专利名称：全息图生成方法
技术领域：
本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种新颖的全息图生成方法。
技术背景
全息图及全息投影在我们的日常生活及工作生产中有着广泛的应用前景。其可用于图像显示、对象识别的相关器、通讯、光刻等领域。尤其在显示领域，全息投影技术有着突出的优势，例如其对于入射光能的利用效率远高于现有技术，且从根本原理上保证产生的图像永不会有坏点。现代电子光调制芯片如光学引擎(Liquid Crystal on Silicon)、数字微镜(Digital Micromirror Device)等设备的发展无疑为其大规模应用打下了基础。但是困扰计算机生成全息图的一大问题是由于量化过程产生的严重噪声。传统的解决方法是利用盖师贝格-撒克斯通(Gerctiberg-^ixton)、模拟退火(simulated annealing)，直接二元搜索(direct binary search)及其衍生的方法来提高单帧图像质量，减小噪声。盖师贝格-撒克斯通通过精炼相位来提高图像质量，模拟退火(simulated annealing)，直接二元搜索(direct binary search)都是搜索算法，其共同的缺点是效果受迭代次数影响，运算量过大，根本无法应用于实时显示等对运算速度有要求的领域。且接近一定极限后增加迭代次数再也无法有效减小噪声。此外，专利CN100595698和专利CN101310225中介绍了通过在短时间内快速迭加子帧，从而消除一定时间内整体噪声的技术。结合先前所述的单帧图像相位精炼的方法，其效果可分别达到单帧图像噪声方差的1/N和1/N2，N为叠加的子帧数量，但实际中其效果仍不够理想，技术上还有待提高。发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的发明人开发出了一种新颖的全息图生成方法。
具体地，本发明提出了一种全息图生成方法，包括
a)对目标图像进行相位分布计算，以获得第一振幅相位分布；
b)基于所述第一振幅相位分布进行全息变换，以获得第一全息图，其中通过衍射效应(实际中，使用计算机模拟物理上衍射效应，即相应的逆全息变换)能从该第一全息图像获得第一还原图像；
c)基于所述目标图像和第一还原图像之间的像差以及所述第一振幅相位分布来确定第二振幅相位分布；
d)基于所述第二振幅相位分布进行全息变换，以获得第二全息图像。
根据本发明的一个优选实施例，在上述全息图生成方法中，所述基于所述目标图像和第一还原图像之间的像差以及所述第一振幅相位分布来确定第二振幅相位分布的步骤进一步包括基于所述第一还原图像和所述第一振幅相位分布计算一弥补强度；以及基于所述弥补强度和所述第一振幅相位分布来计算所述第二振幅相位分布。
根据本发明的一个优选实施例，在上述全息图生成方法中，通过所述第二全息图像可以获得一第二还原图像。
根据本发明的一个优选实施例，在上述全息图生成方法中，所述全息变换为傅里叶变换、快速傅里叶变换、分数傅里叶变换、角频谱空间传播方法或波导变换。
根据本发明的一个优选实施例，上述全息图生成方法还可以包括设定一迭代次数M，所述迭代次数是大于2的自然数；在所述步骤d)之后迭代执行基于像差和前一振幅相位分布来确定后一振幅相位分布的步骤以及基于所述后一振幅相位分布进行全息变换以获得后一全息图像的步骤M次。
根据本发明的一个优选实施例，上述全息图生成方法还可以包括在所述步骤a) 之前，对目标图像进行盖师贝格-撒克斯通、刘-泰戈、模拟退火或直接二元搜索等，以提炼出优化相位；以及在步骤b)中，用所述优化相位替代所述第一振幅相位分布的相位分量。
根据本发明的一个优选实施例，在上述全息图生成方法中，所述第二振幅相位分布通过以所述目标图像和第一还原图像之间的像差为反馈改变所述第一振幅相位分布的振幅，以使所述第二还原图像与所述目标图像之间的像差小于所述第一还原图像与所述目标图像之间的像差。
