CN107065492A - 一种无透镜彩色全息投影方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无透镜彩色全息投影方法，首先将空间光调制器、光阑和投影屏幕依次布置，在空间光调制器另一侧布设红绿蓝三色激光器，该空间光调制器与计算机相连；由投影屏幕到空间光调制器的距离确定光阑到空间光调制器的距离；将彩色图像分解为三基色分量图像，分别计算分量图像到全息面的菲涅耳衍射，得到三张复振幅全息图；采用波长复用编码将三张复振幅全息图合成为一张相位型全息图；将得到的相位型全息图加载到空间光调制器中，用三色激光器以不同的角度照射空间光调制器，光波经光阑后在投影屏幕上重建图像，图像经叠加后合成最终的彩色图像；本发明提高了彩色图像投影显示的帧速，实现了高清晰和大尺寸的动态无透镜彩色全息投影。
Description
技术领域
本发明涉及全息投影方法，尤其涉及一种无透镜彩色全息投影方法。
背景技术
全息投影技术是一种基于衍射光学原理的新型投影显示技术。通常以具有高度相干性的激光作为光源，当激光照射衍射光学元件(全息图)后，经过空间中的衍射传播及干涉形成特定的投影图像。全息投影技术通常具有对比度高，功耗低的特点，成为了未来投影显示的理想技术。而全息图通常在计算机中经过程序化的数值计算生成，能够对投影图像的距离和尺寸的灵活调节。
传统的投影显示设备中通常包含着很多透镜或透镜组，从而实现对投影图像的成像及缩放的作用。近年来，日本研究人员T.Shimobaba和波兰研究人员M.Makowski共同提出了无透镜全息投影方法。投影图像可以直接通过全息图在空间中的衍射传播和干涉原理来进行成像，因此成像过程不需要透镜的参与。此外，通过调节全息图计算过程中的距离及图像采样率等参数，就可以控制投影图像的距离及图像的大小，不需要利用透镜来进行图像的缩放控制，因此大大简化了投影设备的空间和体积。使得便携式微型投影显示成为了可能。
然而在全息投影中，由于所采用的激光光源是相干光，因此最终的投影图像会伴随着严重的散斑噪声，大大影响了图像的观看质量。M.Makowski提出了采用时间平均的方法来消除散斑噪声，但是该方法需要计算许多张(几十张以上)全息图，增加了全息图的计算量，并且在投影彩色图像时，由于红绿蓝分量的全息图是分别依次顺序加载，因此投影彩色图像需要计算三倍数量的全息图，而现有空间光调制设备的帧速无法满足动态彩色投影的需求。J.Liu等人提出了利用复振幅调制技术来减小散斑噪声，并且结合波长复用技术实现单张全息图的彩色图像投影，该方法可以得到高质量的投影图像，但是需要在投影系统中额外增加4f滤波系统，使得系统中存在大量透镜，增加了系统的复杂度。T.Shimobaba提出了基于球面相位因子的全息图计算方法，可以实现在无透镜系统中的全息投影，并且通过控制投影图像的相位分布使得散斑噪音得到了抑制，但是该方法由于同时存在零级和共轭衍射分量，限制了投影图像的尺寸和可观看性。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种基于双步菲涅耳衍射算法、波长复用相位编码方法和空间滤波技术以解决传统无透镜全息投影方法中重建图像含有散斑噪音以及彩色显示帧频速率较低等问题的无透镜彩色全息投影方法。
技术方案：一种无透镜彩色全息投影方法，包括以下步骤：
(A)布设投影系统：将空间光调制器、光阑和屏幕依次布设于同一条直线上，在空间光调制器的另一侧布设红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器；空间光调制器所处的位置形成全息面，屏幕所处的位置形成投影成像面；所述空间光调制器和用于生成计算全息图的计算机连接；
(B)确定光阑到空间光调制器的距离d：
d＝z·L·dx/(λR·z+L·dx)
