專利名稱：全息圖生成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學成像領域，尤其涉及一種新穎的全息圖生成方法。
技術背景
全息圖及全息投影在我們的日常生活及工作生產(chǎn)中有著廣泛的應用前景。其可用于圖像顯示、對象識別的相關器、通訊、光刻等領域。尤其在顯示領域，全息投影技術有著突出的優(yōu)勢，例如其對于入射光能的利用效率遠高于現(xiàn)有技術，且從根本原理上保證產(chǎn)生的圖像永不會有壞點?，F(xiàn)代電子光調制芯片如光學引擎(Liquid Crystal on Silicon)、數(shù)字微鏡(Digital Micromirror Device)等設備的發(fā)展無疑為其大規(guī)模應用打下了基礎。但是困擾計算機生成全息圖的一大問題是由于量化過程產(chǎn)生的嚴重噪聲。傳統(tǒng)的解決方法是利用蓋師貝格-撒克斯通(Gerctiberg-^ixton)、模擬退火(simulated annealing)，直接二元搜索(direct binary search)及其衍生的方法來提高單幀圖像質量，減小噪聲。蓋師貝格-撒克斯通通過精煉相位來提高圖像質量，模擬退火(simulated annealing)，直接二元搜索(direct binary search)都是搜索算法，其共同的缺點是效果受迭代次數(shù)影響，運算量過大，根本無法應用于實時顯示等對運算速度有要求的領域。且接近一定極限后增加迭代次數(shù)再也無法有效減小噪聲。此外，專利CN100595698和專利CN101310225中介紹了通過在短時間內快速迭加子幀，從而消除一定時間內整體噪聲的技術。結合先前所述的單幀圖像相位精煉的方法，其效果可分別達到單幀圖像噪聲方差的1/N和1/N2，N為疊加的子幀數(shù)量，但實際中其效果仍不夠理想，技術上還有待提高。發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術的上述不足，本發(fā)明的發(fā)明人開發(fā)出了一種新穎的全息圖生成方法。
具體地，本發(fā)明提出了一種全息圖生成方法，包括
a)對目標圖像進行相位分布計算，以獲得第一振幅相位分布；
b)基于所述第一振幅相位分布進行全息變換，以獲得第一全息圖，其中通過衍射效應(實際中，使用計算機模擬物理上衍射效應，即相應的逆全息變換)能從該第一全息圖像獲得第一還原圖像；
c)基于所述目標圖像和第一還原圖像之間的像差以及所述第一振幅相位分布來確定第二振幅相位分布；
d)基于所述第二振幅相位分布進行全息變換，以獲得第二全息圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在上述全息圖生成方法中，所述基于所述目標圖像和第一還原圖像之間的像差以及所述第一振幅相位分布來確定第二振幅相位分布的步驟進一步包括基于所述第一還原圖像和所述第一振幅相位分布計算一彌補強度；以及基于所述彌補強度和所述第一振幅相位分布來計算所述第二振幅相位分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在上述全息圖生成方法中，通過所述第二全息圖像可以獲得一第二還原圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在上述全息圖生成方法中，所述全息變換為傅里葉變換、快速傅里葉變換、分數(shù)傅里葉變換、角頻譜空間傳播方法或波導變換。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，上述全息圖生成方法還可以包括設定一迭代次數(shù)M，所述迭代次數(shù)是大于2的自然數(shù)；在所述步驟d)之后迭代執(zhí)行基于像差和前一振幅相位分布來確定后一振幅相位分布的步驟以及基于所述后一振幅相位分布進行全息變換以獲得后一全息圖像的步驟M次。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，上述全息圖生成方法還可以包括在所述步驟a) 之前，對目標圖像進行蓋師貝格-撒克斯通、劉-泰戈、模擬退火或直接二元搜索等，以提煉出優(yōu)化相位；以及在步驟b)中，用所述優(yōu)化相位替代所述第一振幅相位分布的相位分量。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在上述全息圖生成方法中，所述第二振幅相位分布通過以所述目標圖像和第一還原圖像之間的像差為反饋改變所述第一振幅相位分布的振幅，以使所述第二還原圖像與所述目標圖像之間的像差小于所述第一還原圖像與所述目標圖像之間的像差。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種全息圖生成方法，包括
