CN103412470A - 基于控制衍射距离的彩色全息显示系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于控制衍射距离的彩色全息显示系统及其方法，主要解决现有彩色全息显示中存在色串扰的问题。本发明的系统包括相干光源阵列，扩束准直阵列，控制单元，空间光调制器阵列，衍射距离控制单元和消色差透镜。本发明方法实现步骤包括：（1）生成单色计算全息图；（2）加载全息图；（3）再现全息图；（4）生成彩色再现像。本发明利用不同波长下计算得到的菲涅尔最佳衍射距离，生成三幅单色计算全息图，再分别对三幅单色全息图作最佳衍射距离的菲涅尔衍射。本发明具有全息图加载方式灵活，光路简洁便于调节，消除色串扰效果好的优点。

Description

基于控制衍射距离的彩色全息显示系统及其方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及光电显示技术领域中的一种基于控制衍射距离的彩色全息显示系统及其方法。本发明可用于再现彩色计算全息图，消除计算全息再现像中色串扰和提高成像质量。

背景技术

计算全息（Computer Generated Hologram）是一种新型的全息成像与显示技术，其原理与传统光学全息类似。计算全息通过计算模拟光波场的衍射与干涉过程，用光调制器件代替传统全息记录材料，在光波传输路径的某一个平面上模拟衍射光的复振幅，最后经过光学衍射再现得到原光波场的再现像。在彩色全息中，由于使用了多个波长，不同波长下生成的全息图在再现时很难精确匹配对准，会产生色串扰或者色模糊现象，造成全息显示质量的降低。

李志扬拥有的专利技术“基于随机相长干涉原理的立体显示装置”（申请日：2009年09月25日，申请号：200910093002.9，授权公告号：CN 102033413B）中公开了一种基于随机相长干涉原理的立体显示装置。该装置的结构为：采用振幅位相调节器阵列调节入射激光的振幅和位相，进一步通过反射式或透射式全息光学元件或二元光学元件或倾斜微透镜汇聚产生位置呈随机分布的相干子光源阵列，通过这些相干子光源的相干干涉形成三维立体像。该专利技术存在的不足是，光学元件过多，光路结构复杂，且装置中对全息光学元件的加载方式死板，不利于全息光学元件的动态实时切换。

郑华东等人在“数字全息三维立体显示关键技术研究”，（中国博士学位论文全文数据库基础科学辑2009年）中提到红绿蓝三幅单色全息图要采用不同的衍射距离生成，当三个衍射距离之比与波长导数之比成一定比例时，可以在一定程度上消除色散。该方法存在的不足是，只提出了衍射距离之间的比例关系，没有指出衍射距离在什么范围时消色散效果最好以及最佳的衍射距离该如何确定。

王涛等人在“彩色全息光电再现倍率色差的消除”（光学精密工程，Vol19，No12，pp1414-pp1420，2011年）中提出通过差别采样来消除倍率色差，主要方法是改变彩色物体三色分量图的像素点数，分别计算物体三色分量图的计算全息图。该方法存在的不足是，需要在全息图生成之前进行复杂的采样率计算，增加了计算复杂性，此外，差别采样还会降低全息图所包含的总像素数，导致部分原物信息丢失。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，针对彩色全息显示中存在的色串扰问题，提出基于控制衍射距离的彩色全息显示系统及其方法。本发明可以有效地降低色串扰，提高全息显示质量，并且广泛的适用于三维显示系统。

本发明的具体思路是：在现有计算全息显示技术的基础上，通过RGB分离将原彩色图分成红、绿、蓝三幅单色图，分别利用各自波长下计算得到的菲涅尔最佳衍射距离，生成三幅单色计算全息图，再分别对三幅单色全息图作最佳衍射距离的菲涅尔衍射，获得三幅单色再现像，对三幅单色再现像作RGB融合，得到消除色串扰的彩色再现像。

