CN107024849B - 一种基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除系统及方法。基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除系统采用数字透镜代替傅里叶透镜，通过等比例设置数字透镜的焦距对彩色再现中红、绿、蓝三分量因波长不同产生的倍率色差和轴向色差进行补偿，利用数字透镜的采样区域变换性能，线性改变再现像的再现位置，达到分离零级光斑和再现像的效果，再通过光阑进行滤波，实现彩色计算全息再现的彩色色差补偿和杂光消除。
Description
技术领域
本发明属于计算全息显示领域，特别地，本发明涉及一种基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除系统及方法。
背景技术
伴随计算机性能的提升和光电器件的发展，空间光调制器(SLM)作为一种电子可编程的设备，可以实现对光波振幅、相位、频率等的调制，被广泛应用于光学测量、模式识别、条纹投影、全息以及动态显示中，基于SLM的计算全息显示优点日益突出。计算全息显示中，在SLM上加载数字透镜不仅简化了再现系统，而且能够控制再现位置，这种优势尤其体现在彩色计算全息显示系统中。然而，数字透镜产生的零级光斑和再现像混叠会严重影响再现像的质量。
为消除再现像的杂光提高质量，国内外学者对其进行了一系列研究。例如利用傅里叶透镜进行再现变换，在SLM上加载会聚球面波，分离零级杂光和多级再现像，在傅里叶透镜焦点处放置一个光阑进行滤波；此外，也有学者提出通过电湿润液体透镜的电控性搭建可变焦系统实现杂光消除。虽然这些技术能实现零级杂光的消除，但是系统比较复杂、使用的器件比较多，而且达不到实时可控的效果。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除系统及方法，采用数字透镜代替傅里叶透镜，通过等比例设置数字透镜的焦距，实现对彩色再现中红、绿、蓝三分量因波长不同产生的倍率色差和轴向色差进行补偿，利用数字透镜的采样区域变换性能，线性改变再现像的再现位置，达到分离零级光斑和再现像的效果，再通过光阑进行滤波，实现彩色计算全息再现的彩色色差补偿和杂光消除。
基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除系统如附图1所示，包括：
—红、绿、蓝三色激光器，数量均为1个，呈U型放置，用于提供红、绿、蓝三色相干光源；
—准直单元，包括滤波器和准直透镜，数量均为3个，滤波器和准直透镜分别以光轴统一水平放置于红、绿、蓝三色激光器之后，用以得到准直光束；
—再现单元，包括分光棱镜、SLM和计算机，数量均为3个，分光棱镜分别位于准直单元之后，SLM位于分光棱镜的垂直分光方向，用于将准直光束作为再现光束照射到SLM上，计算机分别连接SLM，用于将计算机生成的同一场景不同颜色分量的全息图加载到SLM上并实现再现；
—合光镜，数量为1个，位于出射光束会聚处，用于对红、绿、蓝三色出射光束进行合光，实现彩色再现；
—滤波接收单元，包括光阑和接收光屏，数量均为1个，光阑位于合光镜和接收光屏之间，用来消除零级杂光，接收光屏用于接收彩色计算全息再现像，且与各SLM的有效距离为各SLM加载数字透镜的焦距。
优选地，激光器、分光棱镜、SLM、合光镜和光阑的中心处于同一水平面。
优选地，光阑基板长d 1≥30mm且d 1≤35mm，宽d 2≥20mm且d 2≤25mm，厚d 3≥1mm且d 3≤2mm。
优选地，考虑SLM尺寸匹配，光阑中间黑色掩膜尺寸长d 4≥16mm且d 4≤17mm，宽d 5≥9mm且d 5≤10mm。
基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除的方法，包括以下几个步骤：
第一，通过图像处理技术提取目标图像的波长分别的红、绿、蓝三分量信息；
第二，利用迭代傅里叶算法生成同一场景的三幅全息图,分别记录红、绿、蓝三色信息；
第三，根据透镜成像特性等比地设置分别加载在红、绿、蓝三分量全息图中数字透镜的焦距f r 、f g和f b；
