一種大尺寸計(jì)算全息再現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算全息顯示技術(shù)，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種大尺寸計(jì)算全息顯 示技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 全息顯示是一種真三維顯示技術(shù)，觀看者可在不佩戴助視眼鏡的情況下觀看到立 體圖像。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們廣泛地使用計(jì)算機(jī)模擬和處理各種光學(xué)過(guò)程，并 衍生出計(jì)算全息顯示技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)性能的提升和光電器件的發(fā)展，基于空間光調(diào)制器 (SLM)的計(jì)算全息顯示的優(yōu)點(diǎn)愈加突出，為全息帶來(lái)了很大的發(fā)展空間，其主要是將全息圖 加載到SLM上，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)全息中的化學(xué)記錄干板，從而避免傳統(tǒng)光學(xué)全息對(duì)光路和 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的苛刻要求。同時(shí)，由于SLM可以實(shí)時(shí)的擦除和寫(xiě)入，因此可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)再現(xiàn)。然 而，受現(xiàn)有空間光調(diào)制器自身結(jié)構(gòu)的限制，計(jì)算全息再現(xiàn)像的尺寸很小，無(wú)法滿足人們的實(shí) 際需求。
[0003] 為了得到系統(tǒng)簡(jiǎn)單的大尺寸計(jì)算全息再現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了一系列研究。 日本的Kenji Yamamoto及其合作團(tuán)隊(duì)提出將需再現(xiàn)的場(chǎng)景進(jìn)行分割后將它們分別制成全 息圖，然后加載到相應(yīng)的SLM上，使用多個(gè)SLM陣列式拼接方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算全息大尺寸顯示。 但是在該系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)像的無(wú)縫拼接，引入了透鏡陣列和特制大透鏡，增加了系統(tǒng) 的復(fù)雜度及操作難度。日本千葉大學(xué)的Tomoyoshi Shimobaba等提出通過(guò)改變?cè)瓐D的抽樣 間距實(shí)現(xiàn)計(jì)算全息再現(xiàn)象尺寸的擴(kuò)大。雖然該方法系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但該方法實(shí)質(zhì)上并 沒(méi)有擴(kuò)大整個(gè)再現(xiàn)像的大小，只是將原圖的邊緣信息丟掉將需要的信息進(jìn)行局部的擴(kuò)大， 其局部擴(kuò)大后的再現(xiàn)像尺寸和原圖的再現(xiàn)像尺寸相同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種大尺寸計(jì)算全息再現(xiàn)方法，該方法將空分復(fù)用法和在相位全息圖 中加載離散相位光柵相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了大尺寸計(jì)算全息顯示。
[0005] 空分復(fù)用法是將一幅長(zhǎng)寬分別為Z和的圖片在MATLAB中處理，得到尺寸分別為 的四幅子圖片如附圖1所示，再通過(guò)雙線性插值法將它們的像素分別插值使其與SLM 像素相匹配；利用傅里葉迭代法將這四幅圖分別進(jìn)行處理，得到四幅全息圖；然后將四幅 全息圖合成一幅新的全息圖，加載到SLM上，這樣就相當(dāng)于將SLM的有效區(qū)域分為四部分， 每個(gè)區(qū)域分別加載相應(yīng)的全息圖，經(jīng)過(guò)光學(xué)再現(xiàn)，這四個(gè)區(qū)域?qū)⒌玫礁髯缘脑佻F(xiàn)像。
[0006] 計(jì)算全息再現(xiàn)像的大小A與成像透鏡的焦距/、光源的波長(zhǎng)^以及SLM像素大小 滿足： h = f Λ / ρ (1) 可以看到對(duì)于同一個(gè)光路，即八^、/7相同的光路對(duì)于任何圖片的再現(xiàn)像的尺寸均相 同，因此，可知四幅子圖片和原圖的再現(xiàn)像的大小均相同。
[0007] 為了讓四部分的再現(xiàn)像拼接在一起，在生成相位全息圖的過(guò)程中加入適當(dāng)?shù)碾x散 相位光柵，全息圖生成步驟如附圖2所示。在光學(xué)再現(xiàn)過(guò)程中，再現(xiàn)光路如附圖3所示，通過(guò) 計(jì)算機(jī)控制加載到相應(yīng)場(chǎng)景的全息圖中的離散相位光柵的變化，調(diào)節(jié)四個(gè)再現(xiàn)像的位置， 實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)像的無(wú)縫拼接，從而得到計(jì)算全息大尺寸再現(xiàn)。
