圖像的誤差大于或等于所述預(yù)設(shè)精度閾值，且所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)小于預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值時，判斷所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)是否大于預(yù)設(shè)GS算法迭代次數(shù)閾值；

所述復(fù)振幅約束模塊105，具體用于當所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)小于或等于所述預(yù)設(shè)GS算法迭代次數(shù)閾值時，根據(jù)GS算法采用目標振幅對所述重建圖像進行第一類振幅約束；

所述全息變換模塊101，還用于將第一類振幅約束后的重建圖像作為新一輪迭代處理的目標圖像進行處理，并更新迭代次數(shù)計數(shù)，直到得到的重建圖像的誤差滿足預(yù)設(shè)精度閾值，或當前迭代次數(shù)達到預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值。

本實施例中，所述判定模塊104，還用于當所述重建圖像對應(yīng)的迭代次數(shù)大于所述預(yù)設(shè)GS算法迭代次數(shù)閾值時，判斷所述重建圖像的誤差是否收斂；

所述復(fù)振幅約束模塊105，還用于當所述重建圖像的誤差收斂時，根據(jù)預(yù)設(shè)的目標圖像和重建圖像對應(yīng)的權(quán)重因子，以及補償因子，對所述重建圖像的振幅進行第二類振幅約束，以加速所述重建圖像的誤差收斂；

所述全息變換模塊101，還用于將第二類振幅約束后的重建圖像作為新一輪迭代處理的目標圖像進行處理，并更新迭代次數(shù)計數(shù)，直到得到的重建圖像的誤差滿足預(yù)設(shè)精度閾值，或當前迭代次數(shù)達到預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值。

進一步地，所述復(fù)振幅約束模塊105，還用于當所述重建圖像的誤差不收斂時，對所述重建圖像進行第三類振幅或復(fù)振幅約束，以使所述重建圖像的振幅或復(fù)振幅跳出局部極值，并將補償因子重置為初始值；

所述全息變換模塊101，還用于將跳出局部極值后的重建圖像作為新一輪迭代處理的目標圖像進行處理，并更新迭代次數(shù)計數(shù)，直到得到的重建圖像的誤差滿足預(yù)設(shè)精度閾值，或當前迭代次數(shù)達到預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)閾值。

對于裝置實施例而言，由于其與方法實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部分說明即可。

圖7給出了本發(fā)明實施例中的信號處理器10的具體芯片結(jié)構(gòu)原理圖。本發(fā)明全息芯片處理器的工作原理是，主要通過中央CPU以及GPU的主運算單元給全息算法單元的軟件接口傳輸數(shù)據(jù)指令，來觸發(fā)系統(tǒng)控制模塊，調(diào)用其時間同步發(fā)生器來控制信號和全息算法，一路通過數(shù)據(jù)接口來控制光源設(shè)備中的激光器，一路控制空間光調(diào)制器SLM，共同結(jié)合輸出來呈現(xiàn)全息圖像。

本發(fā)明的另一實施例還提供了一種全息圖像顯示裝置，如圖8所示，所述全息圖像顯示裝置包括如上任一實施例所述的信號處理器10、空間光調(diào)制器SLM20、光源設(shè)備30、傅里葉透鏡40、空間濾波器50以及投影物鏡60，所述空間光調(diào)制器SLM20用于將所述信號處理器10得到的目標全息圖像作為圖像源，作用到所述光源設(shè)備30入射的光束上，并通過所述傅里葉透鏡40和空間濾波器50進行衍射傳輸變換和選擇+1(或-1)級后得到全息重建圖像，并通過所述投影物鏡60將所述全息重建圖像投影放大后，形成對應(yīng)的放大顯示圖像。

在本發(fā)明的一個可選實施例中，所述光源設(shè)備包括單色激光器和對應(yīng)的光束整形模塊，所述單色激光器發(fā)射的單色光通過所述光束整形模塊準直后入射到所述空間光調(diào)制器。其中，所述光束整形模塊具體包括依次設(shè)置的第一透鏡、空間濾波器、第二透鏡、偏振器以及光闌。其中，光闌是對通過光學(xué)系統(tǒng)的光束起限制作用的光學(xué)元件。它可以是光學(xué)元件(如透鏡、反射鏡等)本身的邊框，也可以是另外設(shè)置的帶圓孔的不透光屏。本實施例中主要給出了單色全息圖片顯示時的光源設(shè)備的實現(xiàn)原理。參見圖9，圖9為單色全息圖像顯示的原理圖。

