CN107526279B

CN107526279B - 一种扩大全息再现像观看视区的方法

Info

Publication number: CN107526279B
Application number: CN201710702964.4A
Authority: CN
Inventors: 王琼华; 刘素娟; 肖聃
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2037-08-16
Also published as: CN107526279A

Abstract

本发明提出一种扩大全息再现像观看视区的方法。该方法中的CGH由所有的干涉图叠加而成，每一幅干涉图记录着一个物点的信息。干涉图的水平尺寸等于被记录物体和SLM的水平尺寸之和，竖直尺寸等于SLM的竖直尺寸。在再现过程中，三个直线排布的SLM被用来加载CGH，CGH上所有干涉图产生的衍射光边界彼此平行。此方法可降低再现系统对观看距离的需求，减少视区浪费信息，扩大再现像观看视区及观看视角。

Description

一种扩大全息再现像观看视区的方法

一、技术领域

本发明涉及全息显示领域，具体地说，涉及一种扩大全息再现像观看视区的方法。

二、背景技术

基于空间光调制器(SLM)的计算全息显示技术能够为观看者提供真实的视觉体验，被称为最理想的立体显示方式。但是，由于SLM空间带宽积的限制，全息再现像的观看视区非常小，不足够人眼的双目观看。为了改善人们的观看体验，目前已有多种扩大再现像观看视区的方法被提出，例如高级衍射光法、SLM 曲面阵列法、分辨率重新分配法和水平扫描法等。在高级衍射光法中，不同级次的衍射光通过时间复用在视觉上被结合在一起，从而实现了观看视区的扩大。但是由于不同衍射级次光的强度不同，导致再现像的光强分布不均。SLM弯曲阵列法将多个SLM按照弯曲阵列排布，通过增加SLM的数值孔径实现再现像观看视区的扩大。但是在此方法中，需要光学器件来调节每一个SLM的再现光，从而增加了再现光学系统的复杂度。分辨率重新分配法使用一个4f成像系统实现SLM水平分辨率的增加，这种方法可以增加水平方向观看视区，但是以损失竖直观看视区为代价。水平扫描法通过一个失真成像系统和一个电子扫描系统实现大尺寸和大观看视区的全息再现，但是此方法需要较高刷新率的SLM，同时扫描系统会影响再现像的精度。因此，对实用的扩大全息再现像观看视区方法的研究非常有意义。

三、发明内容

本发明提出一种扩大全息再现像观看视区的方法。该方法中的计算全息图 (CGH)由所有的干涉图叠加而成，每一幅干涉图记录着一个物点的信息。干涉图的水平尺寸等于被记录物体和SLM的水平尺寸之和，竖直尺寸等于SLM的竖直尺寸。在再现过程中，三个直线排布的SLM被用来加载CGH，CGH上所有干涉图产生的衍射光边界彼此平行。此方法可降低再现系统对观看距离的需求，减少视区浪费信息，扩大再现像观看视区及观看视角。本发明扩大再现像观看视区的方法包括CGH的制作和再现两个步骤。

步骤一为制作CGH。确定被记录物体的水平和竖直尺寸分别为D_H和D_V， SLM的水平和竖直尺寸分别为H_H和H_V，且保证H_H＞D_H，H_V＞D_V，全息图的记录距离为L。被记录物体看作由一系列自发光物点组成，对于被记录物体中的任意一个物点m(y₀,-L)，我们根据标量衍射原理，将其信息记录在水平尺寸为H₁的干涉图上，干涉图的尺寸被增加，y₁和y₂分别为干涉图的最右点和最左点坐标。y₁、y₂和H₁分别满足公式(1)-(3)：

y₁＝y₀+H_H/2+D_H/2, (1)

y₂＝y₀-(H_H/2+D_H/2), (2)

H₁＝y₁-y₂＝H_H+D_H. (3)

同理，按照公式(1)-(3)计算出所有物点的干涉图。干涉图的坐标由对应记录物点的坐标决定，干涉图的水平尺寸等于被记录物体和SLM的水平尺寸之和，竖直尺寸等于SLM的竖直尺寸。将所有物点的干涉图进行叠加，即生成CGH。 CGH的竖直尺寸和分辨率与SLM的竖直尺寸和分辨率相同，CGH的水平尺寸 H_CGH和分辨率Re(H_CGH)分别满足公式(4)-(5)：

H_CGH＝H_H+2D_H, (4)

Re(H_CGH)＝int(H_CGH/p), (5)