[0008] 優(yōu)選地，離散相位光柵的結(jié)構(gòu)如附圖4所示，它具有相位調(diào)制的功能，一般以2 V 為周期對(duì)光波進(jìn)行相位調(diào)制，從而改變光的衍射方向，使得再現(xiàn)像的位置發(fā)生偏移。在全息 圖中加載離散相位光柵法就是在相位型全息圖中加入離散相位光柵的相位調(diào)制因子，通過(guò) 改變其相位調(diào)制因子，改變光的出射方向，使計(jì)算全息再現(xiàn)像的位置可以在再現(xiàn)區(qū)域內(nèi)自 由移動(dòng)。
[0009] 具體地，離散相位光柵的相位可以表示為： Φ= mod (bm+cn, T ) X {2 π/ T ) (2) 式中mod表不取模運(yùn)算，7?不光柵的周期，》，/?分別是光柵的橫縱范圍，6，c分別表 不加載到》和方向上的光柵。取不同的場(chǎng)卩d直可以得到不同方向的光柵，取不同的/1 值可以得到不同光偏轉(zhuǎn)角度的光柵?？梢钥吹?，光通過(guò)光柵后相當(dāng)于對(duì)光線進(jìn)行了線性相 位補(bǔ)償。在計(jì)算機(jī)編碼時(shí)將光柵的相位分布加載到物體的相位型全息圖中，通過(guò)程序控制， 即改變6、c、7的大小，使再現(xiàn)像偏移到特定的位置。令迭代傅里葉算法產(chǎn)生物體的相位為 0，則最終加載到SLM上的相位應(yīng)為： Φne= χαο?( Φ + Φ^ 2 π) (3)
【附圖說(shuō)明】
[0010] 附圖1為被記錄的圖片和分割后的四個(gè)子圖片。
[0011] 附圖2為本發(fā)明全息圖的制作流程圖。
[0012] 附圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 附圖4為離散相位光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 附圖5為原圖的再現(xiàn)像。
[0015] 附圖6為本發(fā)明得到的再現(xiàn)像。
[0016] 上述附圖中的圖示標(biāo)號(hào)為： 1激光器、2濾波器、3準(zhǔn)直透鏡、4空間光調(diào)制器、5傅里葉透鏡、6接收屏、7計(jì)算 機(jī)。
[0017] 應(yīng)該理解上述附圖只是示意性的，并沒(méi)有按比例繪制。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的一種大尺寸計(jì)算全息再現(xiàn)方法的具體實(shí)施方案，對(duì)本 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述。有必要在此指出的是，以下實(shí)施例只用于本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明， 不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
對(duì)本發(fā)明做 出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019] 在本實(shí)施案例中，采用波長(zhǎng)為532nm的綠色激光器，濾波器位于激光器之后100_ 處的再現(xiàn)光出射光軸上，準(zhǔn)直透鏡位于濾波器300mm處，SLM位于準(zhǔn)直透鏡之后500mm處， 成像透鏡與SLM之間的距離為150_處；在本發(fā)明中采用傅里葉成像透鏡為成像透鏡，接 收屏位于傅里葉成像透鏡之后500mm處。其中SLM采用反射式的位相型SLM，其分辨率為 1920 X1080,像素大小為8 μ m有效區(qū)域大小為8. 64遞?X15. 36遞?;傅里葉成像透鏡的焦距 為500mm。所用圖像源為512X512個(gè)像素的灰度圖。
[0020] 本實(shí)例中將圖片經(jīng)過(guò)樣離散后用雙線性插值法將其插值為1920X1080大??；之 后進(jìn)行傅里葉迭代得到其相位，本實(shí)施案例中為了減小再現(xiàn)像的散斑噪聲，將迭代次數(shù)定 位50次；然后在得到的相位上加上離散相位光柵的相位；再將其編碼成計(jì)算全息圖；然后 將四幅子圖片的全息圖合成一幅新的全息圖。
[0021] 本實(shí)例中，將SLM的有效區(qū)域分為四部分，每部分的大小則為4. 32??X7. 68??，然 后將四幅子圖片的全息圖分別加載到SLM相應(yīng)的區(qū)域上。由激光器發(fā)出的綠色光源通過(guò)濾 波器和準(zhǔn)直透鏡變?yōu)闇?zhǔn)直光，然后以3°的入射角照射到加載了全息圖的反射式SLM上，經(jīng) 傅里葉透鏡后成像于其焦平面上。
