CN117198154A - 一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统和方法。卤素冷光源和光纤传光束连接，光纤传光束出光口、小孔光阑、准直透镜和空间光调制器显示屏沿入射光轴依次设置，空间光调制器显示屏、傅立叶透镜、黑纸滤波器、傅立叶透镜和接收屏沿反射光轴依次设置，接收屏用于成像，光纤传光束出光口和接收屏之间设置遮光板；方法包括制作填充图案，利用新增频谱点在黑纸滤波器上开孔，得到空间滤波器，利用填充图案对灰度图像进行分区填充，最终在接收屏实现动态假彩色显示。本发明借助于空间光调制器的高分辨率、快速响应的特性，可以在不变更光路的情况下，快速切换数字编码片，实现假彩色填充图案的连续、动态输出。

Description

一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统和方法

技术领域

本发明属于光学空间滤波技术领域的一种空间假彩色显示系统和方法，尤其是涉及了一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统和方法。

背景技术

θ调制假彩色编码是很经典的光学空间滤波实验之一，是阿贝成像原理的一个应用。用白光照射由不同取向的光栅填充而成的无色透明编码片，在其频谱面进行适当的空间滤波处理后，就可以输出彩色的图像。由于利用空间滤波技术将原本没有颜色的图像人为选色后彩色化，所呈现的颜色并不是物体本来的颜色，所以θ调制编码也称空间假彩色编码。假彩色编码技术是广泛应用的一种信息光学技术。

传统的θ调制假彩色编码技术所采用的编码片大多是传统的银盐干板编码片，其需经过搭建拍摄光路、显影、定影等程序摄制而成。单次摄制只能制作一张编码片，故编码片制备较为复杂、花费时间长，且在呈现效果上略显单一。另外，在传统的干板编码片制作过程中，不同区域所对应的不同方向的光栅需要分次拍摄完成，多次曝光易产生移位，进而影响最终不同色块图像的拼合效果。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统和方法。本发明方法制作编码片过程简单快捷，而能输出效果更加丰富多样的动态假彩色编码。

本发明所采用的技术方案如下：

一、一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统：

系统包括卤素冷光源、光纤传光束、光入射模块、空间光调制器、光反射模块、接收屏和遮光板；所述卤素冷光源的输出端和光纤传光束的入光口连接，光纤传光束的出光口、光入射模块和空间光调制器的显示屏沿入射光束的传播方向依次间隔设置，入射光束经空间光调制器反射后形成反射光束，空间光调制器、光反射模块和接收屏沿反射光束的传播方向依次间隔设置，接收屏接收反射光束并成像；光纤传光束的出光口和接收屏之间设置有遮光板。

所述的光入射模块包括同轴间隔设置的小孔光阑和准直透镜，所述空间光调制器主要由空间光调制器显示屏和空间光调制器驱动装置组成，空间光调制器显示屏和空间光调制器驱动装置之间电连接，空间光调制器驱动装置外接计算机，所述光反射模块包括同轴间隔设置的第一傅立叶透镜、黑纸滤波器、第二傅立叶透镜；

光纤传光束的出光口、小孔光阑、准直透镜和空间光调制器显示屏沿着入射光光轴方向依次间隔同轴设置，入射光以一定角度入射至空间光调制器显示屏，空间光调制器显示屏、第一傅立叶透镜、黑纸滤波器、第二傅立叶透镜和接收屏沿着反射光光轴方向依次间隔设置。

所述卤素冷光源产生的复合白光由光纤传光束导出，复合白光经过小孔光阑和准直透镜变成平行光束后照射于空间光调制器显示屏，空间光调制器显示屏将入射的平行光束反射至光反射模块，光反射模块中的第一傅立叶透镜、黑纸滤波器、第二傅立叶透镜对反射光束进行滤波，滤波后的光束入射到接收屏后于接收屏显示假彩色编码图案。

