CN109946943B - 一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统。该系统由准直光源、光阑、分光镜、SLM、棱镜组和CCD组成。其中准直光源用于提供平面波，当准直光经过光阑时，只有部分光能通过分光镜并照射SLM的浪费区域。为了抑制散斑噪声，对SLM的有效区域进行计算并加载物体的有效全息图，而SLM的浪费区域则加载用于光束整形的DOE。经过DOE调制后的光束被SLM反射并经过棱镜组，光束经过棱镜组的扩束和反射后再次照射SLM的有效区域。当在SLM的有效区域上加载有效全息图时，通过CCD能看到抑制了散斑噪声的全息再现像。该系统不仅可以抑制全息再现像中的散斑噪声，还能提高全息图的计算速度。

Description

一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统
一、技术领域
本发明涉及全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统。
二、背景技术
随着近年来显示器行业的快速发展，三维显示已逐渐成为人们关注的下一代显示技术。计算全息可以很好再现出真实或虚拟物体的信息，因此被认为是三维显示的最终目标。目前为止，尽管计算全息取得了很多成果，但仍存在一些问题限制其进一步发展。例如，由激光相干引起的散斑噪声会影响重建图像的质量。为了减少散斑噪声，一些研究人员使用时间复用方法来重建多个全息图。然而，由于时分复用法对空间光调制器(SLM)的刷新率要求比较高，因此会导致重建图像的模糊或闪烁。迭代算法虽然也能抑制重建图像的斑点噪声，但过多的迭代次数会导致计算速度比较慢。此外，通过使用LED光源代替激光也能在一定程度上实现散斑噪声的抑制，但再现像的亮度有限。一些研究人员使用两个SLM来减少斑点噪声，其中一个SLM加载全息图，另一个SLM则用来加载衍射光学元件(DOE)。此外，研究者还提出了查表算法、波前记录法、新型查表法(NLUT)等算法来减少冗余计算。然而目前为止，仍难以实现理想的全息显示效果。
三、发明内容
本发明提出一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统。如附图1所示，该系统由准直光源、光阑、分光镜、SLM、棱镜组和CCD组成。其中准直光源用于提供准直光束，当光束经过光阑时，只有部分光能通过分光镜并照射SLM的浪费区域。为了抑制斑点噪声，对SLM的有效区域进行计算并加载物体的有效全息图，而SLM的浪费区域则加载用于光束整形的DOE。经过DOE调制后的光束被SLM反射并经过棱镜组，光束经过棱镜组的扩束和反射后再次照射SLM的有效区域。当在SLM的有效区域上加载有效全息图时，通过CCD能看到抑制了散斑噪声的全息再现像。
本发明所提出的一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统中，SLM有效区域的计算原理如附图2所示，根据全息衍射原理，全息图的尺寸等于记录和重建过程中SLM的尺寸。以SLM的中心为坐标轴的原点，D表示被记录物体的宽度，X是衍射距离，H是SLM的宽度，A和B表示被记录物体边缘上的两个点。在全息记录过程中，通过衍射条纹将被记录物体上每个点的信息都记录在整个全息图上。在重建过程中，在距离Z的衍射位置处再现出重建图像，其中A'和B'分别是A和B的重建图像。当观看者位于距SLM的距离R处时，观看区域的宽度为V。根据衍射理论得出，Va是重建图像A'的观察区域，重建图像B'的观看区域用Vb表示。只有在Va和Vb重叠的区域，即区域Vu，才能观察到完整的重建图像。而在区域Vu之外，看到的则是不完整的重建图像，这些图像对观看者来说是无用的。区域Vu被称为有效视区，满足以下公式：
Vu＝Va+Vb-V (1)
记录在全息图上的无用信息不仅占用了大量的计算时间，并且会产生额外的散斑噪声。因此，本发明所提出的系统只记录有效视区内的全息图信息，根据几何关系得出，有效全息图的尺寸小于SLM的尺寸，其宽度为Ho＝H-D，SLM的有效区域等于有效全息图的尺寸。
本发明所提出的一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统，为了抑制斑点噪声并提高全息图的计算速度，只对有效视区内的物点信息进行计算并生成有效全息图。如附图3所示，加载到SLM上的最终全息图包括两部分，其中中间部分是被记录物体的有效全息图信息，周围部分是DOE信息。根据SLM浪费区域的尺寸生成DOE并加载到SLM的浪费区域上。当光束照射SLM的浪费区域时，光束经过DOE的调制和反射照射到棱镜组上。
作为系统的核心部件之一，棱镜组由两个棱镜和两个反射镜组成，如附图4所示。单个棱镜的光束扩展原理如附图4(a)所示。由于棱镜的折射，出射光的方向不同于入射光的方向。入射角和顶角的变化可以引起光束宽度的变化。对于单个棱镜，光束扩展比可表示如下：
Figure BDA0002027819320000021
其中D是出射光的宽度，d是入射光的宽度，
Figure BDA0002027819320000022
是入射角，μ是棱镜的折射率。在全息再现中，棱镜组用于光扩束。当由DOE调制的光束通过棱镜时，扩束光被反射镜反射并照射SLM的有效区域。本发明所提出的系统不仅可以抑制全息显示中的散斑噪声，还能提高全息图的计算速度。
四、附图说明
附图1为本发明的一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统的示意图。附图1(a)是所提出系统的正视图，附图1(b)是所提出系统的俯视图。
附图2是SLM有效区域的计算原理示意图。
附图3是本发明所提出系统的全息图生成示意图。
附图4为棱镜组的原理示意图。附图4(a)是单个棱镜扩束的原理示意图，附图4(b)是棱镜组的结构示意图。
上述各附图中的图示标号为：
(1)准直光源、(2)光阑、(3)分光镜、(4)SLM、(5)棱镜组、(6)CCD、(7)反射镜、(8)棱镜、(9)有效全息图、(10)DOE、(11)最终全息图。
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
下面详细说明本发明提出的一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的一个实施例为：在实验中，准直光源的波长为532nm，SLM的像素间距和分辨率分别为6.4μm和1920×1080，SLM的刷新速度是60HZ，相位调制能力是2π。棱镜的折射率为1.52，SLM和CCD之间的距离为20cm。使用MATLAB软件和NLUT算法计算被记录物体的全息图。被记录对象的分辨率和有效点数分别为320×240和9119，则有效全息图的分辨率为1600×840。由于最终全息图的分辨率为1920×1080，因此全息图浪费区域的分辨率是320×240。在所提出的系统中，根据全息图有效区域的计算，棱镜的光束宽度需要扩展～3.5倍。因此，制作具有特定参数的棱镜，同时，生成分辨率为320×240的DOE，将DOE加载到SLM的浪费区域，便可得到理想的全息显示效果。

