CN103425035A - 一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于全息打印与三维显示技术领域，具体涉及一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统。由激光光源、分光镜、扩束准直系统、空间光调制器、计算机、全反射镜、聚焦透镜、全息图记录材料、异型掩模板、目标物及CCD摄像机构成。由CCD摄像机与计算机获得目标物的变换视差图像加载到空间光调制器中，对激光光源发出的光束进行调制，调制光束与分光镜反射的另一束激光发生干涉，透过异型掩模板，曝光记录在全息记录材料上，实现目标物的全息体视图打印输出。本发明提供的全息体视图打印系统能够有效地提高全息图的打印输出速度，采用异型掩模板克服了传统硬边光阑打印全息体视图的频谱泄露问题，提高了全息体视图的再现质量。

Description

一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统

技术领域

本发明属于全息打印与三维显示技术领域，具体涉及一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统。

背景技术

三维立体显示技术是人类理想的显示技术，是人们不断追求的目标。随着科技与信息技术的飞速发展，战场指挥、医学影像处理、空中导航以及立体电视等领域都对三维显示技术提出了迫切的需求。全息显示技术能够完整的记录和重建三维物体的波前，提供人眼所需的全部深度信息，是目前最有应用前景的三维显示技术(如S.Tay et.al.，An updatable holographicthree-dimensional display，Nature451，695-698(2008)；P. A.Blanche et al.，Holographicthree-dimensional telepresence using large-area photorefractive polymer，Nature468，80-83(2010)；D.E.Smalley et.al.，Anisotropic leaky-mode modulator for holographic video displays，Nature498，313-318(2013)；B.Sun et al.，3D computational imaging with single-pixel detectors，Science340，844-847(2013)；)。但是，三维全息显示技术在实际应用中受到极大的数据量、较慢的计算速度以及对显示设备较高的空间带宽积的要求等诸多问题的挑战。

全息体视图技术较好的解决了全息显示技术存在的问题，它利用三维物体一系列的二维视角图像生成全息图，重建出满足人眼视觉要求的三维图像，避免了过高分辨率的浪费以及计算速度慢等问题，是全息三维显示重要的发展方向之一。目前，学者们提出了较多的全息体视图的打印输出系统(如T.Utsugi et.al.，Reduction ofthe recorded speckle noise in holographic3D printer，Optics Express21，662-674(2013)；W. C.Su et.al.，Stereogram implemented with aholographic image splitter，Optics Express19，9942-9949(2011)；)。在这些系统的全息体视图曝光过程中，矩形光阑因为其简单易于实现而被广泛采用。

从光学传递函数的角度分析，全息体视图系统可以看作是衍射受限系统。因此，出射光瞳对全息体视图系统的成像质量有着非常重要的影响。矩形光阑由于其垂直下降的边缘(常称为硬边光阑)，其傅里叶频谱具有严重的旁瓣，该特征会在图像重建的过程中产生较大的频谱泄露，造成全息体视图系统再现图像质量的下降。因此，在全息体视图的打印过程中，设计合理的异型掩模板作为曝光光阑，进而提高全息体视图系统的成像质量，具有十分重要的意义。

基于以上原因，本发明提供了一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，实现三维目标物全息体视图的快速打印输出，并有效地提高全息体视图的再现质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高质量再现特性的全息体视图快速打印输出系统。关键技术在于利用CCD摄像机拍摄目标物的多角度二维图像，通过采样方法快速得到可供打印输出的变换视差图像；同时，在全息记录材料上覆盖透过率变化的异型掩模板，通过加载变换视差图像的空间光调制器对激光光束进行调制，与参考光透过异型掩模板在全息材料上发生干涉，实现了目标物全息体视图的记录。

本发明的特征在于，一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，至少含有激光光源，分光镜，扩束准直系统，空间光调制器，计算机，全反射镜，聚焦透镜，全息图记录材料，异型掩模板，目标物，CCD摄像机。其中，由CCD摄像机及计算机构成目标物的变换视差图像获取系统。

