CN108732902A - 一种可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，包括：S1：利用3D辅助软件设计三维场景或利用激光扫描仪产生客观事物点云数据；S2：对三维场景或点云数据进行抽样，并利用点源法生成振幅型全息图；S3：使用空间光调制器加载振幅型全息图，对重建三维场景清晰度、空间分辨率等进行评价，选择重建效果最好的全息图进行打印；S4：通过改变点源法中距离参数使重建的三维场景达到纵向位置；S5：打印完成后，使用参考光重建三维场景并对重建效果进行评价。本发明属于振幅型体全息打印技术，改进计算全息三维显示的实际应用，有助于全息打印技术的发展与提高，具有如下优点：增加空间带宽积、调节重建三维场景纵向深度。
Description
技术领域
本发明涉及全息打印领域，具体涉及一种可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法。
背景技术
三维显示技术在军事国防、文化教育医疗卫生等领域具有广阔的应用前景。三维显示技术提供了三维场景深度感知，人类视觉系统感受到的是三维世界到二维投影的图像，并由二维图像认知三维世界的过程。人类感知自然深度是由于左、右眼观看真实世界有轻微的差异，大脑将二者进行融合，获得三维立体感觉。现有成熟的三维显示技术如双目视差显示、体三维显示等都无法提供人眼感知三维所需要的全部深度信息，观看时间长易产生视疲劳。随着计算机技术与空间光调制器器件的发展，计算产生的全息图可以被上载到空间光调制器实现三维显示。计算全息三维显示由于不受传统记录介质与取向元件的约束可以满足复杂物体的显示要求。但是计算全息三维显示系统的纵向位置受空间光调制器限制，所以本文提出一种可以改变纵向位置的振幅型全息打印方法。
空间光调制器靶面由许多独立单元组成的一维线阵或二维阵列，独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是连续的整体。由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成一个一个小单元，是一种能对光波的空间分布进行调制的器件，能对光波的振幅、振幅或强度、频率、偏振态等的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制，其输出光信号是随控制电或光信号变化的空间和时间的函数。空间光调制器在光学信息处理或光互连系统中，它们可用作系统的输入器件，也可在系统中用作变换或运算器件。在本文其用作变换运算器件，通过改变光波的的振幅，将三维信息加载到出射光，并与参考光在体全息材料内发生干涉，记录三维信息于材料内。由于空间光调制器的空间带宽积有限并且纵向位置有限，所以一种可以改变纵向位置的振幅型全息打印方法有很大的实际意义。
点源法是产生改变纵向位置的振幅型全息打印方法加载到空间光调制器的振幅型全息图的算法之一。点源法认为一个三维物体是一个理想的漫射体，可以把三维物体看成多个离散的点，每个点都可以认为是一个可以发光的点光源，每一个点光源经过菲涅尔衍射到达全息面是一个球面波分布，把所有离散点做菲涅尔衍射到达全息面的球面波复振幅叠加即得到三维物体的全息图。计算全息是使用计算机编程模拟光学全息记录过程，并用编码的方式制作全息图。计算全息不受实验室环境的影响可操作性强，可重复行高，成本高。
从传统全息到计算全息，我们寻找其优势互补的作用点在全息打印。虽然在很多领域取得了一定成绩，但计算全息生成全息图的速度受全息计算算法以及硬件的限制，导致全息打印无法提高。为了优化算法，在计算全息图时我们将运用查表法提高打印速度。把每一个离散点对全息图的贡献预先存储在计算机中，等到需要生产全息图时只需要把存储设备中所需要的点读取出来并进行叠加即可得到三维物体的全息图。提高了计算全息生成全息图的速度，打印显示效果同样需要提高，目前存在两个问题：
(1)空间光调制器空间带宽积受限制
(2)空间光调制器重建场景纵向位置受限制
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，使全息打印中重建三维场景的纵向位置可以达到所需位置(或深度)，并提高空间带宽积，提高三维显示质量。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，包括以下步骤：S1：利用3D辅助软件设计三维场景或利用激光扫描仪产生客观事物点云数据；S2：对三维场景或点云数据进行抽样，并利用点源法生成振幅型全息图；S3：使用空间光调制器加载振幅型全息图，对重建三维场景清晰度、空间分辨率等进行评价，选择重建效果最好的全息图进行打印；S4：通过改变点源法中距离参数使重建的三维场景达到纵向位置；S5：打印完成后，使用参考光重建三维场景并对重建效果进行评价。
