本發(fā)明涉及全息投影方法，尤其涉及一種無(wú)透鏡彩色全息投影方法。

背景技術(shù)：

全息投影技術(shù)是一種基于衍射光學(xué)原理的新型投影顯示技術(shù)。通常以具有高度相干性的激光作為光源，當(dāng)激光照射衍射光學(xué)元件(全息圖)后，經(jīng)過(guò)空間中的衍射傳播及干涉形成特定的投影圖像。全息投影技術(shù)通常具有對(duì)比度高，功耗低的特點(diǎn)，成為了未來(lái)投影顯示的理想技術(shù)。而全息圖通常在計(jì)算機(jī)中經(jīng)過(guò)程序化的數(shù)值計(jì)算生成，能夠?qū)ν队皥D像的距離和尺寸的靈活調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)的投影顯示設(shè)備中通常包含著很多透鏡或透鏡組，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)投影圖像的成像及縮放的作用。近年來(lái)，日本研究人員t.shimobaba和波蘭研究人員m.makowski共同提出了無(wú)透鏡全息投影方法。投影圖像可以直接通過(guò)全息圖在空間中的衍射傳播和干涉原理來(lái)進(jìn)行成像，因此成像過(guò)程不需要透鏡的參與。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)全息圖計(jì)算過(guò)程中的距離及圖像采樣率等參數(shù)，就可以控制投影圖像的距離及圖像的大小，不需要利用透鏡來(lái)進(jìn)行圖像的縮放控制，因此大大簡(jiǎn)化了投影設(shè)備的空間和體積。使得便攜式微型投影顯示成為了可能。

然而在全息投影中，由于所采用的激光光源是相干光，因此最終的投影圖像會(huì)伴隨著嚴(yán)重的散斑噪聲，大大影響了圖像的觀看質(zhì)量。m.makowski提出了采用時(shí)間平均的方法來(lái)消除散斑噪聲，但是該方法需要計(jì)算許多張(幾十張以上)全息圖，增加了全息圖的計(jì)算量，并且在投影彩色圖像時(shí)，由于紅綠藍(lán)分量的全息圖是分別依次順序加載，因此投影彩色圖像需要計(jì)算三倍數(shù)量的全息圖，而現(xiàn)有空間光調(diào)制設(shè)備的幀速無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)彩色投影的需求。j.liu等人提出了利用復(fù)振幅調(diào)制技術(shù)來(lái)減小散斑噪聲，并且結(jié)合波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)單張全息圖的彩色圖像投影，該方法可以得到高質(zhì)量的投影圖像，但是需要在投影系統(tǒng)中額外增加4f濾波系統(tǒng)，使得系統(tǒng)中存在大量透鏡，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。t.shimobaba提出了基于球面相位因子的全息圖計(jì)算方法，可以實(shí)現(xiàn)在無(wú)透鏡系統(tǒng)中的全息投影，并且通過(guò)控制投影圖像的相位分布使得散斑噪音得到了抑制，但是該方法由于同時(shí)存在零級(jí)和共軛衍射分量，限制了投影圖像的尺寸和可觀看性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提出一種基于雙步菲涅耳衍射算法、波長(zhǎng)復(fù)用相位編碼方法和空間濾波技術(shù)以解決傳統(tǒng)無(wú)透鏡全息投影方法中重建圖像含有散斑噪音以及彩色顯示幀頻速率較低等問(wèn)題的無(wú)透鏡彩色全息投影方法。

技術(shù)方案：一種無(wú)透鏡彩色全息投影方法，包括以下步驟：

(a)布設(shè)投影系統(tǒng)：將空間光調(diào)制器、光闌和屏幕依次布設(shè)于同一條直線上，在空間光調(diào)制器的另一側(cè)布設(shè)紅色激光器、綠色激光器和藍(lán)色激光器；空間光調(diào)制器所處的位置形成全息面，屏幕所處的位置形成投影成像面；所述空間光調(diào)制器和用于生成計(jì)算全息圖的計(jì)算機(jī)連接；

