CN114755905B - 一种高分辨率真彩色图像投影显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分辨率真彩色图像投影显示系统。其特征在于包括照明系统、全息图、滤波系统和控制系统，红绿蓝三色激光器发出的激光束经过扩束准直装置得到三束直径较大的平行光束，照射全息图；从红绿蓝三原色计算全息图后方出射的光包含零级光、共轭像和原始像三部分，用滤波系统将零级光和共轭像滤除，只让原始像的光通过，三色像的光波经过一定距离的传播，在预设的像面上重合即可得到彩色的图像。本系统投影的图像具有图像清晰、颜色鲜艳真实、图像色彩和亮度可灵活调节以及系统轻便等优点，将为行业增添全新的高品质真彩色图像投影显示方案，具有广阔的商业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分辨率真彩色图像投影显示系统。
背景技术
随着科学技术的不断进步以及人们生活水平的提高，人们对艺术欣赏、娱乐时尚、生活休闲等精神生活领域的需求也日益增加。近年来，彩色图像投影显示产品，已逐步进入工业应用以及人们的生活中，诸如：广告投影、迎宾Logo、景观氛围营造、VR和AR等领域。目前彩色图像投影显示方案，主要有三种：数字投影仪、激光扫描振镜方法、幻灯片投影。
1、数字投影仪：数字投影仪主要由光源、彩色滤光片、空间光调制器(诸如：LCD、DMD和LCOS)及投影镜头组成。光源经透镜聚焦准直再通过RGB三色滤光片后，照射到空间光调制器上，投影镜头将空间光调制器上的图案投影放大成像到指定位置。目前主流的空间光调制器的分辨率为：1024×768，使用高分辨率的DMD芯片或通过像素位移技术，可将投影的分辨率增加到3840×2160，通过像素位移技术模拟出的高分辨率是与同级别的原始分辨率有较大差距，且此类投影质量较好的投影仪价格高达上万元，主要用于专业影院。
2、激光扫描振镜方法：激光振镜扫描系统包括光源系统、振镜扫描系统、控制系统三个部分。光源系统主要由激光器、反射镜及棱镜组成，红绿蓝三个激光器出射的激光经过反射镜和棱镜混合成复色光束，并进入振镜扫描系统。光束入射到振镜扫描系统水平方向的反射镜上，经反射后再入射到垂直方向的反射镜后出射投射到工作平面，形成二维彩色扫描点阵列。控制系统的主要功能是控制振镜扫描系统的反射镜偏转，来实现激光束在预定扫描范围内的移动，从而实现在屏幕上描绘彩色图案的效果。
该方法使用光学元件多、系统复杂庞大、成本昂贵，另外该方法仅适合于显示简单线条状的图像，分辨率低，表现能力有限，无法显示细节丰富的高清图像，而且难以显示真彩色图像。
3、幻灯片投影灯：以LED或卤素灯为白光照明光源，首先用透镜组将照明光源发出的光进行会聚、准直、匀光后照射幻灯片，再经过投影放大镜头，即可将幻灯片上的图案放大成像到指定位置。目前的幻灯片主要有两种：彩色胶卷灯片和玻璃基底染料层灯片两种。彩色胶卷灯片：通过照相曝光，将所需彩色图案曝光在胶卷上。玻璃基底染料层灯片：在玻璃基底上涂布颜料层，用高功率激光器在其上进行烧蚀，从而使得玻璃灯片上不同区域透光与否，从而记录图案。用该方法制作彩色灯片时，首先将计算机中的彩色图像分解成红绿蓝三色，分别制作在对应颜色的灯片上，再将三张分色的灯片重叠得到彩色灯片，灯片的对位会存在一定的误差。
该方法原理简单，容易实现，但是存在以下问题：
(1)幻灯片是振幅型的光学元件，即通过灯片的不同区域对光的吸收率不同对图案进行调制，透光率较低。通常未记录图像的彩色胶卷灯片的透光率能达到80％，但透过率随着记录图像内容的增多而降低。单片玻璃基底染料层灯片的透光率能达到90％，显示真彩色图像时，需要三片玻璃基底染料层灯片重叠粘在一起，透光率只有70％左右。为了提高图案的亮度，必须增加照明光源的功率，这样在灯内就会产生大量的热量，灯片上的银层或者颜料层不适合在高温环境中长期使用，会出现发黄和脱落失效的问题。
