CN102799099B - 一种计算全息图真彩色显示的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种白光LED作为再现光源，单幅合成计算全息图进行真彩色显示的方法。该方法包括合成全息图的制作和像素结构滤光片的设计两个步骤。本发明首先采用博奇编码的方式对同一场景的三分色图制作菲涅尔全息图，基于三基色彩色显示的原理和全息图的记录再现特性，将三幅编码图按特殊结构合成一幅全息图进行再现。其次，本发明设计一具有像素结构的滤光片，实现了白光LED作为再现光源的真彩色全息显示。

Description

一种计算全息图真彩色显示的方法

技术领域

本发明涉及计算全息显示技术，更具体地说，本发明涉及计算全息真彩色显示技术。

背景技术

基于空间光调制器的计算全息显示是一种真三维立体显示技术，能重建出三维场景的全真立体图像，该立体图像包含连续的视差信息，观看者无需佩戴辅助设备就可获得观看真实景物的感觉，且没有立体观看视疲劳。然而全息图在进行再现时利用了光的衍射原理，再现光必须为波长固定的相干光，因此，再现像的颜色单一。为了实现较好像质的真彩色计算全息显示，需要复杂的再现光学系统，目前还没有较为简单的再现方法。

在传统的计算全息真彩色显示系统中，采用三个空间光调制器和红色、绿色、蓝色三个激光器进行显示，如附图1所示。在再现时，空间光调制器经过驱动面板的驱动而工作，三个激光器分别照射一个空间光调制器，在同一位置处对应再现出红绿蓝三色再现像，实现了真彩色显示。但是，在该方法中为了避免色差的出现，需要进行复杂的对位操作。且激光器的使用会给再现像带来斑点噪声，给观看不当的观看者带来眼睛上的损伤。

随着计算全息真彩色显示的发展，采用光谱相对较窄且价格便宜的红色、绿色、蓝色LED光源代替激光器作为再现光源进行真彩色全息显示。LED光源通过一针孔滤波可实现再现光的空间相干性。三色LED光源结合着人类视觉原理，通过时序法实现了计算全息真彩色再现，如附图2所示。同步控制电路保证LED再现光颜色和计算全息图记录场景颜色相同并同步变化，三幅全息图在50ms内轮流输入到同一空间光调制器上，则三色再现像在同一位置处轮流再现，人眼在视觉暂留效应内，即可观察到真彩色全息再现像。此方法再现光学系统得到相对简化，但是同步电路的制作比较繁琐。

发明内容

本发明提出一种以白光LED作为再现光源，单幅合成计算全息图进行真彩色显示的方法。该方法包括合成计算全息图的制作和具有像素结构滤光片的设计两个步骤。

合成计算全息图的结构如附图3所示。首先利用计算机图像处理的方法将待记录的彩色场景分色成红绿蓝三色场景，场景的尺寸为x×y，记录场景的频域宽度为2B _x 、2B _y ，它们满足

                                                  

式中λ为物波波长，设定物波分别为红光、绿光、蓝光，对应波长为λ _r 、λ _g 、λ _b ，场景距离全息图的距离为z _o ，参考光与z轴的夹角正弦值为sinθ。利用博奇编码的方式对应制作三幅菲涅尔全息图，编码时设定物光、参考光的颜色和记录场景的颜色相同，三幅全息图记录的信息值在计算机中对应储存在三个二维矩阵mapr(M,N)、mapg(M,N)和mapb(M,N)中，M×N为每幅全息图总的抽样点数，抽样间隔为△x、△y。利用三幅菲涅尔全息图制作出一幅合成计算全息图，此记录的信息值储存在矩阵map(M,N)中。该合成计算全息图记录着三色场景信息，记录着相同颜色场景信息值的抽样单元为合成全息图中的一成分，每一成分的抽样间隔为△ξ、△η。

优选地，为避免记录着不同颜色场景信息的全息图的叠加而引起再现像的串扰，避免每一成分的全息图仅记录场景某些特定方向信息保证观看立体连续性，map(M,N)满足

 式中k为正整数。在制作三幅菲涅尔全息图和合成计算全息图时避免丢失信息，抽样间隔

△x、△y、△ξ、△η满足

    

在使用空间光调制器再现该合成计算全息图时，△x、△y在满足式（5）的基础上分别等于空间光调制器的横向像素间隔、竖向像素间隔。

其次，本发明设计一具有像素结构的滤光片，结构如附图4所示。此滤光片包含红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片，像素单元滤光片的尺寸为△x×△y，可通过光刻工艺制作。将合成计算全息图输入到空间光调制器，再现光路系统如附图5所示。滤光片置于空间光调制器的前方，保证任意像素单元滤光片、记录着相同颜色场景信息的全息图抽样单元和再现光三者在同一直线上。白色LED光源经过一针孔滤波和像素结构的滤光片后，再现光具有了空间相干性和时间相干性，则红绿蓝三色再现像在同一位置处叠加，实现真彩色全息再现。