[0022] 為了讓四個(gè)再現(xiàn)像實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接，對(duì)于加載到原圖左上角的圖所加離散相位光柵 的系數(shù)為6=1，C = 1，7=6 ;對(duì)于右上角的圖所加離散相位光柵的系數(shù)為6 = -1，C = 1， Γ = 6 ;對(duì)于左下角的圖所加離散相位光柵的系數(shù)為辦=-1，c = -1，Γ = 6 ;對(duì)于右下角的 圖所加離散相位光柵的系數(shù)為6 = 1，C = -1，r = 6。最后使四個(gè)再現(xiàn)像規(guī)律地相鄰，得到 無(wú)縫拼接的大尺寸計(jì)算全息再現(xiàn)像。附圖5和附圖6分別是原圖的再現(xiàn)像和本發(fā)明得到的 再現(xiàn)像，可以看出本發(fā)明的結(jié)果比原圖再現(xiàn)像的結(jié)果擴(kuò)大了四倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大尺寸計(jì)算全息再現(xiàn)方法，其特征在于，該方法將空分復(fù)用法和在相位全息圖 中加載離散相位光柵相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大尺寸計(jì)算全息顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸計(jì)算全息再現(xiàn)方法，其特征在于，利用空 分復(fù)用法將一幅長(zhǎng)寬分別為為^和7的圖片在MATLAB中處理，得到尺寸分別為 的四幅子圖片，再通過(guò)雙線性插值法將它們的像素分別插值使其與SLM像素相匹配； 利用傅里葉迭代法將這四幅圖分別進(jìn)行處理，得到四幅全息圖；然后將四幅全息圖合成一 幅新的全息圖，加載到空間光調(diào)制器（SLM)上，這樣就相當(dāng)于將SLM的有效區(qū)域分為四部 分，每個(gè)區(qū)域分別加載相應(yīng)的全息圖，經(jīng)過(guò)光學(xué)再現(xiàn)，這四個(gè)區(qū)域?qū)⒌玫礁髯缘脑佻F(xiàn)像，且 其大小均與原圖再現(xiàn)像的大小相同，然后經(jīng)四個(gè)子圖片的全息再現(xiàn)像拼接，就得到了大尺 寸的再現(xiàn)像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸計(jì)算全息再現(xiàn)方法，其特征在于，離散相位光柵具有 相位調(diào)制的功能，可以改變光的衍射方向，所以在相位型全息圖中加載離散相位光柵，改變 光的出射方向，通過(guò)改變加載到相位型全息圖中的離散相位光柵，使計(jì)算全息再現(xiàn)像的位 置可以在再現(xiàn)區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)；離散相位光柵一般以2V為周期對(duì)光波進(jìn)行相位調(diào)制，其 相位可以表示為t=mod(/w?允7?，71)X(2v/r)，式中mod表示取模運(yùn)算，壞示光柵 的周期，《，/?是光柵的橫縱范圍，表c分別表示加載到《和方向上的光柵；取不同的場(chǎng)口 ^值可以得到不同方向的光柵，取不同的f值可以得到不同光偏轉(zhuǎn)角度的光柵，可以看到光 通過(guò)光柵后相當(dāng)于對(duì)光線進(jìn)行了線性相位補(bǔ)償；在計(jì)算機(jī)編碼時(shí)將光柵的相位分布加載到 物體的相位型全息圖中，通過(guò)程序控制使再現(xiàn)像偏移到特定的位置；令迭代傅里葉算法產(chǎn) 生物體的相位為必，則最終加載到SLM上的相位應(yīng)為1110(1(0 + 00 2見(jiàn)）。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種大尺寸計(jì)算全息再現(xiàn)方法。該方法包括在相位全息圖中加載離散相位光柵和空分復(fù)用法。本發(fā)明利用空分復(fù)用法，首先將選定圖片分為四個(gè)子圖片，為了實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)像位置的移動(dòng)，在制作相位全息圖的過(guò)程中將離散相位光柵的相位加載到全息圖中，然后將空間光調(diào)制器(SLM)分為四部分，每部分上分別加載相應(yīng)子圖片的相位全息圖。在光學(xué)再現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加載到相應(yīng)場(chǎng)景的全息圖中離散相位光柵的變化，調(diào)節(jié)四個(gè)再現(xiàn)像的位置，實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)像的無(wú)縫拼接，從而得到計(jì)算全息大尺寸再現(xiàn)。
【IPC分類】G03H1-22
【公開(kāi)號(hào)】CN104698802
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510127353
【發(fā)明人】王瓊?cè)A, 李芳轉(zhuǎn), 王德宏, 王迪
【申請(qǐng)人】四川大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月24日