CN107247399B - 一种抑制计算全息显示斑点噪声的时空复用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种抑制计算全息显示斑点噪声的时空复用方法，该方法利用像素分离法生成多幅计算全息图，并基于光的偏振态特性和人眼的视觉暂留特性通过时空复用方法进行计算全息图的再现。本发明的计算全息图进行分组再现，同组的计算全息图使用不同偏振态的再现光，通过多个空间光调制器的空间复用，实现重叠爱里斑像点斑点噪声的抑制，不同组再现的计算全息图通过时间复用方法避免爱里斑像点在空间上的重叠，进一步抑制了斑点噪声的产生，同时通过人眼视觉暂留效应，实现了记录信息的完整观看。

Description

一种抑制计算全息显示斑点噪声的时空复用方法
技术领域
本发明涉及全息显示领域，具体地说，涉及一种抑制计算全息显示斑点噪声的时空复用方法。
背景技术
全息显示不仅能还原被记录场景的振幅信息，还能还原场景中代表着物体相对位置的相位信息，为观看者提供一种与观看真实场景相同的视觉体验，被称作最理想的立体显示方式。其中，计算全息由于其独特的灵活性和高效性而成为显示技术中的研究热点之一。但是，由于计算全息显示对再现光高相干性的需求，衍射光在接收屏上形成所需再现像的同时，还会产生随机分布的斑点噪声，严重降低再现像的质量。因此，很多学者针对斑点噪声的抑制方法展开了研究，并取得了一系列成果，其代表性技术主要有时间平均法和像素分离法。其中时间平均法需要制作多幅具有不同随机相位的计算全息图，在显示过程中，产生多个不同的斑点噪声分布，通过时间复用，实现斑点噪声的抑制。在此方法中，每一个场景都需要计算多幅全息图，因此增加了全息图的计算负担，同时对空间光调制器的刷新率提出了很高的要求，目前很难实现实时动态显示。像素分离法根据斑点噪声产生的原因之一—爱里斑像点的叠加干涉，将被记录场景图进行像素分离，通过时间复用方法，避免相邻爱里斑像点的叠加干涉。像素分离法同样需计算多幅全息图，难以利用空间光调制器实现实时动态的全息显示。因此，基于当前计算全息图的生成速度和空间光调制器的刷新率，实用的计算全息显示斑点噪声抑制方法的研究非常有意义。
发明内容
本发明提出一种抑制计算全息显示斑点噪声的时空复用方法，该方法利用像素分离法生成多幅计算全息图，并基于光的偏振态特性和人眼的视觉暂留特性通过时空复用方法进行计算全息图的再现。本发明的计算全息图进行分组再现，同组的计算全息图使用不同偏振态的再现光，通过多个空间光调制器的空间复用，实现重叠爱里斑像点斑点噪声的抑制，不同组再现的计算全息图通过时间复用方法避免爱里斑像点在空间上的重叠，进一步抑制了斑点噪声的产生，同时通过人眼视觉暂留效应，实现了记录信息的完整观看。
本发明抑制计算全息显示斑点噪声的时空复用方法包括以下步骤：
步骤一：确定再现光波长λ，空间光调制器的孔径D，再现距离l，根据公式(1) 计算爱里斑像点的半径R：
步骤二：获取空间光调制器的横向分辨率M，竖向分辨率N，横向像素间隔du，竖向像素间隔dv，根据公式(2)计算爱里斑像点的横向抽样间隔dx和竖向像素间隔dy:
根据爱里斑像点抽样间隔和爱里斑像点的半径，被记录场景图的像素分离数n 满足公式(3)：
ceil()代表向上取整操作，max()代表取较大值操作。
步骤三：采用像素分离方法，将一幅被记录场景图分离成场景子图，场景图和场景子图的分辨率相同，横向分辨率为M，竖向分辨率为N。如附图1所示，首先在被记录场景图最左上角确定一个n×n的矩阵，分别从矩阵不同坐标处的元素出发，每隔n-1个元素对场景图进行抽样，并将抽样值赋给场景子图相同坐标处，场景子图中未被赋值的坐标处的元素值均为0，一幅场景图共分离成n 2幅不同的场景子图。基于标量衍射原理，将每一幅场景子图的信息分别记录到不同的全息图中，共生成n 2幅计算全息图。
步骤四：将n2幅计算全息图分成t组，首先保证t-1组计算全息图的个数均为m， t满足公式(4)：
其中m为再现过程中使用空间光调制器的个数，且2≤m≤n2，然后判断剩余一组计算全息图的个数，若个数为m，则进行步骤五，若个数不足m，则在n2幅计算全息图中随机取若干幅计算全息图进行复制后放到最后一组，保证每组均有m 幅计算全息图。
步骤五：计算全息图再现，其再现光路如图2所示，激光为再现光源，滤波器对再现光进行扩束，滤波器后面的透镜实现再现光的准直，分束器将再现光分成透射光和反射光，平面镜用来改变再现光的传播方向，每个空间光调制器前均放置一个偏振片，偏振片的方向各不相同，它们保证照射到每一个空间光调制器上的再现光的偏振态不同，透镜对再现像进行汇聚，接收板用来承接再现像。同一时刻，取一组计算全息图通过m个空间光调制器进行调制，m个不同偏振态的像通过空间复用后同时到达接收板，重叠爱里斑像点因偏振方向不同而实现斑点噪声的抑制，不同组计算全息图通过t个不同时刻的时间复用再现，避免爱里斑像点在空间的重叠，进一步抑制了斑点噪声的产生，同时通过人眼视觉暂留效应，实现了记录信息的完整观看。
附图说明
本发明的前述和附加的方面及优点从下述结合附图与实施例的详细描述中将得以进一步明确和容易理解，其中：
附图1为本发明方法被记录场景图进行像素分离的示意图。
