CN111752131B - 一种基于led全息显示的失焦现象优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于LED全息显示的失焦现象优化方法及系统。该方法包括：获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光；获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图；将所述校正后的计算全息图和所述预色散参考光输入至空间光调制器，得到目标物体的再现像。本发明实施例通过参考光预色散系统，减小了光源谱宽造成的“色模糊”现象，并通过改进生成计算全息图的算法，对光路变化造成的成像面倾斜进行了校正，减小了成像结果的失焦，使成像质量获得显著提升。

Description

一种基于LED全息显示的失焦现象优化方法及系统

技术领域

本发明涉及光电全息技术领域，尤其涉及一种基于LED全息显示的失焦现象优化方法及系统。

背景技术

在传统全息技术中，需要进行干涉照相，使用全息干板记录干涉条纹，再通过参考光照射全息干板得到再现像，实时性和重复性都比较差，应用场景十分受限。1980年后，随着计算机技术的进步和空间光调制器的出现，计算全息技术得到了快速发展，可以将计算机编码后的计算全息图输入到空间光调制器上，并通过参考光照射空间光调制器，得到目标物体的再现像。计算全息术通过数值计算得到计算全息图，避免了对光源相干性要求极高的干涉照相过程；而对计算全息图进行光学再现时，对参考光的相干性要求较低，使用LED进行计算全息实验是可行的。

LED与激光相比，有如下的优势：(1)无散斑噪声，成像结果观感更好；(2)LED是一种弱相干光源，本身具有一定的相干性，足以用于进行计算全息实验；(3)亮度较低，对人眼更友好。然而，LED相干性比激光较差，这在一定程度上会影响成像质量，表现为成像结果失焦，再现像锐度下降，人眼失去深度判据，再现像的立体感严重下降。

出现失焦的现象在理论上有两方面的原因，即“线模糊”和“色模糊”。通过在光源后放置孔径光阑，可以减小“线模糊”的影响，由于孔径光阑距离光源极近，并不会造成太大的光能损失。同时，使用4F滤波系统，可以减小“色模糊”的影响，这一操作实际上是通过滤波消除了大量不同波长的分量，减小了整个参考光的光谱宽度，提高参考光的时间相干性，但同时也造成了大量的光能损失，导致再现像的亮度过低，人眼难以直接观看。

发明内容

本发明实施例提供一种基于LED全息显示的失焦现象优化方法及系统，用以解决现有技术中存在的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种基于LED全息显示的失焦现象优化方法，包括：

获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光；

获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图；

将所述校正后的计算全息图和所述预色散参考光输入至空间光调制器，得到目标物体的再现像。

进一步地，所述获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图，具体包括：

获取所述目标物体的灰度图像和深度图像；

计算所述空间光调制器前表面的波长二维分布函数；

基于所述灰度图像、所述深度图像和所述波长二维分布函数得到所述校正后的计算全息图。

进一步地，所述获取所述目标物体的灰度图像和深度图像，具体包括：

根据观察者和所述目标物体的相对位置获得所述灰度图像和所述深度图像，将所述灰度图像和所述深度图像分别记为A(x,y)和d(x,y)。

进一步地，所述计算所述空间光调制器表面的波长二维分布函数，具体包括：

其中，λ(x,y)所述空间光调制器表面的波长分布表达式，λ₁,λ₂分别为光源谱宽边界值，x₁,x₂,y₁,y₂为所述空间光调制器在空间中的坐标边界，Δλ为所述空间光调制器表面任一点处的谱宽。

进一步地，所述基于所述灰度图像和所述深度图像得到所述校正后的计算全息图，具体包括：

所述校正后的计算全息图E(u,v)为：

其中：

式中Δx和Δy分别为所述目标物体截面最小采样单元的长度和宽度，pitch为所述空间光调制器的像素间距，A(x,y)和d(x,y)分别表示所述灰度图像和所述深度图像。

进一步地，所述获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光，具体包括：

获取所述LED参考光源，将所述LED参考光源依次投射入孔径光阑、柱面透镜、偏振片和可调狭缝，得到初始调制参考光；

将所述初始调制参考光投射入预设色散元件、柱面扩束透镜组和反射镜，得到所述预色散参考光。

进一步地，所述预设色散元件包括三棱镜，所述三棱镜对所述LED参考光源进行预处理。

第二方面，本发明实施例提供一种基于LED全息显示的失焦现象优化系统，包括：

光路模块，用于获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光；

算法模块，用于获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图；

调制模块，用于将所述校正后的计算全息图和所述预色散参考光输入至空间光调制器，得到目标物体的再现像。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：

存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述基于LED全息显示的失焦现象优化方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现任一项所述基于LED全息显示的失焦现象优化方法的步骤。