所述的遮光板位于入射光光轴和反射光光轴之间，遮光板用于将所述接收屏和光纤传光束的出光口间隔开。

所述的接收屏包括白屏、毛玻璃屏和相机屏幕中的一种。

所述的空间光调制器采用反射型空间光调制器，所述空间光调制器的调制模式采用振幅调制。

所述的黑纸滤波器固定安装在滤波器支架上，光纤传光束的出光口通过干板支架固定在光学支架上，小孔光阑、准直透镜、空间光调制器显示屏、空间光调制器驱动装置、第一傅立叶透镜、滤波器支架、第二傅立叶透镜和接收屏均安装在外部的光学支架上。

二、一种基于空间光调制器的空间动态假彩色编码方法，包括以下步骤：

步骤S1：利用计算机软件，制作n个匹配空间光调制器显示屏像素尺寸的填充图案F₁，F₂，...F_i...F_n，其中，下标i表示填充图案的序数；具体实施中，制作5种填充图案：填充图案1，2，3，4，5，在填充图案1，2，3中，“黑白”变化的周期为两个像素单位，在填充图案4和5中，“黑白”变化的周期为三个像素单位。

对于可填充图案1和2，考虑“黑栅效应”后叠加频谱面所对应的公式分别为：

其中，S_i(ξ,η)表示第i个填充图案考虑“黑栅效应”后叠加频谱面所对应的频谱，i表示填充图案的序数(i＝1，2)，A为归一化常数，m,n,n',m'＝0,±1,±2,…，Δx＝Δy为空间光调制器的像素边长，考虑“黑栅效应”后的有效边长为αΔx＝βΔy，α,β为相应的有效填充因子，sinc为辛格(sinc)函数，δ表示狄拉克δ函数，ξ和η分别表示x，y方向上的空间频率。

与未加载任何图像时的二维光栅衍射频谱点相比，新增的频谱点的位置分别为：

对于填充图案3，4，5，其所对应的新增的频谱点可根据卷积定理确定。

步骤S2：按照图1所述空间动态假彩色显示系统布置光路；将填充图案1，2，3，4，5通过计算机逐一加载到空间光调制器上。按照图4所示物面与频谱面的对应关系，在黑纸滤波器上合适的位置开窗口，以制作匹配此装置的滤波器。图5中的白色圆点代表小窗口，让不同波长的光通过不同填充图案所对应的新的频谱点，即：不同的颜色对应不同的新产生的频谱点，不同新产生的频谱点对应不同的填充图案。

所述步骤S2具体为：

步骤S2.1、利用外部的计算机在空间光调制器显示屏上依次加载各个填充图案F_i，打开卤素冷光源，黑纸滤波器上显示出各个填充图案F_i对应的频谱点，对比加载填充图案F_i时黑纸滤波器中显示的频谱点与未加载图案时显示的频谱点，将加载第i个填充图案F_i比未加载图案时多出的频谱点作为该填充图案F_i对应的新增频谱点P_i；

步骤S2.2、选取n种颜色，并将各个填充图案F₁与各种颜色进行一一对应，将第i个填充图案F_i所对应的颜色记为颜色CO_i；

步骤S2.3、在空间光调制器显示屏上依次加载所有的填充图案，在同一黑纸滤波器上，逐次在每个填充图案F_i对应的新增频谱点P_i中颜色为CO_i的位置处开设窗口，最后将开完窗口的黑纸滤波器作为最终的空间滤波器。

步骤S3：选择待进行动态假彩色编码的目标灰度动画，利用计算机软件，将目标灰度动画中的每一帧图片调整至与空间光调制器同像素，将目标灰度动画中的每一帧灰度图像根据灰度划分为若干个待填充区域，利用填充图案F_i在各个待填充区域中进行填充；具体实施中，利用与空间光调制器显示屏像素相匹配的可填充图案，选择所填充图案对应的目标图案颜色，根据“颜色—填充图案”的对应关系，在不同的区域利用填充图案1，2，3，4，5进行填充；对目标灰度动画的每一帧都进行填充，制作一组数字编码片。

所述步骤S3中利用填充图案在各个待填充区域中进行填充时，根据待填充区域的目标颜色进行填充：若灰度图像中某一个填充区域的目标颜色为CO_i，则在该填充区域中填充颜色CO_i对应的填充图案F_i；

