CN102566390A - 均匀散射介质承接彩色三维全息图像的光强分布优化方法及其显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用均匀散射介质承接彩色三维全息像的光强分布优化方法及其显示系统，使用本发明的方法，构建出一个含有光强补偿用信息的三维物体，计算其全息图并加载到空间光调制器上，由于空间光调制器重现出的全息三维像包含了补偿用的光强信息，从而消除了因照射光的波长不同以及介质各层中衰减程度不同带来的影响，使得产生的三维图像成像光强均匀分布，达到真实无失真的彩色再现。

Description

均匀散射介质承接彩色三维全息图像的光强分布优化方法及其显示系统

技术领域

本申请涉及一种利用均匀散射介质再现光电空间影像的方法及显示系统，具体的，涉及一种针对均匀散射介质散射透射特性来设计计算全息图像的方法及其显示系统。 

背景技术

三维立体显示一直是人们的研究热点，从十八世纪照相术发明迄始，人类一直在追求应用二维媒质作为三维信息的载体。历史上人们发明了数十种巧妙的三维成像技术，例如体视视差照相，视差全景照相，集成照相术(IP)，柱镜屏照片，投影式三维成像等。但是，上述这些基于几何光学原理，以聚焦成像为特征的技术并不是真正的三维成像技术，因为它们不能提供人眼视觉系统所需的全部生理学和心理学的深度提示，仅能提供体视视差信息的部分抽样。因此在分辨力、视场、景深、信噪比、色保真度等方面均难以满足应用的要求。 

全息显示技术基于物理光学原理，是以完整记录和重建三维物体波前为基础的三维成像技术，也是迄今唯一能够提供人眼视觉系统所需全部深度信息的裸视真三维显示技术。目前计算全息技术和显示技术的结合使全息技术的应用前景更加广阔，形成了计算全息三维显示技术。该技术通过计算机构建三维物体的全息图，然后利用空间光调制器再现三维全息图像。一般情况下，透过空间光调制器可以观察到三维虚像，但是受空间光调制器分辨率的限制，导致再现像的视场角与尺寸都较小。另一方面，空间光调制器能投影出三维实像，但是需要散射介质承接。而采用烟雾，水雾等悬浮粒子作为承接介质的系统，这些系统通常设计比较复杂，而且由于烟雾、水雾的不稳定，导致了再现三维像的质量下降。由于介质的吸收和散射，沿着光的透射方向，物体的光强会逐渐降低。光强的减弱在传播方向上遵从如下规律： 

$I=I_0{e}^{-({\mathrm{\α}}_a\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\α}}_s\left(\mathrm{\λ}\right))z}---\left(1\right)$

式中α_a(λ)是吸收系数，α_s(λ)是散射系数，z是在介质中光线沿Z方向透射的距离，I₀是入射光光强，I是衰减后的光强。由公式(1)可以看出，光强的衰 减随着透射深度的增加而增加。这使得各层光的光强不一致，影响再现像的质量。此外，吸收系数α_a(λ)，散射系数α_s(λ)均是关于波长的函数，均匀介质对不同波长的吸收和散射也是不同的，这使得用介质无法很好的承接彩色的三维像。 

发明内容

本发明提供一种基于均匀散射介质再现空间影像的方法，其方法简便可行、易于实现，且可同时确保再现三维图像的质量不会下降。首先构建一个三维物体，并将该三维物体沿光传播的方法(Z方向)分成若干层，每一层根据再现光的波长以及所处介质的位置加入光强补偿，然后计算出上述物体的全息图，并加载到空间光调制器上；使用均匀散射介质作为承接介质，基于相应的含有光强补偿的全息图，使用RGB三色光作为再现光，观察者可以在一定视角范围内观察到光强均匀的彩色三维像。 

