本發(fā)明屬于計算全息顯示領(lǐng)域，特別地，本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字透鏡的彩色計算全息雜光消除系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
伴隨計算機性能的提升和光電器件的發(fā)展，空間光調(diào)制器(slm)作為一種電子可編程的設(shè)備，可以實現(xiàn)對光波振幅、相位、頻率等的調(diào)制，被廣泛應用于光學測量、模式識別、條紋投影、全息以及動態(tài)顯示中，基于slm的計算全息顯示優(yōu)點日益突出。計算全息顯示中，在slm上加載數(shù)字透鏡不僅簡化了再現(xiàn)系統(tǒng)，而且能夠控制再現(xiàn)位置，這種優(yōu)勢尤其體現(xiàn)在彩色計算全息顯示系統(tǒng)中。然而，數(shù)字透鏡產(chǎn)生的零級光斑和再現(xiàn)像混疊會嚴重影響再現(xiàn)像的質(zhì)量。
為消除再現(xiàn)像的雜光提高質(zhì)量，國內(nèi)外學者對其進行了一系列研究。例如利用傅里葉透鏡進行再現(xiàn)變換，在slm上加載會聚球面波，分離零級雜光和多級再現(xiàn)像，在傅里葉透鏡焦點處放置一個光闌進行濾波；此外，也有學者提出通過電濕潤液體透鏡的電控性搭建可變焦系統(tǒng)實現(xiàn)雜光消除。雖然這些技術(shù)能實現(xiàn)零級雜光的消除，但是系統(tǒng)比較復雜、使用的器件比較多，而且達不到實時可控的效果。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種基于數(shù)字透鏡的彩色計算全息雜光消除系統(tǒng)及方法，采用數(shù)字透鏡代替傅里葉透鏡，通過等比例設(shè)置數(shù)字透鏡的焦距，實現(xiàn)對彩色再現(xiàn)中紅、綠、藍三分量因波長不同產(chǎn)生的倍率色差和軸向色差進行補償，利用數(shù)字透鏡的采樣區(qū)域變換性能，線性改變再現(xiàn)像的再現(xiàn)位置，達到分離零級光斑和再現(xiàn)像的效果，再通過光闌進行濾波，實現(xiàn)彩色計算全息再現(xiàn)的彩色色差補償和雜光消除。
基于數(shù)字透鏡的彩色計算全息雜光消除系統(tǒng)如附圖1所示，包括：
—紅、綠、藍三色激光器，數(shù)量均為1個，呈u型放置，用于提供紅、綠、藍三色相干光源；
—準直單元，包括濾波器和準直透鏡，數(shù)量均為3個，濾波器和準直透鏡分別以光軸統(tǒng)一水平放置于紅、綠、藍三色激光器之后，用以得到準直光束；
—再現(xiàn)單元，包括分光棱鏡、slm和計算機，數(shù)量均為3個，分光棱鏡分別位于準直單元之后，slm位于分光棱鏡的垂直分光方向，用于將準直光束作為再現(xiàn)光束照射到slm上，計算機分別連接slm，用于將計算機生成的同一場景不同顏色分量的全息圖加載到slm上并實現(xiàn)再現(xiàn)；
—合光鏡，數(shù)量為1個，位于出射光束會聚處，用于對紅、綠、藍三色出射光束進行合光，實現(xiàn)彩色再現(xiàn)；
—濾波接收單元，包括光闌和接收光屏，數(shù)量均為1個，光闌位于合光鏡和接收光屏之間，用來消除零級雜光，接收光屏用于接收彩色計算全息再現(xiàn)像，且與各slm的有效距離為各slm加載數(shù)字透鏡的焦距。
優(yōu)選地，激光器、分光棱鏡、slm、合光鏡和光闌的中心處于同一水平面。
優(yōu)選地，光闌基板長d1≥30mm且d1≤35mm，寬d2≥20mm且d2≤25mm，厚d3≥1mm且d3≤2mm。
優(yōu)選地，考慮slm尺寸匹配，光闌中間黑色掩膜尺寸長d4≥16mm且d4≤17mm，寬d5≥9mm且d5≤10mm。
基于數(shù)字透鏡的彩色計算全息雜光消除的方法，包括以下幾個步驟：
第一，通過圖像處理技術(shù)提取目標圖像的波長分別的紅、綠、藍三分量信息；
第二，利用迭代傅里葉算法生成同一場景的三幅全息圖,分別記錄紅、綠、藍三色信息；
第三，根據(jù)透鏡成像特性等比地設(shè)置分別加載在紅、綠、藍三分量全息圖中數(shù)字透鏡的焦距fr、fg和fb；
第四，根據(jù)混疊信息分別改變加載在紅、綠、藍三分量全息圖上數(shù)字透鏡的采樣區(qū)域，并將數(shù)字透鏡加載到相應的三幅全息圖中；
第五，將計算機生成的加載了數(shù)字透鏡的紅、綠、藍三分量的全息圖分別加載在slm上；
第六，使波長分別為λr、λg、λb的紅、綠、藍三色激光器分別通過準直單元、再現(xiàn)單元和合光鏡；
