一种精确光强调制的全息显示方法技术

本发明专利技术公开了一种精确光强调制的全息显示方法，本发明专利技术利用两个空间光调制器，通过独特的编码方式、优化的系统结构，实现了精确光强调制的全息显示，提高了显示的精细度，同时不降低系统的分辨率。与现有技术相比，本发明专利技术的技术方案实现了一种快速编码、高清晰再现的全息显示。满足了人们日益增长的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种精确光强调制的全息显示方法
本专利技术涉及全息显示领域，更具体涉及一种精确光强调制的全息显示方法。
技术介绍
空间光调制器是加载全息图进行三维物体重建的器件，是动态全息三维显示的核心器件，因此空间光调制器器件水平决定了再现效果(包括再现像尺寸、分辨率和视场角等)。但现有的空间光调制器无法满足动态全息三维显示所需的空间带宽积要求。LCoS是目前动态全息三维显示研究中较为常见的一种空间光调制器，特别是纯相位的LCoS调制器件具有衍射效率高的特点而得到的广泛的应用。如德国的Holoeye公司推出了分辨率达到1920×1080、像素尺寸约为8微米的纯相位型空间光调制器，美国的BNS(BoulderNonlinearSystems)公司推出了填充因子达到100％的空间光调制器。受到空间光调制器工作原理的限制，波前调制仅能完成纯振幅型、纯相位型和振幅兼相位型(即调制振幅时会引入一定的相位延时)。相位型光学元件具有较高的衍射效率，因此利用纯相位型空间光调制器可以实现较高的光能利用率，具有更好的应用前景；但纯相位型空间光调制器只能加载相位分布，不能通过目标图像(目标强度/振幅分布)的直接加载来实现图像的显示。现有技术通常从算法和系统两个思路解决以上提到的问题：在算法方面，人们使用迭代算法和优化算法将目标图像编码成可以加载到纯相位型空间光调制器上的相位分布。最为经典的是GS算法，由R.Gerchberg和W.Saxton于1971年提出。该方法利用输入输出面之间的正反傅里叶变换与输入输出面上的光场限制条件，反复迭代直到其满足设计需求。GS算法首先将目标图像与一个同样大小的随机位相矩阵分别作为初始输入的振幅和位相，对其进行傅里叶逆变换后将振幅归一，然后对归一化的位相矩阵进行傅里叶变换，将得到的振幅矩阵由目标图像来进行代替，最后将其进行傅里叶逆变换从而完成一次循环。在系统方面，提出了基于双空间光调制器的全息投影系统。激光器发出的单色光由分束镜分束，两束光分别由针孔滤波后通过扩束镜变为平行光分别入射到两个空间光调制器上，经空间光调制器调制后产生的光波前经半透半反镜合束后通过傅里叶变换透镜，在其焦平面上干涉，显示出目标图像。加载到两个空间光调制器上的位相分布分别通过数学公式解析地求得，计算中不经过迭代过程。通过迭代算法和优化算法编码全息图时，只有经过大量的迭代过程才能求解、编码出可以加载到空间光调制器上的全息图。这一过程耗时，对计算系统要求很高：只有很快的计算过程才能满足显示的实时性。不仅如此，利用这些方法求得的全息图在显示时，依然无法实现精确的图像显示，图像中存在计算散斑噪声。造成这一问题的原因是计算时，使用了随机相位因子(通常使用完全随机分布)，其具有无限的带宽分布；但在计算频域部分时，仅能对有限带宽进行采样计算，因此造成了信息丢失，引入了噪声。尽管利用伪随机相位分布可以弥补这一问题，但会延长计算时间。利用基于双空间光调制器的全息投影系统，虽然能够解决利用迭代算法和优化算法编码全息图的问题，但这种方法严重地降低了系统的空间带宽积——系统的分辨率。系统中两个空间光调制器上的每一个对应的像素需要一一对应，这样在无形中减少了整个系统的分辨率；尽管系统使用了两个空间光调制器，但实际显示时，其显示图像的分辨率仅与一个空间光调制器的分辨率相同。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题就是提供一种实现高分辨率、高精细度、精确光强调制的全息显示方法。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种精确光强调制的全息显示方法，包括步骤：步骤一：利用解析公式求取全息图过程：确定光波场振幅分布：目标图像即为最终成像时的光场强度分布，是振幅的平方；计算两张纯相位全息图中的第一列的每一个像素上的相位分布：其中，第一张全息图的第一列的每一个像素上的相位分布φ1,1的计算公式为：φ1,1＝φ0+arccos[E1/2]第二张全息图的第一列的每一个像素上的相位分布φ2,1的计算公式为：φ2,1＝φ0-arccos[E1/2]其中φ1，1代表第一张全息图的第一列上每一个像素的相位分布；φ2,1代表第二张全息图的第一列上每一个像素的相位分布；为目标图像的光波场的随机相位分布；E1为目标图像光波场的第一列振幅分布；按照递归的方法，求取第一张全息图和第二张全息图；其中，第一张全息图的求取公式为：其中x≥1，φ1,(x+1)代表待求取的第一张全息图上的第(x+1)列像素的相位分布；φ2,x代表已知的第二张全息图上第x列像素的相位分布；E(2x+2)表示目标图像的第(2x+2)列的振幅分布；此外，第二张全息图的求取公式为：其中，其中x≥1，φ2,x代表待求取的第二张全息图上的第x列像素的相位分布；φ1,x代表已知的第一张全息图上第x列像素的相位分布；E2(x‐1)表示目标图像的第2(x‐1)列的振幅分布；步骤二：利用基于双空间光调制器精确调制系统实现显示：首先搭建利用基于双空间光调制器精确调制系统：利用双空间光调制器干涉系统，使两个空间光调制器所在平面重合；将其中一个空间光调制器沿其横轴正方向，在重合平面内偏移半个像素的距离，并将这个偏移的空间光调制器编号为2，未进行偏移的空间光调制器编为1号；利用相干光源或部分相干光源经过扩束、准直，生成平行光，照射基于双空间光调制器精确调制系统；将计算求得的相位，按照1、2的次序分别放置到编号为1、2的空间光调制器上，实现显示。