CN106707680B - 一种基于光场的全息投影方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光场的全息投影方法，包括如下步骤：(1)布设投影设备；(2)通过对微透镜阵列获得的基本图像的像素进行重排列，获得记录原三维场景光场信息的正交投影子图；(3)对步骤(2)中获得的子图进行快速傅里叶变换得到相应的子全息图，即全息元；(4)将步骤(3)计算得到的每张全息元，按照子图的视角顺序拼接起来得到最终的复振幅全息图；(5)根据步骤(4)得到的全息图，通过计算机将该全息图传输到空间光调制器中，利用空间光调制器将全息图投影到屏幕上，移动屏幕可以得到三维场景不同景深上的投影图像。本发明通过直接获得记录三维场景光场信息的正交投影图来计算全息图，过程简单，计算量大大下降。

Description

一种基于光场的全息投影方法
技术领域
本发明涉及全息显示技术领域，尤其是一种基于光场的全息投影方法。
背景技术
全息显示技术可以重建三维场景的光场并提供人眼能够感知到的所有深度信息，因此被认为是未来三维技术最有潜力的发展方向。随着计算机技术的发展，我们可以采用计算机生成全息图CGH来重建真实或虚拟场景，只要该三维场景能够用数学描述。传统的全息计算方法一般将三维物体看作由大量点源或者倾斜平面组成，再通过波前或角谱传播将所有点源或倾斜平面的光场合成为最终的全息图，这样的方法计算量巨大，效率比较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于光场的全息投影方法，能够直接获得记录三维场景光场信息的正交投影图来计算全息图，过程简单。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光场的全息投影方法，包括如下步骤：
(1)布设投影设备；
(2)通过对微透镜阵列获得的基本图像的像素进行重排列，获得记录原三维场景光场信息的正交投影子图；
(3)对步骤(2)中获得的子图进行快速傅里叶变换得到相应的子全息图，即全息元；
(4)将步骤(3)计算得到的每张全息元，按照子图的视角顺序拼接起来得到最终的复振幅全息图；
(5)根据步骤(4)得到的全息图，通过计算机6将该全息图传输到空间光调制器3中，利用空间光调制器3将全息图投影到屏幕5上，移动屏幕5可以得到三维场景不同景深上的投影图像。
优选的，步骤(1)中，布设投影设备的具体过程为：将空间光调制器、分光棱镜、屏幕依次布设，使得空间光调制器、分光棱镜、屏幕处于同一条直线上，同时，在分光棱镜的同一侧布设单色激光器和偏振片，偏振片位于分光棱镜和单色激光器之间，单色激光器发出的平面波通过偏振片变为偏振光，偏振光通过分光棱镜后可射入到空间光调制器中；空间光调制器和生成的全息图的计算机通过数据线连接。
优选的，步骤(2)中，正交投影子图的获取方法包括以下步骤：
(a)将三维场景置于微透镜阵列前一定距离，CCD传感器位于微透镜的焦点位置上；
(b)CCD传感器记录三维场景在各个视角方向上的基本图像；
(c)将每张基本图像相同位置的像素点集合起来形成一张正交投影图像，该图像即对应三维场景在相应视角方向上的一张正交投影子图；
(d)该获取方法的投影线是互相平行的。
优选的，步骤(4)中，保留复振幅全息图的相位部分；产生纯相位子全息图的方式共有两种：对每张子图施加GS算法，或者加载随机相位后做快速傅里叶变换再取相位部分。
优选的，GS迭代算法包括以下步骤：
(a)对于每一张子图，首先施加傅里叶变换得到全息面上的光场复振幅分布，光场复振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
(b)将全息面上的光场复振幅中的振幅因子用单位强度值1来代替，全息面上的光场复振幅中的相位因子保持不变；
(c)对(b)中得到的全息图施加反傅里叶变换得到成像面上的光场复振幅分布，光场复振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
(d)把成像面上的光场复振幅中的振幅因子用对应子图的灰度值代替，成像面上的光场复振幅中的相位因子保持不变；
(e)再对(d)中得到的成像面施加傅里叶变换得到全息面上的光场复振幅分布，光场复振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
(f)重复步骤(b)至(e)，进行反复迭代，直到全息面上的相邻两次光场复振幅中的相位因子的差值小于0.0001后停止迭代，输出相位因子作为子相位全息图，即纯相位全息元。
本发明的有益效果为：通过直接获得记录三维场景光场信息的正交投影图来计算全息图，过程简单，计算量大大下降。