本发明实施例提供的基于LED全息显示的失焦现象优化方法及系统，通过参考光预色散系统，减小了光源谱宽造成的“色模糊”现象，并通过改进生成计算全息图的算法，对光路变化造成的成像面倾斜进行了校正，减小了成像结果的失焦，使成像质量获得显著提升。

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为本发明实施例提供的一种基于LED全息显示的失焦现象优化方法的总体流程图；

图2为本发明实施例提供的具体操作流程图；

图3为本发明实施例提供的目标物体的灰度图像和深度图像；

图4为本发明实施例提供的参考光预色散系统示意图；

图5为本发明实施例提供的成像平面倾斜校正的光学实验结果图；

图6为本发明实施例提供的对比实验结果示意图；

图7为本发明实施例提供的一种基于LED全息显示的失焦现象优化系统结构图；

图8为本发明实施例提供的电子设备的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种基于LED全息显示的失焦现象优化方法，其中涉及由狭缝、色散棱镜和一些其他光学元件组成的全息成像系统，可以减小LED光源用于全息成像时成像结果的失焦现象。其中，三棱镜的主要作用为色散，亦可用其他色散光学元件(如色散光栅等)代替，但需考虑其衍射效率，避免系统整体的传播损耗过大导致成像结果过暗。由LED发出的光源经过针孔滤波后，空间相干性得到较大提高，此时光源的线宽成为使成像结果劣化的主要因素。

此处，本发明实施例涉及如下专用技术名词：

计算全息(Computer Holography,CH)：利用计算机数值计算来代替物理光学中的干涉衍射过程，通过计算机来生成全息图，能够实现光学全息难以实现或无法实现的某些特殊功能。

发光二极管(LED):发光二极管是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。发光二极管可高效地将电能转化为光能，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。

失焦:由于技术需求或成像系统缺陷，致使成像结果未能对焦，整个画面处于模糊状态。

色模糊：在进行全息成像时，由于参考光的时间相干性较差而引起的成像结果模糊，与光源的线宽有关。如果色模糊量超过人眼或观察系统的分辨率，则影响成像质量。

线模糊：在进行全息成像时，由于参考光的空间相干性较差而引起的成像结果模糊，与光源的发光面积有关。如果线模糊量超过人眼或观察系统的分辨率，则影响成像质量。

色散棱镜:光学棱镜的一种，通常的横截面形状为几何的三角形，其他形状的色散棱镜或是用于色散的棱镜组也泛称为色散棱镜。其中三棱镜是最广为人知的一种光学棱镜。

角色散率：角色散率是光栅、棱镜等分光元件的重要参数。它表示谱线的角位置对波长的变化率，国际单位是rad/m或rad/nm。

空间光调制器(SLM)：是基于微型液晶显示技术的实时光学信息处理、光互连、光计算等系统的核心器件。在电学信号或其他信号的控制下，SLM可以改变空间光分布的振幅或强度、相位、偏振态及波长等性质。按照读出光的读出方式，分为反射式和透射式；按照输入控制的信号，分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM)；按照调制模式的类型，分为相位型、振幅型和复振幅型。

最大衍射角：是指光线发生衍射时，衍射光线偏离轴线的最大夹角。

图1为本发明实施例提供的一种基于LED全息显示的失焦现象优化方法的总体流程图，如图1所示，包括：

S1，获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光；

S2，获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图；

S3，将所述校正后的计算全息图和所述预色散参考光输入至空间光调制器，得到目标物体的再现像。

具体地，本发明实施例通过两大部分实现对参考光进行预色散，分别从算法部分和光路部分进行改进，如图2所示。首先是光路部分：获取LED参考光源后，将该LED参考光源输入至参考光预色散系统，经过一系列的光路调制处理，得到预色散参考光，投射至空间光调制器；其次是算法部分：对目标图像进行预处理，获取预设的多种图像集合，然后进行针对空间光调制器表面的二维波长分布修正的衍射，进一步生成校正后的计算全息图，将改进的算法输入空间光调制器。经过两部分的共同处理，最后得到目标物体的再现像。

本发明实施例通过参考光预色散系统，减小了光源谱宽造成的“色模糊”现象，并通过改进生成计算全息图的算法，对光路变化造成的成像面倾斜进行了校正，减小了成像结果的失焦，使成像质量获得显著提升。

基于上述实施例，该方法中算法部分具体包括：

获取所述目标物体的灰度图像和深度图像；

计算所述空间光调制器前表面的波长二维分布函数；

基于所述灰度图像、所述深度图像和所述波长二维分布函数得到所述校正后的计算全息图。

具体地，第一步是根据观察者和目标物体的相对位置获得目标物体的灰度图像和深度图像，如图3所示，图3中左侧为灰度图像，右侧为深度图像，分别记为A(x,y)和d(x,y)。

