一种单空间光调制器实现彩色全息实时三维显示的方法

摘要

本发明公开了一种单空间光调制器实现彩色全息实时三维显示的方法。该方法是一种既能减小系统体积，又能实现计算加速的彩色全息三维显示方法。本发明与现有技术相比，本发明提出的技术方案中利用单个空间光调制器实现彩色全息3D显示，简化了系统，为彩色全息3D显示设备的小型化提供了一种有效的途径。

说明书

技术领域

本发明涉及全息显示技术领域，更具体涉及一种单空间光调制器 实现彩色全息实时三维显示的方法。

背景技术

在信息和科学技术飞速发展的今天，传统的显示技术已经无法满 足人的视觉需求。人们不仅追求更高的分辨率和更逼真的颜色效果， 同时也希望能在空间中给出与真实物体相同的三维立体(3D)显示。 3D显示可以表现出图像的层次感和深度感，可广泛应用于军事、教育、 影视娱乐以及医学等方面。计算全息3D投影显示能够完整记录和重建 三维物体的波前，提供人眼视觉系统所需的全部深度信息，故成为3D 显示领域的研究热点之一。

计算全息3D显示技术是全息术与计算机显示技术的有机结合。可 根据实现真彩色显示所需要LC-SLM的数量将计算全息彩色显示技术 分为两大类，一类需要三片LC-SLM，另一类则仅需一片LC-SLM就 可实现真彩色显示。

三片LC-SLMs实现真彩色：1994年Sato等日本学者分析了位相 型全息图的特性，并提出了利用三片SLM来实现彩色全息显示。该实 验系统包括三个SLM，利用合光元件将红、绿、蓝(RGB)三颜色分 量的再现像在空间合成，实现了全息彩色显示。但是该方案需要复杂 的光路设计以保证RGB三个通道的再现像精确地合在一起，这大大增 加了系统的体积。

单LC-SLM实现真彩色：为了降低系统的成本和复杂度，基于单 片LC-SLM的全息彩色显示方法成为了研究热点之一。目前基于单片 空间光调制器的彩色显示方法主要有时分复用法、空间分割法两种。

自2003年T.Shimobaba等日本学者提出了利用时分复用来现彩色 全息显示的方法至今，基于该方法的全息彩色显示技术研究已取得了 很大的进展。时分复用法又称为时间序列彩色显示方法，在同步控制 电路的控制下，RGB三色再现光按照一定的时序照射单片LC-SLM， 同时全息图也按照一定的时序加载到该LC-SLM中，接收屏上接收到 按时间序列显示RGB三色分量全息再现像。该方案要求空间光调制器 有较高的帧频速率，当速率达到一定程度后，人眼通过积分效应感觉 到一个时间合成的彩色图像。在该方案原理中，对于一种颜色分量来 说，其在时间轴上是有能量损失的，故其成像效果会受到一定的影响。 时间序列显示方法的优点表现为只需要一个信息承载介质器件即可实 现彩色显示，系统结构较为简单。但是该方法需要精确地控制RGB光 源的工作时间与加载对应RGB颜色分量全息图的同步性，这对加载全 息图的硬件在响应速度上有较高的要求。

2004年日本学者I.Tomoyoshi等提出了一种采用空间分割的方式 来实现真彩色显示。该系统利用RGB三色LED合成多色光源，然后 以不同的角度同时照射在单片LC-SLM上实现了三维真彩色全息显 示。该研究组于2011年又对该系统进行了改进，但该系统在计算全息 图时利用了迭代算法进行优化，难以达到实时显示的效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是提供一种既能减小系统体积，又能实 现计算加速的彩色全息三维显示方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种彩色全息实时三维显示 的方法，其步骤如下：

第一步：将物面的3D彩色物体分为红、绿、蓝三个分量，并分别 经空间自由传播到达全息图面，物面的原点到全息面的原点距离为z；

第二步：RGB三束平面参考光分别以不同的角度照射在全息面，分 别与其对应的物光颜色分量发生干涉得到三张全息图，即红色参考光 与物光红色分量发生干涉得到H₁(x,y,z)，绿色参考光与物光绿色分量发 生干涉得到H₂(x,y,z)，蓝色参考光与物光蓝色分量发生干涉得到 H₃(x,y,z)；

第三步：将不同颜色分量与其对应参考光干涉形成全息图叠加形成 一张全息图，然后在全息图上加一个y轴方向倾斜相位因子，表达式 可写为：

其中，其中k_i＝2π/λ_i，λ_i为波长，ψ为y轴方向的倾斜角度，它在图像 重建的过程中可以使空间光调制器的零级衍射光发生偏移，A(x,y)代表 全息图的振幅分布，代表全息图的位相分布；

