计算机制半周视彩色彩虹全息图的制作方法和显示装置制造方法
【专利摘要】一种计算机制半周视彩色彩虹全息图的制作方法，其特征在于该方法包含以下步骤：步骤一，确定半环形观察视窗与全息图位置、大小及距离关系，步骤二，分析对应观察视窗下的频域位置及频带宽度,步骤三，在频域内分别进行三原色频谱计算，然后进行频谱合成，通过对合成频谱进行傅里叶逆变换得到全息面上的光场分布，引入参考光与物光进行干涉得到计算机制平板型半周视彩色彩虹全息图。本发明的有益效果是：避免了光学拍摄过程中的噪音影响；无需光学记录平台和复杂光路设计，可以在普通计算机上实现全息图的制作；可以实现虚拟物体以及大的自然场景、实际物体或场景的半周视彩色彩虹全息图；相比于传统的条形观察窗口具有明显的优势，使用更方便。
【专利说明】计算机制半周视彩色彩虹全息图的制作方法和显示装置
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种彩虹全息图的制作领域，尤其设及一种计算机制平板型半周视彩 色彩虹全息图的制作方法和显示装置。
【背景技术】
[0002] 现有平板型周视彩虹全息是利用光学全息的方法进行一步法或者二步法彩虹全 息，光学系统非常复杂，并且对拍摄环境有很高的要求，一般实现单色彩虹全息显示。国外 学者提出了一些全息记录系统，通过空间复用的方式记录碟片式彩虹全息，记录系统复杂， 并且由于光学系统的不稳定性，再现像的噪声也比较严重。随着计算机技术和全息直写系 统的发展，有可能利用计算全息的方法实现平板型周视彩虹全息，钱惠国等在2005年提出 了计算机制平板型周视全息，比较仔细的介绍了光场的传输特性，给出了一个简单S维模 型的再现结果，毋东元等采取了比较巧妙的参考光设置方法，将计算全息与光学全息相结 合来进行周视全息的制作，给出了初步的结果。然而两种方法所实现的全息图都为单色全 息，实际光学再现效果并不理想。
【发明内容】
[0003] 针对现有周视彩虹全息技术中单色彩虹全息显示、记录系统复杂、再现像的噪声 也比较严重、实际光学再现效果并不理想等缺点，本发明提供了一种计算机制平板型半周 视彩色彩虹全息的制作方法，无需光学记录平台，可W实现虚拟物体，大场景物体的全息制 作。只需要个人计算机及全息输出系统既可W进行制作。
[0004] 该制作方法的技术方案为：
[0005] 一种计算机制半周视彩色彩虹全息图的制作方法，其特征在于该方法包含W下步 骤：
[0006] 步骤一，确定半环型观察视窗和全息图大小W及位置关系，
[0007] 步骤二，分析出对应观察视窗下的频域位置及频带宽度，
[000引步骤=，分别计算=原色物光的频谱，然后在频域内进行频谱合成，该频谱即为物 光的频谱，通过对合成频谱进行傅里叶逆变换得到全息面上的光场分布，之后引入参考光 与物光进行干设得到计算机制平板型半周视彩色彩虹全息图。经过全息输出系统输出W及 化学处理，得到可W白光再现的全息图。
[0009] 进一步，所述步骤一的具体实现方法为：
[0010] 观察窗口为半环状分布，具有轴对称结构，W-个截面进行原理分析。物体宽度 为W。，观察平面到物体距离为h，环形狭缝中屯、距到轴的距离为r，半环形视窗的宽度为W,， 在观察窗口处，物体=原色光将准确重合，因此对于Z轴的张角0而言，=原色光来讲是 相同的，然而=原色光波波长不同，因此具有不同的空间频率。=原色光波波长分别为 g，^b，频率半径表不为：
[0011]
【权利要求】
1. 一种计算机制半周视彩色彩虹全息图的制作方法，其特征在于该方法包含以下步 骤： 步骤一，确定半环形观察视窗与全息图位置、大小及距离关系， 步骤二，分析对应观察视窗下的频域位置及频带宽度， 步骤三，在频域内分别进行三原色频谱计算，然后进行频谱合成，通过对合成频谱进行 傅里叶逆变换得到全息面上的光场分布，引入参考光与物光进行干涉得到计算机制平板型 半周视彩色彩虹全息图。