为了实现上述目的，本发明的系统包括：相干光源阵列，扩束准直阵列，控制单元，空间光调制器阵列，衍射距离控制单元，消色差透镜13。

相干光源阵列，用于提供入射至空间光调制器阵列的红色相干线偏振激光光源1、绿色相干线偏振激光光源2、蓝色相干线偏振激光光源3。

扩束准直阵列，用于将红色相干线偏振激光光源1、绿色相干线偏振激光光源2、蓝色相干线偏振激光光源3发出的高斯光束经扩束准直后变为平面光波。

控制单元，用于计算生成红、绿、蓝三幅单色计算全息图，并控制红、绿、蓝三幅单色计算全息图输出加载到空间光调制器阵列的每个空间光调制器上。

空间光调制器阵列，用于加载计算机生成的红、绿、蓝三幅单色计算全息图。

衍射距离控制单元，用于控制透过空间光调制器阵列后的红、绿、蓝三个光束的衍射距离，将红、绿、蓝三束单色光合成为一束白光。

消色差透镜13，用于将衍射距离控制单元合成的白光会聚到消色差透镜13的焦平面上，在透镜焦平面上再现全息图。

为实现上述目的，本发明显示方法的具体步骤如下：

（1）生成单色计算全息图：

用菲涅尔衍射方法，生成一幅彩色图像的红、绿、蓝三幅单色计算全息图。

（2）加载全息图：

计算机输出生成的红、绿、蓝三幅单色计算全息图，加载到与红色相干线偏振激光光源1、绿色相干线偏振激光光源2、蓝色相干线偏振激光光源3对应的透射式振幅型液晶空间光调制器6、透射式振幅型液晶空间光调制器7、透射式振幅型液晶空间光调制器8上。

（3）再现全息图：

3a）调节光路，使红、绿、蓝三束平面光波分别垂直入射到透射式振幅型液晶空间光调制器6、透射式振幅型液晶空间光调制器7、透射式振幅型液晶空间光调制器8上；

3b）调节反射镜10、反射镜11和立方体棱镜12的相对位置，使透过透射式振幅型液晶空间光调制器6、透射式振幅型液晶空间光调制器7、透射式振幅型液晶空间光调制器8的红、绿、蓝三个单色平面光波合成为一束白光；

3c）调整透射式振幅型液晶空间光调制器6、透射式振幅型液晶空间光调制器7、透射式振幅型液晶空间光调制器8在导轨9上的位置，使光束透过透射式振幅型液晶空间光调制器6、透射式振幅型液晶空间光调制器7、透射式振幅型液晶空间光调制器8的衍射距离分别为红、绿、蓝三幅单色计算全息图的最佳衍射距离。

（4）生成彩色再现像：

合成的白光经消色差透镜13会聚，在透镜焦平面上生成彩色再现像。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明使用计算机生成计算全息图，并采用空间光调制器加载，克服了现有技术中全息光学元件制作复杂，加载方式单一死板，不利于动态实时切换的缺点，能够快速计算出所需显示的计算全息图，且加载方式灵活方便，可实时切换。

第二，本发明采用导轨辅助移动空间光调制器的位置，克服了现有技术衍射距离控制不便的缺点，能够方便且精确地调整每个单色光束的衍射距离，达到较好的消色散效果。

第三，本发明采用相同的采样率对三幅单色图进行采样，克服了现有技术需要对三幅单色图作差别采样的缺点，能够完整保留原彩色图的全部像素信息，不会出现信息量减少引起的再现像质量降低。

第四，本发明通过分析衍射距离对衍射光波场强度分布的影响，采用最佳衍射距离生成和再现菲涅尔衍射全息图，由于在全息图生成阶段就最大程度地抑制了色串扰的形成条件，克服了现有技术需要对全息图作进一步数字处理和频域滤波的缺点，使得本发明消除色串扰效果较好。