采用本发明实现目标物的全息体视图打印输出步骤为：由多个CCD摄像机组成二维阵列或者单个CCD摄像机在物体一侧沿平面栅格运动的方式，拍摄目标物的多个视角图像，并保证目标物位于视角图像的中心位置。计算机对拍摄的视角图像进行采样，获得目标物的变换视差图像，作为全息体视图的打印数据源。在打印过程中，将一幅变换视差图像加载到空间光调制器中，激光光源被分光镜分光后，一束光由空间光调制器调制后成为物光，另一束由全反射镜反射成为参考光。物光与参考光透过异型掩模板后在全息记录材料上的对应位置发生干涉。同步控制加载到空间光调制器中的变换视差图像与异型掩模板的放置位置，实现目标物全息体视图在记录材料上的完整打印输出。

所述全息图记录材料对系统采用的激光光源的波长光学敏感，同时全息记录材料对激光光源的波长具有高亮度衍射特性，其材料为卤化物银盐干板或者光折变聚合物薄膜。

所述的全息图记录材料记录的全息体视图，能够在激光光源的照射下，实现目标物的多视角高质量三维再现。

所述具有软边光阑的异型掩模板，其透过率函数为有限孔径的高斯(Shaped Gaussian)函数或者布莱克曼(Shaped Blackman)函数。异型掩模板可以通过精密二维控制机构，在全息图记录介质表面精确移动位置。

所述的变换视差图像，由计算机对CCD摄像机拍摄的目标物多角度二维视角图像进行采样获得，其采样间隔由目标物、CCD摄像机、空间光调制以及全息图记录材料的位置关系决定。

所述的空间光调制器可以是透射型的，也可以是反射型的，调制模式为幅值调制或相位调制。

与现有技术相比，本发明提供的全息体视图打印系统具有以下优点：

1、该系统打印的数据源为三维目标物的变换视差图像，可以通过对目标物的二维视角图像直接采样获得，其全息图的获取过程采用了傅里叶变换光学计算的方法，避免了普通全息图打印系统中全息图繁琐的计算过程，提高了打印输出速度。

2、采用具有高斯函数或者布莱克曼函数透过率的异型掩模板，有效地减弱了传统的矩形光阑产生的频谱泄露，提高了全息体视图系统的频率响应特性，进而获得了更高质量的再现效果。

附图说明

本发明一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统的附图有5个。

图1一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统第一个实施例的结构示意图。

图2采用异型掩模板全息体视图系统光学传递函数对比图(空间频率f_x＝0或者f_y＝0)。

图3采用异型掩模板全息体视图系统光学传递函数对比图(空间频率f_x＝f_y)。

图4一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统第二个实施例的结构示意图。

图5目标物变换视差图像获取系统示意图。

图1～图5中，(1)-激光光源，(2)-分光镜，(3)-扩束准直系统，(4)-空间光调制器，(5)-计算机，(6)-全反射镜，(7)-聚焦透镜，(8)-全息图记录材料，(9)-异型掩模板，(10)-目标物，(11)-CCD摄像机，(12)-目标物多视角图像，(13)-目标物变换视差图像。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明“一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统”做进一步描述。

图1为本发明提供的全息体视图打印系统的第一个实施例，包括激光光源(1)，分光镜(2)，扩束准直系统(3)，空间光调制器(4)，计算机(5)，全反射镜(6)，聚焦透镜(7)，全息图记录材料(8)，异型掩模板(9)。

