專利名稱：真彩色三維物體全息顯示方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用計(jì)算全息技術(shù)結(jié)合數(shù)字全息光電再現(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真彩色三維(3D)立體 顯示的方法與裝置，屬于全息顯示技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景全息技術(shù)可以在空間再現(xiàn)出真實(shí)的3D立體影像，能夠滿足所有視覺感知功能，是一種 較理想的3D立體顯示技術(shù)。然而，基于傳統(tǒng)的膠片記錄及再現(xiàn)的全息顯示方式由于記錄和 處理過程較為繁瑣，且難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，導(dǎo)致其在3D立體顯示領(lǐng)域的發(fā)展受到一定限制。 而計(jì)算全息技術(shù)因其具有低噪聲、可重復(fù)性好的特點(diǎn)，且適宜于虛擬物體的全息圖計(jì)算，因 此近年來發(fā)展迅速。隨著CCD、空間光調(diào)制器件(SLM)等元器件的不斷更新?lián)Q代，以及計(jì)算全息技術(shù)的興起， 基于SLM的數(shù)字全息3D顯示技術(shù)的研究受到越來越多的關(guān)注。在科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、多媒體 顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)、快速虛擬成型等3D立體顯示領(lǐng)域，該技術(shù)因具有實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，具有 獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有的基于SLM的數(shù)字全息顯示技術(shù)多數(shù)針對(duì)單色物體的全息再現(xiàn)。另 外，在己有的針對(duì)彩色物體的全息圖計(jì)算和再現(xiàn)方法的研究中，多數(shù)為針對(duì)二維(2D)彩色圖 像的全息顯示，難以實(shí)現(xiàn)3D空間的真彩色全息顯示。在現(xiàn)有的少數(shù)針對(duì)3D真彩色物體的計(jì) 算方法和再現(xiàn)系統(tǒng)中，由于采用的計(jì)算算法復(fù)雜，且再現(xiàn)過程存在零級(jí)斑、共軛像、衍射效 率低以及色差等因素的影響，其全息再現(xiàn)像的質(zhì)量還不足以獲得良好的真彩色3D顯示效果。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種真彩色三維物體全息顯示及裝置， 以獲得真彩色3D物體的空間再現(xiàn)影像。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是對(duì)于3D真彩色物體或場(chǎng)景，根據(jù)菲涅耳衍射理論，6計(jì)算各顏色分量的位相型全息圖沐息圖)。將相息圖傳輸?shù)轿幌嘈涂臻g光調(diào)制器上，對(duì)相干 光進(jìn)行調(diào)制，則可在自由空間獲得全息再現(xiàn)像，將真彩色物體各個(gè)顏色分量的全息光電再現(xiàn) 像進(jìn)行融合，從而獲得真彩色的3D全息再現(xiàn)像。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種真彩色三維物體全息顯示方法，其特征在于操作步驟如下①將真彩色3D物體的根據(jù)色度學(xué)原理分解為紅、綠、藍(lán)(RGB)三種顏色分量，每種顏色分量的信息分別包含對(duì)應(yīng) 的幅值信息和深度信息；②通過菲涅耳標(biāo)量衍射理論和隨機(jī)位相相息圖計(jì)算方法，計(jì)算每種 顏色分量的相息圖；③將RGB各分量相息圖構(gòu)成的序列圖像，即CGH序列，通過同步控制 同時(shí)輸出至三個(gè)位相型空間光調(diào)制器，并采用相應(yīng)顏色的激光照明這三個(gè)空間光調(diào)制器，來 自三個(gè)空間光調(diào)制器的RGB分量再現(xiàn)像在自由空間融合而成真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn) 像。所述的真彩色物體可以是靜止或動(dòng)態(tài)的3D物體或3D場(chǎng)景。所述的相息圖計(jì)算方法是各顏色分量物體每層物波上加載隨機(jī)位相因子，這些隨機(jī)位 相因子的取值范圍為[O， 2u]，且滿足統(tǒng)一分布。然后根據(jù)菲涅耳標(biāo)量衍射理論計(jì)算各分層物 面在全息面處的復(fù)振幅分布，并各層復(fù)振幅相加獲得合成復(fù)振幅。然后計(jì)算合成復(fù)振幅的位 相并進(jìn)行多階量化編碼(動(dòng)態(tài)范圍0~27!)，從而獲得與各顏色分量相對(duì)應(yīng)的多階位相型分布 的相息圖。上述步驟①中的真彩色3D物體為靜止或動(dòng)態(tài)的3D物體或3D場(chǎng)景。 上述RGB三種顏色分量相息圖的采樣間隔和像素總量相同。上述步驟②中的真彩色3D物體的RGB各顏色分量相息圖均通過如下計(jì)算方法獲得 將物體沿縱深方向分成若干層，并根據(jù)實(shí)際全息圖顯示距離要求設(shè)定再現(xiàn)距離；⑥在各層物 面加入隨機(jī)位相因子，這些隨機(jī)位相取值范圍為[O， 2tt]，且滿足統(tǒng)一分布；④根據(jù)菲涅耳標(biāo)量衍射理論計(jì)算各分層物面在全息面的復(fù)振幅分布；④將各分層物面的復(fù)振幅相加，獲得合 成復(fù)振幅；@計(jì)算獲得該合成復(fù)振幅的位相，并根據(jù)空間光調(diào)制器的位相調(diào)制曲線進(jìn)行
