一種無透鏡彩色全息投影方法與流程
2023-05-29 10:55:52
本發明涉及全息投影方法，尤其涉及一種無透鏡彩色全息投影方法。
背景技術：
全息投影技術是一種基於衍射光學原理的新型投影顯示技術。通常以具有高度相干性的雷射作為光源，當雷射照射衍射光學元件(全息圖)後，經過空間中的衍射傳播及幹涉形成特定的投影圖像。全息投影技術通常具有對比度高，功耗低的特點，成為了未來投影顯示的理想技術。而全息圖通常在計算機中經過程序化的數值計算生成，能夠對投影圖像的距離和尺寸的靈活調節。
傳統的投影顯示設備中通常包含著很多透鏡或透鏡組，從而實現對投影圖像的成像及縮放的作用。近年來，日本研究人員t.shimobaba和波蘭研究人員m.makowski共同提出了無透鏡全息投影方法。投影圖像可以直接通過全息圖在空間中的衍射傳播和幹涉原理來進行成像，因此成像過程不需要透鏡的參與。此外，通過調節全息圖計算過程中的距離及圖像採樣率等參數，就可以控制投影圖像的距離及圖像的大小，不需要利用透鏡來進行圖像的縮放控制，因此大大簡化了投影設備的空間和體積。使得可攜式微型投影顯示成為了可能。
然而在全息投影中，由於所採用的雷射光源是相干光，因此最終的投影圖像會伴隨著嚴重的散斑噪聲，大大影響了圖像的觀看質量。m.makowski提出了採用時間平均的方法來消除散斑噪聲，但是該方法需要計算許多張(幾十張以上)全息圖，增加了全息圖的計算量，並且在投影彩色圖像時，由於紅綠藍分量的全息圖是分別依次順序加載，因此投影彩色圖像需要計算三倍數量的全息圖，而現有空間光調製設備的幀速無法滿足動態彩色投影的需求。j.liu等人提出了利用復振幅調製技術來減小散斑噪聲，並且結合波長復用技術實現單張全息圖的彩色圖像投影，該方法可以得到高質量的投影圖像，但是需要在投影系統中額外增加4f濾波系統，使得系統中存在大量透鏡，增加了系統的複雜度。t.shimobaba提出了基於球面相位因子的全息圖計算方法，可以實現在無透鏡系統中的全息投影，並且通過控制投影圖像的相位分布使得散斑噪音得到了抑制，但是該方法由於同時存在零級和共軛衍射分量，限制了投影圖像的尺寸和可觀看性。
技術實現要素：
發明目的：本發明的目的是提出一種基於雙步菲涅耳衍射算法、波長復用相位編碼方法和空間濾波技術以解決傳統無透鏡全息投影方法中重建圖像含有散斑噪音以及彩色顯示幀頻速率較低等問題的無透鏡彩色全息投影方法。
技術方案：一種無透鏡彩色全息投影方法，包括以下步驟：
(a)布設投影系統：將空間光調製器、光闌和屏幕依次布設於同一條直線上，在空間光調製器的另一側布設紅色雷射器、綠色雷射器和藍色雷射器；空間光調製器所處的位置形成全息面，屏幕所處的位置形成投影成像面；所述空間光調製器和用於生成計算全息圖的計算機連接；
(b)確定光闌到空間光調製器的距離d：
d＝z·l·dx/(λr·z+l·dx)
其中，z為投影成像面到空間光調製器的距離；l為空間光調製器的最小邊長；dx為空間光調製的像素間距；λr為紅色雷射器發出的紅光的波長；計算得到距離d後，將光闌放置在距空間光調製器距離d處；
(c)將彩色圖像分解成紅綠藍三基色分量圖像，針對每個rgb分量圖像，採用雙步菲涅耳衍射算法計算圖像到全息面的衍射，得到三張復振幅全息圖；具體步驟如下：
(c1)採用如下公式對分解後的rgb分量圖像分別施加與之對應的會聚球面相位因子，得到三個復振幅圖像：
其中，or(x,y)，og(x,y)，ob(x,y)分別代表分解後的rgb分量圖像；o』r(x,y)，o』g(x,y)，o』b(x,y)分別代表施加了對應的會聚球面相位因子後的復振幅圖像；λr，λg，λb分別代表紅綠藍三色雷射的波長；(x,y)代表圖像面上的坐標；