其中，z为投影成像面到空间光调制器的距离；L为空间光调制器的最小边长；dx为空间光调制的像素间距；λR为红色激光器发出的红光的波长；计算得到距离d后，将光阑放置在距空间光调制器距离d处；
(C)将彩色图像分解成红绿蓝三基色分量图像，针对每个RGB分量图像，采用双步菲涅耳衍射算法计算图像到全息面的衍射，得到三张复振幅全息图；具体步骤如下：
(c1)采用如下公式对分解后的RGB分量图像分别施加与之对应的会聚球面相位因子，得到三个复振幅图像：
其中，OR(x,y)，OG(x,y)，OB(x,y)分别代表分解后的RGB分量图像；O’R(x,y)，O’G(x,y)，O’B(x,y)分别代表施加了对应的会聚球面相位因子后的复振幅图像；λR，λG，λB分别代表红绿蓝三色激光的波长；(x,y)代表图像面上的坐标；
(c2)利用如下公式分别计算光阑面上RGB分量的复振幅光场：
其中，MR(xm,ym)，MG(xm,ym)，MB(xm,ym)分别代表光阑面上RGB分量的复振幅；(xm,ym)代表光阑面上的坐标；
(c3)利用如下公式分别计算得到RGB分量的三张复振幅全息图：
其中，HR(u,v)，HG(u,v)，HB(u,v)分别代表RGB分量的复振幅全息图；(u,v)代表全息面上的坐标；
(D)采用波长复用相位编码方法将三张复振幅全息图合成为一张相位型全息图；
(E)通过计算机将该相位全息图传输到空间光调制器中，并且用红绿蓝三色激光器分别以不同的角度照射空间光调制器，其中红色激光以θR和角度照射空间光调制器，绿色激光以θG和角度照射空间光调制器，蓝色激光以θB和角度照射空间光调制器；利用空间光调制器上的相位型全息图将红绿蓝三基色的图像通过光阑后投影到屏幕上，三基色图像在屏幕上通过混合叠加后得到彩色图像。
步骤(D)中，具体包括以下步骤：
(d1)针对每个RGB分量的复振幅全息图，利用下式分别施加与之对应的倾斜相位因子：
其中，θR，θG，θB表示与x轴的夹角；表示与y轴的夹角；
(d2)将三张施加倾斜相位因子之后的复振幅全息图相加，合成为一张复振幅全息图：H(u,v)＝H'R(u,v)+H'G(u,v)+H'B(u,v)；
(d3)利用相位编码方法将复振幅全息图H(u,v)编码成为一张相位型全息图P(u,v)。
所述相位编码方法为闪耀光栅法、余弦光栅法或者双相位分解法。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：1、本发明采用双步菲涅尔衍射算法来计算红绿蓝三基色全息图，并且结合空间无透镜滤波技术来重建彩色图像的复振幅信息，克服了传统无透镜全息显示中图像质量和图像尺寸的矛盾问题，同时实现高清晰度和大尺寸的无透镜彩色全息投影；2、本发明采用波长复用技术来编码相位型全息图，使得生成的相位全息图同时包含红绿蓝三基色图像的信息，因此该相位全息图可采用红绿蓝三基色光源同时照射来实现彩色图像的投影重建，其彩色图像的显示帧频速度是RGB传统时序显示方法的三倍，提高了动态彩色图像的显示帧频速度，实现了动态彩色全息投影。
附图说明
图1为本发明的投影系统示意图；
图2为彩色投影图像的相位型全息图的计算流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步解释，应理解本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明的投影系统包括沿直线依次布设的空间光调制器1、光阑2和投影屏幕3，空间光调制器1所处的位置形成全息面，屏幕3所处的位置形成投影成像面，光阑2到空间光调制器1的距离为d；在空间光调制器1的另一侧设有红色激光器4、绿色激光器5和蓝色激光器6；空间光调制器1通过数据线连接用于生成计算全息图的计算机7。