的多階量化編碼，從而獲得相息圖；①根據(jù)步驟⑥重新產(chǎn)生各層物面的隨機(jī)位相因子，重復(fù) 步驟⑤ (D,以產(chǎn)生若干幅具有不同位相分布的相息圖。上述步驟 中的根據(jù)實(shí)際全息圖顯示距離要求設(shè)定再現(xiàn)距離是RGB三種顏色分量的計(jì) 算全息圖的記錄距離與波長成反比。上述步驟③中的同步控制器所控制的是在同一時(shí)間將三個(gè)顏色分量相息圖分別傳輸?shù)綄?duì) 應(yīng)的三個(gè)空間光調(diào)制器，即紅色分量相息圖傳輸?shù)綄?duì)紅色激光調(diào)制的空間光調(diào)制器上，綠 色分量相息圖傳輸?shù)綄?duì)綠色激光調(diào)制的空間光調(diào)制器上，藍(lán)色分量相息圖傳輸?shù)綄?duì)藍(lán)色激光 調(diào)制的空間光調(diào)制器上。上述步驟③中通過對(duì)三個(gè)空間光調(diào)制器上的相息圖進(jìn)行快速同步更新，以抑制再現(xiàn)像的 散斑噪聲。上述步驟③中的激光照明是采用紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光同時(shí)分別照射三個(gè)空間光調(diào) 制器，或通過計(jì)算機(jī)控制快速地切換RGB激光器輸出激光的波長，分時(shí)地照射到三個(gè)空間光 調(diào)制器。一種真彩色3D物體全息顯示裝置由RGB激光器(或三種顏色的激光器)、擴(kuò)束準(zhǔn)直器、 分光鏡、平面反射鏡、窄帶濾波片、偏振片、透射式(或反射式)位相型空間光調(diào)制器等組成。 所述的RGB激光器可以分時(shí)出射三基色激光束；三個(gè)激光器是為了提供三個(gè)波長的激光束； 擴(kuò)束準(zhǔn)直器是為了獲得擴(kuò)束后具有合適擴(kuò)散角的激光束；分光鏡、平面反射鏡的是為了將光 束進(jìn)行分束和轉(zhuǎn)向，構(gòu)成三個(gè)獨(dú)立光路；各窄帶濾波片是為了獲得三個(gè)單波長的激光束；各 偏振片是為了結(jié)合空間光調(diào)制器，獲得純位相的光調(diào)制模式；空間光調(diào)制器是為了承載計(jì)算 全息圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束的調(diào)制，獲得成像光束。所述的真彩色3D物體全息顯示裝置的具體形式之一是由一個(gè)RGB激光器、 一個(gè)擴(kuò)束 準(zhǔn)直器、四個(gè)分光鏡、兩個(gè)平面反射鏡、 一個(gè)紅光窄帶濾波片、 一個(gè)綠光窄帶濾波片、 一個(gè) 藍(lán)光窄帶濾波片、六個(gè)偏振片、三個(gè)透射式位相型空間光調(diào)制器等組成。其中，RGB激光器 發(fā)出的三色激光束，經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直器后，經(jīng)過分光鏡和反射鏡的作用，將光束分成三束，并 分別經(jīng)過與各自顏色匹配的窄帶濾波片和偏振片，由透射式位相型空間光調(diào)制器對(duì)入射光束 進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的光束經(jīng)過反射鏡、分光鏡后合在一起，RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩 融合，獲得真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像。所述的真彩色3D物體全息顯示裝置的具體形式之二是由一個(gè)紅色激光器、 一個(gè)綠色 激光器、 一個(gè)藍(lán)色激光器、三個(gè)擴(kuò)束準(zhǔn)直器、二個(gè)分光鏡、 一個(gè)平面反射鏡、六個(gè)偏振片、 三個(gè)透射式位相型空間光調(diào)制器等組成。其中，三種顏色的激光器發(fā)射的激光束，分別經(jīng)過 擴(kuò)束準(zhǔn)直器及偏振片后，入射到透射式位相型空間光調(diào)制器，調(diào)制后的光束經(jīng)過反射鏡、分 光鏡后合在一起，RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲得真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn) 像。所述的真彩色3D物體全息顯示裝置的具體形式之三是由一個(gè)RGB激光器、 一個(gè)擴(kuò)束 準(zhǔn)直器、五個(gè)分光鏡、 一個(gè)平面反射鏡、 一個(gè)紅光窄帶濾波片、 一個(gè)綠光窄帶濾波片、 一個(gè) 藍(lán)光窄帶濾波片、三個(gè)偏振片、三個(gè)反射式位相型空間光調(diào)制器等組成。