一种基于共轭延拓的实时全息投影系统的制作方法与工艺

本发明属于全息与投影显示技术领域，具体涉及一种能够实现目标物实时全息投影显示的全息投影系统。

背景技术：
随着激光技术和全息技术的快速发展，全息显示已经深入到社会生活的各个领域。全息投影系统利用激光照射全息图，获得目标的真实再现。相对于传统的单一像素到单一像素的投影系统，全息激光投影利用全息图上所有像素对再现面上的每一个点进行再现，其再现图像色彩鲜艳、对比度高，并且具有信息冗余、容错性能力强等诸多优点。全息投影技术能够广泛应用于舞台、影院、广告、博览会等公共场合，可替代任何现有的显示设备，具有非常强的感染力和独特效果，商业潜力巨大。同时，全息投影系统在未来的国防军事领域同样具有广阔的应用潜力。全息投影系统的核心问题在于目标物全息图的生成。目前，全息图的获取技术主要包含以下几种：一种是利用光学全息的方法，即采用物光波与参考光波在全息材料上形成干涉条纹获取全息图。该方法制备过程繁琐，对环境要求苛刻，且无法记录虚拟物体或者大场景图像。一种是采用计算全息理论，将目标物视为自发光物体，模拟物面到全息面的衍射和干涉过程获得数字全息图；或者采用优化算法，通过在全息面和再现面之间的多次傅里叶变换及其逆变换的迭代操作，获得全息面的位相分布作为全息图。由于全息图所包含的数据量极大，一张利用光学全息制作的手掌大小的全视差全息图含有近1000亿比特的数据，这对全息图的计算速度提出了重大的挑战。因此，目标物全息投影的实时性是困扰该技术应用的一个瓶颈问题。目前，国内针对实时全息投影系统尚处于理论与实验研究阶段，尚无工程应用。基于这种情况，本发明提供了一种基于共轭延拓的实时全息投影系统，利用光计算方法极大地提高了全息图的获取速度，实现了目标物的实时全息投影显示。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种能够对目标物实时再现的全息投影系统。关键技术在于对目标物通过光学系统或者计算机数字处理的方式进行共轭延拓，根据共轭延拓图像的傅立叶变换是实值函数的性质，通过傅立叶光学系统或者数字傅立叶变换获取目标物的数字全息图，加载到空间光调制器中，在激光光源的照射下实时衍射成目标物的全息投影图像。本发明的特征在于，一种基于共轭延拓的实时全息投影系统，至少含有：目标物，共轭成像系统，共轭延拓图像，傅里叶变换透镜，CCD摄像机，数字全息图，计算机，激光光源，准直系统，空间光调制器，投影屏幕。其中，由傅里叶变换透镜、CCD摄像机和计算机构成全息图获取系统，由激光光源、准直系统、空间光调制器和投影屏幕构成数字全息图的投影再现系统。采用本发明实现目标物的实时投影再现步骤为：由共轭成像系统对目标物进行水平或者垂直方向的共轭延拓，傅立叶变换透镜构成的傅立叶光学系统对其光学成像，CCD摄像机拍摄成像结果作为数字全息图。或由CCD摄像机拍摄目标物图像，计算机对其数字共轭延拓并进行快速傅立叶变换(FFT)，取变换结果的实部构成数字全息图。将数字全息图加载到空间光调制器中，激光光源经过准直系统准直后，被加载了数字全息图的空间光调制器调制，在投影屏幕上实时再现目标物。所述的共轭成像系统可以是由分光镜、梯形等腰棱镜、屋脊棱镜、潜望棱镜或者等腰直角棱镜、潜望棱镜构成的光学系统，也可以是由CCD摄像机与计算机构成的数字图像处理系统。其中，由分光镜、梯形等腰棱镜、屋脊棱镜和潜望棱镜组成的垂直转像移像系统实现对目标物的垂直方向共轭延拓，由等腰直角棱镜、潜望棱镜组成的水平转像移像系统实现对目标物的水平方向共轭延拓。所述的全息图获取系统采用对共轭延拓图像进行单次傅立叶变换，变换结果为实数矩阵，该实数矩阵即为目标物的全息图。共轭延拓图像的单次傅立叶变换通过傅里叶变换透镜组成的傅立叶光学系统实现，当采用计算全息时，由计算机进行快速傅立叶变换(FFT)实现。所述的数字全息图包含了目标物的所有幅值和相位信息，可以是相位型全息图，也可以是幅值型全息图。同时，所述的数字全息图具有可叠加性，通过不同目标物全息图的数字相加，可以实现多个目标物的同时投影再现。所述的空间光调制器可以是透射型的，也可以是反射型的，调制模式为幅值调制或相位调制。与现有技术相比，本发明提供的全息投影系统具有以下优点：1、由于共轭延拓图像的傅立叶变换为实值函数，将该实值函数作为全息图包含了目标物的所有信息，避免了仅将幅值或者仅将相位作为全息图的信息损失，全息图的再现质量更高。2、通过单次傅立叶变换计算全息图，避免了普通全息图计算方法中多次傅立叶变换的时间损耗，提高了全息图的计算效率。其中，采用傅里叶变换透镜的光计算方法更极大地提高了全息图的计算速度，实现了目标物的实时投影再现。附图说明本发明基于共轭延拓的实时全息投影系统的附图有3个。图1基于共轭延拓的实时全息投影系统第一个实施例的结构示意图。