CN111061138B - 一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法，采用相位型空间光调制器显示周期为两个像素的二元光栅，保持二元光栅的相位平均值不变，测量不同相位差的零级光衍射效率，得到衍射效率随二元光栅相位差变化的衍射效率曲线；根据衍射效率曲线得到串扰效应校正后的双相位编码全息图。本发明只需要测量衍射效率曲线，所需的实验装置简单，测量速度快。对于双相位编码的改进不会增加额外的计算时间，适合实时的全息显示。通过判断计算得到双相位值是否超过范围，若超过则修改双相位值可以确保双相位值在相位型空间光调制器的显示范围内。将串扰效应校正后显示图像有更高的对比度和更低的噪声。

Description

一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正 方法

技术领域

本发明属于全息显示技术领域，尤其涉及一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法。

背景技术

三维显示技术是显示技术的一个重要研究发展方向。近年来，由于VR、AR技术的普及应用，关于头戴显示装置的研究也渐渐增多。其中全息近眼显示受到广泛的关注。

全息近眼显示器原则上具有深度信息，因此在未来的近眼显示器应用中具有潜在的优势。为了显示全息图，最好同时调制光的振幅和相位。但只用一个空间光调制器很难实现。实验上可行的方法是使用编码方法来计算能在相位型空间光调制器显示的纯相位全息图。目前，这种方式更被接受，并且已经提出了几种编码方法。

双相位编码在全息近眼显示方面仍有许多优势，该方法不需要迭代，因此具有较快的计算速度，更适合于实时计算。双相位编码可以使物体相位在全息图上保持恒定，从而使噪声保持较低，并且不需要时间平均方法来消除噪声，可以高帧频动态显示图像。对于复振幅的原全息图，设归一化振幅为A，相位值为θ。传统的双相位编码方法可以表示为θ₁＝θ-cos^-1(A)，θ₂＝θ+cos^-1(A)。然后把双相位值用棋盘格的分布编码到全息图上，设全息图相位值为h(i,j),其中i,j为像素索引，则h(i,j)＝θ₁(i,j)·M₁(i,j)+θ₂(i,j)·M₂(i,j)，其中

然而，全息显示器通常被认为具有噪声，低对比度和低分辨率。一个主要原因是相位型空间光调制器中的串扰效应。串扰效应是由边缘场效应引起的，在该效应中，电场不再可以在每个像素上近似均匀，每个像素的实际相位值会受到相邻像素的影响。如果全息图具有很多高频信息，则全息显示质量会受到严重的串扰效应的影响。

双相位编码把双相值编码到棋盘图案上，其空间频率很高，尤其是当棋盘格的每个格子是单个像素大小时，因此双相位编码方法受串扰的影响很大，其全息显示效果的对比度很低，噪声很大。

因此，校正双相位编码全息显示的相位型空间光调制器的串扰效应是全息显示领域亟待解决的一个课题。

发明内容

本发明的目的是为解决相位型空间光调制器的串扰效应带来的全息显示质量问题，而设计的一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法，该方法包括：

(1)采用相位型空间光调制器显示周期为两个像素的二元光栅，保持二元光栅的相位平均值不变，测量不同相位差的零级光衍射效率，得到衍射效率随二元光栅相位差变化的衍射效率曲线η₀(Δθ)；

(2)根据衍射效率曲线得到串扰效应校正后的双相位编码全息图，具体如下：

(2.1)根据衍射效率曲线计算双相位编码全息图的相位范围；

(2.2)使用菲涅尔全息计算复振幅的全息图；

(2.3)根据衍射效率曲线计算串扰效应校正后的双相位值：

设复振幅的全息图的归一化振幅为A，相位值为θ，设F(Δθ)为归一化振幅随相位差变化函数，则F²(Δθ)＝η₀(Δθ)，F^-1(A)为F(Δθ)的反函数，双相位值为θ₁＝θ-F^-1(A)，θ₂＝θ+F^-1(A)；

(2.4)判断双相位值是否超过步骤(2.1)计算得到的相位范围，若超过相位范围，则修改双相位值使其回到相位范围内，再执行步骤(2.5),若在相位范围内，则直接执行步骤(2.5)；