a)輸入一圖像，該圖像由N個子幀疊加構成；
b)將所述N個子幀中的每一個作為目標圖像分別執(zhí)行如權利要求1所述的全息圖生成方法，以獲得所述每一個子幀的全息圖像；以及
c)將所述每一個子幀的全息圖像進行疊加，以獲得所述圖像的全息圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在上述全息圖生成方法中，所述N個子幀依次排序，且下一子幀的能量分布基于前面所有子幀的能量分布而確定。
綜上，本發(fā)明從根本上開辟了一條全新的計算全息圖像差糾正的道路，不同于過去的相位精煉方法，本發(fā)明通過強度彌補的方法可大大減小結果中的噪聲。一幀經(jīng)過成千上萬次精煉相位法迭代運算，噪聲已無法再減小的相位調制全息圖，只需再經(jīng)過一次強度彌補運算，其噪聲的方差可再減為原來的1/a。a與量化的相位元數(shù)有關。例如，經(jīng)過實驗證明，對于二元相位調制，經(jīng)過一次強度彌補后a約為2，即噪聲方差減為原來的1/2，對于十六元相位調制，經(jīng)過一次強度彌補后a大約4. 2，即噪聲方差減為原來的1/4. 2。對于更高元的相位調制，圖像質量還將有更大程度的提高。如果用多次迭代的方法精煉強度，則圖像質量將會有近一步提高。1
此外，結合一定時間內迭加子幀的方法，強度彌補法可將噪聲方差減至^T其中N為疊加的子幀數(shù)量，％為經(jīng)N個子幀迭代后噪聲降低的比率。例如，經(jīng)過實驗證明， 對于二元相位調制，當N = 6時％ = 3. 2，則其整體噪聲方差為原來的1/115，若采用專利 CN100595698和專利CN101310225中的方法，此數(shù)值分別為1/6和1/36。對于十六元相位調制，當N = 6時ει6 = 16，則其整體噪聲方差為原來的1/576，若采用專利CN100595698和專利CN101310225中的方法，此數(shù)值仍為1/6和1/36。相似的，對于更高元的相位調制，圖像質量還將有更大程度的提高。
應當理解，本發(fā)明以上的一般性描述和以下的詳細描述都是示例性和說明性的， 并且旨在為如權利要求所述的本發(fā)明提供進一步的解釋。


包括附圖是為提供對本發(fā)明進一步的理解，它們被收錄并構成本申請的一部分， 附圖示出了本發(fā)明的實施例，并與本說明書一起起到解釋本發(fā)明原理的作用。附圖中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的全息圖生成方法的主要步驟的流程圖。
圖2示意性地示出了本發(fā)明的全息圖生成方法(強度彌補技術)的基本圖像處理過程。
具體實施方式
現(xiàn)在將詳細參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
在現(xiàn)有技術的計算機全息圖生成方法中，假設目標圖像的能量(即強度， intensity)分布為I (x，y)，x，y為圖像中象素點的坐標，可簡記為I，則目標圖像的振幅分布為V7。為了能使計算后的全息圖能量平均分布，在做相應的數(shù)學變換之前需對V7添加相位分布，使r(x，>0 =*emx^y),簡記為T，其中i為虛數(shù)符號，Φ (χ, y)為相位分布，簡記為Φ，一般可以取隨機分布。相應的全息圖為Μ{Τ}，其中Μ{}為相應的數(shù)學變換。例如， 對于成像區(qū)域為夫瑯禾費衍射(Franhofer Diffraction)區(qū)域，M{}為傅立葉變換或快速傅立葉變換，對于成像區(qū)域為菲涅爾衍射(Fresnel Diffraction)區(qū)域，M{}為分數(shù)傅立葉變換(對于成像區(qū)為特定距離的衍射，M{}為角頻譜空間傳播方法)。對于楔形波導則M{} 為專利申請201010191189. 9中描述的波導變換?？傊?，對應與不同類型的全息圖，M{}為相應的數(shù)學變換。由于現(xiàn)有電子空間光調制器件(Spatial Light Modulator) 一般都為數(shù)字器件，生成的全息圖需經(jīng)過量化轉換為數(shù)字信號后方能在其上顯示，記量化后的全息圖為H(x，y) =0信{10^，一}}，簡記為!1，其中0{}為量化算符，其可根據(jù)器件情況取M{T}的振幅或相位之一進行量化，量化的元數(shù)也視具體器件設備而定。例如采用二元振幅調制，二元相位調制，十六元相位調制等等。