(c2)利用如下公式分別計算光闌面上rgb分量的復振幅光場：
其中，mr(xm,ym)，mg(xm,ym)，mb(xm,ym)分別代表光闌面上rgb分量的復振幅；(xm,ym)代表光闌面上的坐標；
(c3)利用如下公式分別計算得到rgb分量的三張復振幅全息圖：
其中，hr(u,v)，hg(u,v)，hb(u,v)分別代表rgb分量的復振幅全息圖；(u,v)代表全息面上的坐標；
(d)採用波長復用相位編碼方法將三張復振幅全息圖合成為一張相位型全息圖；
(e)通過計算機將該相位全息圖傳輸到空間光調製器中，並且用紅綠藍三色雷射器分別以不同的角度照射空間光調製器，其中紅色雷射以θr和角度照射空間光調製器，綠色雷射以θg和角度照射空間光調製器，藍色雷射以θb和角度照射空間光調製器；利用空間光調製器上的相位型全息圖將紅綠藍三基色的圖像通過光闌後投影到屏幕上，三基色圖像在屏幕上通過混合疊加後得到彩色圖像。
步驟(d)中，具體包括以下步驟：
(d1)針對每個rgb分量的復振幅全息圖，利用下式分別施加與之對應的傾斜相位因子：
其中，θr，θg，θb表示與x軸的夾角；表示與y軸的夾角；
(d2)將三張施加傾斜相位因子之後的復振幅全息圖相加，合成為一張復振幅全息圖：h(u,v)＝h'r(u,v)+h'g(u,v)+h'b(u,v)；
(d3)利用相位編碼方法將復振幅全息圖h(u,v)編碼成為一張相位型全息圖p(u,v)。
所述相位編碼方法為閃耀光柵法、餘弦光柵法或者雙相位分解法。
本發明採用上述技術方案，具有以下有益效果：1、本發明採用雙步菲涅爾衍射算法來計算紅綠藍三基色全息圖，並且結合空間無透鏡濾波技術來重建彩色圖像的復振幅信息，克服了傳統無透鏡全息顯示中圖像質量和圖像尺寸的矛盾問題，同時實現高清晰度和大尺寸的無透鏡彩色全息投影；2、本發明採用波長復用技術來編碼相位型全息圖，使得生成的相位全息圖同時包含紅綠藍三基色圖像的信息，因此該相位全息圖可採用紅綠藍三基色光源同時照射來實現彩色圖像的投影重建，其彩色圖像的顯示幀頻速度是rgb傳統時序顯示方法的三倍，提高了動態彩色圖像的顯示幀頻速度，實現了動態彩色全息投影。
附圖說明
圖1為本發明的投影系統示意圖；
圖2為彩色投影圖像的相位型全息圖的計算流程示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例和附圖，對本發明的技術方案作進一步解釋，應理解本實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
如圖1所示，本發明的投影系統包括沿直線依次布設的空間光調製器1、光闌2和投影屏幕3，空間光調製器1所處的位置形成全息面，屏幕3所處的位置形成投影成像面，光闌2到空間光調製器1的距離為d；在空間光調製器1的另一側設有紅色雷射器4、綠色雷射器5和藍色雷射器6；空間光調製器1通過數據線連接用於生成計算全息圖的計算機7。
本發明將經過計算編碼後的相位型全息圖通過計算機7加載到空間光調製器1上，紅綠藍三色雷射器分別以不同的角度照射空間光調製器1，分別經過相位型全息圖的調製後，首先衍射傳播到光闌2上，在光闌平面，紅綠藍三色光波的波前重合成為一個亮點，調節光闌2的位置，使得光闌2的孔徑大小正好讓該重合的亮點通過，而將其它雜光信息阻擋掉，經過濾波之後，三色光波繼續衍射傳播至投影屏幕平面3，在投影屏幕上，紅綠藍三色光波分別重建得到三個位置和尺寸大小完全一致的圖像，這三個重建圖像的強度在屏幕上經過疊加之後混合得到最終的彩色圖像。