(2)玻璃基底染料层灯片是在玻璃基底上涂布有色染料层，用高功率的激光器来回逐行扫描，将需要透明的地方处的染料层烧蚀，从而把图案制备上去。因为激光束的来回扫描无法达到相邻两道光束是完美无缝的拼接扫描，因此在相邻两道激光束扫描过的地方，存在残留染料，导致在所希望透明的地方，实际上是无法达到理想的透明度，而是有一道道周期性的痕迹。这个周期性的痕迹会将照明光谱色散。另外，彩色灯片需要三片单色灯片重叠粘在一起，每片灯片对位会产生误差。灯片制作时留下的周期性痕迹和对位误差经过投影放大透镜组进行成像，这使得到的图像颜色失真严重，分辨率低下。
(3)幻灯片投影灯的成像透镜较大，并且各光学透镜之间一般需要隔开一定的距离，另外为了提高散热效率会将散热器做得较大，其普遍存在体积大笨重等缺点。另外，灯片出射的光波需要经过多个透镜组合进行放大成像，会引入较多的像差，成像图案的分辨率和清晰度普遍较低。加之LED或者卤素灯光源本身是空间扩展光源，其颜色饱和度以及亮度低，在照度较好的室外环境下，图像很不明显。
综上所述，目前的彩色图像投影显示方法，存在彩色图像分辨率低的问题，我们提出了一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，具有清晰度高、图像色彩鲜艳真实、图像色彩和亮度可灵活调节以及系统轻便等优点。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高分辨率真彩色图像投影显示系统的技术方案。
所述的一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于包括照明系统、全息图、滤波系统和控制系统；
照明系统包括红绿蓝三色激光器和扩束准直装置，红绿蓝三色激光器发出的激光束经过扩束准直装置得到三束直径较大的平行光束，照射全息图；
全息图的制作过程包括彩色图像数据的生成、彩色计算全息图编码、彩色计算全息图输出，通过计算得出红绿蓝三原色计算全息图；
滤波系统包括滤波挡板，滤波挡板设置在全息图后，用来滤除投影时产生的零级光和共轭像；
控制系统由单片机、驱动电路和手机组成，用来控制红绿蓝三色激光器；手机无线连接单片机，当手机发送指令给单片机后，单片机通过驱动电路控制红绿蓝三色激光器的输出功率大小；
从红绿蓝三原色计算全息图后方出射的光包含零级光、共轭像和原始像三部分，用滤波系统将零级光和共轭像滤除，只让原始像的光通过，三色像的光波经过一定距离的传播，在预设的像面上重合即可得到彩色的图像。
所述的一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于所述扩束准直装置由会聚透镜、针孔滤波器和准直透镜组成，会聚透镜是平凸型的非球面透镜，准直透镜是平凸型的球面透镜；红绿蓝三色激光器出射激光，入射到扩束准直装置的激光束经过会聚透镜会聚于一点，针孔滤波器的针孔置于该会聚点处，滤除杂光后形成发散的球面波，经准直透镜形成扩束成红绿蓝三束平行激光束，红绿蓝三束平行激光束分别用于照射对应的红绿蓝全息图。
所述的一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于所述全息图的制作过程如下：
(1)彩色图像数据的生成
在计算机上将所要显示的彩色图像，进行红绿蓝分色处理，分别得到红绿蓝三原色像点的坐标和RGB值，假设图像总共N个彩色像点，任意一个彩色像点可表示为：Oi(xi,yi,zi,Ari,Agi,Abi)，其中(xi，yi，zi)表示任意一个彩色像点在坐标轴上的坐标值，Ari，Agi，Abi分别表示任意一个彩色像点红绿蓝颜色分量的灰度值；
(2)彩色计算全息图编码
将上述步骤得到的彩色像点Oi(xi,yi,zi,Ari,Agi,Abi)分解成三色像点：Oir(xi,yi,zi,Ari)、Oig(xi,yi,zi,Agi)、Oib(xi,yi,zi,Abi)，这三个像点距离全息记录平面的距离为Zo，这三个像点在全息记录平面上任意位置(xh,yh)处，红绿蓝三原色光波复振幅为：
