CN104298103B - 一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统及方法。本系统包括红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器、快门Ⅰ、快门Ⅱ、快门Ⅲ、滤波器Ⅰ、滤波器Ⅱ、滤波器Ⅲ、准直透镜Ⅰ、准直透镜Ⅱ、准直透镜Ⅲ、反射镜、半透半反镜Ⅰ、半透半反镜Ⅱ、空间光调制器、计算机、驱动面板、可变焦透镜、接收面板、同步控制电路。本方法采用可变焦透镜代替彩色计算全息光学再现过程中常用的固体透镜，利用可变焦透镜的变焦性能，改变不同颜色的光再现时可变焦透镜的焦距，使R、G、B三色再现像轴向重合，从而实现色差补偿，可有效简化系统、降低成本、提升再现像质量等。
Description
技术领域
本发明属于全息显示技术领域，特别地，本发明涉及一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统及方法。
背景技术
彩色计算全息显示一般通过时分法和空分法实现，时分法因其系统复杂度低而被广泛应用。使用红(R)、绿(G)、蓝(B)三色再现光按时序依次照射空间光调制器(SLM)，再现光经SLM出射后由固体透镜聚焦，并在其焦平面处成像，利用人眼的视觉暂留效应就可以观看到场景的彩色信息。然而，同一固体透镜对不同波长的光的焦距可表示为：其中fλ为焦距，r为透镜曲率，nλ为同一透镜材料对不同波长的光的折射率，且随波长增大而减小，焦距不同则导致再现像的位置不同，如附图1所示，R、G、B三色再现像距离固体透镜由远及近依次分布。R、G、B三色再现像在空间轴向位置的不重合称为轴向色差，会影响观看者的观看体验。为使用简单的系统和方法实现彩色计算全息色差补偿，国内外学者进行了一系列研究：Tokamori Senoh及其团队使用三个SLM分别再现同一场景的不同颜色分量的全息图，通过改变记录过程中记录场景与记录平面的距离来消除轴向色差；此外，也有学者提出通过对位相型全息图添加二次相位因子来实现对轴向色差的补偿。虽然目前已有的技术可以获得彩色的再现效果，但是系统比较复杂、采用的器件比较多，或者编码复杂，因此不容易操作。
发明内容
本发明提出一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统及方法，采用可变焦透镜代替固体透镜，利用可变焦透镜的变焦性能，改变不同颜色的光再现时可变焦透镜的焦距，使R、G、B三色再现像轴向重合，从而消除轴向色差，实现色差补偿。
基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统如附图2所示，包括：
-R、G、B三色激光器，数量都为1个，并排、平行放置，用以提供R、G、B三色相干光源；
-滤波单元，包括快门、滤波器和准直透镜，数量都为3个，将其分为3组，每组包含快门、滤波器、准直透镜各1个，并且快门、滤波器、准直透镜按所述先后顺序轴向组合，保证光轴统一，分别位于R、G、B三色激光器之后，用以控制激光器的出射以及出射时间，并将激光器发出的光束转为均匀准直平面光；
-转向单元，包括反射镜和半透半反镜，数量分别为1个和2个，依次位于R、G、B三色再现光所通过的滤波单元之后，并且处在R、G、B三色再现光的光轴上，且反射镜的镜面以及半透半反镜的胶合面与再现光出射光轴夹角均为45度，用于将光路方向改变90度，使均匀准直平面光垂直照射在SLM上；
-调制单元，包括SLM、用于控制加载信息到SLM上的驱动面板和计算机，数量都为1个，位于转向单元之后，用于将计算机生成的同一场景不同颜色分量的全息图时序加载到SLM上；
-可变焦透镜，置于SLM和接收面板之间，当SLM上加载某种颜色分量的全息图后，对应调节可变焦透镜的焦距，使R、G、B三色再现像轴向重合，从而消除彩色计算全息再现过程中的轴向色差；
-接收面板，数量为1个，位于可变焦透镜之后，用来接收彩色计算全息再现像；
-同步控制电路，连接驱动面板、快门和可变焦透镜，用于当SLM上加载某种颜色分量的全息图时，同步调节可变焦透镜的焦距，并控制对应颜色的再现光出射，使SLM上加载的全息图的颜色分量信息、可变焦透镜的焦距、出射的再现光颜色保持对应。