其中，int()代表取整操作，p为SLM的像素间隔。

步骤二为再现CGH。在全息再现系统中，使用三个直线排布的相同参数的 SLM加载CGH，分别为空间光调制器1(SLM₁)、空间光调制器2(SLM₂)和空间光调制器3(SLM₃)。由公式(4)可知，CGH的水平尺寸小于三个SLM 的水平尺寸之和。为了实现CGH的准确加载，CGH的处理流程如附图1所示。首先在水平方向上对CGH的左右两端进行零填充操作，得到零填充CGH，保证零填充CGH的水平尺寸等于三个SLM的水平尺寸之和。然后对零填充CGH进行分离操作，得到三幅尺寸与SLM的尺寸相同的子计算全息图(sub-CGH)，从左至右分别为子计算全息图1(sub-CGH₁)、子计算全息图2(sub-CGH₂)和子计算全息图3(sub-CGH₃)。将sub-CGH₁、sub-CGH₂和sub-CGH₃分别加载到 SLM₁、SLM₂和SLM₃上，保证SLM₁、SLM₂和SLM₃在再现系统中从左至右直线排布，在距离SLM的L处，形成再现像。在观看距离R处，被记录物体、干涉图、sub-CGH、SLM、再现像和视区之间的关系，如附图2所示。尺寸为H₁的干涉图产生的衍射光边界分别用线段G'H'和M'N'表示。保证线段G'H'、M'N' 分别和线段A'B'、C'D'平行，其中线段A'B'、C'D'为采用单个SLM进行全息再现时所产生的衍射光边界，即所有干涉图产生的衍射光边界彼此平行。再现像的视区边界为线段K'L'和O'P'。观看者必须位于t点之后才能观看到完整再现像，即观看距离R需大于线段ot的长度。根据几何关系，观看距离R、浪费信息尺寸V₁和V₂、视区尺寸V和观看视角β分别满足公式(6)-(9)：

R＞ot＝L(H_H+2D_H)/(H_H+D_H), (6)

V₁＝V₂＝D_H, (7)

β＝(H_H+D_H)/L, (8)

V＝[R(D_H+H_H)-L(H_H+2D_H)]/L. (9)

本发明方法可以降低再现系统对观看距离的需求，减少视区浪费信息，扩大再现像观看视区及观看视角。

四、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CGH被加载时的处理流程示意图。

附图2为被记录物体、干涉图、sub-CGH、SLM、再现像和视区之间的关系示意图。

上述附图中的图示标号为：

1CGH，2零填充CGH，3sub-CGH₁，4sub-CGH₂，5sub-CGH₃，6干涉图， 7被记录物体，8SLM₁，9SLM₂，10SLM₃，11再现像。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

五、具体实施方式

下面详细说明利用本发明一种扩大全息再现像观看视区的方法的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。

本发明扩大全息再现像观看视区的方法主要包括以下步骤：

步骤一为制作CGH。确定被记录物体的尺寸为2.88mm×2.88mm，SLM的分辨率为1920×1080，像素间隔为8μm，尺寸为15.36mm×8.64mm，保证了 SLM的尺寸大于被记录物体的尺寸，全息图的记录距离为300mm。被记录物体看作由一系列自发光物点组成，对于被记录物体中的任意一个物点 m(y₀,-300mm)，我们根据标量衍射原理，将其信息记录在干涉图上，干涉图的尺寸被增加。此干涉图的最右点坐标为y₁＝y₀+8.64mm/2+2.88mm/2＝y₀+5.76mm，最左点坐标为y₂＝y₀-(8.64mm/2+2.88mm/2)＝y₀-5.76mm，水平尺寸为 H₁＝y₁-y₂＝8.64mm+2.88mm＝11.52mm.，竖直尺寸为15.36mm。同理，计算出所有物点的干涉图，干涉图的坐标由对应记录物点的坐标决定，干涉图的水平尺寸等于被记录物体和SLM的水平尺寸之和，竖直尺寸等于SLM的竖直尺寸，将所有的干涉图进行叠加，即生成CGH。CGH的水平尺寸为H_CGH＝8.64mm+2× 2.88mm＝14.4mm，分辨率为Re(H_CGH)＝int(14.4mm/8μm)＝1800，其中，int()代表取整操作，CGH的竖直尺寸和分辨率分别为15.36mm和1920。