其中，Uir是任意一个红色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅，Uig是任意一个绿色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅，Uib是任意一个蓝色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅，kr,kg,kb和R分别为：
其中，λr，λg，λb分别是照明系统中所用红绿蓝三色激光器的波长，kr，kg，kb是波数，R是像平面上任意一点(xi，yi)到全息记录平面上任意一点(xh,yh)的距离。
红绿蓝三原色像点在像平面(xi，yi)处，在全息记录平面(xh,yh)处，各自总的复振幅为：
其中，Ur，Ug，Ub分别是所有红绿蓝像点的光波在全息图记录平面上的复振幅总和；
以平行光为参考光，其在全息记录平面上任意位置(xh,yh)处复振幅分布为：
UR＝1 (5)
其中，UR是参考光在全息记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅；
全息记录平面任意位置(xh,yh)处，红绿蓝三原色全息图强度可表示为：
Ir＝|Ur+1|
Ig＝|Ug+1| (6)
Ib＝|Ub+1|
其中，Ir是红原色全息图的强度，Ig是红原色全息图的强度，Ib是红原色全息图的强度；
(3)彩色计算全息图输出
通过上述方法可得到红绿蓝三原色计算全息图Ir，Ig，Ib，采用全息图打印机、激光直写、电子束或金刚石车床，将计算全息图制备在石英、聚合物树脂或光学塑料材料上，用红绿蓝三色激光分别照射这三张全息图，它们各自再现一个单色图像，三个单色图像在预设像面重合即可显示出彩色图像。
所述的一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于所述滤波系统设置在全息图后，用于滤除投影时产生的零级光和共轭像，在计算全息图时，以红绿蓝三色激光的三个波长作为全息图的计算波长，并设定成像距离和离轴参数，分别计算得到三原色全息图，当激光照射到全息图上再现时，会再现出共轭像、零级光和所需投影图像的光场，这三束光之间存在夹角，会在全息图后一定距离分离开，其中，零级光是激光照射到全息图上的直透光，该光束的大小等于全息图尺寸的大小；共轭像和所需投影图像的光束分布在零级光两侧，与零级光的夹角相同；根据参数设置滤波系统，将零级光和共轭像滤除，只使所需的红绿蓝三色再现像的光束通过，在成像空间就会仅呈现所需要的彩色图像；
单张全息图的滤波系统设置方法为：再现时，零级光与投影图像光束间的夹角为θrgb，设置一个空间直角坐标系，将零级光与投影图像光束存在夹角的平面设置为空间直角坐标系的yoz面；在yoz面上，假设记录的全息图的尺寸为2Lh，全息图平面位于坐标z＝0处；投影图像的宽度为2Lo，投影图像与全息图之间在z轴方向上的距离为zo，即投影图像平面位于z＝zo处；在z轴方向距离全息图zfrgb处共轭像、零级光和投影图像的光束分离，分离处投影图像的光束宽度为2Lyfrgb，zfrgb由下式得到：
zfrgb表示全息图平面与滤波挡板平面的距离，在z轴方向距离全息图平面zfrgb的平面设置滤波挡板，在滤波挡板平面y方向上y＝-Lh到y＝-Lh-2Lyfrgb间，在x方向上x＝-Lxfrgb到x＝Lxfrgb间，开一个尺寸为2Lyfrgb×2Lxfrgb的矩形孔，即可使所需投影图像的光束通过；Lyfrgb由下式得到：
Lxfrgb由下式得到：
其中，Lyfrgb是滤波挡板上y方向所开矩形孔的宽度的Lxfrgb是滤波挡板上x方向所开矩形孔的宽度/>