附图的说明

附图1为传统计算全息真彩色再现的原理示意图。

附图2为时序法实现计算全息真彩色再现的原理示意图。

附图3为本发明中合成计算全息图的结构示意图。

附图4为本发明中像素结构滤光片的结构示意图。

附图5为本发明中单幅计算全息图真彩色显示的原理示意图。

附图6为被记录的彩色场景。

附图7为彩色场景的再现像。

上述附图中的图示标号为：

1计算机，2驱动板，3空间光调制器，4分离器，5准直透镜，6红色激光器，7绿色激光器，8蓝色激光器，9观看者，10同步控制电路，11红色LED光源，12绿色LED光源，13蓝色LED光源，14 针孔，15合成全息图中记录红色场景的全息图抽样单元，16合成全息图中记录绿色场景的全息图抽样单元，17合成全息图中记录蓝色场景的全息图抽样单元，18像素结构的滤光片，19红色滤光片，20绿色滤光片，21蓝色滤光片，22白色LED光源。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明利用本发明一种计算全息图真彩色显示的方法的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

确定彩色场景尺寸为1cm×1cm，如附图6所示，利用Matlab程序对此场景进行三基色分色处理，形成三幅单色场景图。设置Z _o =1500mm、λ _r =632.8nm、λ _g =514.5nm、

λ _b =488.5nm、sinθ=0.01， ,为了避免合成全息图记录信息的丢失，根据

并结合空间光调制器的横向和竖向像素间隔，设定抽样间隔△x=6um、△y=8um。采用博奇编码的方式制作三幅菲涅尔全息图，其记录的信息值在计算机中对应储存在三个二维矩阵mapr(M,N)、mapg(M,N)和mapb(M,N)中，每幅全息图总的抽样点数为M×N 。利用三幅菲涅尔全息图制作出一幅合成计算全息图，此记录的信息值储存在矩阵map(M,N)中。该合成计算全息图记录着三色场景信息，把记录着相同颜色场景信息值的抽样单元称为合成全息图中的一成分，每一成分的抽样间隔为△ξ、△η。为避免不同成分全息图的叠加而引起再现像的串扰，避免每一成分的全息图仅记录场景某些特定方向信息保证观看立体连续性，map(M,N)满足

式中k为正整数。抽样间隔△ξ、△η满足

其次，通过光刻工艺制作一具有像素结构的滤光片，结构如附图4所示。此滤光片包含红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片，像素单元滤光片的尺寸为6um×8um。将合成计算全息图输入到空间光调制器，空间光调制器的横向和竖向像素间隔分别为6um、8um，再现光路系统如附图5所示。滤光片置于空间光调制器的前方，保证任意像素单元滤光片、记录着相同颜色场景信息的全息图抽样单元和再现光三者在同一直线上。白色LED光源经过一针孔滤波和像素结构的滤光片后，再现光具有了空间相干性和时间相干性，则红绿蓝三色再现像在同一位置处叠加，再现像如附图7所示，实现真彩色全息再现。

Claims (1)

1.一种计算全息图真彩色显示的方法，其特征在于，该方法以白光LED作为再现光源，单幅合成计算全息图进行真彩色显示,包括合成计算全息图的制作和具有像素结构滤光片的设计两个步骤,合成计算全息图的制作步骤为：首先利用计算机图像处理的方法将待记录的彩色场景分色成红绿蓝三色场景，利用博奇编码的方式对应制作三幅菲涅尔全息图，编码时设定物光、参考光的颜色和记录场景的颜色相同，三幅全息图记录的信息值在计算机中对应储存在三个二维矩阵                                                和中，为每幅全息图总的抽样点数，抽样间隔为，利用三幅菲涅尔全息图制作出一幅合成计算全息图，此记录的信息值储存在矩阵中，该合成计算全息图记录着三色场景信息，记录着相同颜色场景信息值的抽样单元为合成全息图中的一成分，每一成分的抽样间隔为，为避免记录着不同成分全息图的叠加而引起再现像的串扰，避免每一成分的全息图仅记录场景某些特定方向信息保证观看立体连续性，满足：式中k为正整数,在制作三幅菲涅尔全息图和合成计算全息图时避免丢失信息，抽样间隔满足：，为记录场景的频域宽度，在使用空间光调制器再现该合成计算全息图时，在满足上式的基础上分别等于空间光调制器的横向像素间隔、竖向像素间隔,具有像素结构的滤光片包含红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片，像素单元滤光片的尺寸为，可通过光刻工艺制作，将合成计算全息图输入到空间光调制器，滤光片置于空间光调制器的前方，保证任意像素单元滤光片、记录着相同颜色场景信息的全息图抽样单元和再现光三者在同一直线上，白色LED光源经过一针孔滤波和像素结构的滤光片后，再现光具有了空间相干性和时间相干性，则红绿蓝三色再现像在同一位置处叠加，实现真彩色全息再现。