附图说明
图1为本发明的投影设备位置示意图。
图2为本发明的获取三维场景正交投影子图中获取基本图像的示意图。
图3为本发明的获取基本图像像素重排列生成正交投影子图的过程示意图。
图4为本发明在空间中投影出三维物体不同景深图像的示意图。
其中，1、单色激光器；2、偏振片；3、空间光调制器；4、分光棱镜；5、投影屏幕；6、计算机；7、第二投影屏幕；8、微透镜阵列；9、CCD图像传感器；10、基本图像；11、正交投影子图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明的一种全息投影方法，包括以下步骤，考虑到实际的器件限制，这里的空间光调制器3采用纯相位型的，计算得到的子全息图和最终的全息图也均是相位型的：
(1)布设投影设备：将相位空间光调制器3、分光棱镜4、屏幕5依次布设，使得相位空间光调制器3、分光棱镜4、屏幕5处于同一条直线上，同时，在分光棱镜4的同一侧布设单色激光器1和偏振片2，偏振片2位于分光棱镜4和单色激光器1之间，单色激光器1发出的平面波通过偏振片2变为偏振光，偏振光通过分光棱镜4后可射入到相位空间光调制器3中；相位空间光调制器3和生成相位全息图的计算机6通过数据线连接。
(2)利用微透镜阵列8获得所需投影的场景图像不同视角的正交投影子图11；
对于虚拟场景，可以利用3Dmax等软件模拟微透镜阵列记录场景的子图；对于真实场景，则可利用光场相机(内含微透镜阵列)拍摄场景，获得原始图像，即子图。
步骤(2)中涉及的场景图像不同视角的正交投影子图获取方法如下：
(a)将三维场景置于微透镜阵列8前一定距离；CCD传感器9位于镜头透镜的焦点位置上；
(b)CCD传感器获得三维场景在各个视角方向上的基本图像10；
(c)将每张基本图像相同位置的像素点集合起来形成一张正交投影图像11，该正交投影图像即对应三维场景在相应视角方向上的一张正交投影子图；
(d)该获取方法的投影线是互相平行的；
(3)对步骤(2)中获得的每张子图施加GS算法，或者加载随机相位后做快速傅里叶变换再取相位得到相应的子相位全息图，即纯相位全息元。
步骤(3)中GS算法具体包括以下步骤：
301)对于每一张子图，首先施加傅里叶变换得到全息面上的光场复振幅分布，光场复振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
302)将全息面上的光场复振幅中的振幅因子用单位强度值1来代替，全息面上的光场复振幅中的相位因子保持不变；
303)对302)中得到的全息图施加反傅里叶变换得到成像面上的光场复振幅分布，光场复振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
304)把成像面上的光场复振幅中的振幅因子用对应子图的灰度值代替，成像面上的光场复振幅中的相位因子保持不变；
二维图像的灰度值在计算机matlab软件中用imread语句处理图片，即可得到图像的灰度值。在程序中处理一幅图片，例如在matlab软件中，用程序语句A＝imread(‘B.jpg’)，B是一幅jpg格式的图片，这个语句意思表示的就是输出图片B的灰度，A就是图像的灰度，在图片中称作灰度。一幅图片中，有的像素点亮，有的像素点暗，这亮暗的程度就叫做灰度。一幅图片在编程软件中用个语句处理就得到它的灰度值。本发明中，可以采用matlab软件获取二维图像的灰度值。
305)再对304)中得到的成像面施加傅里叶变换得到全息面上的光场复振幅分布，光场复振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
306)重复步骤302)至305)，进行反复迭代，直到全息面上的相邻两次光场复振幅中的相位因子的差值小于0.0001后停止迭代，输出相位因子作为子相位全息图，即纯相位全息元。
(4)将步骤(3)计算得到的全息元，按照子图的视角顺序拼接起来得到相位全息图，并依照(1)式编码，得到最终加载在纯相位空间光调制器上的纯相位全息图：
式(1)中，表示全息面的相位因子值，表示经过相位编码后得到的全息面上的相位因子值；
(5)根据步骤(4)得到的相位全息图，通过计算机6将该相位全息图传输到相位空间光调制器3中，再利用相位空间光调制器3将相位全息图投影到屏幕5上，移动屏幕5可以得到三维场景不同景深上的投影图像。
本发明中，相位全息图通过计算机6加载到相位空间光调制器3中，单色激光器1发出的单色绿光通过偏振片2变为偏振光，然后通过分光棱镜4后，射入空间光调制器3，光波在相位空间光调制器3中进行相位调制后反射出，通过分光棱镜4之后在空间进行成像，不同位置的屏幕上可以得到聚焦于不同物体的投影图像。