本系统只需用一块滤波挡板滤除三张全息图的所有共轭像和零级光，所以先根据(8)式分别算出红绿蓝三张全息图与滤波挡板所需的最近光束分离距离zfr，zfg，zfb，根据这三个参数中的最大值设置全息图平面与滤波挡板平面间的距离，再在滤波挡板上分别开出矩形孔，矩形孔尺寸分别为2Lyfr×2Lxfr，2Lyfg×2Lxfg，2Lyfb×2Lxfb，Lyfr，Lyfg，Lyfb根据(9)式算出，Lxfr，Lxfg，Lxfb根据(10)式算出，Lyfr是对应红原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的Lxfr是对应红原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的/>Lyfg是对应绿原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的/>Lxfg是对应绿原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的/>Lyfb是对应蓝原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的/>Lxfb是对应蓝原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的/>在计算时应避免任意一张全息图的再现像与其他两张全息图再现的共轭像与零级光重合。
本发明红绿蓝三色激光器发出的激光束经过扩束准直装置得到三束直径较大的平行光束，照射对应的红绿蓝三原色计算全息图，从红绿蓝三原色计算全息图后方出射的光包含零级光、共轭像和原始像三部分，用滤波系统将零级光和共轭像滤除，只让原始像的光通过，三色像的光波经过一定距离的传播，在预设的像面上重合即可得到彩色的图像。
本系统投影的图像具有图像清晰、颜色鲜艳真实、图像色彩和亮度可灵活调节以及系统轻便等优点，将为行业增添全新的高品质真彩色图像投影显示方案，具有广阔的商业化应用前景。
附图说明
图1为高分辨率彩色图像投影显示系统；
图2为扩束准直装置示意图；
图3为图像的处理示意图；
图4为像点光波传播到全息记录平面示意图；
图5为参考光与物光波干涉示意图；
图6为计算全息图的局部放大图；
图7为一张全息图的滤波示意图；
图8为红绿蓝三张全息图的滤波示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明：
本发明提出了一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，本系统投影的图像具有图像清晰、颜色鲜艳真实、图像色彩和亮度可灵活调节以及系统轻便等优点，将为行业增添全新的高品质真彩色图像投影显示方案，具有广阔的商业化应用前景。本发明的系统如图1所示，主要由四部分组成：照明系统、全息图、滤波系统以及控制系统。
红绿蓝三色激光器，发出的激光束经过扩束准直装置得到三束直径较大的平行光束，照射对应的红绿蓝三原色计算全息图，从计算全息图后方出射的光包含零级光、共轭像和原始像三部分。用滤波系统将零级光和共轭像滤除，只让原始像的光通过，三色像的光波经过一定距离的传播，在预设的像面上重合即可得到彩色的图像。
1.照明系统
本系统采用红绿蓝三原色激光器作为照明光源，激光器出射的红绿蓝激光束分别通过三个扩束准直装置，扩束成直径较大的平行光束，用于照射计算全息图。扩束准直装置由会聚透镜、针孔滤波器和准直透镜组成，如图2所示。会聚透镜是平凸型的非球面透镜，直径为6mm，曲率半径R为3.6，二次常数K为-0.825，对应于光轴的中心厚度为2mm，焦距为7mm，构成会聚透镜材料的折射率为1.5168。准直透镜是平凸型的球面透镜，直径为10mm，曲率半径R为7.72，对应于光轴的中心厚度为4mm，焦距为15mm，构成会聚透镜材料的折射率为1.5168。该系统的工作方式：激光器出射激光，入射到扩束准直装置的激光束经过会聚透镜会聚于一点，针孔滤波器的针孔置于该会聚点处，滤除杂光后形成发散的球面波，经准直透镜形成扩束成平行的激光束。红绿蓝三束平行激光束分别用于照射对应的红绿蓝全息图。
该系统体现的优点主要有：一、激光器作为照明光源，具有亮度高、体积小、寿命长、颜色饱和度高等优点。二、扩束准直装置可以改变激光器出射的激光束的直径，可充分利用全息图的信息量(既激光束完全覆盖在全息图上)，从而提高再现像的分辨率。
2.全息图
彩色计算全息图制作步骤：
1)彩色图像数据的生成