2. 根据权利要求1所述的计算机制半周视彩色彩虹全息图的制作方法，其特征在于： 所述步骤一的具体实现方法为： 观察窗口为半环状分布，具有轴对称结构，采用一个截面进行原理分析，物体宽度为w。，观察窗口平面距离物体距离为h，半环形窗口中心到中心轴的距离为r，半环形窗口的宽 度为ws，在观察窗口处观看时，物体三原色光将准确重合，因此z轴张角0对于三原色光来 讲是相同的，然而三原色光波波长不同，因此具有不同的空间频率；三原色光波波长分别为 入!?，Xg，Xb，频率半径表不为：
，其中，4为物体红色分量的频率半径，fg为物体绿色分量频率半径，fb为物体蓝色分 量的频率半径。
3. 根据权利要求1所述的计算机制半周视彩色彩虹全息图的制作方法，其特征在于： 所述步骤二的具体实现方法为 物体上顶点A与视窗下边缘D连线与z轴的夹角为A,物体下边缘B与视窗上边缘C的连线与z轴夹角4决定了视窗所限制的带宽，对于三原色光波而言，频带宽度分别为：
，其中，Af；为物体红色分量的频带宽度，Afg为物体绿色分量频带宽度，Afb为物体 蓝色分量的频带宽度； 根据空域与频域关系可知，当物体宽度为时，其频域内的采样间隔Af为：
，最终所计算的全息图为像面全息，全息图尺寸Wh与物体尺寸w。相同，全息图的采样间 隔为Ah，则全息面采样点数M为：
〇
4.根据权利要求1所述的计算机制半周视彩色彩虹全息图的制作方法，其特征在于： 所述步骤三的具体实现方法为 (1)根据物体尺寸和全息图采样以及观察视窗的关系，频谱的分辨率Mfx*Nfy以及频谱 的坐标范围，分别对三原色频谱进行分块计算； 红色分量每一块的分辨率为Mfjff*N_，则绿色和蓝色分量每一块的频谱的分辨率表示 为：
，其中Mfxg*Nfyg表示绿色分量每一块频谱的分辨率，Mfxb*Nfyg表示蓝色分量每一块频谱 的分辨率； 频域内的分块数分别为：
，其中红色分量的分块数是行列，绿分量的分块数是m8行n8列，蓝色分量的分块 数是mb行nb列； (2) 根据频率分块数以及频率坐标，分别对三原色图像频谱进行分块计算，计算结果保 存为三组临时文件； 红色频谱的计算步骤如下：将整个频域分割为HV行列，对于其中的一块频域（i，j)， 算出该块中心点的频率值（f?，fym)，判断该位置是否位于半环型观察窗口所决定的频域范
并且fym>O满足时，根据（f?，fym)求出投影视角角 度（9x，9y)，其中 9x=acsin(Arfxm) ; 0 y=acsin(Arfym)，根据投影视角（0 x, 0 y)，求 出三维物体的投影图像，取出其红色分量数据，并将其插值为分辨率Mfjff*N_，进行傅里叶 变换，将其数据按照块数的先后顺序进行保存，当该块频谱不在观察窗口所决定的频谱范 围内时，生成一个分辨率为Mf"*NfK的全零矩阵，将其数据按照块数的顺序进行保存； 绿色频谱的计算步骤如下：将整个频域分割为％行118列，对于其中的一块频域（i，j)， 算出该块中心点的频率值（f?，fym)，判断该位置是否位于半环型观察窗口所决定的频域范
并且fym>O满足时，根据（f?，fym)求出投影视角角度 (9!￡，97)，其中9!￡=&。8：[11〇 !^");97=&。8；[11〇!；;^ 111)，根据投影视角（9!￡，07)，求出三 维物体的投影图像，取出其绿色分量，并将其插值为分辨率Mfxg*Nfyg，进行傅里叶变换，将其 数据按照块数的先后顺序进行保存，当该块频谱不在观察窗口所决定的频谱范围内时，生 成一个分辨率为Mfxg*Nfyg的全零矩阵，将其数据按照块数的顺序进行保存； 蓝色频谱的计算步骤如下：将整个频域分割为mb行nb列，对于其中的一块频域（i，j)， 算出该块中心点的频率值（f?，fym)，判断该位置是否位于半环型观察窗口所决定的频域范