在该实施例中，空间光调制器(4)采用反射式，全息记录材料(8)的曝光过程采用双向曝光的方式。激光光源(1)发出的光线经过分光镜(2)后，一束经过全反射镜(6)和聚焦透镜(7)直接到达全息记录材料(8)上，作为干涉记录的参考光；一束经过扩束准直系统(3)后，照射在空间光调制器(4)上。变换视差图像获取系统获得目标物(10)的变换视差图像(13)，由计算机(5)依次写入到空间光调制器(4)中，扩束准直后的光线由空间光调制器(4)调制后，经过聚焦透镜(7)照射到全息记录材料(8)上，形成物光；物光与参考光分别透过异型掩模板(9)在全息记录材料(8)上发生干涉。同步控制写入空间光调制器(4)的变换视差图像(13)的切换与异型掩模板(9)的位置移动，实现目标物(10)全息体视图的快速打印输出。该实施例中，异型掩模板的透过率函数为有限孔径的高斯函数(Shaped Gaussian)或者布莱克曼(Shaped Blackman)函数，表达式分别为P_G(ξ，η)和P_B(ξ，η)，传统全息体视图打印系统采用的矩形光阑(Rectangle)表达式为P_R(ξ，η)。

$P_R(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\ξ}}{l}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\η}}{l}\right)---\left(1\right)$

$P_G(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\ξ}}{l}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\η}}{l}\right)\exp [-\mathrm{\α}\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{l^2}\right)]---\left(2\right)$

$P_B(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\ξ}}{l}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\η}}{l}\right)\×[0.42+0.5\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}}{l}\right)+0.08\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}}{l}\right)]---\left(3\right)$

式中，(ξ，η)为全息图记录材料(8)的平面坐标，l为全息打印系统曝光光阑的尺寸，α＝8为高斯函数参数。相对于传统的硬边矩形光阑，本发明提供的全息体视图打印系统采用具有软边光阑的异型掩模板(9)作为系统的出射光瞳。

从成像系统的点扩散函数角度分析，矩形光阑由于对物光波的垂直截断，因此其点扩散函数具有较大的旁瓣，产生一定数量的频谱泄露，必然会降低全息体视图系统的再现质量。而采用有限孔径的高斯函数或者布莱克曼函数的异型掩模板的全息体视图系统，其软边光阑可以有效抑制点扩散函数中频谱泄露现象的产生。

从成像系统的光学传递函数角度进行分析，全息体视图作为衍射受限系统，系统的广义光瞳函数为

P(ξ，η)＝P(ξ，η)exp[jkW(ξ，η)]    (4)

其中P(ξ，η)为系统的出瞳函数，W(ξ，η)为由于物点与全息体视图平面具有一定的距离而引起的再现相位误差。全息体视图系统的光学传递函数OTF(f_x，f_y)可以由系统的广义光瞳函数的自相关函数计算得到：

$\mathrm{OTF}(f_x,f_y)=\frac{\∫\∫P(\mathrm{\ξ}-\frac{{\mathrm{\λz}}_s{f}_x}{2},\mathrm{\η}-\frac{{\mathrm{\λz}}_s{f}_y}{2})P*(\mathrm{\ξ}+\frac{{\mathrm{\λz}}_s{f}_x}{2},\mathrm{\η}+\frac{{\mathrm{\λz}}_s{f}_y}{2})\mathrm{d\ξd\η}}{\∫\∫P^2(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\mathrm{d\ξd\η}}---\left(5\right)$

$=\frac{\∫\∫P(\mathrm{\ξ}-\frac{{\mathrm{\λz}}_s{f}_x}{2},\mathrm{\η}-\frac{\mathrm{\λ}{z}_s{f}_y}{2})P(\mathrm{\ξ}+\frac{{\mathrm{\λz}}_s{f}_x}{2},\mathrm{\η}+\frac{\mathrm{\λ}{z}_s{f}_y}{2})\exp \left\{\mathrm{jk}\right[W(\mathrm{\ξ}-\frac{\mathrm{\λ}{z}_s{f}_x}{2},\mathrm{\η}-\frac{{\mathrm{\λz}}_s{f}_y}{2})-W(\mathrm{\ξ}+\frac{\mathrm{\λ}{z}_s{f}_x}{2},\mathrm{\η}+\frac{\mathrm{\λ}{z}_s{f}_y}{2})\left]\right\}\mathrm{d\ξd\η}}{\∫\∫P^2(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\mathrm{d\ξd\η}}$