根据本发明的另一个方面，提供了一种全息图生成方法，包括
a)输入一图像，该图像由N个子帧叠加构成；
b)将所述N个子帧中的每一个作为目标图像分别执行如权利要求1所述的全息图生成方法，以获得所述每一个子帧的全息图像；以及
c)将所述每一个子帧的全息图像进行叠加，以获得所述图像的全息图像。
根据本发明的一个优选实施例，在上述全息图生成方法中，所述N个子帧依次排序，且下一子帧的能量分布基于前面所有子帧的能量分布而确定。
综上，本发明从根本上开辟了一条全新的计算全息图像差纠正的道路，不同于过去的相位精炼方法，本发明通过强度弥补的方法可大大减小结果中的噪声。一帧经过成千上万次精炼相位法迭代运算，噪声已无法再减小的相位调制全息图，只需再经过一次强度弥补运算，其噪声的方差可再减为原来的1/a。a与量化的相位元数有关。例如，经过实验证明，对于二元相位调制，经过一次强度弥补后a约为2，即噪声方差减为原来的1/2，对于十六元相位调制，经过一次强度弥补后a大约4. 2，即噪声方差减为原来的1/4. 2。对于更高元的相位调制，图像质量还将有更大程度的提高。如果用多次迭代的方法精炼强度，则图像质量将会有近一步提高。1
此外，结合一定时间内迭加子帧的方法，强度弥补法可将噪声方差减至^T其中N为叠加的子帧数量，％为经N个子帧迭代后噪声降低的比率。例如，经过实验证明， 对于二元相位调制，当N = 6时％ = 3. 2，则其整体噪声方差为原来的1/115，若采用专利 CN100595698和专利CN101310225中的方法，此数值分别为1/6和1/36。对于十六元相位调制，当N = 6时ει6 = 16，则其整体噪声方差为原来的1/576，若采用专利CN100595698和专利CN101310225中的方法，此数值仍为1/6和1/36。相似的，对于更高元的相位调制，图像质量还将有更大程度的提高。
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的， 并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分， 附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中
图1示出了根据本发明的全息图生成方法的主要步骤的流程图。
图2示意性地示出了本发明的全息图生成方法(强度弥补技术)的基本图像处理过程。
具体实施方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。
在现有技术的计算机全息图生成方法中，假设目标图像的能量(即强度， intensity)分布为I (x，y)，x，y为图像中象素点的坐标，可简记为I，则目标图像的振幅分布为V7。为了能使计算后的全息图能量平均分布，在做相应的数学变换之前需对V7添加相位分布，使r(x，>0 =*emx^y),简记为T，其中i为虚数符号，Φ (χ, y)为相位分布，简记为Φ，一般可以取随机分布。相应的全息图为Μ{Τ}，其中Μ{}为相应的数学变换。例如， 对于成像区域为夫琅禾费衍射(Franhofer Diffraction)区域，M{}为傅立叶变换或快速傅立叶变换，对于成像区域为菲涅尔衍射(Fresnel Diffraction)区域，M{}为分数傅立叶变换(对于成像区为特定距离的衍射，M{}为角频谱空间传播方法)。对于楔形波导则M{} 为专利申请201010191189. 9中描述的波导变换。总之，对应与不同类型的全息图，M{}为相应的数学变换。由于现有电子空间光调制器件(Spatial Light Modulator) 一般都为数字器件，生成的全息图需经过量化转换为数字信号后方能在其上显示，记量化后的全息图为H(x，y) =0信{10^，一}}，简记为!1，其中0{}为量化算符，其可根据器件情况取M{T}的振幅或相位之一进行量化，量化的元数也视具体器件设备而定。例如采用二元振幅调制，二元相位调制，十六元相位调制等等。