第七，設(shè)定光闌中間黑色掩膜的尺寸為a×b，且a×b為零級衍射光斑的大小，光闌將經(jīng)過合光鏡之后的零級雜光消除，并在接收光屏上接收到無雜光影響的彩色再現(xiàn)像。
優(yōu)選地，數(shù)字透鏡的焦距設(shè)置為fr：fg：fb=λb/λr：λb/λg：1。
優(yōu)選地，根據(jù)初始狀態(tài)下的數(shù)字透鏡采樣區(qū)域（sa）滿足
線性改變數(shù)字透鏡采樣區(qū)域，此時sa’滿足
式中m、n為slm的像素數(shù)，p為slm的像素間距，（m，n）為改變數(shù)字透鏡采樣區(qū)域之后的中心位置坐標?？紤]混疊信息，記初始再現(xiàn)像中心位置坐標為（i，j），且加載在紅、綠、藍三分量上的數(shù)字透鏡采樣區(qū)域的中心位置坐標分別為（mr，nr），（mg，ng）和（mb，nb），為了保證三色再現(xiàn)像重合，記最終再現(xiàn)像中心位置坐標為（
附圖說明
附圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明中數(shù)字透鏡焦距為85.12cm的灰度示意圖；
附圖3為本發(fā)明中數(shù)字透鏡焦距為67.48cm的灰度示意圖；
附圖4為本發(fā)明中數(shù)字透鏡焦距為60cm的灰度示意圖；
附圖5為本發(fā)明中焦距為85.12cm數(shù)字透鏡采樣區(qū)域中心位置坐標為（-4mm,-4mm）的灰度示意圖；
附圖6為本發(fā)明中焦距為67.48cm數(shù)字透鏡采樣區(qū)域中心位置坐標為（-4mm,-4mm）的灰度示意圖；
附圖7為本發(fā)明中焦距為60cm數(shù)字透鏡采樣區(qū)域中心位置坐標為（-4mm,-4mm）的灰度示意圖；
附圖8為本發(fā)明實施例中光闌示意圖。
上述各附圖中的圖示標號為：
（1）紅色激光器,（2）濾波器1,（3）準直透鏡1,（4）分光棱鏡1,（5）slm1,（6）計算機1,（7）計算機2,（8）slm2,（9）分光棱鏡2,（10）綠色激光器,（11）濾波器2,（12）準直透鏡2,（13）藍色激光器,（14）濾波器3,（15）準直透鏡3,（16）分光棱鏡3,（17）slm3,（18）計算機3,（19）合光鏡,（20）光闌,（21）接收光屏。
應該理解上述附圖只是示意性的，并沒有按比例繪制。
具體實施方式
下面詳細說明本發(fā)明提出的一種基于數(shù)字透鏡的彩色計算全息雜光消除系統(tǒng)及方法的實施例，對本發(fā)明進行進一步的描述。有必要在此指出的是，以下實施例只用于本發(fā)明做進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明的一個實施例為，按照附圖1搭建系統(tǒng)，使用波長分別為671nm、532nm和473nm的紅、綠、藍三色激光器作為光源，采用反射型、純相位型的slm用以加載全息圖和數(shù)字透鏡，其像素數(shù)為1920×1080，像素間距為8μm；紅、綠、藍三色激光器分別與一個濾波器和一個準直透鏡以同一水平光軸放置并在空間上呈u型分布，分光棱鏡處于準直透鏡之后，合光鏡位于三束光束交匯處，光闌平行置于合光鏡和接收光屏之間任一位置且中心位置處于與slm中心位置同一所在水平面上；用圖像處理技術(shù)提取目標物體的紅、綠、藍三分量信息并利用迭代傅里葉算法分別生成三幅全息圖，等比例設(shè)置焦距分別為fr=85.12cm，fg=67.48cm和fb=60cm的數(shù)字透鏡，灰度圖分別如附圖2，3和4所示，加載在紅、綠、藍三分量全息圖上的數(shù)字透鏡采樣區(qū)域中心位置坐標為（-4mm,-4mm），分別如附圖5，6和7所示；并且，接收光屏與各slm的有效距離為各slm加載數(shù)字透鏡的焦距，即slm分別位于分光棱鏡分光方向zr=45.12cm、zg=27.48cm和zb=20cm處，此時合光鏡與三個分光棱鏡的距離zl=20cm，接收光屏位于合光鏡合光方向z=20cm處；如附圖8所示，使用的光闌基板大小為30mm×25mm且厚度為1mm，位于光闌正中間的黑色掩膜尺寸為9mm×16mm；紅、綠、藍三色激光器分別經(jīng)過濾波器和準直透鏡后形成三束準直光束，三束準直光束依次通過分光棱鏡之后垂直照射在對應的加載了紅、綠、藍三分量信息和數(shù)字透鏡的slm上，經(jīng)過slm調(diào)制反射的三束光束經(jīng)過分光棱鏡和合光鏡合光之后形成彩色光束，并通過光闌，最終在接收光屏上得到無色差、無雜光的彩色再現(xiàn)像。