第五，本发明使用一块包含两个对角面的立方体棱镜进行红、绿、蓝三束光的融合，克服了现有技术光学元件过多，光路复杂的缺点，能够简化光学系统，减少由于过多光学元件造成的光强降低。

附图说明

图1为本发明系统的方框图；

图2为本发明系统的俯视结构示意图；

图3为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参照附图1，对本发明的系统做进一步描述。

本发明的系统包括相干光源阵列，扩束准直阵列，控制单元，空间光调制器阵列，衍射距离控制单元，消色差透镜。相干光源阵列用于提供入射至空间光调制器阵列的红、绿、蓝三个单色相干线偏振激光光源；扩束准直阵列用于将红、绿、蓝三个单色相干线偏振激光光源发出的高斯光束经扩束准直后变为平面光波；控制单元用于计算生成红、绿、蓝三幅单色计算全息图，并控制红、绿、蓝三幅单色计算全息图输出加载到空间光调制器阵列的每个空间光调制器上；空间光调制器阵列用于加载计算机生成的红、绿、蓝三幅单色计算全息图；衍射距离控制单元用于控制透过空间光调制器阵列后的红、绿、蓝三个光束的衍射距离，将红、绿、蓝三束单色光合成为一束白光；消色差透镜用于将衍射距离控制单元合成的白光会聚到消色差透镜的焦平面上，在透镜焦平面上再现全息图。

参照附图2，对本发明的系统做进一步描述。

本发明的系统包括红色相干线偏振激光光源1，绿色相干线偏振激光光源2，蓝色相干线偏振激光光源3，三个小孔4和三个凸透镜5，透射式振幅型液晶空间光调制器6、透射式振幅型液晶空间光调制器7、透射式振幅型液晶空间光调制器8，三个导轨9，反射镜10，反射镜11，立方体棱镜12，消色差透镜13。

小孔4和凸透镜5将红色相干线偏振激光光源1，绿色相干线偏振激光光源2，蓝色相干线偏振激光光源3发出的高斯光束变为平面光波，透射式振幅型液晶空间光调制器6、透射式振幅型液晶空间光调制器7、透射式振幅型液晶空间光调制器8放置于导轨9上，分别加载红、绿、蓝三幅单色计算全息图；移动透射式振幅型液晶空间光调制器6、透射式振幅型液晶空间光调制器7、透射式振幅型液晶空间光调制器8在导轨9上的位置，可调整光透过透射式振幅型液晶空间光调制器6、透射式振幅型液晶空间光调制器7、透射式振幅型液晶空间光调制器8后的衍射距离；反射镜10、反射镜11和立方体棱镜12将三束单色平面光波合成为一束白光，白光经消色差透镜13会聚到透镜焦平面上。

立方体棱镜12包含两个对角面和上、下、左、右四个端面，其中一个对角面反射绿光，透射红光和蓝光，另一个对角面反射蓝光，透射红光和绿光；绿色平面光经反射镜10反射后，垂直入射至立方体棱镜12的上端面，再经一个对角面反射后，垂直于右端面出射；蓝色平面光经反射镜11反射后，垂直入射至立方体棱镜12的下端面，再经另一个对角面反射后，垂直于右端面出射；红色平面光从立方体棱镜12的左端面垂直入射，从右端面垂直出射，三束单色光合成为一束白光。

下面结合附图3，对本发明的方法做进一步描述。

步骤1，生成单色计算全息图

用菲涅尔衍射方法，生成一幅彩色图像的红、绿、蓝三幅单色计算全息图。

步骤2，加载全息图

透射式振幅型液晶空间光调制器6上加载红色计算全息图，透射式振幅型液晶空间光调制器7上加载绿色计算全息图，透射式振幅型液晶空间光调制器8上加载蓝色计算全息图。

步骤3，再现全息图

红色相干线偏振激光光源1、绿色相干线偏振激光光源2和蓝色相干线偏振激光光源3发出的单色高斯光束经小孔4衍射为球面波，再经凸透镜5会聚为平面光波出射，小孔4位于凸透镜5的焦平面上。