所述待填充区域的目标颜色具体为接收屏显示的目标图像中待填充区域的实际颜色。

步骤S4：利用计算机，在空间光调制器显示屏上动态播放步骤S3所得数字编码片组，此时，可在接收屏上得到连续的假彩色编码图案；也可利用相机，可以进行动态图案的录制。

由于上述技术与方案运用，与现有技术相比本发明的有点如下：

1、传统的θ调制假彩色编码技术所采用的编码片一般是传统的银盐干板编码片，其需经过搭建拍摄光路、显影、定影等程序摄制而成，故编码片制备较为复杂、花费时间长，本发明采用空间光调制器作为编码片的载体，将编码片数字化，不需要暗室操作，使得编码片在制作效率、复制速度以及制作成本上都有很大的优势。

2、在传统的干板编码片制作过程中，不同区域所对应的不同方向的光栅需要分次拍摄完成，多次曝光易产生移位，进而影响最终不同色块图像的拼合效果；而本发明采用数字编码片，不需要分多次制作，一次即可制作完成。

3、传统的θ调制假彩色编码技术中，编码片固定单一，输出的一般为静态假彩色编码图案；而本发明采用空间光调制器作为编码片的载体，借助空间光调制器高分辨率、快速响应的特性，可以在不变更光路的情况下，快速更换编码片，实现不同编码片假彩色图案的连续、动态输出。

4、传统的θ调制假彩色编码技术中，编码片的尺寸很小；而本发明中的编码片为数字编码片，可同时在空间光调制器显示屏和计算机屏幕上显示，通过计算机，可以对编码片的细节有更好的展现。

因此，本发明拓展了θ调制技术的实际应用，为θ调制假彩色编码实现动态输出提供了一条途径。除此之外，本发明也可以作为近代物理实验教学项目，丰富实验教学内容。

借助空间光调制器的高分辨率、快速响应特性，本发明在传统实验基础上，采用空间光调制器作为编码片的呈现载体；根据空间光调制器“黑栅效应”影响下的物面与频谱面的对应关系，提出了匹配空间光调制器的数字编码方案以及空间滤波器，分析了空间光调制器“黑栅效应”影响下物面与频谱面的对应关系，采用合适的空间滤波，进而实现了彩色动态图像输出。较传统的实验形式，此方法不需要显影、定影、曝光、冲印等复杂操作，同时将编码片数字化，免去了暗室操作，使得在制作效率、复制速度以及制作成本上，数字编码片都有很大的优势。另外，借助于空间光调制器的高分辨率、快速响应的特性，可以在不变更光路的情况下，快速切换数字编码片，实现假彩色填充图案的连续、动态输出。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提出了一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统和方法。以空间光调制器为编码片的呈现载体，提出了匹配空间光调制器的编码方案，分析了空间光调制器“黑栅效应”影响下的物面与频谱面的对应关系，采用合适的空间滤波，进而实现彩色动态图像的输出。

2、本发明改进了传统的θ调制假彩色编码技术，将编码片的制作过程和呈现形式数字化，制备过程不再依赖于暗室；并且可以实现图像的动态输出，丰富了呈现的效果，增加了趣味性。本发明不仅对利用θ调制对图像进行彩色编码有实际应用价值，而且还可以丰富与空间滤波相关的物理光学实验教学内容。

附图说明

图1为基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统构件示意图；

图2为匹配空间光调制器像素尺寸的可填充图案，其中，(a)为填充图案1的示意图，(b)为填充图案2的示意图，(c)为填充图案3的示意图，(d)为填充图案4的示意图，(e)为填充图案5的示意图；

图3为填充图案1、2、3、4和5所对应的频谱图，其中，(a)为填充图案1所对应的频谱图，(b)为填充图案2所对应的频谱图，(c)为填充图案3所对应的频谱图，(d)为填充图案4所对应的频谱图，(e)为填充图案5所对应的频谱图；

图4为填充图案1、2、3、4和5所对应的新增频谱点的示意图；

图5为滤波器制作的步骤流程图；

图6为数字编码片动画的帧图，其中，(a)为具体实施例中的数字编码片动画的第1帧图像，(b)为具体实施例中的数字编码片动画的第3帧图像，(c)为具体实施例中的数字编码片动画的第5帧图像，(d)为具体实施例中的数字编码片动画的第11帧图像；

