一种减少再现浪费信息的计算全息图生成方法与流程

本发明涉及全息显示领域，具体地说，涉及一种减少再现浪费信息的计算全息图生成方法。

背景技术：

在立体显示技术中，全息显示被称为最理想的显示方式，根据全息图的生成方法，它可分为光学全息和计算全息。其中计算全息不仅可以克服光学全息对环境稳定性的要求，还可以再现出现实中不存在的像，近年来已成为显示技术中的研究热点之一。计算全息图可通过计算物光和参考光之间的干涉条纹而获得，在传统计算方法中，对于任意记录物点，其信息被记录在整幅全息图上，因此计算量非常庞大。当利用空间光调制器（SLM）进行计算全息图重建时，如附图1所示，由于SLM的像素大小限定，其衍射光受限于SLM最大衍射角θ_max。另外，由于再现像具有一定的尺寸D，所以观看者只能在特定衍射光范围V内看到完整的再现像，此范围被称为观看视区，其对应的再现像观看视角为α。当观看者位于观看视区之外的上方V₁和下方V₂范围处时，只能观看到部分再现像。因此，对于观看者来说，观看视区中的衍射光为再现有效信息，观看视区之外的衍射光为再现浪费信息。在计算全息图的生成过程中，如果保证再现有效信息不变的情况下，可以减少再现浪费信息的记录，则可减少全息图计算量，从而提升计算全息图的生成速度。因此，针对减少计算全息图再现浪费信息的研究非常有意义。

技术实现要素：

本发明提出一种减少再现浪费信息的计算全息图生成方法，该计算全息图由所有必要干涉图叠加而成。每一幅必要干涉图上记录着一个物点的信息，在计算过程中，根据再现像的观看视区特性，必要干涉图的记录分辨率被减小。当全息图通过SLM进行再现时，所有必要干涉图的衍射光边界分别平行于观看视区边界，从而实现观看视区中的再现有效信息不变，观看视区之外的再现浪费信息减小。本方法在保证观看视区中再现像质量不变的情况下，可减小观看视区之外的再现浪费信息，同时减少全息图的计算量。

如附图2所示，本发明计算全息图的生成方法包括以下步骤，：

步骤1：提取被记录物体的横向尺寸D_x、竖向尺寸D_y，横向物点数m、竖向物点数n和每物点的振幅及相位信息。其中物体的尺寸受限于SLM的最大衍射角θ_max，若SLM的像素大小为p，横向尺寸为H_x，竖向尺寸为H_y，再现光的波长为λ，则最大衍射角θ_max满足式（1）：

（1）

调整物体与SLM的记录距离L，使记录物体的尺寸D_x、D_y满足式（2）：

（2）

步骤2：根据SLM的参数，确定必要干涉图的位置及横向分辨率re(H_1x)、竖向分辨率re(H_1y)。任意物点m（x_i, y_j, L）的必要干涉图的横向及竖向尺寸分别记为H_1x、H_1y，起始点位置为（x₁, y₁) ，终点位置为（x₂, y₂）。优选地，为了保证在任何观看距离处，观看视区中的再现有效信息不变，观看视区之外的再现浪费信息减少，则必要干涉图的衍射光边界必须分别平行于传统方法中观看视区V的边界，其衍射光范围为V₃，如附图3所示，而按照传统方法记录物点m的全息图衍射光范围为V₄，两者比较而言，范围V₄大于范围V₃，必要干涉图的再现浪费信息被减少。根据几何关系，必要干涉图的起始点坐标及分辨率满足下面公式：

（3）

（4）

（5）

（6）

其中int()代表取整操作，必要干涉图的尺寸和分辨率与被记录物点的坐标无关，仅由SLM和被记录物体的尺寸决定。

步骤3：基于标量衍射原理，计算每一点物光和参考光的干涉光强，并结合步骤2中得到的必要干涉图的位置和分辨率，生成必要干涉图EIP_ij（x, y）。

步骤4：将所有的必要干涉图相加并归一化，生成最终计算全息图CGH_f：

（7）

其中mat2gray()为归一化操作，∑为求和操作。

附图说明

本发明的前述和附加的方面及优点从下述结合附图与实施例的详细描述中将得以进一步明确和容易理解，其中：

附图1为传统计算全息图利用SLM进行再现的示意图。

附图2为本发明计算全息图生成方法步骤示意图。

附图3为本发明方法必要干涉图利用SLM再现的示意图。

上述附图中的图示标号为：

1被记录物体，2再现像，3SLM，4物点m的必要干涉图。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明利用本发明一种减少再现浪费信息的计算全息图生成方法的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。

本发明合成图生成方法包括以下步骤：

步骤1：读取被记录物体的信息，物体的横向及竖向尺寸分别为4mm、8mm，横向及竖向物点数分别为50、100。所采用SLM的像素大小为8μm，横向及竖向尺寸分别为15.36mm、8.64mm，横向及竖向分辨率分别为1920、1080，再现光的波长为532nm，其最大衍射角。设置物体与SLM的记录距离为300mm，记录物体的尺寸满足，。

步骤2：根据SLM的参数，确定必要干涉图的位置及横向分辨率re(H_1x)、竖向分辨率re(H_1y)，物点m（0, 0, 300mm）的必要干涉图的横向及竖向尺寸分别记为H_1x、H_1y，起始点位置为（x₁, y₁) ，终点位置为（x₂, y₂）。优选地，为了保证在任何观看距离处，观看视区中的再现有效信息不变，观看视区之外的再现浪费信息减少，则必要干涉图的衍射光边界必须分别平行于传统方法中观看视区V的边界，根据几何关系，必要干涉图的起始点坐标及分辨率满足：，，，，，，，，其中int()代表取整操作。

步骤3：基于标量衍射原理，计算每一点物光和参考光的干涉光强，并结合步骤2中得到的必要干涉图的位置和分辨率，生成必要干涉图EIP_ij（x, y）。

步骤4：将所有的必要干涉图相加并归一化，生成最终计算全息图CGH_f：，其中mat2gray( )为归一化操作，∑为求和操作。

SLM的分辨率为1920×1080，传统计算方法中，每一个物点的全息图的分辨率为1920×1080，而本发明方法必要干涉图的分辨率为1420×80，其计算量得到减小。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。