(b)確定光闌到空間光調(diào)制器的距離d：

d＝z·l·dx/(λr·z+l·dx)

其中，z為投影成像面到空間光調(diào)制器的距離；l為空間光調(diào)制器的最小邊長(zhǎng)；dx為空間光調(diào)制的像素間距；λr為紅色激光器發(fā)出的紅光的波長(zhǎng)；計(jì)算得到距離d后，將光闌放置在距空間光調(diào)制器距離d處；

(c)將彩色圖像分解成紅綠藍(lán)三基色分量圖像，針對(duì)每個(gè)rgb分量圖像，采用雙步菲涅耳衍射算法計(jì)算圖像到全息面的衍射，得到三張復(fù)振幅全息圖；具體步驟如下：

(c1)采用如下公式對(duì)分解后的rgb分量圖像分別施加與之對(duì)應(yīng)的會(huì)聚球面相位因子，得到三個(gè)復(fù)振幅圖像：

其中，or(x,y)，og(x,y)，ob(x,y)分別代表分解后的rgb分量圖像；o’r(x,y)，o’g(x,y)，o’b(x,y)分別代表施加了對(duì)應(yīng)的會(huì)聚球面相位因子后的復(fù)振幅圖像；λr，λg，λb分別代表紅綠藍(lán)三色激光的波長(zhǎng)；(x,y)代表圖像面上的坐標(biāo)；

(c2)利用如下公式分別計(jì)算光闌面上rgb分量的復(fù)振幅光場(chǎng)：

其中，mr(xm,ym)，mg(xm,ym)，mb(xm,ym)分別代表光闌面上rgb分量的復(fù)振幅；(xm,ym)代表光闌面上的坐標(biāo)；

(c3)利用如下公式分別計(jì)算得到rgb分量的三張復(fù)振幅全息圖：

其中，hr(u,v)，hg(u,v)，hb(u,v)分別代表rgb分量的復(fù)振幅全息圖；(u,v)代表全息面上的坐標(biāo)；

(d)采用波長(zhǎng)復(fù)用相位編碼方法將三張復(fù)振幅全息圖合成為一張相位型全息圖；

(e)通過(guò)計(jì)算機(jī)將該相位全息圖傳輸?shù)娇臻g光調(diào)制器中，并且用紅綠藍(lán)三色激光器分別以不同的角度照射空間光調(diào)制器，其中紅色激光以θr和角度照射空間光調(diào)制器，綠色激光以θg和角度照射空間光調(diào)制器，藍(lán)色激光以θb和角度照射空間光調(diào)制器；利用空間光調(diào)制器上的相位型全息圖將紅綠藍(lán)三基色的圖像通過(guò)光闌后投影到屏幕上，三基色圖像在屏幕上通過(guò)混合疊加后得到彩色圖像。

步驟(d)中，具體包括以下步驟：

(d1)針對(duì)每個(gè)rgb分量的復(fù)振幅全息圖，利用下式分別施加與之對(duì)應(yīng)的傾斜相位因子：

其中，θr，θg，θb表示與x軸的夾角；表示與y軸的夾角；

(d2)將三張施加傾斜相位因子之后的復(fù)振幅全息圖相加，合成為一張復(fù)振幅全息圖：h(u,v)＝h'r(u,v)+h'g(u,v)+h'b(u,v)；

(d3)利用相位編碼方法將復(fù)振幅全息圖h(u,v)編碼成為一張相位型全息圖p(u,v)。

所述相位編碼方法為閃耀光柵法、余弦光柵法或者雙相位分解法。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：1、本發(fā)明采用雙步菲涅爾衍射算法來(lái)計(jì)算紅綠藍(lán)三基色全息圖，并且結(jié)合空間無(wú)透鏡濾波技術(shù)來(lái)重建彩色圖像的復(fù)振幅信息，克服了傳統(tǒng)無(wú)透鏡全息顯示中圖像質(zhì)量和圖像尺寸的矛盾問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高清晰度和大尺寸的無(wú)透鏡彩色全息投影；2、本發(fā)明采用波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)來(lái)編碼相位型全息圖，使得生成的相位全息圖同時(shí)包含紅綠藍(lán)三基色圖像的信息，因此該相位全息圖可采用紅綠藍(lán)三基色光源同時(shí)照射來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色圖像的投影重建，其彩色圖像的顯示幀頻速度是rgb傳統(tǒng)時(shí)序顯示方法的三倍，提高了動(dòng)態(tài)彩色圖像的顯示幀頻速度，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)彩色全息投影。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的投影系統(tǒng)示意圖；

