一种大尺寸计算全息再现方法
一种大尺寸计算全息再现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种大尺寸计算全息显 示技术。
【背景技术】
[0002] 全息显示是一种真三维显示技术，观看者可在不佩戴助视眼镜的情况下观看到立 体图像。随着计算机技术的迅速发展，人们广泛地使用计算机模拟和处理各种光学过程，并 衍生出计算全息显示技术。随着计算机性能的提升和光电器件的发展，基于空间光调制器 (SLM)的计算全息显示的优点愈加突出，为全息带来了很大的发展空间，其主要是将全息图 加载到SLM上，以代替传统光学全息中的化学记录干板，从而避免传统光学全息对光路和 实验环境的苛刻要求。同时，由于SLM可以实时的擦除和写入，因此可以实现实时再现。然 而，受现有空间光调制器自身结构的限制，计算全息再现像的尺寸很小，无法满足人们的实 际需求。
[0003] 为了得到系统简单的大尺寸计算全息再现，国内外研究人员进行了一系列研究。 日本的Kenji Yamamoto及其合作团队提出将需再现的场景进行分割后将它们分别制成全 息图，然后加载到相应的SLM上，使用多个SLM阵列式拼接方法实现计算全息大尺寸显示。 但是在该系统中为了实现再现像的无缝拼接，引入了透镜阵列和特制大透镜，增加了系统 的复杂度及操作难度。日本千叶大学的Tomoyoshi Shimobaba等提出通过改变原图的抽样 间距实现计算全息再现象尺寸的扩大。虽然该方法系统简单、易于实现，但该方法实质上并 没有扩大整个再现像的大小，只是将原图的边缘信息丢掉将需要的信息进行局部的扩大， 其局部扩大后的再现像尺寸和原图的再现像尺寸相同。
【发明内容】
[0004] 本发明提出一种大尺寸计算全息再现方法，该方法将空分复用法和在相位全息图 中加载离散相位光栅相结合实现了大尺寸计算全息显示。
[0005] 空分复用法是将一幅长宽分别为Z和的图片在MATLAB中处理，得到尺寸分别为 的四幅子图片如附图1所示，再通过双线性插值法将它们的像素分别插值使其与SLM 像素相匹配；利用傅里叶迭代法将这四幅图分别进行处理，得到四幅全息图；然后将四幅 全息图合成一幅新的全息图，加载到SLM上，这样就相当于将SLM的有效区域分为四部分， 每个区域分别加载相应的全息图，经过光学再现，这四个区域将得到各自的再现像。
[0006] 计算全息再现像的大小A与成像透镜的焦距/、光源的波长^以及SLM像素大小 满足： h = f Λ / ρ (1) 可以看到对于同一个光路，即八^、/7相同的光路对于任何图片的再现像的尺寸均相 同，因此，可知四幅子图片和原图的再现像的大小均相同。
[0007] 为了让四部分的再现像拼接在一起，在生成相位全息图的过程中加入适当的离散 相位光栅，全息图生成步骤如附图2所示。在光学再现过程中，再现光路如附图3所示，通过 计算机控制加载到相应场景的全息图中的离散相位光栅的变化，调节四个再现像的位置， 实现再现像的无缝拼接，从而得到计算全息大尺寸再现。
[0008] 优选地，离散相位光栅的结构如附图4所示，它具有相位调制的功能，一般以2 V 为周期对光波进行相位调制，从而改变光的衍射方向，使得再现像的位置发生偏移。在全息 图中加载离散相位光栅法就是在相位型全息图中加入离散相位光栅的相位调制因子，通过 改变其相位调制因子，改变光的出射方向，使计算全息再现像的位置可以在再现区域内自 由移动。
[0009] 具体地，离散相位光栅的相位可以表示为： Φ= mod (bm+cn, T ) X {2 π/ T ) (2) 式中mod表不取模运算，7?不光栅的周期，》，/?分别是光栅的横纵范围，6，c分别表 不加载到》和方向上的光栅。取不同的场卩d直可以得到不同方向的光栅，取不同的/1 值可以得到不同光偏转角度的光栅。可以看到，光通过光栅后相当于对光线进行了线性相 位补偿。在计算机编码时将光栅的相位分布加载到物体的相位型全息图中，通过程序控制， 即改变6、c、7的大小，使再现像偏移到特定的位置。令迭代傅里叶算法产生物体的相位为 0，则最终加载到SLM上的相位应为： Φne= χαο?( Φ + Φ^ 2 π) (3)