第四步：将振幅分布进行归一化处理，然后与位相进行相乘得到最 终的全息图，

进一步，将得到的全息图加载到单空间光调制器中，然后RGB三 束再现光分别以记录时的角度照射在全息图上，在距离物面得到彩色 图像。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比，本发明提出的技术方案中利用单个空间 光调制器实现彩色全息3D显示，简化了系统，为彩色全息3D显示设 备的小型化提供了一种有效的途径。

我们的程序是在一台内核为2.6GHz的PC机上运行的，采用的软 件为Matlab2011b。对于传统的彩色全息图计算，一般是将原彩色图像 分为RGB三色分量，然后分别计算生成对应的全息图。如果不经迭代 优化，利用角谱法计算三张1080×1080像素的全息图共需1.7秒左右， 但是如此重建的彩色图像质量很不好。为了改善图像质量，一般利用 迭代的算法对全息图进行优化，但这样会十分的耗时。而利用我们的 方法计算一张1080×1080像素的全息图只需要1.3秒左右就可以了， 而且重建图像的质量很高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明全息图记录过程示意图；

图2是本发明3D彩色物体再现过程示意图；

图3是本发明全彩色全息显示系统结构示意图；

图4是本发明3D彩色物体的全息图生成过程示意图；

图5是本发明彩色3D物体光学再现结果图，其中(a)聚焦在 “RMB”，(b)，聚焦在“YGC”。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。 以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明可以利用单个空间光调制器实现真彩色全息三维显示，大 大减小了彩色全息三维显示系统的体积；同时并通过解析的方法得到 最终的全息图，不需要迭代算法对全息图进行优化，从而大大的节省 了计算全息图的时间。

计算全息图的计算生成过程的过程如图1所示。

第一步：将物面的3D彩色物体分为红、绿、蓝三个分量，并分别 经空间自由传播到达全息图面，物面的原点到全息面的原点距离为z；

第二步：RGB三束平面参考光分别以不同的角度照射在全息面，分 别与其对应的物光颜色分量发生干涉得到三张全息图，即红色参考光 与物光红色分量发生干涉得到H₁(x,y,z)，绿色参考光与物光绿色分量发 生干涉得到H₂(x,y,z)，蓝色参考光与物光蓝色分量发生干涉得到 H₃(x,y,z)；

第三步：将不同颜色分量与其对应参考光干涉形成全息图叠加形成 一张全息图，然后在全息图上加一个y轴方向倾斜相位因子，表达式 可写为：

其中，其中k_i＝2π/λ_i，λ_i为波长，ψ为y轴方向的倾斜角度，它在图像 重建的过程中可以使空间光调制器的零级衍射光发生偏移，A(x,y)代表 全息图的振幅分布，代表全息图的位相分布；

第四步：将振幅分布进行归一化处理，然后与位相进行相乘得到最 终的全息图，

重建3D彩色物体的过程如图2所示。

将得到的全息图加载到空间光调制器中，然后RGB三束再现光分 别以记录时的角度照射在全息图上，在距离物面可以得到我们想要的 彩色图像。

构建一个简单的彩色三维物体，利用上述原理计算全息图并加 载到空间光调制器上，使空间光调制器重现出的彩色全息3D像。全彩 色全息显示系统结构如图3所示，图中BS为半反半透镜，SLM为反 射型的纯位相液晶空间光调制器。三色激光分别由三个耦合器耦合输 出平面光波，并且它们以不同的角度同时照射在空间光调制器上。重 建的彩色图像经过一个BS反射到输出平面，利用CCD探测器用来记 录实验结果。

下面用实施例进一步说明本发明。

我们假设这个3D物体是由前后两张图片(均为1024×1024像素) 组成，距全息面的距离分别是z1＝650mm和z2＝500mm。全息图大小 8.64mm×8.64mm，像素数为1080×1080，全息面采样间隔为8.0μm ×8.0μm，红、绿、蓝三种记录激光的波长仍分别为λ_R＝671nm，λ _G＝532nm，λ_B＝473nm，参考光红光和蓝光的入射角分别为2°和-2 °，绿光入射角为0°。利用我们提出的方法计算得到最终的全息图， 全息图生成过程如图4所示。并把它加载到空间光调制器中。当RGB 三色激光从不同的角度同时入射时，我们便可以在输出面得到再现的 三维物体，见图5(a)，聚焦在“RMB”，5(b)，聚焦在“YGC”。从 而可见，彩色3D物体被比较清晰的再现出来。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本 发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。