第四，根据混叠信息分别改变加载在红、绿、蓝三分量全息图上数字透镜的采样区域，并将数字透镜加载到相应的三幅全息图中；
第五，将计算机生成的加载了数字透镜的红、绿、蓝三分量的全息图分别加载在SLM上；
第六，使波长分别为λ r、λ g、λ b的红、绿、蓝三色激光器分别通过准直单元、再现单元和合光镜；
第七，设定光阑中间黑色掩膜的尺寸为a×b，且a×b为零级衍射光斑的大小，光阑将经过合光镜之后的零级杂光消除，并在接收光屏上接收到无杂光影响的彩色再现像。
优选地，数字透镜的焦距设置为f r：f g：f b =λ b /λ r ：λ b /λ g ：1。
优选地，根据初始状态下的数字透镜采样区域（SA）满足
，
线性改变数字透镜采样区域，此时SA’满足
，
式中M、N为SLM的像素数，p为SLM的像素间距，（m，n）为改变数字透镜采样区域之后的中心位置坐标。考虑混叠信息，记初始再现像中心位置坐标为（i，j），且加载在红、绿、蓝三分量上的数字透镜采样区域的中心位置坐标分别为（m r ，n r），（m g ，n g）和（m b ，n b），为了保证三色再现像重合，记最终再现像中心位置坐标为（ ， ），数字透镜采样区域的中心位置坐标与再现像中心位置坐标的关系为：
。
附图说明
附图1为本发明的系统结构示意图；
附图2为本发明中数字透镜焦距为85.12cm的灰度示意图；
附图3为本发明中数字透镜焦距为67.48cm的灰度示意图；
附图4为本发明中数字透镜焦距为60cm的灰度示意图；
附图5为本发明中焦距为85.12cm数字透镜采样区域中心位置坐标为（-4mm, -4mm）的灰度示意图；
附图6为本发明中焦距为67.48cm数字透镜采样区域中心位置坐标为（-4mm, -4mm）的灰度示意图；
附图7为本发明中焦距为60cm数字透镜采样区域中心位置坐标为（-4mm, -4mm）的灰度示意图；
附图8为本发明实施例中光阑示意图。
上述各附图中的图示标号为：
（1）红色激光器,（2）滤波器1,（3）准直透镜1,（4）分光棱镜1,（5）SLM1,（6）计算机1,（7）计算机2,（8）SLM2,（9）分光棱镜2,（10）绿色激光器,（11）滤波器2,（12）准直透镜2,（13）蓝色激光器,（14）滤波器3,（15）准直透镜3,（16）分光棱镜3,（17）SLM3,（18）计算机3,（19）合光镜,（20）光阑,（21）接收光屏。
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
下面详细说明本发明提出的一种基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除系统及方法的实施例，对本发明进行进一步的描述。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。
本发明的一个实施例为，按照附图1搭建系统，使用波长分别为671nm、532nm和473nm的红、绿、蓝三色激光器作为光源，采用反射型、纯相位型的SLM用以加载全息图和数字透镜，其像素数为1920×1080，像素间距为8μm；红、绿、蓝三色激光器分别与一个滤波器和一个准直透镜以同一水平光轴放置并在空间上呈U型分布，分光棱镜处于准直透镜之后，合光镜位于三束光束交汇处，光阑平行置于合光镜和接收光屏之间任一位置且中心位置处于与SLM中心位置同一所在水平面上；用图像处理技术提取目标物体的红、绿、蓝三分量信息并利用迭代傅里叶算法分别生成三幅全息图，等比例设置焦距分别为f r=85.12cm，f g=67.48cm和f b =60cm的数字透镜，灰度图分别如附图2，3和4所示，加载在红、绿、蓝三分量全息图上的数字透镜采样区域中心位置坐标为（-4mm,-4mm），分别如附图5，6和7所示；并且，接收光屏与各SLM的有效距离为各SLM加载数字透镜的焦距，即SLM分别位于分光棱镜分光方向Z r=45.12cm、Z g=27.48cm和Z b=20cm处，此时合光镜与三个分光棱镜的距离Z l=20cm，接收光屏位于合光镜合光方向Z=20cm处；如附图8所示，使用的光阑基板大小为30mm×25mm且厚度为1mm，位于光阑正中间的黑色掩膜尺寸为9mm×16mm；红、绿、蓝三色激光器分别经过滤波器和准直透镜后形成三束准直光束，三束准直光束依次通过分光棱镜之后垂直照射在对应的加载了红、绿、蓝三分量信息和数字透镜的SLM上，经过SLM调制反射的三束光束经过分光棱镜和合光镜合光之后形成彩色光束，并通过光阑，最终在接收光屏上得到无色差、无杂光的彩色再现像。