【附图说明】
[0010] 附图1为被记录的图片和分割后的四个子图片。
[0011] 附图2为本发明全息图的制作流程图。
[0012] 附图3为本发明的结构示意图。
[0013] 附图4为离散相位光栅的结构示意图。
[0014] 附图5为原图的再现像。
[0015] 附图6为本发明得到的再现像。
[0016] 上述附图中的图示标号为： 1激光器、2滤波器、3准直透镜、4空间光调制器、5傅里叶透镜、6接收屏、7计算 机。
[0017] 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】
[0018] 下面详细说明本发明提出的一种大尺寸计算全息再现方法的具体实施方案，对本 发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明， 不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述
【发明内容】
对本发明做 出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
[0019] 在本实施案例中，采用波长为532nm的绿色激光器，滤波器位于激光器之后100_ 处的再现光出射光轴上，准直透镜位于滤波器300mm处，SLM位于准直透镜之后500mm处， 成像透镜与SLM之间的距离为150_处；在本发明中采用傅里叶成像透镜为成像透镜，接 收屏位于傅里叶成像透镜之后500mm处。其中SLM采用反射式的位相型SLM，其分辨率为 1920 X1080,像素大小为8 μ m有效区域大小为8. 64遞?X15. 36遞?;傅里叶成像透镜的焦距 为500mm。所用图像源为512X512个像素的灰度图。
[0020] 本实例中将图片经过样离散后用双线性插值法将其插值为1920X1080大小；之 后进行傅里叶迭代得到其相位，本实施案例中为了减小再现像的散斑噪声，将迭代次数定 位50次；然后在得到的相位上加上离散相位光栅的相位；再将其编码成计算全息图；然后 将四幅子图片的全息图合成一幅新的全息图。
[0021] 本实例中，将SLM的有效区域分为四部分，每部分的大小则为4. 32??X7. 68??，然 后将四幅子图片的全息图分别加载到SLM相应的区域上。由激光器发出的绿色光源通过滤 波器和准直透镜变为准直光，然后以3°的入射角照射到加载了全息图的反射式SLM上，经 傅里叶透镜后成像于其焦平面上。
[0022] 为了让四个再现像实现无缝拼接，对于加载到原图左上角的图所加离散相位光栅 的系数为6=1，C = 1，7=6 ;对于右上角的图所加离散相位光栅的系数为6 = -1，C = 1， Γ = 6 ;对于左下角的图所加离散相位光栅的系数为办=-1，c = -1，Γ = 6 ;对于右下角的 图所加离散相位光栅的系数为6 = 1，C = -1，r = 6。最后使四个再现像规律地相邻，得到 无缝拼接的大尺寸计算全息再现像。附图5和附图6分别是原图的再现像和本发明得到的 再现像，可以看出本发明的结果比原图再现像的结果扩大了四倍。
【主权项】
1. 一种大尺寸计算全息再现方法，其特征在于，该方法将空分复用法和在相位全息图 中加载离散相位光栅相结合，实现了大尺寸计算全息显示。
2. 根据权利要求1所述的大尺寸计算全息再现方法，其特征在于，利用空 分复用法将一幅长宽分别为为^和7的图片在MATLAB中处理，得到尺寸分别为 的四幅子图片，再通过双线性插值法将它们的像素分别插值使其与SLM像素相匹配； 利用傅里叶迭代法将这四幅图分别进行处理，得到四幅全息图；然后将四幅全息图合成一 幅新的全息图，加载到空间光调制器（SLM)上，这样就相当于将SLM的有效区域分为四部 分，每个区域分别加载相应的全息图，经过光学再现，这四个区域将得到各自的再现像，且 其大小均与原图再现像的大小相同，然后经四个子图片的全息再现像拼接，就得到了大尺 寸的再现像。