优选地，所述相干光源为激光；所述部分相干光源为LED。优选地，当采用分辨率为1920×1080的空间光调制器时，N的数值范围为1-1920。(三)有益效果本专利技术与现有技术相比，本专利技术的技术方案实现了一种快速编码、高清晰再现的全息显示。方案使用了简单、解析的递归算法，避免了计算散斑噪声的出现，精确光强编码提供了更高的显示质量，同时高速编码能够满足显示系统的实时性。在这种方案中，由于系统结构的优化，使得两个空间光调制器上的像素能够充分利用避免了分辨率的损失，同时提供了较高的显示精细度，满足了人们日益增长的需求。通过数值模拟，本专利技术的技术方案，在编码全息图时，使用的平均时间不到16ms(显示图像分辨率为1024×512，运算平台为IntelCorei5650、4G内存)，而利用GS算法编码的过程的平均时间则达到了1.2s以上(迭代5次)；利用本专利技术技术方案显示图像的峰值信噪比达到310dB以上，接近原始图像，而使用GS算法的峰值信噪比仅为17dB左右。利用基于双空间光调制器的全息投影系统方案仅能够实现512×512的显示分辨率，同时无论是利用GS算法编码方案还是利用基于双空间光调制器的全息投影系统方案，其显示精细度都与空间光调制器的PPI相同，而利用本专利技术则可以实现接近两倍于空间光调制器的PPI。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是全息图编码流程图；图2是本专利技术方法示意图；图3是基于干涉装置的双空间光调制器精确调制系统示意图；图中标记：1、第1个全本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精确光强调制的全息显示方法，其特征在于，包括步骤：步骤一：利用解析公式求取全息图过程：确定光波场振幅分布：目标图像即为最终成像时的光场强度分布，是振幅的平方；计算两张纯相位全息图中的第一列的每一个像素上的相位分布，将振幅分布中的第一列根据如下公式分解：其中分别代表两幅全息图的第一列上相位分布；求取全息图，按照递归的方法：先根据第2幅全息图上的第1列相位分布求取第1幅全息图上第2列的相位分布；再根据第1幅全息图上的第2列相位分布求取第2幅全息图上第2列的相位分布；以此类推，直至完整的全息图求取完毕；在求取时，利用如下公式求得：其中表示待分别代表待求取某一幅全息图上的y列相位分布和另一幅全息图上第已知的第x列相位分布；当已知第1幅全息图上第N列上某一像素的相位值和目标图像第(2N‑1)列上对应像素的振幅值，即可求得第2幅全息图第N列上对应像素的相位值。以此类推，即可求得两幅全息图上的相位分布；步骤二：利用基于双空间光调制器精确调制系统实现显示：首先搭建利用基于双空间光调制器精确调制系统：利用双空间光调制器干涉系统，使两个空间光调制器所在平面重合；将其中一个空间光调制器沿其横轴正方向，在重合平面内偏移半个像素的距离，并将这个偏移的空间光调制器编号为2，未进行偏移的空间光调制器编为1号；利用相干光源或部分相干光源经过扩束、准直，生成平行光，照射基于双空间光调制器精确调制系统；将计算求得的相位，按照1、2的次序分别放置到编号为1、2的空间光调制器上，实现显示。...

【技术特征摘要】
1.一种精确光强调制的全息显示方法，其特征在于，包括步骤：步骤一：利用解析公式求取全息图过程：确定光波场振幅分布：目标图像即为最终成像时的光场强度分布，是振幅的平方；计算两张纯相位全息图中的第一列的每一个像素上的相位分布：其中，第一张全息图的第一列的每一个像素上的相位分布φ1,1的计算公式为：φ1,1＝φ0+arccos[E1/2]第二张全息图的第一列的每一个像素上的相位分布φ2,1的计算公式为：φ2,1＝φ0-arccos[E1/2]其中φ1,1代表第一张全息图的第一列上每一个像素的相位分布；φ2,1代表第二张全息图的第一列上每一个像素的相位分布；为目标图像的光波场的随机相位分布；E1为目标图像光波场的第一列振幅分布；按照递归的方法，求取第一张全息图和第二张全息图；其中，第一张全息图的求取公式为：其中x≥1，φ1,(x+1)代表待求取的第一张全息图上的第(x+1)列像素的相位分布；φ2,x代表已知的第二张全息图上第x列像素的相位分布；E(2x+2)表示目标图像的第(2x+2)列的振幅分布；此外，第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娟，李昕，王涌天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11