Claims (3)

1.一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统，其特征在于，该系统由准直光源、光阑、分光镜、SLM、棱镜组和CCD组成；其中准直光源用于提供准直光束，当光束经过光阑时，只有部分光能通过分光镜并照射SLM的浪费区域；对SLM的有效区域进行计算并加载物体的有效全息图，而SLM的浪费区域则加载用于光束整形的DOE，经过DOE调制后的光束被SLM反射并经过棱镜组，光束经过棱镜组的扩束和反射后再次照射SLM的有效区域，当在SLM的有效区域上加载有效全息图时，通过CCD能看到抑制了散斑噪声的全息再现像；
其中SLM有效区域的计算原理如下：根据全息衍射原理，全息图的尺寸等于记录和重建过程中SLM的尺寸，以SLM的中心为坐标轴的原点，D表示被记录物体的宽度，X是衍射距离，H是SLM的宽度，A和B表示被记录物体边缘上的两个点；在全息记录过程中，通过衍射条纹将被记录物体上每个点的信息都记录在整个全息图上，在重建过程中，在距离Z的衍射位置处再现出重建图像，其中A'和B'分别是A和B的重建图像；当观看者位于距SLM的距离R处时，观看区域的宽度为V；根据衍射理论得出，Va是重建图像A'的观察区域，重建图像B'的观看区域用Vb表示，只有在Va和Vb重叠的区域，即区域Vu，才能观察到完整的重建图像，而在区域Vu之外，看到的则是不完整的重建图像，这些图像对观看者来说是无用的，区域Vu被称为有效视区，满足以下公式：
Vu＝Va+Vb-V
记录在全息图上的无用信息不仅占用了大量的计算时间，并且会产生额外的散斑噪声；该系统只记录有效视区内的全息图信息，根据几何关系得出，有效全息图的尺寸小于SLM的尺寸，其宽度为Ho＝H-D，SLM的有效区域等于有效全息图的尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统，其特征在于，只对有效视区内的物点信息进行计算并生成有效全息图，加载到SLM上的最终全息图包括两部分，其中中间部分是被记录物体的有效全息图信息，周围部分是DOE信息，根据SLM浪费区域的尺寸生成DOE并加载到SLM的浪费区域上，当光束照射SLM的浪费区域时，光束经过DOE的调制和反射照射到棱镜组上。
3.根据权利要求1所述的一种基于光束整形抑制散斑噪声的全息显示系统，其特征在于，棱镜组由两个棱镜和两个反射镜组成，由于棱镜的折射，出射光的方向不同于入射光的方向，入射角和顶角的变化可以引起光束宽度的变化，在全息再现中，棱镜组用于光扩束；当由DOE调制的光束通过棱镜时，扩束光被反射镜反射并照射SLM的有效区域，该系统不仅可以抑制全息显示中的散斑噪声，还能提高全息图的计算速度。
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