3. 根据权利要求1所述的大尺寸计算全息再现方法，其特征在于，离散相位光栅具有 相位调制的功能，可以改变光的衍射方向，所以在相位型全息图中加载离散相位光栅，改变 光的出射方向，通过改变加载到相位型全息图中的离散相位光栅，使计算全息再现像的位 置可以在再现区域内自由移动；离散相位光栅一般以2V为周期对光波进行相位调制，其 相位可以表示为t=mod(/w?允7?，71)X(2v/r)，式中mod表示取模运算，壞示光栅 的周期，《，/?是光栅的横纵范围，表c分别表示加载到《和方向上的光栅；取不同的场口 ^值可以得到不同方向的光栅，取不同的f值可以得到不同光偏转角度的光栅，可以看到光 通过光栅后相当于对光线进行了线性相位补偿；在计算机编码时将光栅的相位分布加载到 物体的相位型全息图中，通过程序控制使再现像偏移到特定的位置；令迭代傅里叶算法产 生物体的相位为必，则最终加载到SLM上的相位应为1110(1(0 + 00 2见）。
【专利摘要】本发明提出一种大尺寸计算全息再现方法。该方法包括在相位全息图中加载离散相位光栅和空分复用法。本发明利用空分复用法，首先将选定图片分为四个子图片，为了实现再现像位置的移动，在制作相位全息图的过程中将离散相位光栅的相位加载到全息图中，然后将空间光调制器(SLM)分为四部分，每部分上分别加载相应子图片的相位全息图。在光学再现过程中，通过计算机控制加载到相应场景的全息图中离散相位光栅的变化，调节四个再现像的位置，实现再现像的无缝拼接，从而得到计算全息大尺寸再现。
【IPC分类】G03H1-22
【公开号】CN104698802
【申请号】CN201510127353
【发明人】王琼华, 李芳转, 王德宏, 王迪
【申请人】四川大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月24日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种大尺寸计算全息显 示技术。
【背景技术】
[0002] 全息显示是一种真三维显示技术，观看者可在不佩戴助视眼镜的情况下观看到立 体图像。随着计算机技术的迅速发展，人们广泛地使用计算机模拟和处理各种光学过程，并 衍生出计算全息显示技术。随着计算机性能的提升和光电器件的发展，基于空间光调制器 (SLM)的计算全息显示的优点愈加突出，为全息带来了很大的发展空间，其主要是将全息图 加载到SLM上，以代替传统光学全息中的化学记录干板，从而避免传统光学全息对光路和 实验环境的苛刻要求。同时，由于SLM可以实时的擦除和写入，因此可以实现实时再现。然 而，受现有空间光调制器自身结构的限制，计算全息再现像的尺寸很小，无法满足人们的实 际需求。
[0003] 为了得到系统简单的大尺寸计算全息再现，国内外研究人员进行了一系列研究。 日本的Kenji Yamamoto及其合作团队提出将需再现的场景进行分割后将它们分别制成全 息图，然后加载到相应的SLM上，使用多个SLM阵列式拼接方法实现计算全息大尺寸显示。 但是在该系统中为了实现再现像的无缝拼接，引入了透镜阵列和特制大透镜，增加了系统 的复杂度及操作难度。日本千叶大学的Tomoyoshi Shimobaba等提出通过改变原图的抽样 间距实现计算全息再现象尺寸的扩大。虽然该方法系统简单、易于实现，但该方法实质上并 没有扩大整个再现像的大小，只是将原图的边缘信息丢掉将需要的信息进行局部的扩大， 其局部扩大后的再现像尺寸和原图的再现像尺寸相同。
【发明内容】
[0004] 本发明提出一种大尺寸计算全息再现方法，该方法将空分复用法和在相位全息图 中加载离散相位光栅相结合实现了大尺寸计算全息显示。
[0005] 空分复用法是将一幅长宽分别为Z和的图片在MATLAB中处理，得到尺寸分别为 的四幅子图片如附图1所示，再通过双线性插值法将它们的像素分别插值使其与SLM 像素相匹配；利用傅里叶迭代法将这四幅图分别进行处理，得到四幅全息图；然后将四幅 全息图合成一幅新的全息图，加载到SLM上，这样就相当于将SLM的有效区域分为四部分， 每个区域分别加载相应的全息图，经过光学再现，这四个区域将得到各自的再现像。