图7为对应于附图6的四帧数字编码片所对应的输出图像，其中，(a)为数字编码片动画第1帧图像所对应的输出图像，(b)为数字编码片动画第3帧图像所对应的输出图像，(c)为数字编码片动画第5帧图像所对应的输出图像，(d)为数字编码片动画第11帧图像所对应的输出图像；

图中：1、卤素冷光源；2、光纤传光束；3、干板支架；4、小孔光阑；5、准直透镜；6、空间光调制器显示屏；7、空间光调制器驱动装置；8、第一傅立叶透镜；9、滤波器支架；10、黑纸滤波器；11、第二傅立叶透镜；12、接收屏；13、遮光板。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明，以下实施案例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

如图1所示，系统包括卤素冷光源1、光纤传光束2、光入射模块、空间光调制器、光反射模块、接收屏12和遮光板13；卤素冷光源1的输出端和光纤传光束2的入光口连接，光纤传光束2的出光口、光入射模块和空间光调制器的显示屏(即空间光调制器显示屏6)沿入射光束的传播方向依次间隔设置，入射光束经空间光调制器反射后形成反射光束，用于反射光束的空间光调制器显示屏6、光反射模块和接收屏12沿反射光束的传播方向依次间隔设置，接收屏12接收反射光束并成像；光纤传光束2的出光口和接收屏12之间设置有遮光板13。

成像具体为形成动态的假彩色编码图案。

光入射模块包括同轴间隔设置的小孔光阑4和准直透镜5，空间光调制器主要由空间光调制器显示屏6和空间光调制器驱动装置7组成，空间光调制器显示屏6和空间光调制器驱动装置7之间电连接，空间光调制器驱动装置7外接计算机，光反射模块包括同轴间隔设置的第一傅立叶透镜8、黑纸滤波器10、第二傅立叶透镜11。

光纤传光束2的出光口、小孔光阑4、准直透镜5和空间光调制器显示屏6沿着入射光光轴方向依次间隔同轴设置，入射光以一定的小角度入射至空间光调制器显示屏6具体实施中，一定的入射角度约小于10°，空间光调制器显示屏6、第一傅立叶透镜8、黑纸滤波器10、第二傅立叶透镜11和接收屏12沿着反射光光轴方向依次间隔同轴设置。

卤素冷光源1产生的复合白光经光纤传光束2导出，复合白光经过小孔光阑4和准直透镜5变成平行光束后照射于空间光调制器显示屏6，空间光调制器显示屏6将入射的平行光束反射至光反射模块，光反射模块中的第一傅立叶透镜8、黑纸滤波器10、第二傅立叶透镜11对反射光束进行滤波，滤波后的光束入射到接收屏12上并于接收屏12显示假彩色编码图案。

卤素冷光源1与光纤传光束2用于产生复合白光光束；小孔光阑4用于产生近似的点光源；准直透镜5用于将小孔光阑4出射的发散光调节成平行光；傅立叶透镜8、黑纸滤波器10、傅立叶透镜11用于空间滤波；接收屏12用于呈接假彩色编码图像；空间光调制器显示屏6、傅立叶透镜8、黑纸滤波器10、傅立叶透镜11、接收屏12构成4f光路，用以实现空间滤波。

遮光板13位于入射光光轴和反射光光轴之间，遮光板13用于将接收屏12与光纤传光束2出光口间隔开，避免光纤传光束2出光口的光对接收图像的影响。

接收屏12包括白屏、毛玻璃屏和相机屏幕中的一种，使得假彩色编码图案可以直接在接收屏12上进行观测，例如白屏，毛玻璃屏，也可替换为相机，进行动态假彩色编码图案的录制。

空间光调制器采用反射型空间光调制器，空间光调制器的调制模式采用振幅调制。

空间光调制器驱动装置7连接电源，电源为空间光调制器供电。空间光调制器驱动装置7与计算机连接，空间光调制器显示屏6与计算机显示屏显示方式设置为多屏复制模式。

黑纸滤波器10固定安装在滤波器支架9上，对黑纸滤波器10进行合理的开窗口操作后，将黑纸滤波器10作为空间滤波器使用，光纤传光束2的出光口通过干板支架3固定在光学支架上，小孔光阑4、准直透镜5、空间光调制器显示屏6、空间光调制器驱动装置7、第一傅立叶透镜8、滤波器支架9、第二傅立叶透镜11和接收屏12等元件均安装在外部的光学支架上，光学支架放置在实验平台上。