圖2所示為彩色投影圖像的相位型全息圖的計算流程示意圖；該計算由雙步菲涅耳衍射算法和波長復用編碼方法組成；首先利用菲涅耳衍射公式來計算投影成像面上的光場到光闌面2的菲涅耳衍射，此為第一步，其次再計算光闌面2到全息面的菲涅耳衍射，此為第二步。綜合起來稱之為雙步菲涅耳衍射。由於圖像面3上的光場施加了會聚球面相位因子，因此衍射波前的傳播面積呈逐漸會聚的趨勢，最終在光闌面上會會聚為一個亮點，通過光闌面2後又會逐漸發散，最終衍射傳播到達全息面1。本發明中，彩色圖像首先分解為紅綠藍三基色圖像，每個單色圖像分別使用雙步菲涅耳衍射算法計算得到復振幅全息圖，將三個復振幅全息圖採用波長復用編碼方法合成為一張相位型全息圖。
實施例：所用的彩色圖像的解析度為1024×1024，像素間距為65微米，因此圖像尺寸為66.56mm×66.56mm。空間光調製器1採用德國holoeye公司生產的相位型空間光調製器，型號為holoeyepluto，解析度為1920×1080，像素間距為8微米。空間光調製器1距離投影屏幕3的距離為1m，光闌距離空間光調製器的距離為d＝0.1m。採用的紅綠藍三色雷射器的波長分別為：紅光671nm，綠光532nm，藍光473nm，三個雷射器發出的光波為經過準直後的平面波。
首先在計算機編程軟體中將彩色圖像分解為rgb三基色分量圖像，並且分別給三張圖像施加會聚球面相位因子，rgb分量圖像施加的球面相位因子分別為：紅色圖像施加球面相位因子綠色圖像施加球面相位因子藍色圖像施加球面相位因子然後採用圖2所示的雙步菲涅耳衍射算法分別計算rgb分量的復振幅全息圖。針對計算得到的rgb分量的復振幅全息圖，分別施加對應的傾斜相位因子，rgb分量的復振幅全息圖施加的傾斜相位因子分別為：
紅色分量的復振幅全息圖施加傾斜相位因子：
綠色分量的復振幅全息圖施加傾斜相位因子：
藍色分量的復振幅全息圖施加傾斜相位因子：
將施加了傾斜相位因子之後的rgb分量的復振幅全息圖相加，合成為一張復振幅全息圖h(u,v)。
採用雙相位分解編碼技術將合成後的復振幅全息圖編碼成為相位型全息圖。編碼過程如下：首先提取復振幅全息圖的振幅信息和相位信息，振幅信息為amp(u,v)＝|h(u,v)|/|h(u,v)|max，相位信息為pha(u,v)＝arg[h(u,v)]，角標「max」表示取最大值。根據振幅信息和相位信息計算得到兩個相位值，分別為：p1(u,v)＝pha(u,v)+cos-1[amp(u,v)]，p2(u,v)＝pha(u,v)-cos-1[amp(u,v)]。接下來建立兩個棋盤格圖像m1和m2，其建立方法由以下公式來確定：
兩個棋盤格相同位置的像素值是互補的。棋盤格圖像建立完成後，將兩個相位值和兩個棋盤格分別相乘後再相加得到最終合成後的一張相位型全息圖，其合成過程為：p(u,v)＝p1(u,v)·m1(u,v)+p2(u,v)·m2(u,v)。該編碼方法稱作雙相位編碼方法。最終生成的全息圖p為相位型全息圖。這裡由復振幅全息圖h編碼為相位型全息圖p的方法還可以採用餘弦光柵法、閃耀光柵法等其他已有的著名編碼方法。
將生成的相位型全息圖p通過計算機7加載到空間光調製器1中，然後用紅綠藍三色雷射器以不同的角度同時照射空間光調製器1平面。其中紅色雷射的照射角度為θr＝1.57°，綠色雷射的照射角度為θg＝0°，藍色雷射器的照射角度為θb＝-1.57°，rgb三色光波經過相位全息圖調製後分別衍射傳播，其波前在光闌面2的相同位置分別形成一個會聚亮點，此時調整光闌的高度並且將光闌孔徑調節為3.3mm，使得會聚亮點恰好通過光闌而其他的信息被擋掉，經過光闌濾波後的亮點繼續向前衍射傳播，最終在投影屏幕3上的相同位置分別重建得到同樣尺寸為66.56mm×66.56mm的rgb分量圖像，這三個重建圖像的強度在屏幕上經過疊加之後混合得到最終的彩色圖像。