本发明的提出的方法相较于传统的全息图计算方法，通过直接获得记录三维场景光场信息的正交投影图来计算全息图，过程简单，计算量大大下降。
下面结合图2、图3和图4，对本发明例举实施例进一步说明。
实施例：采用单色激光器1发出的波长为532纳米的单色绿光来进行投影；相位空间光调制器3采用反射式holoeye，其规格为1920×1080像素，像素间距为8微米。
在空间光调制器3后的空间中设置两个屏幕，分别为投影屏幕5和第二投影屏幕7。
我们采用3Dmax模拟微透镜阵列8，通过CCD传感器9记录不同位置的字母C、D的基本图像10，模拟的微透镜阵列个数为120×120，每张基本图像的像素大小为16×16。将每张基本图像对应位置的像素点提取出来重新排列后得到三维场景的正交投影子图11，则子图的个数为16×16，像素大小为120×120。对每张正交投影子图施加GS迭代算法，或加载随机相位后做快速傅里叶变换(FFT)并取相位得到相应的子相位全息图，然后按照其原来的视角顺序拼接成一张像素为1920×1920的纯相位全息图，取中间1920×1080像素加载到空间光调制器3上。在距离空间光调制器不同距离的投影屏幕5和第二投影屏幕7上可以分别投影出字母C清晰、字母D模糊(聚焦在字母C)和字母C模糊、字母D清晰(聚焦在字母D)的重建图像。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (4)

1.一种基于光场的全息投影方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)布设投影设备；
(2)通过对微透镜阵列获得的基本图像的像素进行重排列，获得记录原三维场景光场信息的正交投影子图；正交投影子图的获取方法包括以下步骤：
(a)将三维场景置于微透镜阵列前一定距离，CCD传感器位于微透镜的焦点位置上；
(b)CCD传感器记录三维场景在各个视角方向上的基本图像；
(c)将每张基本图像相同位置的像素点集合起来形成一张正交投影图像，该图像即对应三维场景在相应视角方向上的一张正交投影子图；
(d)该获取方法的投影线是互相平行的；
(3)对步骤(2)中获得的子图进行快速傅里叶变换得到相应的子全息图，即全息元；
(4)将步骤(3)计算得到的每张全息元，按照子图的视角顺序拼接起来得到最终的复振幅全息图；
(5)根据步骤(4)得到的全息图，通过计算机将该全息图传输到空间光调制器中，利用空间光调制器将全息图投影到屏幕上，移动屏幕可以得到三维场景不同景深上的投影图像。
2.如权利要求1所述的基于光场的全息投影方法，其特征在于，步骤(1)中，布设投影设备的具体过程为：将空间光调制器、分光棱镜、屏幕依次布设，使得空间光调制器、分光棱镜、屏幕处于同一条直线上，同时，在分光棱镜的同一侧布设单色激光器和偏振片，偏振片位于分光棱镜和单色激光器之间，单色激光器发出的平面波通过偏振片变为偏振光，偏振光通过分光棱镜后可射入到空间光调制器中；空间光调制器和生成的全息图的计算机通过数据线连接。
3.如权利要求1所述的基于光场的全息投影方法，其特征在于，步骤(4)中，保留复振幅全息图的相位部分；产生纯相位子全息图的方式共有两种：对每张子图施加GS算法，或者加载随机相位后做快速傅里叶变换再取相位部分。
4.如权利要求3所述的基于光场的全息投影方法，其特征在于，GS迭代算法包括以下步骤：
(a)对于每一张子图，首先施加傅里叶变换得到全息面上的光场复振幅分布，光场复振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
(b)将全息面上的光场复振幅中的振幅因子用单位强度值1来代替，全息面上的光场复振幅中的相位因子保持不变；
(c)对(b)中得到的全息图施加反傅里叶变换得到成像面上的光场复振幅分布，光场复振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
(d)把成像面上的光场复振幅中的振幅因子用对应子图的灰度值代替，成像面上的光场复振幅中的相位因子保持不变；
(e)再对(d)中得到的成像面施加傅里叶变换得到全息面上的光场复振幅分布，光场复振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
(f)重复步骤(b)至(e)，进行反复迭代，直到全息面上的相邻两次光场复振幅中的相位因子的差值小于0.0001后停止迭代，输出相位因子作为子相位全息图，即纯相位全息元。
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