调节光路，使红色平面光波垂直入射至透射式振幅型液晶空间光调制器6上，绿色平面光波垂直入射至透射式振幅型液晶空间光调制器7上，蓝色平面光波垂直入射至透射式振幅型液晶空间光调制器8上。将透射式振幅型液晶空间光调制器6，透射式振幅型液晶空间光调制器7，透射式振幅型液晶空间光调制器8分别放置在各自导轨的中间位置，以便于后续对衍射距离的调节。

调节立方体棱镜12的位置，使得红色平面光垂直入射至立方体棱镜12的左端面，并且让透射式振幅型液晶空间光调制器6到立方体棱镜12右端面的距离等于红色计算全息图的最佳衍射距离。

调节反射镜10的位置，使透过透射式振幅型液晶空间光调制器7的绿色平面光波垂直入射至立方体棱镜12的上端面；调节反射镜11的位置，使透过透射式振幅型液晶空间光调制器8的蓝色平面光波垂直入射至立方体棱镜12的下端面。

调整透射式振幅型液晶空间光调制器7在导轨9上的位置，使透射式振幅型液晶空间光调制器7到立方体棱镜12右端面的距离等于绿色计算全息图的最佳衍射距离；调整透射式振幅型液晶空间光调制器8在导轨9上的位置，使透射式振幅型液晶空间光调制器8到立方体棱镜12右端面的距离等于蓝色计算全息图的最佳衍射距离。

步骤4，生成彩色再现像

三束单色平面光在立方体棱镜12中会聚为一束白光出射，在透镜焦平面上生成的彩色再现像。

Claims (6)

1.一种基于控制衍射距离的彩色全息显示系统，包括相干光源阵列，扩束准直阵列，控制单元，空间光调制器阵列，衍射距离控制单元，消色差透镜（13）；其中：

所述的相干光源阵列，用于提供入射至空间光调制器阵列的红色相干线偏振激光光源（1）、绿色相干线偏振激光光源（2）、蓝色相干线偏振激光光源（3）；

所述的扩束准直阵列，用于将红色相干线偏振激光光源（1）、绿色相干线偏振激光光源（2）、蓝色相干线偏振激光光源（3）发出的高斯光束经扩束准直后变为平面光波；

所述的控制单元，用于计算生成红、绿、蓝三幅单色计算全息图，并控制红、绿、蓝三幅单色计算全息图输出加载到空间光调制器阵列的每个空间光调制器上；

所述的空间光调制器阵列，用于加载计算机生成的红、绿、蓝三幅单色计算全息图；

所述的衍射距离控制单元，用于控制透过空间光调制器阵列后的红、绿、蓝三个光束的衍射距离，将红、绿、蓝三束单色光合成为一束白光；

所述的消色差透镜（13），用于将衍射距离控制单元合成的白光会聚到消色差透镜（13）的焦平面上，在透镜焦平面上再现全息图。

2.根据权利要求1所述的基于控制衍射距离的彩色全息显示系统，其特征在于，所述的扩束准直阵列包括孔径大小相等的三个小孔（4）和焦距相等的三个凸透镜（5）；小孔（4）位于凸透镜（5）焦平面上，用于将红色相干线偏振激光光源（1）、绿色相干线偏振激光光源（2）、蓝色相干线偏振激光光源（3）发出的高斯光束衍射为球面波；凸透镜（5）用于将球面波会聚为平面波。

3.根据权利要求1所述的基于控制衍射距离的彩色全息显示系统，其特征在于，所述的空间光调制器阵列包括并列放置的透射式振幅型液晶空间光调制器（6）、透射式振幅型液晶空间光调制器（7）、透射式振幅型液晶空间光调制器（8）；所述的每个透射式振幅型液晶空间光调制器包含一个电源控制盒和一个液晶面板，所述的电源控制盒与计算机相连，垂直于光轴方向放置的液晶面板与电源控制盒相连。