优选地，考虑可变焦透镜的响应时间以及人眼视觉暂留效应的混叠现象，当SLM上加载某种颜色分量的全息图时，利用同步控制电路同步改变可变焦透镜的焦距，并控制对应颜色的再现光的出射滞后于SLM上加载全息图的时刻，滞后的时间间隔为可变焦透镜的响应时间。
优选地，考虑人眼的视觉暂留效应(≤50ms)，同步控制电路的切换时间≤15ms。
优选地，考虑可变焦透镜的响应时间受自身结构参数的限制，最快可以达到亚毫秒级别，此处采用10ms级别。
优选地，考虑可变焦透镜的响应时间以及人眼视觉暂留效应的混叠现象，R、G、B三色再现光每次出射的时间≤5ms。
优选地，当SLM上加载不同颜色分量的全息图时，利用同步控制电路同步改变可变焦透镜的焦距，记R、G、B三色分量全息图对应的可变焦透镜的焦距分别为fr、fg、fb，为了保证三色再现像轴向重合，fr、fg、fb的关系为fr：fg：fb＝1：1：1。
R、G、B三色再现光由快门控制出射，经滤波单元后变为均匀准直平面光，再经转向单元转向后垂直照射到SLM上，调制单元控制加载不同颜色分量的全息图到SLM上，根据SLM上加载的全息图的颜色分量信息，同步控制电路同步调节可变焦透镜的焦距，并控制相应颜色的再现光出射，使SLM上加载的全息图的颜色分量信息、可变焦透镜焦距、出射的再现光颜色保持对应，从而使三色再现像轴向重合，根据人眼的视觉暂留效应，观看者可以观看到清晰的彩色再现像。
基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿方法，包括步骤：
第一步：通过迭代傅里叶算法在计算机上分别生成同一场景的R、G、B三色分量全息图；
第二步：利用驱动面板将计算机生成的同一场景的R、G、B三色分量全息图时序加载到SLM上；
第三步：根据SLM上加载的全息图的颜色分量信息，利用同步控制电路同步改变可变焦透镜的焦距，并控制对应颜色的再现光的出射滞后于SLM上加载全息图的时刻，滞后的时间间隔为可变焦透镜的响应时间；
第四步：设定接收面板与SLM之间的距离为l，当SLM上加载不同颜色分量的全息图时，利用同步控制电路同步改变可变焦透镜的焦距，记R、G、B三色分量全息图对应的可变焦透镜的焦距分别为fr、fg、fb，为了保证三色再现像轴向重合，fr、fg、fb的关系为fr＝fg＝fb＝l。
优选地，加载到SLM上的同一场景的R、G、B三色分量全息图的总时间≤45ms，单幅颜色分量的全息图加载到SLM上的时间等于同步控制电路的切换时间，且≤15ms。
与现有技术相比，本发明具备以下优势：结合可变焦透镜，通过时序控制可变焦透镜的焦距，消除彩色计算全息再现过程中的轴向色差，能够避免对全息图进行编码或者改变记录场景与记录平面的距离等带来的复杂操作，能够有效提高彩色计算全息再现像的质量，提升观看效果，且系统简单、成本低。
附图说明
附图1为传统彩色计算全息再现过程中轴向色差产生的原理示意图。
附图2为本发明的基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统示意图。
上述附图中的图示标号为：
1再现光，2SLM，3红色再现光，4绿色再现光，5蓝色再现光，6固体透镜，7蓝色再现像，8绿色再现像，9红色再现像，10计算机，11驱动面板，12同步控制电路，13红色激光器，14绿色激光器，15蓝色激光器，16快门Ⅰ，17快门Ⅱ，18快门Ⅲ，19滤波器Ⅰ，20滤波器Ⅱ，21滤波器Ⅲ，22准直透镜Ⅰ，23准直透镜Ⅱ，24准直透镜Ⅲ，25反射镜，26半透半反射镜Ⅰ，27半透半反射镜Ⅱ，28可变焦透镜，29接收面板。
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
下面详细说明使用液晶透镜作为本发明基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统及方法中的可变焦透镜的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对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。