所使用的编码片为数字编码片。

本发明方法包括以下步骤：

步骤S1：制得填充图案

首先，利用计算机软件制作n个图案不同的填充图案F₁，F₂，...F_i...F_n，如图2所示，其中，下标i表示填充图案的序数。

填充图案对应传统假彩色编码中的取向光栅，各个填充图案的像素均与空间光调制器显示屏6的像素一致；

步骤S2：制备空间滤波器

利用填充图案制得空间滤波器；

步骤S3：制备数字编码片

步骤S3.1、选择待进行动态假彩色编码的目标灰度动画，将目标灰度动画中的每一帧灰度图像根据灰度划分为若干个待填充区域；

步骤S3.2、利用填充图案F_i在各个待填充区域中进行填充，灰度图像中的所有填充区域均填充完毕后，得到数字编码片，重复上述步骤，对每一帧灰度图像均利用填充图案F_i进行填充，得到一组数字编码片组；

步骤S4：动态假彩色显示

在空间光调制器显示屏6上动态播放数字编码片组，接收屏12动态显示出填充有颜色的目标图像，目标图像具体为灰度图像填充颜色后的图像。

步骤S2具体为：

步骤S2.1、利用外部的计算机在空间光调制器显示屏6上依次加载各个填充图案F_i，打开卤素冷光源1，黑纸滤波器10上显示出各个填充图案F_i对应的频谱点，对比加载填充图案F_i时黑纸滤波器10中显示的频谱点，具体实施例中，填充图案的频谱点如图3(a)-图3(e)所示，与未加载图案时显示的频谱点，将加载第i个填充图案F_i比未加载图案时多出的频谱点作为该填充图案F_i对应的新增频谱点P_i，如图4所示，具体实施中，大圆圈表示新增频谱点P₁-对应填充图案F₁；三角形表示新增频谱点P₂-对应填充图案F₂；菱形表示新增频谱点P₃-对应填充图案F₃；小圆圈表示新增频谱点P₄-对应填充图案F₄；方块表示新增频谱点P₅-对应填充图案F₅；各个填充图案对应的新增频谱点P_i之间没有重叠；

步骤S2.2、选取n种颜色，并将各个填充图案F₁与各种颜色进行一一对应，将第i个填充图案F_i所对应的颜色记为颜色CO_i；

步骤S2.3、在空间光调制器显示屏6上分别加载各个填充图案F_i，在同一黑纸滤波器10上，逐次在每个填充图案F_i对应的新增频谱点P_i中颜色为CO_i的位置选择性地开设窗口，最后将开设完窗口的黑纸滤波器10作为最终的空间滤波器，如图5所示。

步骤S3.2中利用填充图案在各个待填充区域中进行填充时，根据待填充区域的目标颜色进行填充：若灰度图像中某一个填充区域的目标颜色为CO_i，则在该填充区域中填充颜色CO_i对应的填充图案F_i；

待填充区域的目标颜色具体为接收屏12显示的目标图像中待填充区域的实际颜色。

本发明系统的工作原理情况如下：

传统的θ调制假彩色编码的编码片由不同取向的一维光栅组成，在白光的照射下，频谱面由不同方向光栅衍射的叠加，并且不同波长的非零级光谱点会发生频移。也是基于此，通过控制频谱面上，不同方向光栅所对应的频谱点处可以通过的颜色，经过透镜对频谱进行逆傅立叶变换还原后，不同光栅所对应的区域被赋予相应的颜色。

相比传统的θ调制假彩色编码实验，本方案里编码片使用数字编码片；利用空间光调制器的“黑栅效应”以及空间光调制器显示屏6像素化影响下的物面与频谱面的对应关系，模拟一维光栅；但与传统干板编码片不同的，由于空间光调制器显示屏6像素尺寸的限制，在光学干板上可以实现的取向光栅，除了横向光栅和纵向光栅，其余取向光栅在空间光调制器显示屏6上难以严格实现。