4.根据权利要求1所述的基于控制衍射距离的彩色全息显示系统，其特征在于，所述的衍射距离控制单元包括三个导轨（9）、反射镜（10）、反射镜（11）和一块包含两个正交对角面的立方体棱镜（12）；所述的平行于光轴方向的三个导轨（9）上分别放置透射式振幅型液晶空间光调制器（6）、透射式振幅型液晶空间光调制器（7）、透射式振幅型液晶空间光调制器（8），移动透射式振幅型液晶空间光调制器（6）、透射式振幅型液晶空间光调制器（7）、透射式振幅型液晶空间光调制器（8）在导轨（9）上的位置，以控制光透过透射式振幅型液晶空间光调制器（6）、透射式振幅型液晶空间光调制器（7）、透射式振幅型液晶空间光调制器（8）后的衍射距离；所述的反射镜（10）和反射镜（11）用于改变光束的传播方向，其中反射镜（10）与绿色平面光波的光轴呈45°夹角，反射镜（11）与蓝色平面光波的光轴呈45°夹角，绿光和蓝光的传播方向均改变90°入射进立方体棱镜（12）；所述的包含两个正交对角面的立方体棱镜（12），其中一个对角面反射绿光，透射红光和蓝光，另一个对角面反射蓝光，透射红光和绿光，红、绿、蓝三束平面光波经过立方体棱镜（12）的透射和反射后合成一束白色平面光波出射。

5.一种基于控制衍射距离的彩色全息显示系统的显示方法，其具体步骤如下：

（1）生成单色计算全息图：

用菲涅尔衍射方法，生成一幅彩色图像的红、绿、蓝三幅单色计算全息图；

（2）加载全息图：

计算机输出生成的红、绿、蓝三幅单色计算全息图，加载到与红色相干线偏振激光光源（1）、绿色相干线偏振激光光源（2）、蓝色相干线偏振激光光源（3）对应的透射式振幅型液晶空间光调制器（6）、透射式振幅型液晶空间光调制器（7）、透射式振幅型液晶空间光调制器（8）上；

（3）再现全息图：

3a）调节光路，使红、绿、蓝三束平面光波分别垂直入射到透射式振幅型液晶空间光调制器（6）、透射式振幅型液晶空间光调制器（7）、透射式振幅型液晶空间光调制器（8）上；

3b）调节反射镜（10）、反射镜（11）和立方体棱镜（12）的相对位置，使透过透射式振幅型液晶空间光调制器（6）、透射式振幅型液晶空间光调制器（7）、透射式振幅型液晶空间光调制器（8）的红、绿、蓝三个单色平面光波合成为一束白光；

3c）调整透射式振幅型液晶空间光调制器（6）、透射式振幅型液晶空间光调制器（7）、透射式振幅型液晶空间光调制器（8）在导轨（9）上的位置，使光束透过透射式振幅型液晶空间光调制器（6）、透射式振幅型液晶空间光调制器（7）、透射式振幅型液晶空间光调制器（8）的衍射距离分别为红、绿、蓝三幅单色计算全息图的最佳衍射距离；

（4）生成彩色再现像：

合成的白光经消色差透镜（13）会聚，在透镜焦平面上生成彩色再现像。

6.根据权利要求5所述的基于控制衍射距离的彩色全息显示系统的显示方法，其特征在于，步骤（1）中所述的菲涅尔衍射方法的具体步骤如下：

第一步，获取原彩色图数据：

计算机读入一幅拟进行全息显示的宽高相等的彩色图像，将读入的彩色图像中的颜色数据保存到计算机内存中的数组中，数组元素数目与图像像素数目相等；

第二步，RGB分离，得到单色图：

逐行查找、遍历计算机内存中的数组，将其中每个元素中代表红色、绿色、蓝色信息的数据分别复制到三个数组，将三个数组以图片格式保存，得到红色、绿色、蓝色单色图；

第三步，获得菲涅尔衍射后的光波场：

按照下式，分别计算红色、绿色、蓝色单色图的最佳衍射距离：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_r=\mathrm{N\Δ}{x}^2/{\mathrm{\λ}}_r\\ d_g=\mathrm{N\Δ}{x}^2/{\mathrm{\λ}}_g\\ d_b=\mathrm{N\Δ}{x}^2/{\mathrm{\λ}}_b\end{array}\right.$