[0006] 计算全息再现像的大小A与成像透镜的焦距/、光源的波长^以及SLM像素大小 满足： h = f Λ / ρ (1) 可以看到对于同一个光路，即八^、/7相同的光路对于任何图片的再现像的尺寸均相 同，因此，可知四幅子图片和原图的再现像的大小均相同。
[0007] 为了让四部分的再现像拼接在一起，在生成相位全息图的过程中加入适当的离散 相位光栅，全息图生成步骤如附图2所示。在光学再现过程中，再现光路如附图3所示，通过 计算机控制加载到相应场景的全息图中的离散相位光栅的变化，调节四个再现像的位置， 实现再现像的无缝拼接，从而得到计算全息大尺寸再现。
[0008] 优选地，离散相位光栅的结构如附图4所示，它具有相位调制的功能，一般以2 V 为周期对光波进行相位调制，从而改变光的衍射方向，使得再现像的位置发生偏移。在全息 图中加载离散相位光栅法就是在相位型全息图中加入离散相位光栅的相位调制因子，通过 改变其相位调制因子，改变光的出射方向，使计算全息再现像的位置可以在再现区域内自 由移动。
[0009] 具体地，离散相位光栅的相位可以表示为： Φ= mod (bm+cn, T ) X {2 π/ T ) (2) 式中mod表不取模运算，7?不光栅的周期，》，/?分别是光栅的横纵范围，6，c分别表 不加载到》和方向上的光栅。取不同的场卩d直可以得到不同方向的光栅，取不同的/1 值可以得到不同光偏转角度的光栅。可以看到，光通过光栅后相当于对光线进行了线性相 位补偿。在计算机编码时将光栅的相位分布加载到物体的相位型全息图中，通过程序控制， 即改变6、c、7的大小，使再现像偏移到特定的位置。令迭代傅里叶算法产生物体的相位为 0，则最终加载到SLM上的相位应为： Φne= χαο?( Φ + Φ^ 2 π) (3)
【附图说明】
[0010] 附图1为被记录的图片和分割后的四个子图片。
[0011] 附图2为本发明全息图的制作流程图。
[0012] 附图3为本发明的结构示意图。
[0013] 附图4为离散相位光栅的结构示意图。
[0014] 附图5为原图的再现像。
[0015] 附图6为本发明得到的再现像。
[0016] 上述附图中的图示标号为： 1激光器、2滤波器、3准直透镜、4空间光调制器、5傅里叶透镜、6接收屏、7计算 机。
[0017] 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】
[0018] 下面详细说明本发明提出的一种大尺寸计算全息再现方法的具体实施方案，对本 发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明， 不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述
【发明内容】
对本发明做 出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
[0019] 在本实施案例中，采用波长为532nm的绿色激光器，滤波器位于激光器之后100_ 处的再现光出射光轴上，准直透镜位于滤波器300mm处，SLM位于准直透镜之后500mm处， 成像透镜与SLM之间的距离为150_处；在本发明中采用傅里叶成像透镜为成像透镜，接 收屏位于傅里叶成像透镜之后500mm处。其中SLM采用反射式的位相型SLM，其分辨率为 1920 X1080,像素大小为8 μ m有效区域大小为8. 64遞?X15. 36遞?;傅里叶成像透镜的焦距 为500mm。所用图像源为512X512个像素的灰度图。
[0020] 本实例中将图片经过样离散后用双线性插值法将其插值为1920X1080大小；之 后进行傅里叶迭代得到其相位，本实施案例中为了减小再现像的散斑噪声，将迭代次数定 位50次；然后在得到的相位上加上离散相位光栅的相位；再将其编码成计算全息图；然后 将四幅子图片的全息图合成一幅新的全息图。