Claims (4)
1.一种基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除的方法，其特征在于，是基于彩色计算全息杂光消除系统来实现，该系统包括红、绿、蓝三色激光器，数量均为1个，呈U型放置，用于提供红、绿、蓝三色相干光源；准直单元，包括滤波器和准直透镜，数量均为3个，滤波器和准直透镜分别以光轴统一水平放置于红、绿、蓝三色激光器之后，用以得到准直光束；再现单元，包括分光棱镜，SLM和计算机，数量均为3个，分光棱镜分别位于准直单元之后，SLM位于分光棱镜的垂直方向，用于将准直光束作为再现光束照射到SLM上，计算机分别连接SLM，用于将计算机生成的同一场景不同颜色分量的全息图加载到SLM上并实现再现；合光镜，数量为1个，位于出射光束会聚处，用于对红、绿、蓝三色出射光束进行合光，实现彩色再现；接收滤波单元，包括光阑和接收光屏，数量均为1个，光阑位于合光镜和接收光屏之间，用来消除零级杂光，接收光屏用于接收彩色计算全息再现像，且与各SLM的有效距离为各SLM加载数字透镜的焦距；包括以下几个步骤：
第一，通过图像处理技术提取目标图像波长分别为红、绿、蓝三分量的信息；
第二，利用迭代傅里叶算法生成同一场景的三幅全息图,分别记录红、绿、蓝三色信息；
第三，根据透镜成像特性等比地设置分别加载在红、绿、蓝三分量全息图中数字透镜的焦距fr、fg和fb；
第四，根据混叠信息分别改变加载在红、绿、蓝三分量全息图上数字透镜的采样区域，并将数字透镜加载到相应的三幅全息图中；
第五，将计算机生成的加载了数字透镜的红、绿、蓝三分量的全息图分别加载在SLM上；
第六，使波长分别为λr、λg、λb的红、绿、蓝三色激光器分别通过准直单元、再现单元和合光镜；
第七，设定光阑中间黑色掩膜的尺寸为a×b，且a×b为零级衍射光斑的大小，使光阑将经过合光镜之后的零级杂光消除；
第八，在接收光屏上接收无杂光影响的彩色再现像。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除的方法，其特征在于，考虑SLM尺寸匹配，光阑中间黑色掩膜尺寸设置为长a≥16mm且a≤17mm，宽b≥9mm且b≤10mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除的方法，其特征在于，数字透镜的焦距设置为fr：fg：fb＝λb/λr：λb/λg：1。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字透镜的彩色计算全息杂光消除的方法，其特征在于，根据初始状态下的数字透镜采样区域(SA)满足
线性改变数字透镜采样区域，此时SA’满足
式中M、N为SLM的像素数，p为SLM的像素间距，(m，n)为改变数字透镜采样区域之后的中心位置坐标，考虑混叠信息，记初始再现像中心目标位置坐标为(i，j)，且加载在红、绿、蓝三分量上的数字透镜采样区域的中心位置坐标分别为(mr，nr)，(mg，ng)和(mb，nb)，为了保证三色再现像重合，记最终再现像中心位置坐标为(i′，j′)，数字透镜采样区域的中心位置坐标与再现像中心位置坐标的关系为：
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| CN107024849A (zh) | 2017-08-08 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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