附图2为本发明方法计算全息图再现光路的示意图。
上述附图中的图示标号为：
1被记录场景图，2n×n的矩阵，3场景元素，4.1-4.n 2场景子图，5值为0的元素，6.1-6.m不同偏振方向的偏振片，7激光，8滤波器，9透镜，10分束器，11平面镜，12空间光调制器，13接收板。
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
下面详细说明利用本发明一种抑制计算全息显示斑点噪声的时空复用方法的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。
本发明合成图生成方法包括以下步骤：
步骤一：确定再现光波长532nm，空间光调制器的孔径15.36mm，再现距离500mm，爱里斑像点的半径。
步骤二：获取空间光调制器的横向分辨率1920，竖向分辨率1080，横向像素间隔8μm，竖向像素间隔8μm，爱里斑像点的横向抽样间隔和竖向像素间隔，根据爱里斑像点抽样间隔和爱里斑像点的半径，被记录场景图的像素分离数,ceil()代表向上取整操作，max()代表取较大值操作，在本案例中取n=3。
步骤三：采用像素分离方法，将一幅被记录场景图分离成场景子图，场景图和场景子图的分辨率相同，横向分辨率为1920，竖向分辨率为1080。首先在被记录场景图最左上角确定一个3×3的矩阵，分别从矩阵不同坐标处的元素出发，每隔1个元素对场景图进行抽样，并将抽样值赋给场景子图相同坐标处，场景子图中其它坐标处的元素值均为0，一幅场景图共分离成9幅不同的场景子图，基于标量衍射原理，将每一幅场景子图的信息分别记录到不同的全息图中，共生成9幅计算全息图。
步骤四：本案例使用3个空间光调制器进行计算全息图再现，根据将 9幅计算全息图分成3组，其中保证两组均有3幅计算全息图，判断剩余一组有 3幅全息图，则进行步骤五。
步骤五：计算全息图再现，激光为再现光源，滤波器对再现光进行扩束，滤波器后面的透镜实现再现光的准直，分束器将再现光分成透射光和反射光，平面镜用来改变再现光的传播方向，每个空间光调制器前均放置一个偏振片，偏振片的方向各不相同，它们保证照射到每一个空间光调制器上的再现光的偏振态不同，透镜对再现像进行汇聚，接收板用来承接再现像。同一时刻，取一组计算全息图通过3个空间光调制器进行调制，3个不同偏振态的像通过空间复用后同时到达接收板，重叠爱里斑像点因偏振方向不同而实现斑点噪声的抑制，不同组计算全息图通过3个不同时刻的时间复用再现，避免爱里斑像点在空间的重叠，进一步抑制了斑点噪声的产生，同时通过人眼视觉暂留效应，实现了记录信息的完整观看。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种抑制计算全息显示斑点噪声的时空复用方法，其特征在于，斑点噪声的抑制包括
步骤一：确定再现光波长λ，空间光调制器的孔径D，再现距离l，根据计算爱里斑像点的半径R；
步骤二：获取空间光调制器的横向分辨率M，竖向分辨率N，横向像素间隔du，竖向像素间隔dv，根据公式计算爱里斑像点的横向抽样间隔dx和竖向像素间隔dy，根据爱里斑像点的横向抽样间隔dx、爱里斑像点的竖向像素间隔dy和爱里斑像点的半径，被记录场景图的像素分离数n满足ceil()代表向上取整操作，max()代表取较大值操作；
步骤三：采用像素分离方法，将一幅被记录场景图分离成场景子图，场景图和场景子图的分辨率相同，横向分辨率为M，竖向分辨率为N，首先在被记录场景图最左上角确定一个n×n的矩阵，分别从矩阵不同坐标处的元素出发，每隔n-1个元素对场景图进行抽样，并将抽样值赋给场景子图相同坐标处，场景子图中未被赋值的坐标处的元素值均为0，一幅场景图共分离成n2幅不同的场景子图，基于标量衍射原理，将每一幅场景子图的信息分别记录到不同的全息图中，共生成n2幅计算全息图；
步骤四：将n2幅计算全息图分成t组，首先保证t-1组计算全息图的个数均为m，其中t满足公式m为再现过程中使用空间光调制器的个数，且2≤m≤n2，然后判断剩余一组计算全息图的个数，若个数为m，则进行步骤五，若个数不足m，则在n2幅计算全息图中随机取若干幅计算全息图进行复制后放到最后一组，保证每组均有m幅计算全息图；
步骤五：计算全息图再现，激光为再现光源，滤波器对再现光进行扩束，滤波器后面的透镜实现再现光的准直，分束器将再现光分成透射光和反射光，平面镜用来改变再现光的传播方向，每个空间光调制器前均放置一个偏振片，偏振片的方向各不相同，它们保证照射到每一个空间光调制器上的再现光的偏振态不同，透镜对再现像进行汇聚，接收板用来承接再现像。
2.如权利要求1所述的一种抑制计算全息显示斑点噪声的时空复用方法，其特征在于，步骤五中计算全息图再现，同一时刻，取一组计算全息图通过m个空间光调制器进行调制，m个不同偏振态的像通过空间复用后同时到达接收板，重叠爱里斑像点因偏振方向不同而实现斑点噪声的抑制，不同组计算全息图通过t个不同时刻的时间复用再现，避免爱里斑像点在空间的重叠，进一步抑制了斑点噪声的产生，同时通过人眼视觉暂留效应，实现了记录信息的完整观看。
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