进一步地，步骤S1中：所述3D辅助软件产生三维场景或利用激光扫描仪产生客观事物点云数据是支持点、直线、多边形、表面和自由形态曲线的文本文件。
进一步地，在步骤S2中，所述抽样过程为间隔相同的仅对三维场景或客观事物点云数据构成模型成分中点的均匀抽样。
进一步地，在步骤S3中，所述使用空间光调制器是高光能利用率与高衍射效率的液晶型振幅空间光调制器。
进一步地，在步骤S4中，所述点源法中距离参数是三维场景到全息面的距离
根据本发明实施例的可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，具有以下优点：
(1)本发明采用振幅型空间光调制器进行打印，提高全息打印的系统的整体效率，出射光与参考光发射干涉在全息材料中进行记录打印，能达到完全真实的三维视觉效果，，大大提高显示质量。
(2)本发明采用点源法的方法生成振幅全息图，通过查表法来对算法进行加速，提高打印系统的整体速度。把三维物体定义为一个理想的漫射体，看成多个离散的点，每个点认为是一个点光源，每一个点光源经过菲涅尔衍射到达全息面是一个球面波分布，把每一个离散点做菲涅尔衍射到达全息面的球面波映射得到一个离散点的全息图。使用计算机编程模拟光学全息记录过程，并用编码的方式制作全息图。等到需要生产全息图时只需要从存储设备中把所需要计算的点读取出来并进行叠加得到三维场景全息图，使运算时间减少，系统打印速度有所提高。
(3)本发明采用振幅型全息图存储三维场景信息。由于全息图未存储除振幅信息以外的信息，所以数据量相对减少，提高系统打印速度。
(4)本发明采用透射型的打印方法，当加载参考光或普通光源时，会在参考光或普通光源的同侧重建出三维场景，方便观察者观看。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法的流程图；
图2是点源法流程图；
图3是透射式全息打印示意图；
图4是改变纵向位置计算模型；
图5是空间光调制器视场角示意图；
图6是提高空间光带宽积光路图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述本发明。
图1是本发明实施例的可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法的流程图。如图1所示，一种可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，包括以下步骤：
S1：利用3D辅助软件设计三维场景或利用激光扫描仪产生客观事物点云数据；
S2：对三维场景或点云数据进行抽样，并利用点源法生成振幅型全息图；
具体地，三维场景或点云数据抽样，与点源法生成振幅全息图包括以下步骤：
将三维场景或客观事物点云数据转换为支持点、直线、多边形、表面和自由形态曲线的文本文件；
对文本文件中的数据提取点数据，并进行间隔均匀的抽样；
对抽样过后的点数据进行尺度变换，使模型大小符合空间光调制器与打印要求；
使用点源法计算生成三维场景的振幅型计算全息图(如图2)。
S3：使用空间光调制器加载振幅型全息图，对重建三维场景清晰度、空间分辨率等进行评价，选择重建效果最好的全息图进行打印；
具体地，全息图打印过程包括以下步骤：
振幅型空间光调制器加载振幅型全息图，振幅型空间光调制器读取电信号以反射方式改变光束振幅，产生三维场景。
以改变振幅的光束为物光，与参考光在材料同侧发生干涉，实现全息打印(如图3)。
S4：通过改变点源法中距离参数使重建的三维场景达到纵向位置；
具体地，改变点源法中距离参数使重建的三维场景达到纵向位置包括以下步骤：
如图4所示，在空间光调制器出射光的方向上放置傅里叶透镜，空间光调制器放在傅里叶透镜的前焦面，重建波通过傅里叶透镜传输到后焦面。在计算全息图所需的三维场在前焦面的基础上做平移，可以在前焦面前也可以在前焦面后。点源法在计算时也在距离上做相应的累加，传到全息面的信息会发生改变。
S5：打印完成后，使用参考光重建三维场景并对重建效果进行评价。