根据本发明的基于均匀散射介质再现空间影像的方法，包括以下步骤： 

a)构建含有光强补偿信息的三维物体，然后计算其全息图，所述三维物体及其全息图由计算机建模产生； 

b)将所述全息图加载到空间光调制器上； 

c)用RGB三色光照射所述空间光调制器； 

d)将通过所述空间光调制器的光投射到均匀散射介质，得到各层光强一致的彩色三维图像。 

所述光强补偿由预补偿因子 

确定。 

本发明还提供一种使用上述方法基于均匀散射介质再现空间影像的装置，包括： 

光源组件，包括RGB三色光源和分别与其对应的扩束系统，将各光源发出的光进行准直扩束； 

合束组件，将经过准直扩束的RGB三色光合束后投向空间光调制器； 

空间光调制器，加载有含有光强补偿信息的全息图； 

均匀散射介质，承接经过空间光调制器后的三色光，显示光强一致的彩色三维图像。 

所述的含有光强补偿信息的全息图由三维物体建模单元产生，所述建模单元进行三维物体建模并计算全息图像，获得含有光强补偿的三维物体的全息图。 

根据本发明的方法，构建出一个含有光强补偿用信息的三维物体，计算其全息图并加载到空间光调制器上，使空间光调制器重现出的全息三维像包含了补偿用的光强信息，补偿光强消除了因照射光的波长不同以及介质各层中衰减程度不同带来的影响，使承接的实像的光强能够符合原始图像，即便是用不同波长的光产生的三维图像也能使成像光强均匀分布，达到彩色再现的目的。这种方法的使用使对全息三维图像的再现无需依赖高分辨率、大尺寸的空间光调制器，也不必设置复杂的系统来产生散射介质，简便可行，效果好。 

附图说明

图1散射介质对入射光强的影响示意图。 

图2光强补偿过程示意图。 

图3基于均匀散射介质再现彩色空间影像的系统，(a)反射式，(b)透射式。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述方法和系统做出详细的描述。 

如图1所示，散射介质对进入它的光带来强度随光传播方向变化的影响，要解决利用均匀散射介质再现彩色三维全息图像时，出现物体各层光强不一致的问题，需要避免光在介质中传播过程中，由于介质散射和吸收而损失的光强，介质各层的衰减系数为： 

${\mathrm{\α}}_j=\frac{I_j}{I_0}=e^{-({\mathrm{\α}}_a\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\α}}_s\left(\mathrm{\λ}\right))z_j}---\left(2\right)$

(2)式中α_a是吸收系数，α_s是散射系数，z_j是在介质中透射的距离，I₀是入射光光强，I_j是衰减后的光强。衰减系数与穿透的介质深度、以及再现光的波长有关，并且随着介质深度的增加按等比级数增加。对于均匀散射介质，例如：琼脂凝胶，根据(2)式，其吸收系数α_a和散射系数α_s对于不同穿透介质深度、不同波长的照射光是不同的，在承接彩色三维全息图像时，存在各层的光强不一致，无法还原彩色的像的问题。 

根据本发明的方法，在三维物体建模的时候对目标物体进行光强补偿，即对三维物体的不同截面进行与介质层衰减反向的不等的光强补偿，然后直接计算含有特定光学补偿的物体的全息图，最终导致通过各个介质层的三维物体像的各个截面具有均一的光强。 

假设沿光轴方向，均匀散射介质的厚度为z，三维物体各层落在介质相应的 层z_j上，那么每层的补偿系数为： 

${\mathrm{\σ}}_j=e^{({\mathrm{\α}}_a\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\α}}_s\left(\mathrm{\λ}\right))z_j}---\left(3\right)$

对再现的三维图像引入光强补偿因子之后，即I_j′＝I_j·σ_j，各层的衰减系数为： 

由此可以看出，通过预补偿，使得对应不同波长，不同层的衰减系数均为1，消除了再现光波长、介质散射与吸收对再现像的影响，最终在不同波长光照射下，均能获得各层光强一致的彩色三维图像。 

