真彩色三维物体全息显示方法及装置

摘要

本发明涉及一种真彩色三维物体全息显示方法及装置。本方法是通过将真彩色3D物体的彩像信息分解为RGB三基色颜色信息，包括各颜色分量幅值信息和深度信息，根据3D物体的深度信息和各颜色分量的幅值信息计算3D物体各颜色分量相对应的多阶位相型相息图；将各颜色分量相息图构成的图像序列在同步控制器的控制下分别输出至具有位相调制能力的三个空间光调制器，并采用相应颜色的相干光照明该三个空间光调制器中所承载的相息图，经过相息图调制后的光束再现出原真彩色3D物体RGB各颜色分量信息，该信息经过融合后获得真彩色3D物体的全息真彩色再现效果。基于反射式和透射式位相型空间光调制器，本发明设计了多种装置，并给出了光电再现装置中关键器件的位置关系设定方法。本发明可以用于静态或者动态的真彩色3D物体或场景的全息显示。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用计算全息技术结合数字全息光电再现技术实现真彩色三维(3D)立体显示的方法与装置，属于全息显示技术领域。

背景技术

全息技术可以在空间再现出真实的3D立体影像，能够满足所有视觉感知功能，是一种较理想的3D立体显示技术。然而，基于传统的胶片记录及再现的全息显示方式由于记录和处理过程较为繁琐，且难以实现动态显示，导致其在3D立体显示领域的发展受到一定限制。而计算全息技术因其具有低噪声、可重复性好的特点，且适宜于虚拟物体的全息图计算，因此近年来发展迅速。

随着CCD、空间光调制器件(SLM)等元器件的不断更新换代，以及计算全息技术的兴起，基于SLM的数字全息3D显示技术的研究受到越来越多的关注。在科学数据可视化、多媒体显示、虚拟现实、快速虚拟成型等3D立体显示领域，该技术因具有实时性好的特点，具有独特的优势。然而，现有的基于SLM的数字全息显示技术多数针对单色物体的全息再现。另外，在已有的针对彩色物体的全息图计算和再现方法的研究中，多数为针对二维(2D)彩色图像的全息显示，难以实现3D空间的真彩色全息显示。在现有的少数针对3D真彩色物体的计算方法和再现系统中，由于采用的计算算法复杂，且再现过程存在零级斑、共轭像、衍射效率低以及色差等因素的影响，其全息再现像的质量还不足以获得良好的真彩色3D显示效果。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种真彩色三维物体全息显示及装置，以获得真彩色3D物体的空间再现影像。

为达到上述目的，本发明的构思是：对于3D真彩色物体或场景，根据菲涅耳衍射理论，计算各颜色分量的位相型全息图(相息图)。将相息图传输到位相型空间光调制器上，对相干光进行调制，则可在自由空间获得全息再现像，将真彩色物体各个颜色分量的全息光电再现像进行融合，从而获得真彩色的3D全息再现像。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种真彩色三维物体全息显示方法，其特征在于操作步骤如下：①将真彩色3D物体的根据色度学原理分解为红、绿、蓝(RGB)三种颜色分量，每种颜色分量的信息分别包含对应的幅值信息和深度信息；②通过菲涅耳标量衍射理论和随机位相相息图计算方法，计算每种颜色分量的相息图；③将RGB各分量相息图构成的序列图像，即CGH序列，通过同步控制同时输出至三个位相型空间光调制器，并采用相应颜色的激光照明这三个空间光调制器，来自三个空间光调制器的RGB分量再现像在自由空间融合而成真彩色3D物体的真彩色再现像。

所述的真彩色物体可以是静止或动态的3D物体或3D场景。

所述的相息图计算方法是：各颜色分量物体每层物波上加载随机位相因子，这些随机位相因子的取值范围为[0，2π]，且满足统一分布。然后根据菲涅耳标量衍射理论计算各分层物面在全息面处的复振幅分布，并各层复振幅相加获得合成复振幅。然后计算合成复振幅的位相并进行多阶量化编码(动态范围：0～2π)，从而获得与各颜色分量相对应的多阶位相型分布的相息图。