并且fym>O满足时，根据（f?，fym)求出投影视角角 度（9x，9y)，其中 9x=acsin(Abfxm) ; 0 y=acsin(Abfym)，根据投影视角（0 x, 0 y)，求出 三维物体的投影图像，取出其蓝色分量，并将其插值为分辨率Mfxb*Nfyb，进行傅里叶变换，将 其数据按照块数的先后顺序进行保存，当该块频谱不在观察窗口所决定的频谱范围内时， 生成一个分辨率为Mfxb*Nfyb的全零矩阵，将其数据按照块数的顺序进行保存； (3) 根据频谱坐标位置关系，将红绿蓝频谱数据融合成一个整体频谱数据，分块保存为 临时文件； (4) 计算全息平面上物光复振幅，全息平面上物光复振幅为第（3)步合成频谱的傅里 叶逆变换，采用横向一维傅里叶逆变换和纵向一维傅里叶逆变换组合的方式实现整个频谱 数据的二位傅里叶逆变换； 基本方法是，对于某一行数据，将所有列数相同的临时数据读入内存，拼接组合成一个 二维矩阵，对该矩阵进行行方向傅里叶逆变换，将变换结果分割后保存为临时数据；对所有 行进行处理即实现一维行方向傅里叶变换，由于频域内的数据只存在于半频频域，只需要 处理有有效数据区域的计算即可； 对于确定的列，读取上一步产生的所有行数相同的临时数据方，组合成一个二维矩阵， 然后进行列方向上的一维傅里叶逆变换，将变换结果分割后保存为临时文件，并保存每一 个小块数据振幅最大值Amij; 根据上一步算出的所有小块数据振幅最大值A1^中的最大值A (5) 全息图计算，对于（4)步保存的数据，每一块数据的物理坐标已知，全息图的计算 过程表述为： 读取（i，j)个数据，求其相位和振幅A(Xij，yij)，其中（Xij，yij)为该区域的坐 标，参考光为垂直入射的平行光，其相位表不为：
(6) 利用全息直写系统，将全息图进行输出，进行显影定影等处理，可以得到用于白光 再现的平板型半周视彩色彩虹全息图。
5.根据权利要求4所述的计算机制半周视彩色彩虹全息图的制作方法，其特征在于所 述根据投影视角（0 x，0y)求出三维点云数据的投影图像的具体方法为： 假设三维物体数据位三维点云模型，数据格式为（1，7,2，1'，8，13)，其中（1，7,2)为三维 数据的空间坐标，（r，g，b)为空间物体点的的颜色值； (1)利用旋转矩阵算出新视角下的坐标（xn，yn，zn)
⑵对zn进行大小排序，并按照排序顺序对Xn,yn,r,g,b进行排序； (3)设置图像采样间隔为AX，Ay，根据Xn，yn的最大最小值，选择适当的投影窗口矩阵mask，mask初始值全部为0,mask矩阵分辨率为（si,ti, 3)，满足的条件是：
(4)通过循环判断投影关系，投影点在投影窗口内的坐标为：
判断mask矩阵中（idx，idy)处的数值是否为0,若为零，则将该点对应颜色值赋值到mask对应位置，艮Pmask(idx，idy，I) =r;mask(idx，idy，2) =g;mask(idx，idy，3) =b; 否则说明该位置之前已经被填充，当前点为被遮挡点，通过对所有三维点云数据进行判断 最终得到该视角下的彩色投影图像。
6. -种用于如权利要求5所述方法制作的全息图的显示装置，其特征在于该装置分为 三层结构，底层中心安装一个白光卤素灯，第二层中心放置一个凸透镜，底层到第二层的距 离等于透镜的焦距，顶层中心开一个用来放置全息图的矩形孔。白光卤素灯、透镜和顶层矩 形孔同轴设置。
【文档编号】G03H1/26GK104503214SQ201410719455
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】杨鑫, 王辉, 李勇, 李志光 申请人:苏州大学, 浙江师范大学