圖2為彩色投影圖像的相位型全息圖的計(jì)算流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步解釋，應(yīng)理解本實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的投影系統(tǒng)包括沿直線依次布設(shè)的空間光調(diào)制器1、光闌2和投影屏幕3，空間光調(diào)制器1所處的位置形成全息面，屏幕3所處的位置形成投影成像面，光闌2到空間光調(diào)制器1的距離為d；在空間光調(diào)制器1的另一側(cè)設(shè)有紅色激光器4、綠色激光器5和藍(lán)色激光器6；空間光調(diào)制器1通過(guò)數(shù)據(jù)線連接用于生成計(jì)算全息圖的計(jì)算機(jī)7。

本發(fā)明將經(jīng)過(guò)計(jì)算編碼后的相位型全息圖通過(guò)計(jì)算機(jī)7加載到空間光調(diào)制器1上，紅綠藍(lán)三色激光器分別以不同的角度照射空間光調(diào)制器1，分別經(jīng)過(guò)相位型全息圖的調(diào)制后，首先衍射傳播到光闌2上，在光闌平面，紅綠藍(lán)三色光波的波前重合成為一個(gè)亮點(diǎn)，調(diào)節(jié)光闌2的位置，使得光闌2的孔徑大小正好讓該重合的亮點(diǎn)通過(guò)，而將其它雜光信息阻擋掉，經(jīng)過(guò)濾波之后，三色光波繼續(xù)衍射傳播至投影屏幕平面3，在投影屏幕上，紅綠藍(lán)三色光波分別重建得到三個(gè)位置和尺寸大小完全一致的圖像，這三個(gè)重建圖像的強(qiáng)度在屏幕上經(jīng)過(guò)疊加之后混合得到最終的彩色圖像。

圖2所示為彩色投影圖像的相位型全息圖的計(jì)算流程示意圖；該計(jì)算由雙步菲涅耳衍射算法和波長(zhǎng)復(fù)用編碼方法組成；首先利用菲涅耳衍射公式來(lái)計(jì)算投影成像面上的光場(chǎng)到光闌面2的菲涅耳衍射，此為第一步，其次再計(jì)算光闌面2到全息面的菲涅耳衍射，此為第二步。綜合起來(lái)稱之為雙步菲涅耳衍射。由于圖像面3上的光場(chǎng)施加了會(huì)聚球面相位因子，因此衍射波前的傳播面積呈逐漸會(huì)聚的趨勢(shì)，最終在光闌面上會(huì)會(huì)聚為一個(gè)亮點(diǎn)，通過(guò)光闌面2后又會(huì)逐漸發(fā)散，最終衍射傳播到達(dá)全息面1。本發(fā)明中，彩色圖像首先分解為紅綠藍(lán)三基色圖像，每個(gè)單色圖像分別使用雙步菲涅耳衍射算法計(jì)算得到復(fù)振幅全息圖，將三個(gè)復(fù)振幅全息圖采用波長(zhǎng)復(fù)用編碼方法合成為一張相位型全息圖。

實(shí)施例：所用的彩色圖像的分辨率為1024×1024，像素間距為65微米，因此圖像尺寸為66.56mm×66.56mm?？臻g光調(diào)制器1采用德國(guó)holoeye公司生產(chǎn)的相位型空間光調(diào)制器，型號(hào)為holoeyepluto，分辨率為1920×1080，像素間距為8微米?？臻g光調(diào)制器1距離投影屏幕3的距離為1m，光闌距離空間光調(diào)制器的距離為d＝0.1m。采用的紅綠藍(lán)三色激光器的波長(zhǎng)分別為：紅光671nm，綠光532nm，藍(lán)光473nm，三個(gè)激光器發(fā)出的光波為經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后的平面波。