(2.5)将双相位值用一维光栅的分布编码到双相位编码全息图上。

进一步地，所述步骤(2.1)中，双相位编码全息图的相位范围设为[0,2π+2Δθ_a]，其中Δθ_a为衍射效率曲线η₀(Δθ)中，最大值和第一个零点之间，衍射效率值等于衍射效率曲线的第二个峰值时的相位差。

进一步地，所述步骤(2.3)中，复振幅的全息图的相位值θ范围设为[Δθ_a,2π+Δθ_a]，F^-1(A)的范围设为[0,Δθ_b]，Δθ_b为衍射效率曲线η₀(Δθ)中第一个零点的相位差。

进一步地，所述步骤(2.4)中，

若θ₁小于0，则将双相位值改为θ₁＝θ+F^-1(-A)+π，θ₂＝θ-F^-1(-A)+π后，执行步骤(2.5)；

若θ₂大于2π+2Δθ_a，则将双相位值改为θ₁＝θ+F^-1(-A)-π，θ₂＝θ-F^-1(-A)-π后，执行步骤(2.5)；

若θ₁、θ₂均在[0,2π+2Δθ_a]内，则直接执行步骤(2.5)；

其中，F^-1(-A)的范围为[Δθ_b,Δθ_c]，Δθ_c为衍射效率曲线η₀(Δθ)中第二个峰值的相位差。

进一步地，所述步骤(2.5)中，将双相位值用一维光栅的分布编码到双相位编码全息图上，设双相位编码全息图的相位值为h(i,j)，其中i,j为像素索引，则h(i,j)＝θ₁(i,j)·M₁(i)+θ₂(i,j)·M₂(i)，其中θ₁(i,j)为像素(i,j)处的θ₁，θ₂(i,j)为像素(i,j)处的θ₂，

本发明的有益效果是：本发明只需要测量衍射效率曲线，所需的实验装置简单，测量速度快。对于双相位编码的改进不会增加额外的计算时间，适合实时的全息显示。通过判断计算得到双相位值是否超过范围，若超过则修改双相位值可以确保双相位值在相位型空间光调制器的显示范围内。将串扰效应校正后显示图像有更高的对比度和更低的噪声。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明相位型空间光调制器的衍射效率曲线η₀(Δθ)示意图；

图2是本发明相位型空间光调制器的衍射效率曲线η₀(Δθ)计算得到F^-1(A)曲线的示意图；

图3是本发明具体实施例中用到的原图；

图4是本发明具体实施例中传统的双相位全息显示的结果；

图5是本发明具体实施例中校正串扰效应的双相位全息显示的结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提出的一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法，该方法包括：

(1)采用相位型空间光调制器显示周期为两个像素的二元光栅，保持二元光栅的相位平均值不变，测量不同相位差的零级光衍射效率，得到衍射效率随二元光栅相位差变化的衍射效率曲线η₀(Δθ)；

如图1所示，将衍射效率曲线η₀(Δθ)中，最大值和第一个零点之间，衍射效率值等于衍射效率曲线的第二个峰值时的相位差记为Δθ_a，将第一个零点的相位差记为Δθ_b，将第二个峰值的相位差记为Δθ_c；

(2)根据衍射效率曲线得到串扰效应校正后的双相位编码全息图，具体如下：

(2.1)根据衍射效率曲线计算双相位编码全息图的相位范围；

在实施例中，双相位编码全息图的相位范围设为[0,2.92π]；

(2.2)使用菲涅尔全息计算复振幅的全息图；

(2.3)根据衍射效率曲线计算串扰效应校正后的双相位值：

设复振幅的全息图的归一化振幅为A，相位值为θ，设F(Δθ)为归一化振幅随相位差变化函数，则F²(Δθ)＝η₀(Δθ)，F^-1(A)为F(Δθ)的反函数，如图2所示，双相位值为θ₁＝θ-F^-1(A)，θ₂＝θ+F^-1(A)；

在实施例中，复振幅的全息图的相位值θ范围设为[0.46π,2.46π]，F^-1(A)的范围设为[0,0.74π]；

(2.4)判断双相位值是否超过步骤(2.1)计算得到的相位范围，若超过相位范围，则修改双相位值使其回到相位范围内，再执行步骤(2.5),若在相位范围内，则直接执行步骤(2.5)；