為了用計算機模擬全息圖H在實際中的顯示效果并計算量化產(chǎn)生的像差，可以定義M-1H為相應全息圖生成法的逆變換，例如傅立葉逆變換、分數(shù)傅立葉逆變換、波導逆變換等等。實際中，全息圖的顯示域(I^play field)所顯示圖像振幅及相位分布SM-1IHU 由于人眼及現(xiàn)有的檢測器件只能識別光強，而無法識別相位信息，所以最后看到的圖像為 I1(Ly) = iMlHky)} |2，簡記為I115由于量化過程Q{}的存在，因此I1乒I?？蓪1表EQf —-示為I1= α T2+ε，其中 ^〗(x，y) E為輸入的總能量(可通過光源調節(jié))，fI(x，y)為X, V目標圖像的總能量，α為放大因子，即輸入圖像的能量被放大了 α倍。ε為由于量化過程及硬件系統(tǒng)本身產(chǎn)生的誤差，若使用隨機相位作為初始相位，則ε為隨機分布。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的全息圖生成方法的主要步驟的流程圖。圖2示意性地示出了本發(fā)明的全息圖生成方法(強度彌補技術)的基本圖像處理過程?？梢詤⒄請D2的表示來理解圖1的各項步驟。
如圖1所示，本發(fā)明的全息圖生成方法可以包括對目標圖像進行相位分布計算， 以獲得第一振幅相位分布Tl (步驟101)；基于該第一振幅相位分布進行全息變換，以獲得第一全息圖H1，其中通過衍射效應(計算機運算時通過相應的逆變換模擬)能從該第一全息圖像獲得第一還原圖像Il (步驟102)；基于目標圖像和第一還原圖像之間的像差以及第一振幅相位分布來確定第二振幅相位分布T2 (步驟10 ；基于第二振幅相位分布進行全息變換(步驟104)，以獲得第二全息圖像H2(步驟10 ；通過第二全息圖像H2獲得一第二還原圖像12(步驟IO6)。
結合先前的描述，若假定目標圖像為I，則定義第一振幅相位分布Tl(X^y) =，其中^/7^為振幅，其平方即為光強分布，eJtC為相位分布，其不直接影響人眼觀看效果，但通過調制相位，卻可以改變全息圖)，i為虛數(shù)符號，Φ (x, y)為相位，則經(jīng)過變換后可得全息圖SH1(Xd) = Q(MIT1O^y)H。而其在顯示域上所顯示的圖像為I1U, y) = I Μ"1 (H1 (x, y)} |2 = QjT1I^e10根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明進一步根據(jù)I和Il 之間的像差來進一步確定一第二振幅相位分布T2。換言之，該第二振幅相位分布T2通過以目標圖像I和第一還原圖像Il之間的像差為反饋改變第一振幅相位分布Tl的振幅，以使經(jīng)步驟105所獲得的第二全息圖像H2進一步獲得的第二還原圖像12與目標圖像I之間的像差小于第一還原圖像Il與目標圖像I之間的像差。實際上，本發(fā)明的核心思想之一就在于通過改變目標圖像的強度分布(振幅分布改變，強度分布I = IT2I也跟著改變)來更好地還原圖像。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，如圖1所示，上述基于目標圖像和第一還原圖像之間的像差以及第一振幅相位分布來確定第二振幅相位分布的步驟(步驟10 進一步包括基于第一還原圖像Il和第一振幅相位分布Tl計算一彌補強度(步驟103a)；以及基于彌補強度和第一振幅相位分布Tl來計算第二振幅相位分布T2(步驟103b)。例如，可以假定彌補強度為ε ‘ ”其直接影響最終成像質量。作為示例，一種可行的取法為令ε ‘ !(x, y) = ei(x,y) = I1(Xjy)-Q1IT1 (x,y) I2。進而，可以利用該彌補強度來修正Tl以獲得T2， 然后將T2作為目標圖像的振幅和相位分布進行運算。實踐證明，經(jīng)強度彌補后誤差的方差減小，量化時元數(shù)越多，強度彌補對于圖像質量的修正越好。