上述步骤①中的真彩色3D物体为静止或动态的3D物体或3D场景。

上述RGB三种颜色分量相息图的采样间隔和像素总量相同。

上述步骤②中的真彩色3D物体的RGB各颜色分量相息图均通过如下计算方法获得：将物体沿纵深方向分成若干层，并根据实际全息图显示距离要求设定再现距离；在各层物面加入随机位相因子，这些随机位相取值范围为[0，2π]，且满足统一分布；根据菲涅耳标量衍射理论计算各分层物面在全息面的复振幅分布；将各分层物面的复振幅相加，获得合成复振幅；计算获得该合成复振幅的位相，并根据空间光调制器的位相调制曲线进行[0，2π]的多阶量化编码，从而获得相息图；根据步骤重新产生各层物面的随机位相因子，重复步骤以产生若干幅具有不同位相分布的相息图。

上述步骤中的根据实际全息图显示距离要求设定再现距离是：RGB三种颜色分量的计算全息图的记录距离与波长成反比。

上述步骤③中的同步控制器所控制的是在同一时间将三个颜色分量相息图分别传输到对应的三个空间光调制器，即：红色分量相息图传输到对红色激光调制的空间光调制器上，绿色分量相息图传输到对绿色激光调制的空间光调制器上，蓝色分量相息图传输到对蓝色激光调制的空间光调制器上。

上述步骤③中通过对三个空间光调制器上的相息图进行快速同步更新，以抑制再现像的散斑噪声。

上述步骤③中的激光照明是采用红、绿、蓝三种颜色的激光同时分别照射三个空间光调制器，或通过计算机控制快速地切换RGB激光器输出激光的波长，分时地照射到三个空间光调制器。

一种真彩色3D物体全息显示装置：由RGB激光器(或三种颜色的激光器)、扩束准直器、分光镜、平面反射镜、窄带滤波片、偏振片、透射式(或反射式)位相型空间光调制器等组成。所述的RGB激光器可以分时出射三基色激光束；三个激光器是为了提供三个波长的激光束；扩束准直器是为了获得扩束后具有合适扩散角的激光束；分光镜、平面反射镜的是为了将光束进行分束和转向，构成三个独立光路；各窄带滤波片是为了获得三个单波长的激光束；各偏振片是为了结合空间光调制器，获得纯位相的光调制模式；空间光调制器是为了承载计算全息图，实现对激光束的调制，获得成像光束。

所述的真彩色3D物体全息显示装置的具体形式之一是：由一个RGB激光器、一个扩束准直器、四个分光镜、两个平面反射镜、一个红光窄带滤波片、一个绿光窄带滤波片、一个蓝光窄带滤波片、六个偏振片、三个透射式位相型空间光调制器等组成。其中，RGB激光器发出的三色激光束，经过扩束准直器后，经过分光镜和反射镜的作用，将光束分成三束，并分别经过与各自颜色匹配的窄带滤波片和偏振片，由透射式位相型空间光调制器对入射光束进行调制，调制后的光束经过反射镜、分光镜后合在一起，RGB各颜色分量再现像通过色彩融合，获得真彩色3D物体的真彩色再现像。

所述的真彩色3D物体全息显示装置的具体形式之二是：由一个红色激光器、一个绿色激光器、一个蓝色激光器、三个扩束准直器、二个分光镜、一个平面反射镜、六个偏振片、三个透射式位相型空间光调制器等组成。其中，三种颜色的激光器发射的激光束，分别经过扩束准直器及偏振片后，入射到透射式位相型空间光调制器，调制后的光束经过反射镜、分光镜后合在一起，RGB各颜色分量再现像通过色彩融合，获得真彩色3D物体的真彩色再现像。

所述的真彩色3D物体全息显示装置的具体形式之三是：由一个RGB激光器、一个扩束准直器、五个分光镜、一个平面反射镜、一个红光窄带滤波片、一个绿光窄带滤波片、一个蓝光窄带滤波片、三个偏振片、三个反射式位相型空间光调制器等组成。其中，RGB激光器发出的三色激光束，经过扩束准直器后，经过分光镜和反射镜的作用，将光束分成三束，并分别经过与各自颜色匹配的窄带滤波片和偏振片，由反射式位相型空间光调制器对入射光束进行调制，调制后的光束经过分光镜后合在一起，RGB各颜色分量再现像通过色彩融合，获得真彩色3D物体的真彩色再现像。