因此，本发明针对空间光调制器显示屏6，提出了匹配空间光调制器像素尺寸，且不受“黑栅效应”影响的适用于之后空间滤波的可填充图案1，2，3，4和5，图案的像素与空间光调制器显示屏6的像素保持一致，如图2(a)-图2(e)所示。为了辨清细节，图2给出了24×24像素的区间。在可填充图案1，2，3中，“黑白”变化的周期为两个像素单位。在可填充图案4和5中，“黑白”变化的周期为三个像素单位。可填充图案1和2与传统实验中类似，分别为横向光栅和纵向光栅，光栅常数为2μx，μx＝μy为空间光调制器的像素边长。

分别加载可填充图案1、2、3、4和5后，与未加载任何图像时的二维光栅衍射频谱点相比，会在频谱面上不同的位置出现新增的频谱点。

设图像f(x，y)本身所对应的频谱为F(ξ，η)，“黑栅效应”所对应的频谱为T(ξ，η)，根据卷积定理，叠加后频谱面的频谱为：

s(ξ，η)＝F(ξ，η)*T(ξ，η)

因此，“黑栅效应”所带来的影响就是：叠加黑栅后的频谱为空间光调制器黑栅所对应的频谱与图像自身频谱的卷积。

对于可填充图案1和2，考虑“黑栅效应”后的叠加频谱面所对应的公式为：

其中，s_i(ξ，η)表示第i个可填充图案考虑“黑栅效应”后叠加频谱面所对应的频谱，i表示可填充图案的序数(i＝1，2)，A为归一化常数，m，n＝0，±1，±2，…，Δx＝Δy为空间光调制器的像素边长，考虑“黑栅效应”后的有效边长为αΔx＝βμy，α，β为相应的有效填充因子，sinc为辛格(sinc)函数，δ为δ函数，ξ和η分别表示x，y方向上的空间频率。

与未加载任何图像时的二维光栅衍射频谱点相比，新增的频谱点的位置分别为：

可填充图案3，4，5所对应新增的频谱点可根据卷积定理确定。

分别加载可填充图案1、2、3、4和5后，与未加载任何图像时的二维光栅衍射频谱点相比，会在频谱面上不同的位置出现新增的频谱点，如图4所示。不同填充图案所对应的新增的频谱点之间没有重叠。在图4中，大圆圈表示填充图案1所对应的新增频谱点，三角形表示填充图案2所对应的新增频谱点，菱形表示填充图案3所对应的新增频谱点，小圆圈表示填充图案4所对应的新增频谱点，方块表示填充图案5所对应的新增频谱点。

在白光照射下，除零级频谱点，每个频谱点自内向外都会发生色散，针对不同的可填充图案所对应的新增的频谱点，选择性让不同波长的光通过，在黑纸滤波器10上对应开孔，就可以制备与当前实验装置相匹配的空间滤波器，得到“颜色—可填充图案”的对应关系。例如：深蓝色—填充图案1，浅蓝色—填充图案2，黄色—填充图案3，绿色—填充图案4，红色—填充图案5，如图5所示。

在空间光调制器显示屏6上加载匹配其像素的数字编码片，在仪器装置和频谱面确定不动的情况下，通过计算机控制，快速切换空间光调制器显示屏6上的数字编码片，就可以实现动态假彩色编码图像的输出。

因此，基于空间光调制器，通过合理的选择编码片可填充图案，利用与未加载任何图像时相比，新增的频谱点，就可以很好地进行空间动态假彩色编码。

本发明的实施例及其实施过程如下：

实施例：利用本系统装置，将一包含60帧的灰度动画，对其进行假彩色编码，实现假彩色编码动画输出。

实施过程：包含滤波器准备、数字编码片制作以及光路实现三个流程。

(1)第一步：滤波器准备

(1.1)利用计算机软件，制作匹配空间光调制器显示屏6像素尺寸的5种可填充图案：填充图案1，2，3，4，5，如图2(a)-2(e)所示。在具体实施例中，空间光调制器显示屏的像素为1920×1080，制作的可填充图案1，2，3，4，5的像素也为1920×1080。在填充图案1，2，3中，条纹变化周期为两个像素单位；在填充图案4和5中，条纹变化周期为三个像素单位。