第二步计算空间光调制器表面的波长二维分布函数，经过系统校正后，空间光调制器(SLM)表面的波长分布函数可根据如下公式计算：

式中λ(x,y)为SLM表面的波长分布表达式；λ₁,λ₂为光源谱宽边界值；x₁,x₂,y₁,y₂为SLM在空间中的坐标边界；Δλ为SLM表面某点处的谱宽，与狭缝宽度和棱镜的角色散率有关，可以根据实验仪器数据计算得出。

第三步生成计算全息图，改进后的全息图计算公式如下：

其中：

式中Δx，Δy为目标物体截面最小采样单元的长度和宽度(单位：mm)，pitch为空间光调制器的像素间距(单位：mm)，A(x,y)和d(x,y)由第一步所得，根据公式(3)计算r(x,y)，最终由公式(2)可以生成校正后的计算全息图。

在未改进的公式中，将波长视为常数，可以同时适用于传统光学全息、数字全息和计算全息的计算和分析；但如果将波长视为具有二维分布规律的函数，则传统光学全息和数字全息均无法实现，因为在进行干涉照相时无法控制目标物体向某个方向散射的光线的波长，也就不能将变化的波长作为全息图的一个额外参数。本专利所提出的方法充分利用了计算全息的优势，使用计算机进行数值计算来模拟干涉照相过程，从全息面出发来计算全息图，将变化的波长作为全息面的一个额外参数，校正了将参考光进行预色散造成的成像平面倾斜，通过光路和相应算法相配合达到了同时减小光能损耗和色模糊的目的。

基于上述任一实施例，该方法中光路部分具体包括：

获取所述LED参考光源，将所述LED参考光源依次投射入孔径光阑、柱面透镜、偏振片和可调狭缝，得到初始调制参考光；

将所述初始调制参考光投射入预设色散元件、柱面扩束透镜组和反射镜，得到所述预色散参考光。

其中，所述预设色散元件包括三棱镜，所述三棱镜对所述LED参考光源进行预处理。

具体地，如图4所示，S为LED光源，A为孔径光阑，L1、L2为柱面透镜，F为偏振片，S为可调狭缝，P为三棱镜，L3、L4为柱面扩束透镜组，M为反射镜。

需要说明的是，预设色散元件的选择并非唯一，本发明实施例考虑到衍射效率，采用了三棱镜。在光源强度足够时，亦可使用色散光栅等其他具有色散效应的光学元件替代。

可以理解的是，与激光相比，LED的相干性仍然较差，这会在一定程度上影响成像质量，出现“线模糊”和“色模糊”。由于LED光源本身发光特性的限制，线模糊和色模糊无法消除，只能在一定程度上减小。这种模糊的直观感受是成像结果“失焦”，即在设定的成像位置附近，成像结果锐度下降，并且失去立体感。线模糊是光源的空间相干性较差造成的，通常使用的贴片式LED光源的发光区域较大，可以通过在光源后放置孔径光阑提高光源的空间相干性。色模糊则是LED光谱宽度较大造成的，可以使用4F系统进行滤波，但是这样会损失大量光能，造成成像结果太暗。

计算全息使用的空间光调制器是一种具有栅格结构的衍射元件，栅格结构的存在使得基于空间光调制器的全息显示技术与传统的全息显示有很大区别。首先，栅格结构导致参考光通过空间光调制器时，会形成一系列小孔衍射波，这些衍射波在成像面进行相干叠加，形成再现像，这也是我们生成计算全息图时的理论依据。再者，由于工艺的限制，通光小孔的面积和液晶层的厚度无法做的很小，这导致了小孔衍射波的能量主要集中在轴线附近，也就是说最大衍射角很小。

计算全息中的色模糊现象，是由于单色性较差的参考光，经过空间光调制器的栅格化结构产生了色散而引起的。本专利提出一种方法，针对空间光调制器栅格化的特性，对参考光进行预色散，可以减小参考光通过栅格化结构时由于色散产生的色模糊，并且由于栅格小孔的最大衍射角很小，即使使用这样的参考光，空间距离较近的衍射小孔产生的衍射波仍然能近似相干叠加，只是成像平面会发生倾斜。因此我们也相应地改进了计算全息图的生成算法，以校正参考光变化造成的成像平面倾斜。