所述的真彩色3D物体全息显示装置的具体形式之四是：一个红色激光器、一个绿色激光器、一个蓝色激光器、三个扩束准直器、三个分光镜、三个偏振片、三个透射式位相型空间光调制器等组成。其中，三种颜色的激光器发射的激光束，分别经过扩束准直器及偏振片后，由反射式位相型空间光调制器对入射光束进行调制，调制后的光束经过分光镜后合在一起，RGB各颜色分量再现像通过色彩融合，获得真彩色3D物体的真彩色再现像。

本发明与现有显示方法和装置相比相比较，具有如下突出实质性特征和显著优点：

1)基于本发明的计算全息方法所生成的计算全息图，其光电再现时具有光能利用效率高、无共轭像、噪声低等优点；

2)发明的全息显示方法的特点是：该方法适用于真彩色3D物体的全息图计算和全息光电再现，包括静止或动态的真彩色3D物体(或3D场景)。

3)本发明的全息显示装置采用三个位相型空间光调制器分别再现真彩色3D物体的RGB三基色分量信息，并使成像区域RGB各分量再现像的空间位置精确重合以及各分量的色彩信息准确融合。

附图说明

图1示出了本发明的真彩色3D物体全息显示方法的总体框图。

图2示出了本发明装置的具体形式之一的示意图。

图3示出了本发明装置的具体形式之二的示意图。

图4示出了本发明装置的具体形式之三的示意图。

图5示出了本发明装置的具体形式之四的示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

本真彩色3D物体全息显示方法，如附图1所示，具体操作步骤是：①将真彩色三维物体的彩像信息根据色度学原理分解为红、绿、蓝(RGB)三种颜色分量，每种颜色分量的信息分别包含对应的幅值信息和深度信息；②通过菲涅耳标量衍射理论和随机位相相息图计算方法，计算每种颜色分量的相息图；③将RGB各分量相息图构成的序列图像，通过同步控制同时输出至三个位相型空间光调制器，并辅以相应颜色的激光照明；④由接收屏接收来自三个空间光调制器的RGB各分量再现像，从而在空间融合而成真彩色3D物体的真彩色再现像。

上述步骤①中的真彩色3D物体为静止或动态的3D物体或3D场景。

上述RGB三种颜色分量相息图的采样间隔和像素总量相同。

上述步骤②中的真彩色3D物体的RGB各颜色分量相息图均通过如下计算方法获得：将物体沿纵深方向分成若干层，并根据实际全息图显示距离要求设定再现距离；在各层物面加入随机位相因子，这些随机位相取值范围为[0，2π]，且满足统一分布；根据菲涅耳标量衍射理论计算各分层物面在全息面的复振幅分布；将各分层物面的复振幅相加，获得合成复振幅；计算获得该合成复振幅的位相，并根据空间光调制器的位相调制曲线进行[0，2π]的多阶量化编码，从而获得相息图；根据步骤重新产生各层物面的随机位相因子，重复步骤以产生若干幅具有不同位相分布的相息图。

上述步骤中的根据实际全息图显示距离要求设定再现距离是：RGB三种颜色分量的计算全息图的记录距离与波长成反比。

上述步骤③中的同步控制器所控制的是在同一时间将三个颜色分量相息图分别传输到对应的三个空间光调制器，即：红色分量相息图传输到对红色激光调制的空间光调制器上，绿色分量相息图传输到对绿色激光调制的空间光调制器上，蓝色分量相息图传输到对蓝色激光调制的空间光调制器上。

上述步骤③中通过对三个空间光调制器上的相息图进行快速同步更新，以抑制再现像的散斑噪声。

上述步骤③中的激光照明是采用红、绿、蓝三种颜色的激光同时分别照射三个空间光调制器，或通过计算机控制快速地切换RGB激光器输出激光的波长，分时地照射到三个空间光调制器。