在计算机上将所要显示的彩色图像，进行红绿蓝分色处理，分别得到红绿蓝三原色像点的坐标和RGB值，如图3所示。假设图像总共N个彩色像点，任意一个彩色像点可表示为：Oi(xi,yi,zi,Ari,Agi,Abi)，其中(xi，yi，zi)表示任意一个彩色像点在坐标轴上的坐标值，Ari，Agi，Abi分别表示任意一个彩色像点红绿蓝颜色分量的灰度值。
2)彩色计算全息图编码
将上述步骤得到的彩色像点Oi(xi,yi,zi,Ari,Agi,Abi)分解成三色像点：Oir(xi,yi,zi,Ari)、Oig(xi,yi,zi,Agi)、Oib(xi,yi,zi,Abi)，这三个像点距离全息记录平面的距离为Zo，这三个像点在全息记录平面上任意位置(xh,yh)处，红绿蓝三原色光波复振幅为：
其中，Uir是任意一个红色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅，Uig是任意一个绿色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅，Uib是任意一个蓝色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅。kr,kg,kb和R分别为：
其中，λr，λg，λb分别是照明系统中所用红绿蓝三色激光器的波长，kr，kg，kb是波数，R是像平面上任意一点(xi，yi)到全息记录平面上任意一点(xh,yh)的距离。
如图4所示，红绿蓝三原色像点在像平面(xi，yi)处，在全息记录平面(xh,yh)处，各自总的复振幅为：
其中，Ur，Ug，Ub分别是所有红绿蓝像点的光波在全息图记录平面上的复振幅总和。
如图5所示，以平行光为参考光，其在全息记录平面上任意位置(xh,yh)处复振幅分布为：
UR＝1 (5)
其中，UR是参考光在全息记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅。
全息记录平面任意位置(xh,yh)处，红绿蓝三原色全息图强度可表示为：
Ir＝|Ur+1|
Ig＝|Ug+1| (6)
Ib＝|Ub+1|
其中，Ir是红原色全息图的强度，Ig是红原色全息图的强度，Ib是红原色全息图的强度。计算全息图的局部放大图如图6所示。
3)彩色计算全息图输出
通过上述方法可得到红绿蓝三原色计算全息图Ir，Ig，Ib，采用诸如：全息图打印机、激光直写、电子束、金刚石车床等设备，将计算全息图制备在石英、聚合物树脂、光学塑料等材料上，用红绿蓝三色激光分别照射这三张全息图，它们各自再现一个图像，三个图像重合即可显示出所需要的彩色图像。
采用该方法制作的优点：全息图的空间带宽积大，图像高分辨率高，主要体现在图像清晰度高以及细节丰富。
分辨率能够用记录的信息量进行描述，信息量就是由空间带宽积来决定，空间带宽积对于图像而言，实际上可以理解成是水平和垂直方向取样点数目的乘积。对于投影仪，他能够显示的信息量受到空间光调制器的制约，高端投影仪空间光调制器的像素一般是1920*1080，每个像素的尺寸为10*10(um)，空间光调制器的尺寸约为：19*10(mm)，在10*10(mm)的范围内总点数最大约为：1000×1000＝1×106。对于幻灯片投影灯，灯片是图像信息的载体，通常灯片是菲林胶片，那么一般是600-1200dpi，取个极限值，1200dpi：每英寸有1200个点的意思(25.4mm尺寸里面有1200个点的意思)，那么每个点的尺寸约为：25.4/1200(mm)＝0.02mm，10*10(mm)的灯片上的点数为：500×500＝2.5×105。
而本系统以计算全息图为信息的载体，例如选取一般的加工设备，像素的尺寸达到1um是很容易的，那么，如果是制备10*10(mm)的计算全息图，它上面能够记录的点数是：10000×10000＝108，比前面所述方法高2个数量级。空间带宽积比现有方法高出2个数量级，即分辨率也相应提高。
3.滤波系统