步骤二为再现CGH。在全息再现系统中，使用三个直线排布的相同参数的 SLM加载CGH，分别为SLM₁、SLM₂和SLM₃。由于CGH的水平尺寸14.4mm 小于三个SLM的水平尺寸之和25.92mm。为了实现CGH的准确加载，对CGH 进行处理。首先在水平方向上对CGH的左右两端进行零填充操作，得到零填充 CGH，保证零填充CGH的水平尺寸为25.92mm，等于三个SLM的水平尺寸之和。然后对零填充CGH进行分离操作，得到三幅尺寸为15.36mm×8.64mm的 sub-CGH，从左至右分别为sub-CGH₁、sub-CGH₂和sub-CGH₃，与SLM的尺寸相同。将sub-CGH₁、sub-CGH₂和sub-CGH₃分别加载到SLM₁、SLM₂和SLM₃上，保证SLM₁、SLM₂和SLM₃在再现系统中从左至右直线排布。在距离SLM 的300mm处，形成再现像。在观看距离500mm处，被记录物体、干涉图、sub-CGH、 SLM、再现像和视区之间的关系，如附图2所示。水平尺寸为11.52mm的干涉图产生的衍射光边界分别用线段G'H'和M'N'表示。保证线段G'H'、M'N'分别和线段A'B'、C'D'平行，其中线段A'B'、C'D'为采用单个SLM进行全息再现时所产生的衍射光边界，即所有被记录物点的干涉图产生的衍射光边界彼此平行。再现像的视区边界为线段K'L'和O'P'。观看者必须位于t点之后才能观看到完整再现像，即观看距离需大于线段ot的长度，根据几何关系，观看距离满足 R>op＝300mm(8.64mm+2×2.88mm)/(8.64mm+2.88mm)＝375mm、浪费信息尺寸为 V₁＝V₂＝2.88mm、视区尺寸为 V＝[500mm(2.88mm+8.64mm)^-300mm(8.64mm+2×2.88mm)]/300mm＝4.88mm和观看视角为β＝(8.64mm+2.88mm)/300mm＝0.0384rad。

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

1.一种扩大全息再现像观看视区的方法，其特征在于，该方法包括

制作CGH步骤：确定被记录物体的水平和竖直尺寸分别为D_H和D_V，SLM的水平和竖直尺寸分别为H_H和H_V，且保证H_H＞D_H，H_V＞D_V，全息图的记录距离为L，被记录物体看作由一系列自发光物点组成，对于被记录物体中的任意一个物点m(y₀,-L)，将其信息记录在水平尺寸为H₁的干涉图上，干涉图的尺寸被增加，同理计算出所有物点的干涉图，将所有物点的干涉图进行叠加，即生成CGH；再现CGH步骤：在全息再现系统中，使用三个直线排布的相同参数的SLM加载CGH，分别为SLM₁、SLM₂和SLM₃，CGH的水平尺寸小于三个SLM的水平尺寸之和，首先在水平方向上对CGH的左右两端进行零填充操作，得到零填充CGH，保证零填充CGH的水平尺寸等于三个SLM的水平尺寸之和，然后对零填充CGH进行分离操作，得到三幅尺寸与SLM的尺寸相同的sub-CGH，从左至右分别为sub-CGH₁、sub-CGH₂和sub-CGH₃，将sub-CGH₁、sub-CGH₂和sub-CGH₃分别加载到SLM₁、SLM₂和SLM₃上，保证SLM₁、SLM₂和SLM₃在再现系统中从左至右直线排布，在距离SLM的L处，形成再现像。

2.如权利要求1所述的一种扩大全息再现像观看视区的方法，其特征在于，在制作CGH步骤中，任意一个物点m(y₀,-L)，其信息记录在水平尺寸为H₁的干涉图上，y₁和y₂分别为干涉图的最右点和最左点在y轴上的坐标值，y₁、y₂和H₁分别满足y₁＝y₀+H_H/2+D_H/2，y₂＝y₀-(H_H/2+D_H/2)，H₁＝y₁-y₂＝H_H+D_H，干涉图的坐标由对应记录物点的坐标决定，干涉图的水平尺寸等于被记录物体和SLM的水平尺寸之和，竖直尺寸等于SLM的竖直尺寸，CGH的竖直尺寸和分辨率与SLM的竖直尺寸和分辨率相同，CGH的水平尺寸H_CGH和分辨率Re(H_CGH)分别满足H_CGH＝H_H+2D_H，Re(H_CGH)＝int(H_CGH/p)，其中，int()代表取整操作，p为SLM的像素间隔。

3.如权利要求1所述的一种扩大全息再现像观看视区的方法，其特征在于，在再现CGH步骤中，在观看距离R处，尺寸为H₁的干涉图产生的衍射光边界分别用线段G'H'和M'N'表示，保证线段G'H'、M'N'分别和线段A'B'、C'D'平行，其中线段A'B'、C'D'为采用单个SLM进行全息再现时所产生的衍射光边界，即所有干涉图产生的衍射光边界彼此平行，再现像的视区边界为线段K'L'和O'P'，观看者必须位于t点之后才能观看到完整再现像，即观看距离R需大于线段ot的长度，观看距离R、浪费信息尺寸V₁和V₂、视区尺寸V和观看视角β分别满足R＞ot＝L(H_H+2D_H)/(H_H+D_H)，V₁＝V₂＝D_H，β＝(H_H+D_H)/L，V＝[R(D_H+H_H)-L(H_H+2D_H)]/L。