如前所述，上述的全息變換可以是傅里葉變換、快速傅里葉變換、分數(shù)傅里葉變換、角頻譜空間傳播方法或者波導變換等等。
此外，本發(fā)明的上述全息圖生成方法(強度彌補技術)也可以進一步執(zhí)行迭代運算，以精煉目標圖像振幅。即，可以設定一迭代次數(shù)M,該迭代次數(shù)是大于2的自然數(shù)，進而在獲得第二全息圖H2進而獲得還原圖像12之后，可以將上述步驟103-105迭代執(zhí)行M次。 即，可以用新生成的12代替圖1步驟中的還原圖象Il (目標圖象I = Tl2，始終不變。12替代的是還原圖象II)。在一優(yōu)選方案中，ε ‘ μ的取法將直接影響最終的成像質量，因此其運算方法非常的重要。例如，一種取法為=Ii1-^vA2ο
例如，該迭代方法可以包括如下幾個步驟
1.輸入目標圖像I (X，y)，相位Φ (χ, y)，設定迭代次數(shù)Μ(Μ彡2)，計算
權利要求
1.一種全息圖生成方法，包括a)對目標圖像進行相位分布計算，以獲得第一振幅相位分布；b)基于所述第一振幅相位分布進行全息變換，以獲得第一全息圖，其中通過衍射效應能從該第一全息圖像獲得第一還原圖像；c)基于所述目標圖像和第一還原圖像之間的像差以及所述第一振幅相位分布來確定第二振幅相位分布；d)基于所述第二振幅相位分布進行全息變換，以獲得第二全息圖像。
2.如權利要求1所述的全息圖生成方法，其特征在于，所述基于所述目標圖像和第一還原圖像之間的像差以及所述第一振幅相位分布來確定第二振幅相位分布的步驟進一步包括基于所述第一還原圖像和所述第一振幅相位分布計算一彌補強度；以及基于所述彌補強度和所述第一振幅相位分布來計算所述第二振幅相位分布。
3.如權利要求1所述的全息圖生成方法，其特征在于，通過所述第二全息圖像獲得一第二還原圖像。
4.如權利要求1所述的全息圖生成方法，其特征在于，所述全息變換為傅里葉變換、快速傅里葉變換、分數(shù)傅里葉變換、角頻譜空間傳播方法或波導變換。
5.如權利要求1所述的全息圖生成方法，其特征在于，還包括設定一迭代次數(shù)M，所述迭代次數(shù)是大于2的自然數(shù)；在所述步驟d)之后迭代執(zhí)行基于像差和目標圖像來確定后一振幅相位分布的步驟以及基于所述后一振幅相位分布進行全息變換以獲得后一全息圖像的步驟M次。
6.如權利要求1所述的全息圖生成方法，其特征在于，還包括在所述步驟a)之前，對目標圖像進行蓋師貝格-撒克斯通、劉-泰戈、模擬退火或直接二元搜索，以提煉出優(yōu)化相位；以及在步驟b)中，用所述優(yōu)化相位替代所述第一振幅相位分布的相位分量。
7.如權利要求3所述的全息圖生成方法，其特征在于，后一振幅相位分布通過以所述目標圖像和前一還原圖像之間的像差為反饋改變所述前一振幅相位分布的振幅，以使所述后一還原圖像與所述目標圖像之間的像差小于所述前一還原圖像與所述目標圖像之間的像差。
8.—種全息圖生成方法，包括a)輸入一圖像，該圖像由N個子幀疊加構成，其中N是大于1的自然數(shù)；b)將所述N個子幀中的每一個作為目標圖像分別執(zhí)行如權利要求1所述的全息圖生成方法，以獲得所述每一個子幀的全息圖像；以及c)將所述每一個子幀的全息圖像進行疊加，以獲得所述圖像的全息圖像。
9.如權利要求8所述的全息圖生成方法，其特征在于，所述N個子幀依次排序，且下一子幀的能量分布基于前面所有子幀的能量分布而確定。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種全息圖生成方法，包括a)對目標圖像進行相位分布計算，以獲得第一振幅相位分布；b)基于所述第一振幅相位分布進行全息變換，以獲得第一全息圖，其中通過衍射效應能從該第一全息圖像獲得第一還原圖像；c)基于所述目標圖像和第一還原圖像之間的像差以及所述第一振幅相位分布來確定第二振幅相位分布；d)基于所述第二振幅相位分布進行全息變換，以獲得第二全息圖像。本發(fā)明開辟了一條全新的計算全息圖像差糾正的道路，通過強度彌補的方法可大大減小結果中的噪聲。
文檔編號G06T5/00GK102542581SQ20101059597
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月18日 優(yōu)先權日2010年12月18日
發(fā)明者談順毅 申請人:談順毅