[0021] 本实例中，将SLM的有效区域分为四部分，每部分的大小则为4. 32??X7. 68??，然 后将四幅子图片的全息图分别加载到SLM相应的区域上。由激光器发出的绿色光源通过滤 波器和准直透镜变为准直光，然后以3°的入射角照射到加载了全息图的反射式SLM上，经 傅里叶透镜后成像于其焦平面上。
[0022] 为了让四个再现像实现无缝拼接，对于加载到原图左上角的图所加离散相位光栅 的系数为6=1，C = 1，7=6 ;对于右上角的图所加离散相位光栅的系数为6 = -1，C = 1， Γ = 6 ;对于左下角的图所加离散相位光栅的系数为办=-1，c = -1，Γ = 6 ;对于右下角的 图所加离散相位光栅的系数为6 = 1，C = -1，r = 6。最后使四个再现像规律地相邻，得到 无缝拼接的大尺寸计算全息再现像。附图5和附图6分别是原图的再现像和本发明得到的 再现像，可以看出本发明的结果比原图再现像的结果扩大了四倍。
【主权项】
1. 一种大尺寸计算全息再现方法，其特征在于，该方法将空分复用法和在相位全息图 中加载离散相位光栅相结合，实现了大尺寸计算全息显示。
2. 根据权利要求1所述的大尺寸计算全息再现方法，其特征在于，利用空 分复用法将一幅长宽分别为为^和7的图片在MATLAB中处理，得到尺寸分别为 的四幅子图片，再通过双线性插值法将它们的像素分别插值使其与SLM像素相匹配； 利用傅里叶迭代法将这四幅图分别进行处理，得到四幅全息图；然后将四幅全息图合成一 幅新的全息图，加载到空间光调制器（SLM)上，这样就相当于将SLM的有效区域分为四部 分，每个区域分别加载相应的全息图，经过光学再现，这四个区域将得到各自的再现像，且 其大小均与原图再现像的大小相同，然后经四个子图片的全息再现像拼接，就得到了大尺 寸的再现像。
3. 根据权利要求1所述的大尺寸计算全息再现方法，其特征在于，离散相位光栅具有 相位调制的功能，可以改变光的衍射方向，所以在相位型全息图中加载离散相位光栅，改变 光的出射方向，通过改变加载到相位型全息图中的离散相位光栅，使计算全息再现像的位 置可以在再现区域内自由移动；离散相位光栅一般以2V为周期对光波进行相位调制，其 相位可以表示为t=mod(/w?允7?，71)X(2v/r)，式中mod表示取模运算，壞示光栅 的周期，《，/?是光栅的横纵范围，表c分别表示加载到《和方向上的光栅；取不同的场口 ^值可以得到不同方向的光栅，取不同的f值可以得到不同光偏转角度的光栅，可以看到光 通过光栅后相当于对光线进行了线性相位补偿；在计算机编码时将光栅的相位分布加载到 物体的相位型全息图中，通过程序控制使再现像偏移到特定的位置；令迭代傅里叶算法产 生物体的相位为必，则最终加载到SLM上的相位应为1110(1(0 + 00 2见）。
【专利摘要】本发明提出一种大尺寸计算全息再现方法。该方法包括在相位全息图中加载离散相位光栅和空分复用法。本发明利用空分复用法，首先将选定图片分为四个子图片，为了实现再现像位置的移动，在制作相位全息图的过程中将离散相位光栅的相位加载到全息图中，然后将空间光调制器(SLM)分为四部分，每部分上分别加载相应子图片的相位全息图。在光学再现过程中，通过计算机控制加载到相应场景的全息图中离散相位光栅的变化，调节四个再现像的位置，实现再现像的无缝拼接，从而得到计算全息大尺寸再现。
【IPC分类】G03H1-22
【公开号】CN104698802
【申请号】CN201510127353
【发明人】王琼华, 李芳转, 王德宏, 王迪
【申请人】四川大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月24日
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0访客 来自[中国] 2020年11月14日 05:51有尺寸内含的三维图可分解为制造工程图，利用全息摄影如果能解决物体尺寸标注则就不用测绘就能获得工程图，其意义巨大！
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