式中，z_s为物点所在平面与观察平面的距离。在本发明中，由于采用异型掩模板(9)，从而改变系统的出瞳函数P(ξ，η)，最终影响系统的光学传递函数OTF(f_x，f_y)，达到提高系统性能的目的。

通过式(5)分别计算采用矩形光阑(Rectangle)和无限孔径的高斯函数(Gaussian)异型掩模板的全息体视图系统光学传递函数分别为：

${\mathrm{OTF}}_R(f_x,f_y)=\mathrm{\Λ}\left(\frac{\mathrm{\λ}{z}_s{f}_x}{l}\right)\mathrm{\Λ}\left(\frac{\mathrm{\λ}{z}_s{f}_y}{l}\right)\sin c\left[\frac{(z_1-z_s)}{z_1{z}_s}\left({\mathrm{lz}}_s{f}_x\right)(1-\frac{{\mathrm{\λz}}_s\left|f_x\right|}{l})\right]\sin c\left[\frac{(z_1-z_s)}{z_1{z}_s}\left({\mathrm{lz}}_s{f}_y\right)(1-\frac{{\mathrm{\λz}}_s\left|f_y\right|}{l})\right]---\left(6\right)$

其中，z₁为全息体视图平面与再现平面的距离，sinc(x)＝sin(πx)/πx。无穷孔径高斯函数异型掩模板是无法物理实现的。对于采用有限孔径的高斯函数和布莱克曼函数异型掩模板的全息体视图系统，其光学传递函数没有解析解，因此将采用数值模拟的方法对其光学传递函数进行分析。

图2为当空间频率f_x＝0或者f_y＝0时，采用异型掩模板的全息体视图系统与传统采用矩形光阑全息体视图系统光学传递函数对比。为了便于分析，采用无限孔径高斯函数的体视图系统的光学传递函数同样给出。图2(a)、(b)、(c)分别对应全息体视图系统中无像差、中像差和高像差点的光学传递函数。从图2(a)中可以发现，在无像差情况下，本发明提供的采用的有限孔径高斯函数(Shaped Gaussian)和布莱克曼函数(Shaped Blackman)异型掩模板的全息体视图系统，其光学传递函数在低频和高频段明显优于矩形光阑(Rectangle)系统，而在中频段略低一点；在中像差时(图2(b))，在低频和中频段，本发明提供的体视图打印系统的频率响应更优，而在高频段低于传统系统。由于在全息体视图系统中，三维物体的基本结构主要集中在低频成分，其对三维重构具有更重要的意义。因此，在中像差情况下，本发明提供的系统性能更优；当像差进一步增加时(图2(c))，本发明提供的异型掩模板系统不仅提供了更好的频率响应和更高的截止频率，更为重要的是，采用有限孔径布莱克曼异型掩模板的系统保持了光学传递函数的非负性，而采用有限孔径高斯函数掩模板的系统同样大大减小了负值响应。矩形光瞳函数系统存在的负值响应会造成成像过程中的对比度反转，极大地影响三维物体再现质量，而本发明提供的采用异型掩模板的全息体视图系统有效地避免了这一现象的发生。同时，有限孔径的高斯函数(Shaped Gaussian)异型掩模板是对无限孔径高斯函数(Gaussian)的截断，因此其构成的系统光学传递函数变化情况介于无限孔径高斯函数系统和矩形光阑系统之间。

图3为当空间频率f_x＝f_y时，采用异型掩模板的全息体视图系统与传统采用矩形光阑全息体视图系统光学传递函数对比。在这种条件下，全息体视图系统的频率张成了二维空间。对比可以发现，本发明提供的采用异型掩模板的全息体视图打印系统的光学传递函数同样优于传统系统。