为了用计算机模拟全息图H在实际中的显示效果并计算量化产生的像差，可以定义M-1H为相应全息图生成法的逆变换，例如傅立叶逆变换、分数傅立叶逆变换、波导逆变换等等。实际中，全息图的显示域(I^play field)所显示图像振幅及相位分布SM-1IHU 由于人眼及现有的检测器件只能识别光强，而无法识别相位信息，所以最后看到的图像为 I1(Ly) = iMlHky)} |2，简记为I115由于量化过程Q{}的存在，因此I1乒I。可将I1表EQf —-示为I1= α T2+ε，其中 ^〗(x，y) E为输入的总能量(可通过光源调节)，fI(x，y)为X, V目标图像的总能量，α为放大因子，即输入图像的能量被放大了 α倍。ε为由于量化过程及硬件系统本身产生的误差，若使用随机相位作为初始相位，则ε为随机分布。
图1示出了根据本发明的全息图生成方法的主要步骤的流程图。图2示意性地示出了本发明的全息图生成方法(强度弥补技术)的基本图像处理过程。可以参照图2的表示来理解图1的各项步骤。
如图1所示，本发明的全息图生成方法可以包括对目标图像进行相位分布计算， 以获得第一振幅相位分布Tl (步骤101)；基于该第一振幅相位分布进行全息变换，以获得第一全息图H1，其中通过衍射效应(计算机运算时通过相应的逆变换模拟)能从该第一全息图像获得第一还原图像Il (步骤102)；基于目标图像和第一还原图像之间的像差以及第一振幅相位分布来确定第二振幅相位分布T2 (步骤10 ；基于第二振幅相位分布进行全息变换(步骤104)，以获得第二全息图像H2(步骤10 ；通过第二全息图像H2获得一第二还原图像12(步骤IO6)。
结合先前的描述，若假定目标图像为I，则定义第一振幅相位分布Tl(X^y) =，其中^/7^为振幅，其平方即为光强分布，eJtC为相位分布，其不直接影响人眼观看效果，但通过调制相位，却可以改变全息图)，i为虚数符号，Φ (x, y)为相位，则经过变换后可得全息图SH1(Xd) = Q(MIT1O^y)H。而其在显示域上所显示的图像为I1U, y) = I Μ"1 (H1 (x, y)} |2 = QjT1I^e10根据本发明，本发明进一步根据I和Il 之间的像差来进一步确定一第二振幅相位分布T2。换言之，该第二振幅相位分布T2通过以目标图像I和第一还原图像Il之间的像差为反馈改变第一振幅相位分布Tl的振幅，以使经步骤105所获得的第二全息图像H2进一步获得的第二还原图像12与目标图像I之间的像差小于第一还原图像Il与目标图像I之间的像差。实际上，本发明的核心思想之一就在于通过改变目标图像的强度分布(振幅分布改变，强度分布I = IT2I也跟着改变)来更好地还原图像。
根据本发明的一个优选实施例，如图1所示，上述基于目标图像和第一还原图像之间的像差以及第一振幅相位分布来确定第二振幅相位分布的步骤(步骤10 进一步包括基于第一还原图像Il和第一振幅相位分布Tl计算一弥补强度(步骤103a)；以及基于弥补强度和第一振幅相位分布Tl来计算第二振幅相位分布T2(步骤103b)。例如，可以假定弥补强度为ε ‘ ”其直接影响最终成像质量。作为示例，一种可行的取法为令ε ‘ !(x, y) = ei(x,y) = I1(Xjy)-Q1IT1 (x,y) I2。进而，可以利用该弥补强度来修正Tl以获得T2， 然后将T2作为目标图像的振幅和相位分布进行运算。实践证明，经强度弥补后误差的方差减小，量化时元数越多，强度弥补对于图像质量的修正越好。
如前所述，上述的全息变换可以是傅里叶变换、快速傅里叶变换、分数傅里叶变换、角频谱空间传播方法或者波导变换等等。