(1.2)按照图1的空间动态假彩色显示系统布置光路，将填充图案1，2，3，4，5通过计算机逐一加载到空间光调制器上。

(1.3)按照物面与频谱面的对应关系，如图4所示，逐次在同一黑纸滤波器10上合适的位置开窗口，制作匹配此装置的滤波器，如图5所示，图5中的白色圆点代表小窗口，让不同波长的光通过不同填充图案所对应的新的频谱点，即：不同的颜色对应不同的新产生的频谱点，不同新产生的频谱点对应不同的填充图案。在具体实施例中：深蓝色—填充图案1，浅蓝色—填充图案2，黄色—填充图案3，绿色—填充图案4，红色—填充图案5。

(2)第二步：数字编码片制作

利用计算机软件，对目标灰度动画中的每一帧图片进行调整像素和图案填充，填充时，根据期望颜色以及“颜色—填充图案”的对应关系，在不同的区域利用填充图案1，2，3，4，5进行填充。

在具体实施例中，目标动画为浙江大学校徽，周围辐射4个区域，校徽中的求是鹰顺时针旋转，4个辐射状区域逆时针旋转，每帧与前一帧相比，旋转6度，共60帧。图6(a)-图6(d)分别给出了第1帧、第3帧、第5帧、第11帧所对应的数字编码片，如第1帧(图6(a))的对应关系为：左上区域—填充图案5—红色，左下区域—填充图案1—深蓝色，右上区域—填充图案3—黄色，右下区域—填充图案4—绿色，求是鹰—填充图案2—淡蓝色。

(3)第三步：光路实现

利用计算机，在空间光调制器显示屏6上，动态播放数字编码片组，在接收屏12上可得连续假彩色编码图案，如图7(a)-图7(d)所示；利用相机，可以进行动态图案的录制。

综上所述，本发明提出的基于空间光调制器的空间动态假彩色编码显示系统和方法，通过合理选择数字编码片的可填充图案，利用加载时新增的频谱点，就可以很好地进行空间动态假彩色编码实验。本发明可以简单快捷地完成编码片的制备，且输出效果更加丰富。

本发明改进了传统的θ调制假彩色编码技术，将编码片的制作过程和呈现形式数字化，制作过程不再依赖于暗室操作，并且可以实现图像的动态输出，丰富了呈现的效果，增加了趣味性。在编码片制作效率、复制速度以及制作成本上都有很大的优势；借助空间光调制器高分辨率、快速响应等特性，可以不改变光路实现图像的动态输出，丰富了图像的呈现效果；拓展了θ调制技术的实际应用，为θ调制假彩色编码实现动态输出提供了一条途径。此外，本发明也可作为近代物理实验教学项目，丰富实验教学内容。

Claims (10)

1.一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统，其特征在于：

包括卤素冷光源(1)、光纤传光束(2)、光入射模块、空间光调制器、光反射模块、接收屏(12)和遮光板(13)；所述卤素冷光源(1)的输出端和光纤传光束(2)的入光口连接，光纤传光束(2)的出光口、光入射模块和空间光调制器的显示屏沿入射光束的传播方向依次间隔设置，入射光束经空间光调制器反射后形成反射光束，空间光调制器、光反射模块和接收屏(12)沿反射光束的传播方向依次间隔设置，接收屏(12)接收反射光束并成像；光纤传光束(2)的出光口和接收屏(12)之间设置有遮光板(13)。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统，其特征在于：所述的光入射模块包括同轴间隔设置的小孔光阑(4)和准直透镜(5)，所述空间光调制器主要由空间光调制器显示屏(6)和空间光调制器驱动装置(7)组成，空间光调制器显示屏(6)和空间光调制器驱动装置(7)之间电连接，空间光调制器驱动装置(7)外接计算机，所述光反射模块包括同轴间隔设置的第一傅立叶透镜(8)、黑纸滤波器(10)、第二傅立叶透镜(11)；