本发明将经过计算编码后的相位型全息图通过计算机7加载到空间光调制器1上，红绿蓝三色激光器分别以不同的角度照射空间光调制器1，分别经过相位型全息图的调制后，首先衍射传播到光阑2上，在光阑平面，红绿蓝三色光波的波前重合成为一个亮点，调节光阑2的位置，使得光阑2的孔径大小正好让该重合的亮点通过，而将其它杂光信息阻挡掉，经过滤波之后，三色光波继续衍射传播至投影屏幕平面3，在投影屏幕上，红绿蓝三色光波分别重建得到三个位置和尺寸大小完全一致的图像，这三个重建图像的强度在屏幕上经过叠加之后混合得到最终的彩色图像。
图2所示为彩色投影图像的相位型全息图的计算流程示意图；该计算由双步菲涅耳衍射算法和波长复用编码方法组成；首先利用菲涅耳衍射公式来计算投影成像面上的光场到光阑面2的菲涅耳衍射，此为第一步，其次再计算光阑面2到全息面的菲涅耳衍射，此为第二步。综合起来称之为双步菲涅耳衍射。由于图像面3上的光场施加了会聚球面相位因子，因此衍射波前的传播面积呈逐渐会聚的趋势，最终在光阑面上会会聚为一个亮点，通过光阑面2后又会逐渐发散，最终衍射传播到达全息面1。本发明中，彩色图像首先分解为红绿蓝三基色图像，每个单色图像分别使用双步菲涅耳衍射算法计算得到复振幅全息图，将三个复振幅全息图采用波长复用编码方法合成为一张相位型全息图。
实施例：所用的彩色图像的分辨率为1024×1024，像素间距为65微米，因此图像尺寸为66.56mm×66.56mm。空间光调制器1采用德国Holoeye公司生产的相位型空间光调制器，型号为Holoeye Pluto，分辨率为1920×1080，像素间距为8微米。空间光调制器1距离投影屏幕3的距离为1m，光阑距离空间光调制器的距离为d＝0.1m。采用的红绿蓝三色激光器的波长分别为：红光671nm，绿光532nm，蓝光473nm，三个激光器发出的光波为经过准直后的平面波。
首先在计算机编程软件中将彩色图像分解为RGB三基色分量图像，并且分别给三张图像施加会聚球面相位因子，RGB分量图像施加的球面相位因子分别为：红色图像施加球面相位因子绿色图像施加球面相位因子蓝色图像施加球面相位因子然后采用图2所示的双步菲涅耳衍射算法分别计算RGB分量的复振幅全息图。针对计算得到的RGB分量的复振幅全息图，分别施加对应的倾斜相位因子，RGB分量的复振幅全息图施加的倾斜相位因子分别为：
红色分量的复振幅全息图施加倾斜相位因子：
绿色分量的复振幅全息图施加倾斜相位因子：
蓝色分量的复振幅全息图施加倾斜相位因子：
将施加了倾斜相位因子之后的RGB分量的复振幅全息图相加，合成为一张复振幅全息图H(u,v)。
采用双相位分解编码技术将合成后的复振幅全息图编码成为相位型全息图。编码过程如下：首先提取复振幅全息图的振幅信息和相位信息，振幅信息为Amp(u,v)＝|H(u,v)|/|H(u,v)|max，相位信息为Pha(u,v)＝arg[H(u,v)]，角标“max”表示取最大值。根据振幅信息和相位信息计算得到两个相位值，分别为：P1(u,v)＝Pha(u,v)+cos-1[Amp(u,v)]，P2(u,v)＝Pha(u,v)-cos-1[Amp(u,v)]。接下来建立两个棋盘格图像M1和M2，其建立方法由以下公式来确定：
两个棋盘格相同位置的像素值是互补的。棋盘格图像建立完成后，将两个相位值和两个棋盘格分别相乘后再相加得到最终合成后的一张相位型全息图，其合成过程为：P(u,v)＝P1(u,v)·M1(u,v)+P2(u,v)·M2(u,v)。该编码方法称作双相位编码方法。最终生成的全息图P为相位型全息图。这里由复振幅全息图H编码为相位型全息图P的方法还可以采用余弦光栅法、闪耀光栅法等其他已有的著名编码方法。