实现利用均匀散射介质承接全息三维图像光路系统如图3所示，以计算机构建一个三维物体，引入光强补偿因子。光强补偿过程如图2所示，将三维物体模型沿着Z方向离散成各个切面，每个切面的光强补偿因子与该切面所承接在均匀散射介质的介质层的衰减系数相关。最后计算出含有光强补偿信息的全息图加载到空间光调制器上，空间光调制器为反射式，如图3(a)所示系统，或透射式，如图3(b)所示系统，将重现出的含有光强补偿的全息三维图像呈现在均匀散射介质中。在图3(a)和(b)中，由RGB三色激光光源分时发出RGB照明光，通过分别设置在三色激光光源前的扩束系统进行准直扩束，使用分束镜对三色激光合束，合束后的RGB三色激光照射到空间光调制器上，经空间光调制器调制后的光，投向均匀散射介质，被均匀散射介质承接。对于如图3(a)所示的空间光调制器为反射式的系统，可以再次利用分束镜将空间光调制器投射出的三色三维实像进行耦合，最终被均匀散射介质承接。 

虽然已经详细示出了本发明的实施例，但是应当明白，本领域的技术人员可以想到对这些实施例的修改和调整，而不脱离如所附权利要求所提出的本发明的范围。 

Claims (10)

1.一种基于均匀散射介质再现空间影像的方法，包括以下步骤：

a)构建含有光强补偿信息的全息图，所述全息图由计算机建模产生；

b)将所述全息图加载到空间光调制器上；

c)用RGB三色光照射所述空间光调制器；

d)将通过所述空间光调制器的光投射到均匀散射介质，得到各层光强一致的彩色三维图像。

2.如权利要求1所述的基于均匀散射介质再现空间影像的方法，在步骤a)中，所述光强补偿信息是对三维图像的各层引入补偿因子，所述补偿因子σ_j为：

${\mathrm{\σ}}_j=f(\mathrm{\λ},z_j)=e^{({\mathrm{\α}}_a\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\α}}_s\left(\mathrm{\λ}\right))z_j},$

其中，Z方向为光轴方向，z_j表示三维图像各层所在均匀散射介质的深度，α_a(λ)是均匀散射介质的吸收系数，α_s(λ)是散射系数，λ表示照射光的波长。

3.如权利要求1或2所述的基于均匀散射介质再现空间影像的方法，所述RGB三色光由R、G、B激光器分别产生。

4.如权利要求1或2所述的基于均匀散射介质再现空间影像的方法，所述均匀散射介质是琼脂凝胶。

5.一种基于均匀散射介质再现空间影像的装置，包括：

光源组件，包括RGB三色光源和分别与其对应的扩束系统，将各光源发出的光进行准直扩束；

合束组件，将经过准直扩束的RGB三色光合束后投向空间光调制器；

空间光调制器，加载有含有光强补偿信息的全息图；

均匀散射介质，承接经过空间光调制器后的三色光，显示光强一致的彩色三维图像。

6.如权利要求5的基于均匀散射介质再现空间影像的装置，所述的含有光强补偿信息的全息图由三维物体建模单元产生。

7.如权利要求5或6的基于均匀散射介质再现空间影像的装置，所述的光强补偿信息是对三维图像的各层引入补偿因子，所述补偿因子σ_j为：

${\mathrm{\σ}}_j=f(\mathrm{\λ},z_j)=e^{({\mathrm{\α}}_a\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\α}}_s\left(\mathrm{\λ}\right))z_j},$

其中，Z方向为光轴方向，z_j表示三维图像各层所在均匀散射介质的深度，α_a(λ)是均匀散射介质的吸收系数，α_s(λ)是散射系数，λ表示照射光的波长。

8.如权利要求7的基于均匀散射介质再现空间影像的装置，所述光源组件包括R、G、B激光器。

9.如权利要求7的基于均匀散射介质再现空间影像的装置，所述均匀散射介质是琼脂凝胶。

10.如权利要求8的基于均匀散射介质再现空间影像的装置，所述合束组件包括至少两个分束镜。

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