滤波系统设置在全息图后，如图1中全息图固定架所示，功能是滤除投影时产生的零级光和共轭像。在计算全息图时，以红绿蓝三色激光的三个波长作为全息图的计算波长，并设定成像距离和离轴参数，分别计算得到三原色全息图。当激光照射到全息图上再现时，会再现出共轭像、零级光和所需投影图像的光场。这三束光之间存在夹角，会在全息图后一定距离分离开。其中，零级光是激光照射到全息图上的直透光，该光束的大小等于全息图尺寸的大小；共轭像和所需投影图像的光束分布在零级光两侧，与零级光的夹角相同。根据参数设置滤波系统，将零级光和共轭像滤除，只使所需的红绿蓝三色再现像的光束通过，在成像空间就会仅呈现所需要的彩色图像。
单张全息图的滤波系统设置方法为：再现时，零级光与投影图像光束间的夹角为θrgb，设置一个空间直角坐标系，将零级光与投影图像光束存在夹角的平面设置为空间直角坐标系的yoz面，如图7所示。在yoz面上，假设记录的全息图的尺寸为2Lh，全息图平面位于坐标z＝0处；投影图像的宽度为2Lo，投影图像与全息图之间在z轴方向上的距离为zo，即投影图像平面位于z＝zo处；在z轴方向距离全息图zfrgb处共轭像、零级光和投影图像的光束分离，分离处投影图像的光束宽度为2Lyfrgb，zfrgb由下式得到：
zfrgb表示全息图平面与滤波挡板平面的距离。在z轴方向距离全息图平面zfrgb的平面设置滤波挡板。在滤波挡板平面y方向上y＝-Lh到y＝-Lh-2Lyfrgb间，在x方向上x＝-Lxfrgb到x＝Lxfrgb间，开一个尺寸为2Lyfrgb×2Lxfrgb的矩形孔，即可使所需投影图像的光束通过。Lyfrgb由下式得到：
Lxfrgb由下式得到：
其中，Lyfrgb是滤波挡板上y方向所开矩形孔的宽度的Lxfrgb是滤波挡板上x方向所开矩形孔的宽度/>
本系统只需用一块滤波挡板滤除三张全息图的所有共轭像和零级光，所以先根据(8)式分别算出红绿蓝三张全息图与滤波挡板所需的最近光束分离距离zfr，zfg，zfb，根据这三个参数中的最大值设置全息图平面与滤波挡板平面间的距离，再在滤波挡板上分别开出矩形孔，矩形孔尺寸分别为2Lyfr×2Lxfr，2Lyfg×2Lxfg，2Lyfb×2Lxfb，如图8所示。Lyfr，Lyfg，Lyfb根据(9)式算出，Lxfr，Lxfg，Lxfb根据(10)式算出。Lyfr是对应红原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的Lxfr是对应红原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的/>Lyfg是对应绿原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的/>Lxfg是对应绿原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的/>Lyfb是对应蓝原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的/>Lxfb是对应蓝原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的/>需要注意的是，在计算时不要使任意一张全息图的再现像与其他两张全息图再现的共轭像与零级光重合,这很容易实现。
采用滤波系统的优点是：将投影时的零级光和共轭像滤除，消除大部分的噪声，投影出低噪声、无零级光、无共轭像的图像。
4.控制系统
控制系统由单片机、驱动电路和手机组成，用来控制激光器。手机无线连接单片机，当手机发送指令给单片机后，单片机通过驱动电路控制红绿蓝三个激光器的输出功率大小。根据色度学颜色混合理论，通过改变红绿蓝三色光的混合比例，可以得到各种不同的颜色。故控制红绿蓝三个激光器的输出功率，可以灵活的调控投影图像的颜色。采用控制电路主要有两个目的：一、实现再现像亮度的调节，在不同照明环境下投影出清晰可见的彩色图像。二、通过改变三个激光器的输出功率，能够控制输出图像颜色，并能够实现输出真彩色图像，达到利用LED投影难以实现的精确控制颜色的功能。