光纤传光束(2)的出光口、小孔光阑(4)、准直透镜(5)和空间光调制器显示屏(6)沿着入射光光轴方向依次间隔设置，入射光以一定角度入射至空间光调制器显示屏(6)，空间光调制器显示屏(6)、第一傅立叶透镜(8)、黑纸滤波器(10)、第二傅立叶透镜(11)和接收屏(12)沿着反射光光轴方向依次间隔设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统，其特征在于：所述卤素冷光源(1)产生的复合白光由光纤传光束(2)导出，复合白光经过小孔光阑(4)和准直透镜(5)变成平行光束后照射于空间光调制器显示屏(6)，空间光调制器显示屏(6)将入射的平行光束反射至光反射模块，光反射模块中的第一傅立叶透镜(8)、黑纸滤波器(10)、第二傅立叶透镜(11)对反射光束进行滤波，滤波后的光束入射到接收屏(12)后于接收屏(12)显示假彩色编码图案。

4.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统，其特征在于：所述的遮光板(13)位于入射光光轴和反射光光轴之间，遮光板(13)用于将所述接收屏(12)和光纤传光束(2)的出光口间隔开。

5.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统，其特征在于：所述的接收屏(12)包括白屏、毛玻璃屏和相机屏幕中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统，其特征在于：所述的空间光调制器采用反射型空间光调制器，所述空间光调制器的调制模式采用振幅调制。

7.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的空间动态假彩色显示系统，其特征在于：所述的黑纸滤波器(10)固定安装在滤波器支架(9)上，光纤传光束(2)的出光口通过干板支架(3)固定在光学支架上，小孔光阑(4)、准直透镜(5)、空间光调制器显示屏(6)、空间光调制器驱动装置(7)、第一傅立叶透镜(8)、滤波器支架(9)、第二傅立叶透镜(11)和接收屏(12)均安装在外部的光学支架上。

8.一种应用于权利要求1-7任一所述系统的空间动态假彩色编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：制得填充图案

首先，制作n个填充图案F₁，F₂，...F_i...F_n，其中，下标i表示填充图案的序数；

步骤S2：制备空间滤波器

利用填充图案制备空间滤波器；

步骤S3：制备数字编码片

步骤S3.1、选择待进行动态假彩色编码的目标灰度动画，将目标灰度动画中的每一帧灰度图像根据灰度划分为若干个待填充区域；

步骤S3.2、利用填充图案F_i在各个待填充区域中进行填充，灰度图像中的所有填充区域均填充完毕后，得到数字编码片，重复上述步骤，对每一帧灰度图像均利用填充图案F_i进行填充，得到一组数字编码片组；

步骤S4：动态假彩色显示

在空间光调制器显示屏(6)上动态播放数字编码片组，接收屏(12)动态显示出填充有颜色的目标图像。

9.根据权利要求1所述的一种空间动态假彩色编码方法，其特征在于：

所述的步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S2.1、利用外部的计算机在空间光调制器显示屏(6)上依次加载各个填充图案F_i，打开卤素冷光源(1)，黑纸滤波器(10)上显示出各个填充图案F_i对应的频谱点，对比加载填充图案F_i时黑纸滤波器(10)中显示的频谱点与未加载图案时显示的频谱点，将加载第i个填充图案F_i比未加载图案时多出的频谱点作为该填充图案F_i对应的新增频谱点P_i；

步骤S2.2、选取n种颜色，并将各个填充图案F₁与各种颜色进行一一对应，将第i个填充图案F_i所对应的颜色记为颜色CO_i；

步骤S2.3、在空间光调制器显示屏(6)上依次加载所有的填充图案，在同一黑纸滤波器(10)上，逐次在每个填充图案F_i对应的新增频谱点P_i中颜色为CO_i的位置处开设窗口，最后将开完窗口的黑纸滤波器(10)作为最终的空间滤波器。

10.根据权利要求1所述的一种空间动态假彩色编码方法，其特征在于：

所述步骤S3.2中利用填充图案在各个待填充区域中进行填充时，根据待填充区域的目标颜色进行填充：若灰度图像中某一个填充区域的目标颜色为CO_i，则在该填充区域中填充颜色CO_i对应的填充图案F_i；

所述待填充区域的目标颜色具体为接收屏(12)显示的目标图像中待填充区域的实际颜色。