在本發(fā)明的一個可選實施例中，所述光源設(shè)備包括紅色激光發(fā)射器、綠色激光發(fā)射器、藍色激光發(fā)射器和對應(yīng)的光束整形模塊，所述光源設(shè)備根據(jù)所述信號處理器加載不同顏色的目標全息圖像的分時序列控制相應(yīng)顏色的激光發(fā)射器進行分時序列的發(fā)光，與相應(yīng)顏色的激光發(fā)射器對應(yīng)的光束整形模塊對相應(yīng)顏色光束進行準直后，入射到所述空間光調(diào)制器。本實施例中，與各個顏色的激光發(fā)射器對應(yīng)的光束整形模塊包括準直透鏡。進一步地，為了使得空間光調(diào)制器SLM20能夠?qū)⑺鲂盘柼幚砥?0得到的目標全息圖像作為衍射信息作用到所述光源設(shè)備30入射的光束上，所述光源設(shè)備還包括與各個顏色的激光發(fā)射器對應(yīng)的二向色鏡和分束棱鏡，所述二向色鏡用于將相應(yīng)顏色的激光發(fā)射器入射向所述SLM，所述分束棱鏡用于將包含有目標全息圖像信息的光束入射到上傅里葉透鏡40。本實施例中主要給出了彩色全息圖片顯示時的光源設(shè)備的實現(xiàn)原理。參見圖10，圖10為彩色全息圖像顯示的原理圖。

本發(fā)明的另一實施例還提供了一種全息圖像顯示裝置，包括如上任一實施例所述的信號處理器、光源設(shè)備、加載有數(shù)字球面相位調(diào)制的空間光調(diào)制器SLM、空間濾波器以及投影物鏡，所述加載有數(shù)字球面相位調(diào)制的空間光調(diào)制器SLM用于將所述信號處理器得到的目標全息圖像作為圖像源，作用到所述光源設(shè)備入射的光束上進行衍射傳輸變換，并通過所述空間濾波器進行選擇處理后得到全息重建圖像，并通過所述投影物鏡將所述全息重建圖像投影放大后，形成對應(yīng)的放大顯示圖像。本發(fā)明實施例通過加載有數(shù)字球面相位調(diào)制的空間光調(diào)制器SLM可以替代傅里葉透鏡40的功能，簡化裝置的整體結(jié)構(gòu)。

以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現(xiàn)本實施例方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性的勞動的情況下，即可以理解并實施。

此外，本發(fā)明另一實施例還提供了一種可穿戴設(shè)備，包括可穿戴裝置和設(shè)置在所述可穿戴裝置上的顯示屏幕和如上任一實施例所述的全息圖像顯示裝置，所述顯示屏幕上鍍有反射膜或全息光學(xué)元件膜，以對所述全息圖像顯示裝置生成的投影顯示圖像形成虛擬放大的像，所述可穿戴設(shè)備的成像原理如圖11所示。本實施例中以智能眼鏡為例對本發(fā)明技術(shù)方案進行說明，智能眼鏡的顯示屏幕可以為眼鏡的鏡片，在鏡片上鍍有反射膜或全息光學(xué)元件膜?？衫斫獾?，除了智能眼鏡以外，本發(fā)明所述的可穿戴設(shè)備還可以包括智能頭盔等其他可穿戴智能設(shè)備。

此外，本發(fā)明實施例還提供了一種車載抬頭顯示設(shè)備，包括顯示屏幕和如上任一實施例所述的全息圖像顯示裝置，所述顯示屏幕上鍍有反射膜或全息光學(xué)元件膜，以對所述全息圖像顯示裝置生成的投影顯示圖像形成虛擬放大的像，車載抬頭顯示設(shè)備的成像原理如圖12所示。其中，車載抬頭顯示設(shè)備的顯示屏幕具體可以為擋風玻璃，在擋風玻璃上鍍有反射膜或全息光學(xué)元件膜。

全息光學(xué)元件膜，其中全息光學(xué)元件的英文簡稱HOE，全息光學(xué)元件膜是由HOE制作的膜。

本發(fā)明實施例中，將全息圖像生成方法應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和車載抬頭顯示設(shè)備，能量效率高，可實現(xiàn)任意位置成像，與MEMS激光掃描HUD相比，因為MEMS激光掃描工作原理是激光是全部照射在MEMS上，而顯示的圖像區(qū)域只有10％的時候會造成大量的能量損耗；并且MEMS是處于高速的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，一旦出現(xiàn)問題會使得激光直射人眼，造成人體損害。一般的只能在固定位置成像，或者利用額外的光學(xué)系統(tǒng)來對成像位置進行調(diào)制，導(dǎo)致系統(tǒng)的體積較大，成本增加。而基于液晶相位空間光調(diào)制器的系統(tǒng)可以利用所述的算法對成像位置進行任意調(diào)制，并且補償系統(tǒng)的像差。成像距離可以用過全息轉(zhuǎn)換算法處理后實現(xiàn)實時可調(diào)，實現(xiàn)圖像焦距在遠處。

本發(fā)明實施例提供的全息圖像生成方法、處理器及全息圖像顯示裝置、設(shè)備，通過判定重建圖像是否滿足預(yù)設(shè)條件，從而快速、高效地實現(xiàn)高對比度、低噪聲的實時全息圖像處理和顯示，而且，可實現(xiàn)成像距離的任意調(diào)節(jié)。

通過以上的實施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到各實施方式可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)，當然也可以通過硬件。基于這樣的理解，上述技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品可以存儲在計算機可讀存儲介質(zhì)中，如ROM/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行各個實施例或者實施例的某些部分所述的方法。

此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，盡管在此的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實施例的特征的組合意味著處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)并且形成不同的實施例。例如，在下面的權(quán)利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。