在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，点数据进行的尺度变换是以实际尺寸为依据做同比例尺度变换。
在本发明的一个实施例中，在步骤S4中，数据比对的方法为去除误差大于误差预设值的数据，与色相标尺进行求解，得到的三个维度的数据进行整合，得到有效值。
为使本领域人员进一步理解本发明，将通过以下实施例进行详细说明。
如图5所示，图中β角为空间光调制器视场角可由公式(1)得：
其中fmax是空间光调制器最大空间频率，d为空间光调制器尺寸。
在空间光调制器前放置傅里叶透镜，可对空间带宽积进行调制，如图6所示，图中θ角为视场角可由公式(2)得：
其中l为空间光调制器尺寸。
如图4所示，三维场景位于傅里叶透镜前方，距离为f-d。点源法计算过程中产生的全息面为傅里叶透镜的后焦面。将三维场景抽样为间隔相同的点，三维辅助软件可以记录灰度与坐标信息。对于全息图使用公式(3)计算：
其中N为抽样点的个数，Ai为光波的振幅强度，为自由空间的波数，ψi为初始相位，ri为抽样点到全息面的距离。
根据本发明实施例的可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，具有以下优点：
(1)本发明采用点源法算法产生振幅型全息图，快速计算出正确的三维场景全息图，方便全息打印与全息显示，能达到真实的三维视觉效果。
(2)本发明采用振幅型空间光调制器进行打印，提高全息打印的系统的整体效率，出射光与参考光发射干涉在全息材料中进行记录打印，，大大提高显示质量。
(3)本发明采用透射型的打印方法，当加载参考光或普通光源时，会在参考光或普通光源的同侧重建出三维场景，符合观众的观察习惯，为观众提供方便快捷的视觉享受。
(4)本发明采用通过改变点源法中距离参数使重建的三维场景达到纵向位置的方法，将打印纵向位置达到需要纵向位置同时增加空间带宽积。因此在提高显示质量的同时还为用户提供了一个可以定制的纵向位置三维场景。
另外，本发明实施例的用于可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (6)
1.一种可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用3D辅助软件设计三维场景或利用激光扫描仪产生客观事物点云数据；
S2：对三维场景或点云数据进行抽样，并利用点源法生成振幅型全息图；
S3：使用空间光调制器加载振幅型全息图，对重建三维场景清晰度、空间分辨率等进行评价，选择重建效果最好的全息图进行打印；
S4：通过改变点源法中距离参数使重建的三维场景达到纵向位置；
S5：打印完成后，使用参考光重建三维场景并对重建效果进行评价。
2.根据权利要求1所述的可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，其特征在于，在步骤S1中：所述3D辅助软件产生三维场景或利用激光扫描仪产生客观事物点云数据是支持直线、多边形、表面和自由形态曲线的文本文件。
3.根据权利要求1所述的可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，其特征在于，在步骤S2中，所述抽样过程为仅对三维场景或客观事物点云数据构成模型成分中间隔相同点的均匀抽样。
4.根据权利要求1所述的可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，其特征在于，在步骤S3中，所述使用空间光调制器是高光能利用率与高衍射效率的透射型振幅空间光调制器。
5.根据权利要求1所述的所述的可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，其特征在于，在步骤S4中，所述点源法中距离参数是三维场景到全息面的距离。
6.根据权利要求1所述的可调节重建三维场景纵向位置的振幅型全息打印方法，其特征在于，全息打印是振幅型体全息打印，携带物体信息的物光与参考光的干涉来进行打印。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Sun Yukai Document name: Deemed withdrawal notice |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181102 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |