CN109656117B - 一种连续扩大计算全息再现像观看视角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种连续扩大计算全息再现像观看视角的方法。该方法的SLM并列排布，形成矩阵阵列的形状对CGH进行加载，且CGH由所有干涉图叠加生成。通过增加物点对应干涉图的尺寸，保证每一幅干涉图调制再现光的边界衍射角为SLM的最大衍射角。同时，全息功能屏被放置在成像面上，对像点后的再现光进行扩散，消除SLM之间的缝隙影响，从而在SLM排布方向上实现再现像观看视角的连续扩大。

Description

一种连续扩大计算全息再现像观看视角的方法

技术领域

本发明涉及全息显示领域，具体地说，涉及一种连续扩大计算全息再现像观看视角的方法。

背景技术

一个尺寸为D的被记录物体，以记录距离L生成计算全息图(CGH)并进行再现时，若设置空间光调制器(SLM)的中心为坐标原点o、像素尺寸为p、工作区域尺寸为H、边框尺寸为d，则在距离SLM的L处生成尺寸为D的一级再现像，SLM、再现像和观看视角之间的关系如附图1所示。在图中，SLM调制再现光产生的最大衍射角为θ，其由SLM的像素间隔p和再现光的波长λ共同决定，它们之间满足公式(1)：

θ＝sin^-1(λ/2p) (1)

根据全息技术特性，被记录物体上任意一点的信息被记录在整幅CGH上。所以，再现像的每一个像点均是由整幅CGH调制再现光而生成，即衍射角范围为[-α，θ]的再现光叠加形成再现像的最顶点像点，衍射角范围为[-θ，α]的再现光叠加形成再现像的最低点像点。根据几何关系，衍射角α满足公式(2)：

形成再现像最顶点和最低点像点的两束再现光的重叠区域为再现像的观看视区，对应的夹角β₀为再现像的观看视角，它满足公式(3)：

观看者只有处在观看视区内才能得到完整的再现像，但是目前受限于SLM的发展水平，再现像的观看视角非常小，视区不能满足人眼的双目观看需求，从而影响人们的视觉观看体验。因此，全息再现像观看视角扩大方法的提出具有非常重要的意义。

发明内容

本发明提出一种连续扩大计算全息再现像观看视角的方法。该方法的SLM 并列排布，形成矩阵阵列的形状对CGH进行加载，且CGH由所有干涉图叠加生成。通过增加物点对应干涉图的尺寸，保证每一幅干涉图调制再现光的边界衍射角为SLM的最大衍射角。同时，全息功能屏被放置在成像面上，对像点后的再现光进行扩散，消除SLM之间的缝隙影响，从而在SLM排布方向上实现再现像观看视角的连续扩大。

本发明连续扩大计算全息再现像观看视角的方法包括子全息图对再现光的扩大和全息功能屏对再现光的扩大两个步骤，并且在不同方向上实现观看视角连续扩大的原理相同。

步骤一为子全息图对再现光的扩大。首先，在视角拟扩大的方向上，三个 SLM按照直线并列排布，取一行SLM(SLM₁、SLM₂和SLM₃)的工作区域尺寸记为H，确定被记录物体的尺寸D、SLM的像素间隔p、再现光的波长λ、全息图记录距离L和SLM的最大衍射角θ＝sin^-1(λ/2p)，且保证它们之间的关系满足：

D≤2Ltanθ-H≈2Lsinθ-H (4)

被记录物体看作由一系列离散物点组成，每一个物点的信息均被记录成一幅干涉图，我们增加干涉图的尺寸，使其大于SLM的工作区域尺寸H。对于任意物点 a(y₀,L)，所产生干涉图的顶点坐标y₁、低点坐标y₂和尺寸H₁分别满足公式(5) -(7)：

y₁＝y₀+H/2+D/2 (5)

y₂＝y₀-(H/2+D/2) (6)

H₁＝y₁-y₂＝H+D (7)

然后，将所有物点的干涉图进行叠加，即生成CGH。CGH的尺寸H_CGH满足公式 (8)：

H_CGH＝H+2D (8)

最后，我们对CGH分别进行填充、分割和加载处理，将CGH精确地加载到三个直线并列排布的SLM上，因为SLM具有边框尺寸d，具体加载流程如附图2 所示。(1)对CGH的上下两端进行零填充，使其尺寸等于3H+4d；(2)从上至下分割CGH，得到子全息图1、子全息图2和子全息图3，它们的尺寸均为H，且相邻两个子全息图之间的距离为2d，该处信息为CGH丢失信息；(3)将三幅子全息图对应加载到SLM₁、SLM₂和SLM₃上进行再现，三幅子全息图的排列顺序和三个SLM之间的排列顺序相同。本发明子全息图上任意干涉图调制的再现光边界衍射角为SLM的最大衍射角，在水平方向上实现对再现光的扩大。

步骤二为全息功能屏对再现光的扩大。由于SLM之间存在边框，子全息图在加载过程中会丢失部分CGH信息，从而导致像点的再现光分布不连续。因此本发明在成像面上放置一个全息功能屏，它在SLM排布方向上的扩散角为γ。全息功能屏对产生像点的所有再现光进行角度为γ的扩散，且γ满足公式(9)：

从而在水平方向上实现像点后再现光的连续分布。SLM、再现像和观看视角之间的关系如附图3所示。再现过程中，再现像的最顶点和最低点像点所对应再现光的重叠区域形成水平观看视角β，且满足公式(10)：

β＝2θ+2γ≥(H+D+2d)/L (10)

同理，基于列方向上的三个SLM，通过在竖直方向上扩大物点记录干涉图的尺寸和全息功能屏的扩散作用，可在竖直方向上实现像点后再现光的连续分布。所以，本发明方法分别基于1×3、3×1和3×3矩阵形式进行排布的SLM，通过在SLM排布方向上扩大物点记录干涉图的尺寸和全息功能屏的扩散作用，可对应在水平方向、竖直方向和所有方向上实现对再现像观看视角的连续扩大。

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为单个SLM进行全息再现方法中，SLM、再现像和观看视角之间的关系关系示意图；

附图2为本发明全息图加载的流程图；

附图3本发明方法中，水平方向直线排布的SLM、再现像和观看视角之间的关系示意图。

上述附图中的图示标号为：

1SLM的工作区域，2SLM的边框，3再现像，4CGH，5子全息图1，6子全息图2，7子全息图3，8CGH丢失信息，9SLM₁，10SLM₂，11SLM₃，12，全息功能屏。

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

下面详细说明利用本发明一种连续扩大计算全息再现像观看视角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。

本发明连续扩大计算全息再现像观看视角的方法包括子全息图对再现光的扩大和全息功能屏对再现光的扩大两个步骤，因为在不同方向上实现观看视角连续扩大的原理相同，本案例在水平方向上对观看视角进行扩大。

步骤一为子全息图对再现光的扩大。首先，本案例使用一个1×3矩阵形式的SLM，三个SLM(SLM₁、SLM₂和SLM₃)在水平方向上并列排布，且SLM 的工作区域尺寸H＝15.36mm、SLM的像素间隔p＝8μm、再现光的波长λ＝532nm、全息图记录距离L＝300mm，然后根据公式θ＝sin^-1(λ/2p)确定SLM的最大衍射角θ＝1.905°，根据公式D≤2Ltanθ-H≈2Lsinθ-H取尺寸D＝4.59mm的物体为被记录物体。被记录物体看作由一系列离散物点组成，每一个物点的信息均被记录成一幅干涉图，我们增加干涉图的尺寸，使其大于SLM的工作区域尺寸H。对于任意物点a(y₀,300mm)，所产生干涉图的顶点坐标y₁、低点坐标y₂和尺寸H₁分别满足y₁＝y₀+15.36mm/2+4.59mm/2＝y₀+9.975mm，y₂＝y₀-(15.36mm/2+4.59mm/2)＝y₀-9.975mm， H₁＝y₁-y₂＝19.95mm.。然后，将所有物点的干涉图进行叠加，即生成CGH。CGH 的尺寸H_CGH满足H_CGH＝15.36mm+2×4.59mm＝24.54mm。

最后，我们对CGH分别进行填充、分割和加载处理，将CGH精确地加载到三个直线并列排布的SLM上，因为SLM具有边框尺寸d＝4mm，具体加载流程(1)对CGH的上下两端进行零填充，使其尺寸等于 3H+4d＝3×15.36mm+4×4mm＝62.08mm；(2)从上至下分割CGH，得到子全息图 1、子全息图2和子全息图3，它们的尺寸均为15.36mm，且相邻两个子全息图之间的距离为2d＝8mm，该处信息为CGH丢失信息；(3)将三幅子全息图对应加载到SLM₁、SLM₂和SLM₃上进行再现，三幅子全息图的排列顺序和三个SLM 之间的排列顺序相同。本发明子全息图上任意干涉图调制的再现光边界衍射角为 SLM的最大衍射角，从而在水平方向上实现对再现光的扩大。

步骤二为全息功能屏对再现光的扩大。由于SLM之间存在边框，子全息图在加载过程中会丢失部分CGH信息，从而导致像点的再现光分布不连续。根据公式

本案例取扩散角γ＝3°的全息功能屏，其扩散角方向为水平方向，从而实现像点后再现光的连续分布。再现过程中，再现像的最顶点和最低点像点所对应再现光的重叠区域形成水平观看视角β＝2θ+2γ＝2×1.905°+2×3°＝9.81°。本发明方法通过在水平方向扩大物点记录干涉图的尺寸和全息功能屏的扩散作用，在水平方向上实现对再现像观看视角的连续扩大。

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)

1.一种连续扩大计算全息再现像观看视角的方法，其特征在于，包括子全息图对再现光的扩大和全息功能屏对再现光的扩大两个步骤，并且在不同方向上实现观看视角连续扩大的原理相同；

步骤一为子全息图对再现光的扩大，首先，在视角拟扩大的方向上，三个SLM按照直线并列排布，取一行SLM(SLM₁、SLM₂和SLM₃)的工作区域尺寸记为H，设置SLM₁、SLM₂和SLM₃并列排布的方向为坐标系的y轴方向，确定被记录物体的尺寸D、SLM的像素间隔p、再现光的波长λ、全息图记录距离L和SLM的最大衍射角θ＝sin^-1(λ/2p)，且保证它们之间的关系满足D≤2Ltanθ-H≈2Lsinθ-H，被记录物体看作由一系列离散物点组成，每一个物点的信息均被记录成一幅干涉图，增加干涉图的尺寸，使其大于SLM的工作区域尺寸H，对于任意物点a(y₀,L)，其中y₀为物点在y轴方向上的坐标值，所产生干涉图的顶点和低点在y轴方向上对应的坐标值y₁和y₂，以及干涉图的尺寸H₁分别满足y₁＝y₀+H/2+D/2，y₂＝y₀-(H/2+D/2)，H₁＝y₁-y₂＝H+D，然后，将所有物点的干涉图进行叠加，即生成CGH，CGH的尺寸H_CGH满足H_CGH＝H+2D，最后，对CGH分别进行填充、分割和加载处理，将CGH精确地加载到三个直线并列排布的SLM上，因为SLM具有边框尺寸d，具体加载流程：(1)对CGH的上下两端进行零填充，使其尺寸等于3H+4d，(2)从上至下分割CGH，得到子全息图1、子全息图2和子全息图3，它们的尺寸均为H，且相邻两个子全息图之间的距离为2d，相邻两个子全息图之间的信息为CGH丢失信息，(3)将三幅子全息图对应加载到SLM₁、SLM₂和SLM₃上进行再现，三幅子全息图的排列顺序和三个SLM之间的排列顺序相同，子全息图上任意干涉图调制的再现光边界衍射角为SLM的最大衍射角，实现对再现光的扩大；

步骤二为全息功能屏对再现光的扩大，由于SLM之间存在边框，子全息图在加载过程中会丢失部分CGH信息，从而导致像点的再现光分布不连续，因此在成像面上放置一个全息功能屏，它在SLM排布方向上的扩散角为γ，且γ满足

从而在水平方向上实现像点后再现光的连续分布，再现过程中，再现像的最顶点和最低点像点所对应再现光的重叠区域形成水平观看视角β，且满足β＝2θ+2γ≥(H+D+2d)/L；

同理，基于列方向上的三个SLM，通过在竖直方向上扩大物点记录干涉图的尺寸和全息功能屏的扩散作用，可在竖直方向上实现像点后再现光的连续分布。

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