在本说明书各附图中，采用相同的标记符号表示相同功能的组件。

真彩色3D物体的计算全息光电再现装置的具体形式之一如附图2所示，RGB激光器1可发出红、绿、蓝三个波段的共轴激光光束，其波段和功率按色度学的原理进行配比，以获得良好的色彩还原效果。激光束经过扩束准直器2扩束后，再经过两个分光镜3、4和一个反射镜5后分成三束平行光，其中一束激光经过红色窄带滤光片6和起偏器9后，入射到承载红色分量相息图的透射式位相型空间光调制器12，经过调制后的光束再经过偏振片15，并通过一个分光镜18后在成像区域21中再现出真彩色3D物体的红色分量信息。同理，经过绿色滤光片7后的激光束经过相应的起偏器10后，入射到承载绿色分量相息图的透射式位相型空间光调制器13，经过调制后的光束再经过相应的偏振片16和分光镜19、18，在成像区域21中再现出真彩色3D物体的绿色分量信息。而经过蓝色滤光片8后的激光束经过相应的起偏器11后，入射到承载蓝色分量相息图的透射式位相型空间光调制器14，经过调制后的光束再经过相应的偏振片17，并通过反射镜20和分光镜19、18后，在成像区域21中再现出真彩色3D物体的蓝色分量信息。RGB各颜色分量再现像通过色彩融合，获得真彩色3D物体的真彩色再现像。图中d_R、δ₁、δ₂在本说明书后文中给出了详细的设定方法。

真彩色3D物体的计算全息光电再现装置的具体形式之二如附图3所示，其特点是：采用三个单色激光器22～24，其中每个激光器均配置独立的扩束准直器，但该形式无需形式之一中所示的窄带滤光片6～8，其余组件与装置的具体形式之一相同。具体实施过程是：红色激光器22发出的光束经过扩散准直器25扩束并通过起偏器9后，入射到承载红色分量相息图的透射式位相型空间光调制器12，经过相息图调制后的光束再经过偏振片15及分光镜18，并在成像区域21中再现出真彩色3D物体的红色分量信息；绿色激光器23发出的光束经过扩散准直器26扩束并通过偏振片10后，入射到承载绿色分量相息图的透射式位相型空间光调制器13，经过调制后的光束再经过相应的偏振片16、分光镜19、分光镜18，在成像区域21中再现出真彩色3D物体的绿色分量信息；蓝色激光器24发出的光束经过扩散准直器27扩束并通过偏振片11后，入射到承载蓝色分量相息图的透射式位相型空间光调制器14，经过调制后的光束再经过相应的偏振片17、反射镜20、分光镜19、分光镜18后，在成像区域21中再现出真彩色3D物体的蓝色分量信息。RGB各颜色分量再现像通过色彩融合，获得真彩色3D物体的真彩色再现像。图中d_R、δ₁、δ₂在本说明书后文中给出了详细的设定方法。

真彩色3D物体的计算全息光电再现装置的具体形式之三如附图4所示，其特点是：采用反射式位相型空间光调制器承载相息图，本发明所采用的反射式位相型空间光调制器在只加入起偏器的情况下仍可实现纯相位调制，从而提高这类器件的光能利用效率。具体实施过程是：经过偏振片9的红色激光束经过分光镜28后入射至承载红色分量相息图的反射式位相型空间光调制器31，经过调制后的光束再次通过分光镜28后在成像区域21中再现出真彩色3D物体的红色分量信息；经过绿色窄带滤光片7、偏振片10的绿色激光束经过分光镜29后入射至承载绿色分量相息图的反射式位相型空间光调制器32，经过调制后的光束分光镜29、28后，在成像区域21中再现出真彩色3D物体的绿色分量信息；而蓝色窄带滤光片8、偏振片11的蓝色激光束经过分光镜30后入射至承载蓝色分量相息图的反射式位相型空间光调制器33，经过调制后的光束经过分光镜30、29、28后，在成像区域21中再现出真彩色3D物体的蓝色分量信息。RGB各颜色分量再现像通过色彩融合，获得真彩色3D物体的真彩色再现像。图中d_R1、d_R2在本说明书后文中给出了详细的设定方法。

真彩色3D物体的计算全息光电再现装置的具体形式之四如附图5所示，其特点是：该形式的后端组件与附图4所示装置形式之三的后端相同，而前端组件与附图3所示的装置形式之二的前端相同。具体实施过程是：红色激光器22发出的光束经过扩散准直器25扩束并通过偏振片9、分光镜28后，入射至承载红色分量相息图的反射式位相型空间光调制器31，经过调制后的光束再次通过分光镜28后在成像区域21中再现出真彩色3D物体的红色分量信息；绿色激光器23发出的光束经过扩散准直器26扩束并通过偏振片10、分光镜29后，入射至承载绿色分量相息图的反射式位相型空间光调制器32，经过调制后的光束经过分光镜29、28后，在成像区域21中再现出真彩色3D物体的绿色分量信息；蓝色激光器24发出的光束经过扩散准直器27扩束并通过偏振片11、分光镜30后，入射至承载蓝色分量相息图的反射式位相型空间光调制器33，经过调制后的光束经过分光镜30、29、28后，在成像区域21中再现出真彩色3D物体的蓝色分量信息。RGB各颜色分量再现像通过色彩融合，获得真彩色3D物体的真彩色再现像。