首先在計(jì)算機(jī)編程軟件中將彩色圖像分解為rgb三基色分量圖像，并且分別給三張圖像施加會(huì)聚球面相位因子，rgb分量圖像施加的球面相位因子分別為：紅色圖像施加球面相位因子綠色圖像施加球面相位因子藍(lán)色圖像施加球面相位因子然后采用圖2所示的雙步菲涅耳衍射算法分別計(jì)算rgb分量的復(fù)振幅全息圖。針對(duì)計(jì)算得到的rgb分量的復(fù)振幅全息圖，分別施加對(duì)應(yīng)的傾斜相位因子，rgb分量的復(fù)振幅全息圖施加的傾斜相位因子分別為：

紅色分量的復(fù)振幅全息圖施加傾斜相位因子：

綠色分量的復(fù)振幅全息圖施加傾斜相位因子：

藍(lán)色分量的復(fù)振幅全息圖施加傾斜相位因子：

將施加了傾斜相位因子之后的rgb分量的復(fù)振幅全息圖相加，合成為一張復(fù)振幅全息圖h(u,v)。

采用雙相位分解編碼技術(shù)將合成后的復(fù)振幅全息圖編碼成為相位型全息圖。編碼過(guò)程如下：首先提取復(fù)振幅全息圖的振幅信息和相位信息，振幅信息為amp(u,v)＝|h(u,v)|/|h(u,v)|max，相位信息為pha(u,v)＝arg[h(u,v)]，角標(biāo)“max”表示取最大值。根據(jù)振幅信息和相位信息計(jì)算得到兩個(gè)相位值，分別為：p1(u,v)＝pha(u,v)+cos^-1[amp(u,v)]，p2(u,v)＝pha(u,v)-cos^-1[amp(u,v)]。接下來(lái)建立兩個(gè)棋盤(pán)格圖像m1和m2，其建立方法由以下公式來(lái)確定：

兩個(gè)棋盤(pán)格相同位置的像素值是互補(bǔ)的。棋盤(pán)格圖像建立完成后，將兩個(gè)相位值和兩個(gè)棋盤(pán)格分別相乘后再相加得到最終合成后的一張相位型全息圖，其合成過(guò)程為：p(u,v)＝p1(u,v)·m1(u,v)+p2(u,v)·m2(u,v)。該編碼方法稱作雙相位編碼方法。最終生成的全息圖p為相位型全息圖。這里由復(fù)振幅全息圖h編碼為相位型全息圖p的方法還可以采用余弦光柵法、閃耀光柵法等其他已有的著名編碼方法。

將生成的相位型全息圖p通過(guò)計(jì)算機(jī)7加載到空間光調(diào)制器1中，然后用紅綠藍(lán)三色激光器以不同的角度同時(shí)照射空間光調(diào)制器1平面。其中紅色激光的照射角度為θr＝1.57°，綠色激光的照射角度為θg＝0°，藍(lán)色激光器的照射角度為θb＝-1.57°，rgb三色光波經(jīng)過(guò)相位全息圖調(diào)制后分別衍射傳播，其波前在光闌面2的相同位置分別形成一個(gè)會(huì)聚亮點(diǎn)，此時(shí)調(diào)整光闌的高度并且將光闌孔徑調(diào)節(jié)為3.3mm，使得會(huì)聚亮點(diǎn)恰好通過(guò)光闌而其他的信息被擋掉，經(jīng)過(guò)光闌濾波后的亮點(diǎn)繼續(xù)向前衍射傳播，最終在投影屏幕3上的相同位置分別重建得到同樣尺寸為66.56mm×66.56mm的rgb分量圖像，這三個(gè)重建圖像的強(qiáng)度在屏幕上經(jīng)過(guò)疊加之后混合得到最終的彩色圖像。