图4为本发明提供的一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统的第二个实施例，其具体结构与第一个实施例相似，其实施原理与本发明的第一实施例相同。但在该实施例中，空间光调制器(4)采用透射式，同时全息图曝光记录的过程采用单向曝光的方式。由于只需要在全息记录材料(10)的一侧覆盖与精确移动异型掩模板(9)，因此该实施例的结构更为简单。

图5为本发明提供的目标物变换视差图像获取系统及获取过程示意图。对于三维目标物(10)，在其一侧等间隔放置多个CCD摄像机(11)组成阵列，或者在该位置安装二维滑动导轨，单个CCD摄像机(11)在导轨上移动，等间隔的拍摄目标物(10)的多角度二维视角图像(12)。根据全息体视图记录与再现过程中目标物、CCD摄像机、空间光调制器以及全息图记录材料的位置关系，计算多视角图像(12)的采样片段大小与采样间隔。利用计算机(5)对拍摄的多视角图像(12)按照计算的采样参数进行数字采样，获得目标物的变换视差图像(13)，作为本发明全息体视图打印系统中空间光调制器(4)加载的数据源。由于采用数字图像处理的方法直接获得变换视差图像并加载到空间光调制器中，避免了传统全息体视图打印系统中的全息图计算环节，极大地减少了计算量，提高了系统的打印输出速度。

Claims (9)

1.一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，其特征在于，至少含有：激光光源(1)，分光镜(2)，扩束准直系统(3)，空间光调制器(4)，计算机(5)，全反射镜(6)，聚焦透镜(7)，全息图记录材料(8)，异型掩模板(9)，目标物(10)，CCD摄像机(11)。其中，由CCD摄像机(11)及计算机(5)构成变换视差图像获取系统。CCD摄像机(11)拍摄目标物(10)的多视角图像(12)，计算机(5)通过采样获得变换视差图像(13)，并依次写入到空间光调制器(4)中。激光光源(1)发出的光束被分光镜(2)分光，一路经过扩束准直后，被加载了变换视差图像(13)的空间光调制器(4)调制；另一路被全反射镜(6)反射。两束光分别经过聚焦透镜(7)后，透过异型掩模板(9)，在全息图记录材料(8)上曝光记录干涉条纹。同步控制变换视差图像(13)的切换和异型掩模板(9)位置的移动，实现目标物(10)的全息体视图写入。

2.根据权利要求1所述的一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，其特征在于，所述的全息体视图打印系统在全息记录材料(8)上实现目标物(10)的全息体视图打印输出。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，其特征在于，打印在全息图记录材料(8)上的全息体视图，能够在激光光源(1)的照射下，实现目标物(10)的多视角三维再现。

4.根据权利要求1或2所述的一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，其特征在于，在曝光过程中，全息图记录材料(8)的表面放置了具有软边光阑的异型掩模板(9)，其透过率函数为有限孔径的高斯(Shaped Gaussian)函数或者布莱克曼(Shaped Blackman)函数。

5.根据权利要求1或4所述的一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，其特征在于，所述的异型掩模板(9)，其形状为一维狭缝或者二维块状掩模，分别用来打印水平视差和全视差全息体视图。

6.根据权利要求1或2所述的一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，其特征在于，全息体视图干涉条纹的记录，采用单向曝光或者双向曝光的方法。

7.根据权利要求1或2所述的一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，其特征在于，由CCD摄像机(11)及计算机(5)构成变换视差图像获取系统，采用多个CCD摄像机或者单个CCD摄像机移动的方法，拍摄目标物(10)的多视角图像(12)，由计算机(5)通过采样的方法获得目标物(10)的变换视差图像(13)。

8.根据权利要求1或2所述的一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，其特征在于，所述全息图记录介质(8)是具有高亮度衍射特性的全息记录介质材料，为卤化物银盐干板和光折变聚合物薄膜，且对于激光光源(1)的波长敏感。

9.根据权利要求1或2所述的一种采用异型掩模板的全息体视图打印系统，其特征在于，所述的空间光调制器(4)是透射型，或者是反射型的空间光调制器，调制模式为幅值调制，或者为相位调制。

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