本发明实施例所提出的利用三棱镜等元件对参考光进行预色散的光学系统，与相应算法配合，可以减小色模糊对成像结果的负面影响，同时避免了光能大量损耗。

本发明实施例使用的计算全息图分辨率为1024*1024，从图5的实验结果中可以看出，在经过校正后，测试图可以正确地成像在同一平面。

图6中(a)为使用LED参考光和传统方案的再现像；图6中(b)为使用LED参考光并使用本专利所提方案的再现像。对比可以看出，本发明实施例通过对参考光预色散，并对生成计算全息图的方法进行相应改进以校正参考光变化造成的成像平面倾斜，在一定程度上减小了LED参考光带来的色模糊，提升了成像质量。

图7为本发明实施例提供的一种基于LED全息显示的失焦现象优化系统结构图，如图7所示，包括：光路模块71、算法模块72和调制模块73；其中：

光路模块71用于获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光；算法模块72用于获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图；调制模块73用于将所述校正后的计算全息图和所述预色散参考光输入至空间光调制器，得到目标物体的再现像。

本发明实施例提供的系统用于执行上述对应的方法，其具体的实施方式与方法的实施方式一致，涉及的算法流程与对应的方法算法流程相同，此处不再赘述。

本发明实施例通过参考光预色散系统，减小了光源谱宽造成的“色模糊”现象，并通过改进生成计算全息图的算法，对光路变化造成的成像面倾斜进行了校正，减小了成像结果的失焦，使成像质量获得显著提升。

图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如下方法：获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光；获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图；将所述校正后的计算全息图和所述预色散参考光输入至空间光调制器，得到目标物体的再现像。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光；获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图；将所述校正后的计算全息图和所述预色散参考光输入至空间光调制器，得到目标物体的再现像。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于LED全息显示的失焦现象优化方法，其特征在于，包括：

获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光；

获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图，具体包括：

获取所述目标物体的灰度图像和深度图像；

计算空间光调制器前表面的波长二维分布函数，具体包括：

其中，λ(x，y)所述空间光调制器表面的波长分布表达式，λ₁，λ₂分别为光源谱宽边界值，x₁，x₂，y₁，y₂为所述空间光调制器在空间中的坐标边界，Δλ为所述空间光调制器表面任一点处的谱宽；

基于所述灰度图像、所述深度图像和所述波长二维分布函数得到所述校正后的计算全息图；

将所述校正后的计算全息图和所述预色散参考光输入至所述空间光调制器，得到目标物体的再现像。

2.根据权利要求1所述的基于LED全息显示的失焦现象优化方法，其特征在于，所述获取所述目标物体的灰度图像和深度图像，具体包括：

根据观察者和所述目标物体的相对位置获得所述灰度图像和所述深度图像，将所述灰度图像和所述深度图像分别记为A(x，y)和d(x，y)。

3.根据权利要求1所述的基于LED全息显示的失焦现象优化方法，其特征在于，所述基于所述灰度图像和所述深度图像得到所述校正后的计算全息图，具体包括：

所述校正后的计算全息图E(u，v)为：

其中：

式中Δx和Δy分别为所述目标物体截面最小采样单元的长度和宽度，pitch为所述空间光调制器的像素间距，A(x，y)和d(x，y)分别表示所述灰度图像和所述深度图像。

4.根据权利要求1所述的基于LED全息显示的失焦现象优化方法，其特征在于，所述获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光，具体包括：

获取所述LED参考光源，将所述LED参考光源依次投射入孔径光阑、柱面透镜、偏振片和可调狭缝，得到初始调制参考光；

将所述初始调制参考光投射入预设色散元件、柱面扩束透镜组和反射镜，得到所述预色散参考光。

5.根据权利要求4所述的基于LED全息显示的失焦现象优化方法，其特征在于，所述预设色散元件包括三棱镜，所述三棱镜对所述LED参考光源进行预处理。

6.一种基于LED全息显示的失焦现象优化系统，其特征在于，包括：

光路模块，用于获取LED参考光源，将所述LED参考光源输入参考光预色散系统，得到预色散参考光；

算法模块，用于获取目标物体的预设图像集合，进行二维波长分布修正的衍射，生成校正后的计算全息图，具体包括：

获取所述目标物体的灰度图像和深度图像；

计算空间光调制器前表面的波长二维分布函数，具体包括：

其中，λ(x，y)所述空间光调制器表面的波长分布表达式，λ₁，λ₂分别为光源谱宽边界值，x₁，x₂，y₁，y₂为所述空间光调制器在空间中的坐标边界，Δλ为所述空间光调制器表面任一点处的谱宽；

基于所述灰度图像、所述深度图像和所述波长二维分布函数得到所述校正后的计算全息图；

调制模块，用于将所述校正后的计算全息图和所述预色散参考光输入至所述空间光调制器，得到目标物体的再现像。

7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述基于LED全息显示的失焦现象优化方法的步骤。

8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述基于LED全息显示的失焦现象优化方法的步骤。

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