具体操作过程：
(1)根据所要显示的图像计算出红绿蓝三张全息图，并制备在材料上，成为可实际光学再现的红绿蓝三张全息图。将其固定在固定架上；
(2)在全息图后设置滤波系统，用来滤除零级光和共轭像；
(3)开启手机、单片机和照明系统。用手机打开相关程序，连接单片机，发送指令控制单片机，单片机控制红绿蓝激光器的功率比例和大小(也可以用其他控制方法，只要能改变激光器的输出功率即可)；
(4)照明系统出射的激光束垂直照射到全息图上对应的位置，在预设的像面投影显示出真彩色图像。
Claims (3)
1.一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于包括照明系统、全息图、滤波系统和控制系统，
照明系统包括红绿蓝三色激光器和扩束准直装置，红绿蓝三色激光器发出的激光束经过扩束准直装置得到三束直径较大的平行光束，照射全息图；
全息图的制作过程包括彩色图像数据的生成、彩色计算全息图编码、彩色计算全息图输出，通过计算得出红绿蓝三原色计算全息图；
滤波系统包括滤波挡板，滤波挡板设置在全息图后，用来滤除投影时产生的零级光和共轭像；
控制系统由单片机、驱动电路和手机组成，用来控制红绿蓝三色激光器；手机无线连接单片机，当手机发送指令给单片机后，单片机通过驱动电路控制红绿蓝三色激光器的输出功率大小；
从红绿蓝三原色计算全息图后方出射的光包含零级光、共轭像和原始像三部分，用滤波系统将零级光和共轭像滤除，只让原始像的光通过，三色像的光波经过一定距离的传播，在预设的像面上重合即可得到彩色的图像；
所述全息图的制作过程如下：
(1)彩色图像数据的生成
在计算机上将所要显示的彩色图像，进行红绿蓝分色处理，分别得到红绿蓝三原色像点的坐标和RGB值，假设图像总共N个彩色像点，任意一个彩色像点可表示为：Oi(xi,yi,zi,Ari,Agi,Abi)，其中(xi，yi，zi)表示任意一个彩色像点在坐标轴上的坐标值，Ari，Agi，Abi分别表示任意一个彩色像点红绿蓝颜色分量的灰度值；
(2)彩色计算全息图编码
将上述步骤得到的彩色像点Oi(xi,yi,zi,Ari,Agi,Abi)分解成三色像点：Oir(xi,yi,zi,Ari)、Oig(xi,yi,zi,Agi)、Oib(xi,yi,zi,Abi)，这三个像点距离全息记录平面的距离为Zo，这三个像点在全息记录平面上任意位置(xh,yh)处，红绿蓝三原色光波复振幅为：
其中，Uir是任意一个红色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅，Uig是任意一个绿色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅，Uib是任意一个蓝色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅，kr,kg,kb和R分别为：
其中，λr，λg，λb分别是照明系统中所用红绿蓝三色激光器的波长，kr，kg，kb是波数，R是像平面上任意一点(xi，yi)到全息记录平面上任意一点(xh,yh)的距离；
红绿蓝三原色像点在像平面(xi，yi)处，在全息记录平面(xh,yh)处，各自总的复振幅为：
其中，Ur，Ug，Ub分别是所有红绿蓝像点的光波在全息图记录平面上的复振幅总和；
以平行光为参考光，其在全息记录平面上任意位置(xh,yh)处复振幅分布为：
UR＝1 (5)
其中，UR是参考光在全息记录平面上任意位置(xh,yh)处的复振幅；
全息记录平面任意位置(xh,yh)处，红绿蓝三原色全息图强度可表示为：
其中，Ir是红原色全息图的强度，Ig是红原色全息图的强度，Ib是红原色全息图的强度；
(3)彩色计算全息图输出