此外，本发明的上述全息图生成方法(强度弥补技术)也可以进一步执行迭代运算，以精炼目标图像振幅。即，可以设定一迭代次数M,该迭代次数是大于2的自然数，进而在获得第二全息图H2进而获得还原图像12之后，可以将上述步骤103-105迭代执行M次。 即，可以用新生成的12代替图1步骤中的还原图象Il (目标图象I = Tl2，始终不变。12替代的是还原图象II)。在一优选方案中，ε ‘ μ的取法将直接影响最终的成像质量，因此其运算方法非常的重要。例如，一种取法为=Ii1-^vA2ο
例如，该迭代方法可以包括如下几个步骤
1.输入目标图像I (X，y)，相位Φ (χ, y)，设定迭代次数Μ(Μ彡2)，计算
权利要求
1.一种全息图生成方法，包括a)对目标图像进行相位分布计算，以获得第一振幅相位分布；b)基于所述第一振幅相位分布进行全息变换，以获得第一全息图，其中通过衍射效应能从该第一全息图像获得第一还原图像；c)基于所述目标图像和第一还原图像之间的像差以及所述第一振幅相位分布来确定第二振幅相位分布；d)基于所述第二振幅相位分布进行全息变换，以获得第二全息图像。
2.如权利要求1所述的全息图生成方法，其特征在于，所述基于所述目标图像和第一还原图像之间的像差以及所述第一振幅相位分布来确定第二振幅相位分布的步骤进一步包括基于所述第一还原图像和所述第一振幅相位分布计算一弥补强度；以及基于所述弥补强度和所述第一振幅相位分布来计算所述第二振幅相位分布。
3.如权利要求1所述的全息图生成方法，其特征在于，通过所述第二全息图像获得一第二还原图像。
4.如权利要求1所述的全息图生成方法，其特征在于，所述全息变换为傅里叶变换、快速傅里叶变换、分数傅里叶变换、角频谱空间传播方法或波导变换。
5.如权利要求1所述的全息图生成方法，其特征在于，还包括设定一迭代次数M，所述迭代次数是大于2的自然数；在所述步骤d)之后迭代执行基于像差和目标图像来确定后一振幅相位分布的步骤以及基于所述后一振幅相位分布进行全息变换以获得后一全息图像的步骤M次。
6.如权利要求1所述的全息图生成方法，其特征在于，还包括在所述步骤a)之前，对目标图像进行盖师贝格-撒克斯通、刘-泰戈、模拟退火或直接二元搜索，以提炼出优化相位；以及在步骤b)中，用所述优化相位替代所述第一振幅相位分布的相位分量。
7.如权利要求3所述的全息图生成方法，其特征在于，后一振幅相位分布通过以所述目标图像和前一还原图像之间的像差为反馈改变所述前一振幅相位分布的振幅，以使所述后一还原图像与所述目标图像之间的像差小于所述前一还原图像与所述目标图像之间的像差。
8.—种全息图生成方法，包括a)输入一图像，该图像由N个子帧叠加构成，其中N是大于1的自然数；b)将所述N个子帧中的每一个作为目标图像分别执行如权利要求1所述的全息图生成方法，以获得所述每一个子帧的全息图像；以及c)将所述每一个子帧的全息图像进行叠加，以获得所述图像的全息图像。
9.如权利要求8所述的全息图生成方法，其特征在于，所述N个子帧依次排序，且下一子帧的能量分布基于前面所有子帧的能量分布而确定。
全文摘要
本发明提出了一种全息图生成方法，包括a)对目标图像进行相位分布计算，以获得第一振幅相位分布；b)基于所述第一振幅相位分布进行全息变换，以获得第一全息图，其中通过衍射效应能从该第一全息图像获得第一还原图像；c)基于所述目标图像和第一还原图像之间的像差以及所述第一振幅相位分布来确定第二振幅相位分布；d)基于所述第二振幅相位分布进行全息变换，以获得第二全息图像。本发明开辟了一条全新的计算全息图像差纠正的道路，通过强度弥补的方法可大大减小结果中的噪声。
文档编号G06T5/00GK102542581SQ20101059597
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月18日 优先权日2010年12月18日
发明者谈顺毅 申请人:谈顺毅