本实施例的基于液晶透镜的彩色计算全息色差补偿系统，如附图2所示，包括红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器、快门Ⅰ、快门Ⅱ、快门Ⅲ、滤波器Ⅰ、滤波器Ⅱ、滤波器Ⅲ、准直透镜Ⅰ、准直透镜Ⅱ、准直透镜Ⅲ、反射镜、半透半反镜Ⅰ、半透半反镜Ⅱ、计算机、驱动面板、可变焦透镜、接收面板、同步控制电路，其中，可变焦透镜为液晶透镜。各元件之间的位置关系为：R、G、B三色激光器并排、平行放置，彼此间距为150mm；滤波单元位于激光器之后100mm 处的再现光出射光轴上，并且快门与滤波器的距离为为70mm；转向单元位于滤波单元之后400mm处，反射镜的镜面和半透半反镜的胶合面与再现光出射光轴的夹角为45度；SLM位于转向单元之后500mm处；液晶透镜位于SLM之后150mm处；接收面板位于液晶透镜之后500mm处。其中，SLM采用透射式的位相型SLM，分辨率为1024×768；考虑人眼的视觉暂留效应(≤50ms)，同步控制电路的切换时间为15ms；考虑液晶透镜的响应时间受液晶盒厚限制，最快可以达到亚毫秒级别，可完全满足人眼的视觉暂留效应所需要的50ms量级，此处采用10ms级别；考虑可变焦透镜的响应时间以及人眼视觉暂留效应的混叠现象，R、G、B三色再现光的出射时间为5ms；当SLM上加载不同颜色分量的全息图时，利用同步控制电路同步改变可变焦透镜的焦距，记R、G、B三色分量全息图对应的可变焦透镜的焦距分别为fr、fg、fb，为了保证三色再现像轴向重合，fr、fg、fb的关系为fr：fg：fb＝1：1：1。
R、G、B三色再现光由快门控制出射，经滤波单元后变为均匀准直平面光，再经转向单元转向后垂直照射到SLM上，调制单元控制加载不同颜色分量的全息图到SLM上，根据SLM上加载的全息图的颜色分量信息，同步控制电路同步调节液晶透镜的焦距，并控制相应颜色的再现光出射，使SLM上加载的全息图的颜色分量信息、液晶透镜的焦距、出射的再现光颜色保持对应，从而使三色再现像轴向重合，根据人眼的视觉暂留效应，观看者可以观看到清晰的彩色再现像。
本实施例的基于液晶透镜的彩色计算全息色差补偿方法的具体实施过程为：
第一步：采用matlab编程，根据迭代傅里叶算法使用计算机生成同一场景的R、G、B三色分量全息图。利用imread函数从电脑读入一幅彩色图片并进行三基色分色处理，生成R、G、B三色场景图，然后利用迭代傅里叶算法分别生成三色场景的相位全息图，为保证迭代傅里叶算法的精度，提高再现像的信噪比，迭代次数为50次；
第二步：利用驱动面板将生成的同一场景R、G、B三色分量全息图时序加载到SLM上，加载到SLM上的同一场景的R、G、B三色分量全息图的总时间为45ms，单幅颜色分量全息图加载到SLM上的时间为15ms；
第三步：根据SLM上加载的全息图的颜色分量信息，利用同步电路控制同步调节液晶透镜的工作电压，从而改变液晶透镜的焦距，并控制对应颜色的再现光的出射滞后于SLM上加载全息图的时刻，滞后的时间间隔为10ms；
第四步：设定接收面板与SLM之间的距离为l＝500mm，当SLM上加载不同颜色分量的全息图时，利用同步控制电路同步改变液晶透镜的焦距，记R、G、B三色分量全息图对应的液晶透镜的焦距分别为fr、fg、fb，为了保证三色再现像轴向重合，fr、fg、fb的关系为：fr＝fg＝fb＝l＝500mm。
Claims (8)
1.一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统，其特征在于，该系统包括：
−R、G、B三色激光器，数量都为1个，并排、平行放置，用以提供R、G、B三色相干光源；
−滤波单元，包括快门、滤波器和准直透镜，数量都为3个，将其分为3组，每组包含快门、滤波器、准直透镜各1个，并且快门、滤波器、准直透镜按此处所列先后顺序位于激光器之后，且由近到远轴向排列组合，保证光轴统一，用以控制激光器的出射以及出射时间，并将激光器发出的光束转为均匀准直平面光；