通过上述方法可得到红绿蓝三原色计算全息图Ir，Ig，Ib，采用全息图打印机、激光直写、电子束或金刚石车床，将计算全息图制备在石英、聚合物树脂或光学塑料材料上，用红绿蓝三色激光分别照射这三张全息图，它们各自再现一个单色图像，三个单色图像在预设像面重合即可显示出彩色图像。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于所述扩束准直装置由会聚透镜、针孔滤波器和准直透镜组成，会聚透镜是平凸型的非球面透镜，准直透镜是平凸型的球面透镜；红绿蓝三色激光器出射激光，入射到扩束准直装置的激光束经过会聚透镜会聚于一点，针孔滤波器的针孔置于该会聚点处，滤除杂光后形成发散的球面波，经准直透镜形成扩束成红绿蓝三束平行激光束，红绿蓝三束平行激光束分别用于照射对应的红绿蓝全息图。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于所述滤波系统设置在全息图后，用于滤除投影时产生的零级光和共轭像，在计算全息图时，以红绿蓝三色激光的三个波长作为全息图的计算波长，并设定成像距离和离轴参数，分别计算得到三原色全息图，当激光照射到全息图上再现时，会再现出共轭像、零级光和所需投影图像的光场，这三束光之间存在夹角，会在全息图后一定距离分离开，其中，零级光是激光照射到全息图上的直透光，该光束的大小等于全息图尺寸的大小；共轭像和所需投影图像的光束分布在零级光两侧，与零级光的夹角相同；根据参数设置滤波系统，将零级光和共轭像滤除，只使所需的红绿蓝三色再现像的光束通过，在成像空间就会仅呈现所需要的彩色图像；
单张全息图的滤波系统设置方法为：再现时，零级光与投影图像光束间的夹角为θrgb，设置一个空间直角坐标系，将零级光与投影图像光束存在夹角的平面设置为空间直角坐标系的yoz面；在yoz面上，假设记录的全息图的尺寸为2Lh，全息图平面位于坐标z＝0处；投影图像的宽度为2Lo，投影图像与全息图之间在z轴方向上的距离为zo，即投影图像平面位于z＝zo处；在z轴方向距离全息图zfrgb处共轭像、零级光和投影图像的光束分离，分离处投影图像的光束宽度为2Lyfrgb，zfrgb由下式得到：
zfrgb表示全息图平面与滤波挡板平面的距离，在z轴方向距离全息图平面zfrgb的平面设置滤波挡板，在滤波挡板平面y方向上y＝-Lh到y＝-Lh-2Lyfrgb间，在x方向上x＝Lxfrgb到x＝Lxfrgb间，开一个尺寸为2Lyfrgb×2Lxfrgb的矩形孔，即可使所需投影图像的光束通过；Lyfrgb由下式得到：
Lxfrgb由下式得到：
其中，Lyfrgb是滤波挡板上y方向所开矩形孔的宽度的Lxfrgb是滤波挡板上x方向所开矩形孔的宽度/>
本系统只需用一块滤波挡板滤除三张全息图的所有共轭像和零级光，所以先根据(8)式分别算出红绿蓝三张全息图与滤波挡板所需的最近光束分离距离zfr，zfg，zfb，根据这三个参数中的最大值设置全息图平面与滤波挡板平面间的距离，再在滤波挡板上分别开出矩形孔，矩形孔尺寸分别为2Lyfr×2Lxfr，2Lyfg×2Lxfg，2Lyfb×2Lxfb，Lyfr，Lyfg，Lyfb根据(9)式算出，Lxfr，Lxfg，Lxfb根据(10)式算出，Lyfr是对应红原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的Lxfr是对应红原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的/>Lyfg是对应绿原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的/>Lxfg是对应绿原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的/>Lyfb是对应蓝原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的Lxfb是对应蓝原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的/>在计算时应避免任意一张全息图的再现像与其他两张全息图再现的共轭像与零级光重合。
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