将生成的相位型全息图P通过计算机7加载到空间光调制器1中，然后用红绿蓝三色激光器以不同的角度同时照射空间光调制器1平面。其中红色激光的照射角度为θR＝1.57°，绿色激光的照射角度为θG＝0°，蓝色激光器的照射角度为θB＝-1.57°，RGB三色光波经过相位全息图调制后分别衍射传播，其波前在光阑面2的相同位置分别形成一个会聚亮点，此时调整光阑的高度并且将光阑孔径调节为3.3mm，使得会聚亮点恰好通过光阑而其他的信息被挡掉，经过光阑滤波后的亮点继续向前衍射传播，最终在投影屏幕3上的相同位置分别重建得到同样尺寸为66.56mm×66.56mm的RGB分量图像，这三个重建图像的强度在屏幕上经过叠加之后混合得到最终的彩色图像。
Claims (3)
1.一种无透镜彩色全息投影方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)布设投影系统：将空间光调制器(1)、光阑(2)和屏幕(3)依次布设于同一条直线上，在空间光调制器(1)的另一侧布设红色激光器(4)、绿色激光器(5)和蓝色激光器(6)；空间光调制器(1)所处的位置形成全息面，屏幕(3)所处的位置形成投影成像面；所述空间光调制器(1)和用于生成计算全息图的计算机(7)连接；
(B)确定投影成像面(3)到空间光调制器(1)的距离，并计算光阑(2)到空间光调制器(1)的距离d：
d＝z·L·dx/(λR·z+L·dx)
其中，z为投影成像面到空间光调制器(1)的距离；L为空间光调制器(1)的最小边长；dx为空间光调制的像素间距；λR为红色激光器(4)发出的红光的波长；计算得到距离d后，将光阑(2)放置在距空间光调制器(1)距离d处；
(C)将彩色图像分解成红绿蓝三基色分量图像，针对每个RGB分量图像，采用双步菲涅耳衍射算法计算图像到全息面的衍射，得到三张复振幅全息图；具体步骤如下：
(c1)采用如下公式对分解后的RGB分量图像分别施加与之对应的会聚球面相位因子，得到三个复振幅图像：
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(c2)利用如下公式分别计算光阑面上RGB分量的复振幅光场：
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其中，MR(xm,ym)，MG(xm,ym)，MB(xm,ym)分别代表光阑面上RGB分量的复振幅；(xm,ym)代表光阑面上的坐标；
(c3)利用如下公式分别计算得到RGB分量的三张复振幅全息图：
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其中，HR(u,v)，HG(u,v)，HB(u,v)分别代表RGB分量的复振幅全息图；(u,v)代表全息面上的坐标；
(D)采用波长复用相位编码方法将三张复振幅全息图合成为一张相位型全息图；
(E)通过计算机(7)将该相位全息图传输到空间光调制器(1)中，并且用红绿蓝三色激光器分别以不同的角度照射空间光调制器，其中红色激光以θR和角度照射空间光调制器，绿色激光以θG和角度照射空间光调制器，蓝色激光以θB和角度照射空间光调制器；利用空间光调制器上的相位型全息图将红绿蓝三基色的图像通过光阑(2)后投影到屏幕(3)上，三基色图像在屏幕上通过混合叠加后得到彩色图像。
2.根据权利要求1所述的无透镜彩色全息投影方法，其特征在于：步骤(D)中，具体包括以下步骤：
(d1)针对每个RGB分量的复振幅全息图，利用下式分别施加与之对应的倾斜相位因子：
其中，θR，θG，θB表示与x轴的夹角；表示与y轴的夹角；
(d2)将三张施加倾斜相位因子之后的复振幅全息图相加，合成为一张复振幅全息图：H(u,v)＝H'R(u,v)+H'G(u,v)+H'B(u,v)；
(d3)利用相位编码方法将复振幅全息图H(u,v)编码成为一张相位型全息图P(u,v)。
3.根据权利要求1或2所述的无透镜彩色全息投影方法，其特征在于：所述相位编码方法为闪耀光栅法、余弦光栅法或者双相位分解法。
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