−转向单元，包括反射镜和半透半反镜，数量分别为1个和2个，依次位于R、G、B三色再现光所通过的滤波单元之后，并且处在R、G、B三色再现光的光轴上，且反射镜的镜面以及半透半反镜的胶合面与再现光出射光轴夹角均为45度，用于将光路方向改变90度，使均匀准直平面光垂直照射在SLM上；
−调制单元，包括SLM、用于控制加载信息到SLM上的驱动面板和计算机，数量都为1个，位于转向单元之后，用于将计算机生成的同一场景不同颜色分量的全息图时序加载到SLM上；
−可变焦透镜，置于SLM和接收面板之间，当SLM上加载某种颜色分量的全息图后，对应调节可变焦透镜的焦距，使R、G、B三色再现像轴向重合，从而消除彩色计算全息再现过程中的轴向色差；
−接收面板，数量为1个，位于可变焦透镜之后，用来接收彩色计算全息再现像；
−同步控制电路，连接驱动面板、快门和可变焦透镜，用于当SLM上加载某种颜色分量的全息图时，同步调节可变焦透镜的焦距，并控制对应颜色的再现光出射，使SLM上加载的全息图的颜色分量信息、可变焦透镜的焦距、出射的再现光颜色保持对应。
2.根据权利要求1所述的一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统，其特征在于，考虑可变焦透镜的响应时间以及人眼视觉暂留效应的混叠现象，当SLM上加载某种颜色分量的全息图时，利用同步控制电路同步改变可变焦透镜的焦距，并控制对应颜色的再现光的出射滞后于SLM上加载全息图的时刻，滞后的时间间隔为可变焦透镜的响应时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统，其特征在于，考虑人眼的视觉暂留效应（≤50ms），控制同步电路的切换时间≤15ms。
4.根据权利要求1所述的一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统，其特征在于，考虑可变焦透镜的响应时间受自身结构参数的限制，此处可变焦透镜响应时间采用10ms级别。
5.根据权利要求1所述的一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统，其特征在于，考虑可变焦透镜的响应时间以及人眼视觉暂留效应的混叠现象，R、G、B三色再现光每次出射的时间≤5ms。
6.根据权利要求1所述的一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿系统，其特征在于，当SLM上加载不同颜色分量的全息图时，利用同步控制电路同步改变可变焦透镜的焦距，记R、G、B三色分量全息图对应的可变焦透镜的焦距分别为f r 、f g 、f b ，为了保证三色再现像轴向重合，f r 、f g 、f b 的关系为f r ：f g ：f b =1：1：1。
7.一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿方法，其特征在于，包括步骤：
第一步：通过迭代傅里叶算法在计算机上分别生成同一场景的R、G、B三色分量全息图；
第二步：利用驱动面板将计算机生成的同一场景的R、G、B三色分量全息图时序加载到SLM上；
第三步：根据SLM上加载的全息图的颜色分量信息，利用同步控制电路同步改变可变焦透镜的焦距，并控制对应颜色的再现光的出射滞后于SLM上加载全息图的时刻，滞后的时间间隔为可变焦透镜的响应时间；
第四步：设定接收面板与SLM之间的距离为l ，当SLM上加载不同颜色分量的全息图时，利用同步控制电路同步改变可变焦透镜的焦距，记R、G、B三色分量全息图对应的可变焦透镜的焦距分别为f r 、f g 、f b ，为了保证三色再现像轴向重合，f r 、f g 、f b 的关系为f r = f g = f b = l 。
8.根据权利要求7所述的一种基于可变焦透镜的彩色计算全息色差补偿方法，其特征在于，加载到SLM上的同一场景的R、G、B三色分量全息图的总时间≤45ms，单幅颜色分量的全息图加载到SLM上的时间等于同步控制电路的切换时间，且≤15ms。
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