在实施例中，判断过程如下：

判断θ₁是否小于0，若小于0，将双相位值改为θ₁＝θ+F^-1(-A)+π，θ₂＝θ-F^-1(-A)+π，之后执行步骤(2.5)；若不小于0，则进行如下判断：

判断θ₂是否大于2.92π，若大于2.92π，则将双相位值改为θ₁＝θ+F^-1(-A)-π，θ₂＝θ-F^-1(-A)-π，之后执行步骤(2.5)；若不大于2.92π，则不改变双相位值；

其中，F^-1(-A)的范围为[0.74π,1.24π]；

(2.5)将双相位值用一维光栅的分布编码到双相位编码全息图上，具体为：设双相位编码全息图的相位值为h(i,j)，其中i,j为像素索引，则h(i,j)＝θ₁(i,j)·M₁(i)+θ₂(i,j)·M₂(i)，其中θ₁(i,j)为像素(i,j)处的θ₁，θ₂(i,j)为像素(i,j)处的θ₂，

图3中本发明具体实施例中用到的原图通过传统双相位编码全息得到的显示结果结果即为图4，使用上述步骤得到的显示的结果即为图5。可以看出，图5相对于图4有更高的对比度和更低的噪声。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法，其特征在于，该方法包括：

(1)采用相位型空间光调制器显示周期为两个像素的二元光栅，保持二元光栅的相位平均值不变，测量不同相位差的零级光衍射效率，得到衍射效率随二元光栅相位差变化的衍射效率曲线η₀(Δθ)；

(2)根据衍射效率曲线得到串扰效应校正后的双相位编码全息图，具体如下：

(2.1)根据衍射效率曲线计算双相位编码全息图的相位范围；

(2.2)使用菲涅尔全息计算复振幅的全息图；

(2.3)根据衍射效率曲线计算串扰效应校正后的双相位值：

设复振幅的全息图的归一化振幅为A，相位值为θ，设F(Δθ)为归一化振幅随相位差变化函数，则F²(Δθ)＝η₀(Δθ)，F^-1(A)为F(Δθ)的反函数，双相位值为θ₁＝θ-F^-1(A)，θ₂＝θ+F^-1(A)；

(2.4)判断双相位值是否超过步骤(2.1)计算得到的相位范围，若超过相位范围，则修改双相位值使其回到相位范围内，再执行步骤(2.5),若在相位范围内，则直接执行步骤(2.5)；

(2.5)将双相位值用一维光栅的分布编码到双相位编码全息图上。

2.根据权利要求1所述的一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中，双相位编码全息图的相位范围设为[0,2π+2Δθ_a]，其中Δθ_a为衍射效率曲线η₀(Δθ)中，最大值和第一个零点之间，衍射效率值等于衍射效率曲线的第二个峰值时的相位差。

3.根据权利要求1所述的一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法，其特征在于，所述步骤(2.3)中，复振幅的全息图的相位值θ范围设为[Δθ_a,2π+Δθ_a]，F^-1(A)的范围设为[0,Δθ_b]，Δθ_b为衍射效率曲线η₀(Δθ)中第一个零点的相位差。

4.根据权利要求1所述的一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法，其特征在于，所述步骤(2.4)中，

若θ₁小于0，则将双相位值改为θ₁＝θ+F^-1(-A)+π，θ₂＝θ-F^-1(-A)+π后，执行步骤(2.5)；

若θ₂大于2π+2Δθ_a，则将双相位值改为θ₁＝θ+F^-1(-A)-π，θ₂＝θ-F^-1(-A)-π后，执行步骤(2.5)；

若θ₁、θ₂均在[0,2π+2Δθ_a]内，则直接执行步骤(2.5)；

其中，F^-1(-A)的范围为[Δθ_b,Δθ_c]，Δθ_c为衍射效率曲线η₀(Δθ)中第二个峰值的相位差。

5.根据权利要求1所述的一种应用于全息显示的相位型空间光调制器串扰效应校正方法，其特征在于，所述步骤(2.5)中，将双相位值用一维光栅的分布编码到双相位编码全息图上，设双相位编码全息图的相位值为h(i,j)，其中i,j为像素索引，则h(i,j)＝θ₁(i,j)·M₁(i)+θ₂(i,j)·M₂(i)，其中θ₁(i,j)为像素(i,j)处的θ₁，θ₂(i,j)为像素(i,j)处的θ₂，

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