其中，d_r、d_g、d_b分别表示红色、绿色、蓝色单色图的最佳衍射距离，N表示单色图在x方向上的采样数，Δx表示采样间隔，λ_r、λ_g、λ_b分别表示红光、绿光、蓝光的波长；

按照下式，分别计算红色、绿色、蓝色单色图菲涅尔衍射后的光波场：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{r2}(x,y)=F^{-1}\left\{F\right\{U_{r1}(x,y)\left\}\exp \right[j\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_r}{d}_r\left]\exp \right[-\mathrm{j\π}(\frac{x^2}{{\mathrm{\λ}}_r{d}_r}+\frac{y^2}{{\mathrm{\λ}}_r{d}_r})\left]\right\}\\ U_{g2}(x,y)=F^{-1}\left\{F\right\{U_{g1}(x,y)\left\}\exp \right[j\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}{d}_g\left]\exp \right[-\mathrm{j\π}(\frac{x^2}{{\mathrm{\λ}}_g{d}_g}+\frac{y^2}{{\mathrm{\λ}}_g{d}_g})\left]\right\}\\ U_{b2}(x,y)=F^{-1}\left\{F\right\{U_{b1}(x,y)\left\}\mathrm{epx}\right[j\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_b}{d}_b\left]\exp \right[-\mathrm{j\π}(\frac{x^2}{{\mathrm{\λ}}_b{d}_b}+\frac{y^2}{{\mathrm{\λ}}_b{d}_b})\left]\right\}\end{array}\right.$

其中，U_r2(x,y)、U_g2(x,y)、U_b2(x,y)分别表示红色、绿色、蓝色单色图经过菲涅尔衍射后的光波场，U_r1(x,y)、U_g1(x,y)、U_b1(x,y)分别表示拟进行菲涅尔衍射计算的红色、绿色、蓝色单色图，x,y分别表示三幅单色图在X，Y方向上的采样坐标值，F^-1{}表示傅里叶逆变换，F{}表示傅里叶变换，exp[]表示求自然对数的幂函数，j表示虚数单位，λ_r、λ_g、λ_b分别表示红光、绿光、蓝光的波长，d_r、d_g、d_b分别表示计算得到的红色、绿色、蓝色单色图的最佳衍射距离；

第四步，用伯奇编码方法，分别编码获得红色、绿色、蓝色三幅单色计算全息图：

按照下式，分别计算红色、绿色、蓝色三幅单色计算全息图：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_r=0.5+0.5(A_r\×\cos \left(2\mathrm{\π\αx}\right)+B_r\×\sin \left(2\mathrm{\π\αx}\right))\\ M_g=0.5+0.5(A_g\×\cos \left(2\mathrm{\π\αx}\right)+B_g\×\sin \left(2\mathrm{\π\αx}\right))\\ M_b=0.5+0.5(A_b\×\cos \left(2\mathrm{\π\αx}\right)+B_b\×\sin \left(2\mathrm{\π\αx}\right))\end{array}\right.$

其中，M_r、M_g、M_b分别表示红色、绿色、蓝色单色计算全息图，A_r、A_g、A_b分别表示红色、绿色、蓝色单色图衍射后的光波场的实部值，B_r、B_g、B_b分别表示红色、绿色、蓝色单色图衍射后的光波场的虚部值，α表示设定的物光与参考光的夹角，取值范围为0°～30°，x表示单色图在X方向上的采样坐标值。

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