本发明中真彩色三维物体相息图的计算方法

本发明针对真彩色3D物体，计算其相息图的方案是：将真彩色物体分解为R、G、B三基色分量(包括深度信息和幅值信息)，并根据各分量的深度信息和幅值信息分别计算相应颜色分量的相息图。具体计算方法描述如下：

设真彩色3D物体某单色信息沿纵深方向量化为S层面，第i(l≤i≤S)层面P_i距离全息面的距离为z_i，P_i层面上的振幅分布为O_i(x_i，y_i)，其中，(x_i，y_i)为第i层面的物面坐标系。为了避免物波频谱信息丢失而使再现像失真，本发明将各层面的振幅分布O_i(x_i，y_i)乘以随机位相因子，降低物波频谱的动态范围，以利于全息图的计算和编码，提高再现像的质量。设菲涅耳衍射区的全息面复振幅分布可表示为E_i，t(ξ，η)，则：

其中，其中(ξ，η)为全息面坐标系，j为虚数单位，λ为记录波长，k＝2π/λ，为计算第t幅(t＝1，2，3，...)相息图时各层物面振幅所乘的随机位相矩阵，中各元素取值范围为[0，2π]，且满足统一分布。

合成复振幅分布为：

$E_t(\xi ,\eta )=\underset{i=1}{\overset{S}{\Sigma }}{E}_{i,t}(\xi ,\eta ),---\left(2\right)$

计算全息面复振幅E_t(ξ，η)的位相，即可求得真彩色3D物体相应颜色分量第t幅相息图：

H_t(ξ，η)＝arg[E_t(ξ，η)]，(3)

其中隐含着全息图的记录参考光波为强度分布均匀的同轴平面波(由于同轴平面波引入的是常数偏置位相，因此可以忽略)。

本发明装置中各颜色分量再现距离d的设定方法

根据数字全息的基本原理，设物面、全息面及再现像面的x(y)方向的像素间隔分别表示为Δx_Obj(Δy_Obj)、Δx_Holo(Ay_Holo)及Δx_Imag(Δy_Imag)，则有如下关系：

${\mathrm{\Delta x}}_{\mathrm{Obj}}={\mathrm{\Delta x}}_{\mathrm{Imag}}=\frac{\mathrm{\lambda d}}{{\mathrm{M\Delta x}}_{\mathrm{Holo}}},---\left(4\right)$

${\mathrm{\Delta y}}_{\mathrm{Obj}}={\mathrm{\Delta y}}_{\mathrm{Imag}}=\frac{\mathrm{\lambda d}}{{\mathrm{N\Delta y}}_{\mathrm{Holo}}},---\left(5\right)$

其中，d表示全息面与物面(像面)的距离，M×N为物面采样点总数(也是全息面的像素总量)。

对于真彩色物体的全息图计算而言，由于RGB各分量记录波长不同，在各分量物面和全息面采样间隔和采样点总数均为定值的情况下，为保证各分量的再现像能够重合，则各颜色分量的记录距离和波长之间应满足如下关系：

$d_R:d_G:d_B=\frac{1}{{\lambda }_1}:\frac{1}{{\lambda }_2}:\frac{1}{{\lambda }_3}---\left(6\right)$

其中，λ₁、λ₂、λ₃分别为计算红、绿、蓝各分量相息图采用的记录波长，d_R、d_G、d_B分别为计算红、绿、蓝各分量相息图时的记录距离。该式表明：RGB三基色相息图计算时的记录距离与相应分量的记录波长成反比。则在附图2～图5中，有如下关系：

δ₁＝d_G-d_R，      (7)

δ₂＝d_B-d_R，      (8)

d₁₁+d₁₂＝d_R，     (9)