图2基于共轭延拓的实时全息投影系统第二个实施例的结构示意图。图3基于共轭延拓的实时全息投影系统第三个实施例的结构示意图。图1～图3中，(1)-目标物，(2)-共轭成像系统，(3)-共轭延拓图像，(4)-傅立叶变换透镜，(5)-CCD摄像机，(6)-数字全息图，(7)-计算机，(8)-激光光源，(9)-准直系统，(10)-空间光调制器，(11)-投影屏幕，(12)-分光镜，(13)-梯形等腰棱镜，(14)-屋脊棱镜，(15)-潜望棱镜，(16)-等腰直角棱镜，(17)-等腰直角棱镜，(18)-潜望棱镜，(19)-目标物的数字图像。具体实施方式下面结合附图和实例对本发明“一种基于共轭延拓的实时全息投影系统”做进一步描述。图1为本发明提供的全息投影系统的第一个实施例，包括目标物(1)，共轭成像系统(2)，共轭延拓图像(3)，傅里叶变换透镜(4)，CCD摄像机(5)，数字全息图(6)，计算机(7)，激光光源(8)，准直系统(9)，空间光调制器(10)，投影屏幕(11)，分光镜(12)，梯形等腰棱镜(13)，屋脊棱镜(14)，潜望棱镜(15)。在该实施例中，目标物是一幅二维平面图像，共轭延拓图像(3)由分光镜(12)、梯形等腰棱镜(13)、屋脊棱镜(14)和潜望棱镜(15)组成的共轭成像系统(2)对目标物(1)成像形成。将二维平面图像视为自发光物体，其发出的光线经过分光镜(12)后，一组光线透射直接成像；另一组光线被梯形等腰棱镜(13)、屋脊棱镜(14)和潜望棱镜(15)反射后，形成目标物的垂直共轭图像，两幅图像组合成共轭延拓图像(3)。在本例中，全息图获取系统为由傅里叶变换透镜(4)构成的傅立叶光学系统，数字全息图(6)由傅立叶光学系统对共轭延拓图像(3)进行傅立叶变换生成。将CCD摄像机(5)置于傅里叶变换透镜(4)的焦平面上，计算机(7)通过CCD摄像机(5)即可得到数字全息图(6)。设共轭延拓图像(3)为f(x，y)，由于其为共轭延拓的中心对称图像，则有f(x，y)＝f*(x，y)(1)f(x，y)＝f(-x，-y)(2)其中*为共轭运算。令其傅里叶变换为其中算符为傅里叶变换运算，u，v为空间频率。根据傅立叶变换的性质有故有F(u，v)＝F(-u，-v)＝F*(-u，-v)(6)令F(u，v)＝a(u，v)+ib(u，v)(7)其中i为虚数单位，a(u，v)为F(u，v)的实部，b(u，v)为F(u，v)的虚部。则a(u，v)+ib(u，v)＝a(-u，-v)+ib(-u，-v)＝a(-u，-v)-ib(-u，-v)(8)若上式成立，当且仅当ib(u，v)＝-ib(u，v)(9)所以b(u，v)＝0，即F(u，v)的虚部为0，故共轭延拓图像f(x，y)的傅立叶变换F(u，v)为中心对称的实值函数。根据这一性质，取共轭延拓图像(3)傅立叶变换的实值函数作为数字全息图(6)，能够将目标物的所有信息包含在全息图中。数字全息图(6)被加载到空间光调制器(10)中，空间光调制器可以是各种空间光调制器，如透射式或反射式，相位调制型或幅值调制型，这里选用透射式的相位型空间光调制器作为本发明一个方便说明的实例。通过准直系统(9)，激光光源(8)发出的激光被整形为平行光，并入射到空间光调制器(10)上。空间光调制器由于加载了数字全息图，对入射激光进行调制，并在置于再现像面的投影屏幕(11)上形成目标物的衍射图像，实现了目标物的全息投影再现。图2为本发明提供的基于共轭延拓的实时全息投影系统的第二个实施例，其具体结构与第一个实施例相似，其实施原理与本发明的第一实施例相同。但在该实施例中，共轭成像系统(2)由第一等腰直角棱镜(16)、第二等腰直角棱镜(17)、潜望棱镜(18)构成。目标物发出的光线一组透过该系统直接成像，另一组被第一等腰直角棱镜(16)、第二等腰直角棱镜(17)、潜望棱镜(18)依次反射后，在成像面形成目标物的水平共轭图像。该光学系统的直接成像结果与水平共轭图像组成共轭延拓图像(3)。在本发明的第一个和第二个实施例中，目标物的共轭延拓图像的生成，以及共轭延拓图像的傅立叶变换计算，全部由透镜构成的光学系统完成，实现了目标物全息图的光计算，极大地提高了全息图的计算速度，保证了本发明提供的全息投影系统的实时性。图3为本发明提供的基于共轭延拓的实时全息投影系统的第三个实施例，其实施原理与第一、二个实施例相同，但该系统采用了计算全息的方法。由CCD摄像机(5)拍摄目标物(1)获取其数字图像(19)，通过计算机(7)利用数字图像处理的方法获得目标物数字图像(19)的共轭延拓图像(3)，利用快速傅里叶变换(FFT)并取实部全息图的方法获得目标物(1)的计算全息图(6)，加载到空间光调制器(10)中。由于用数字图像处理的方式获得计算全息图，其运算速度低于本发明的第一、二个实施例，但该实施例对光学系统的要求较低，适用范围更加广泛。