其中，RGB激光器 發(fā)出的三色激光束，經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直器后，經(jīng)過分光鏡和反射鏡的作用，將光束分成三束，并 分別經(jīng)過與各自顏色匹配的窄帶濾波片和偏振片，由反射式位相型空間光調(diào)制器對(duì)入射光束 進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的光束經(jīng)過分光鏡后合在一起，RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲 得真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像。所述的真彩色3D物體全息顯示裝置的具體形式之四是 一個(gè)紅色激光器、 一個(gè)綠色激 光器、 一個(gè)藍(lán)色激光器、三個(gè)擴(kuò)束準(zhǔn)直器、三個(gè)分光鏡、三個(gè)偏振片、三個(gè)透射式位相型空間光調(diào)制器等組成。其中，三種顏色的激光器發(fā)射的激光束，分別經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直器及偏振片 后，由反射式位相型空間光調(diào)制器對(duì)入射光束進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的光束經(jīng)過分光鏡后合在一 起，RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲得真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像。本發(fā)明與現(xiàn)有顯示方法和裝置相比相比較，具有如下突出實(shí)質(zhì)性特征和顯著優(yōu)點(diǎn)1) 基于本發(fā)明的計(jì)算全息方法所生成的計(jì)算全息圖，其光電再現(xiàn)時(shí)具有光能利用效率 高、無共軛像、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)；2) 發(fā)明的全息顯示方法的特點(diǎn)是該方法適用于真彩色3D物體的全息圖計(jì)算和全息 光電再現(xiàn)，包括靜止或動(dòng)態(tài)的真彩色3D物體(或3D場(chǎng)景)。3) 本發(fā)明的全息顯示裝置采用三個(gè)位相型空間光調(diào)制器分別再現(xiàn)真彩色3D物體的 RGB三基色分量信息，并使成像區(qū)域RGB各分量再現(xiàn)像的空間位置精確重合以及 各分量的色彩信息準(zhǔn)確融合。


圖l示出了本發(fā)明的真彩色3D物體全息顯示方法的總體框圖。 圖2示出了本發(fā)明裝置的具體形式之一的示意圖。 圖3示出了本發(fā)明裝置的具體形式之二的示意圖。 圖4示出了本發(fā)明裝置的具體形式之三的示意圖。 圖5示出了本發(fā)明裝置的具體形式之四的示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下本真彩色3D物體全息顯示方法，如附圖1所示，具體操作步驟是①將真彩色三維物體的彩像信息根據(jù)色度學(xué)原理分解為紅、綠、藍(lán)(RGB)三種顏色分量，每種顏色分量的信息 分別包含對(duì)應(yīng)的幅值信息和深度信息；②通過菲涅耳標(biāo)量衍射理論和隨機(jī)位相相息圖計(jì)算方 法，計(jì)算每種顏色分量的相息圖；③將RGB各分量相息圖構(gòu)成的序列圖像，通過同步控制同 時(shí)輸出至三個(gè)位相型空間光調(diào)制器，并輔以相應(yīng)顏色的激光照明；④由接收屏接收來自三個(gè)空間光調(diào)制器的RGB各分量再現(xiàn)像，從而在空間融合而成真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像。 上述步驟①中的真彩色3D物體為靜止或動(dòng)態(tài)的3D物體或3D場(chǎng)景。 上述RGB三種顏色分量相息圖的采樣間隔和像素總量相同。上述步驟②中的真彩色3D物體的RGB各顏色分量相息圖均通過如下計(jì)算方法獲得 將物體沿縱深方向分成若干層，并根據(jù)實(shí)際全息圖顯示距離要求設(shè)定再現(xiàn)距離；⑤在各層物 面加入隨機(jī)位相因子，這些隨機(jī)位相取值范圍為[O， 2tt]，且滿足統(tǒng)一分布； 根據(jù)菲涅耳標(biāo) 量衍射理論計(jì)算各分層物面在全息面的復(fù)振幅分布；⑧將各分層物面的復(fù)振幅相加，獲得合 成復(fù)振幅；@計(jì)算獲得該合成復(fù)振幅的位相，并根據(jù)空間光調(diào)制器的位相調(diào)制曲線進(jìn)行[O， 2兀] 的多階量化編碼，從而獲得相息圖；①根據(jù)步驟⑥重新產(chǎn)生各層物面的隨機(jī)位相因子，重復(fù) 步驟 ~ ,以產(chǎn)生若干幅具有不同位相分布的相息圖。上述步驟@中的根據(jù)實(shí)際全息圖顯示距離要求設(shè)定再現(xiàn)距離是RGB三種顏色分量的計(jì) 算全息圖的記錄距離與波長成反比。上述步驟③中的同步控制器所控制的是在同一吋間將三個(gè)顏色分量相息圖分別傳輸?shù)綄?duì) 應(yīng)的三個(gè)空間光調(diào)制器，S卩紅色分量相息圖傳輸?shù)綄?duì)紅色激光調(diào)制的空間光調(diào)制器上，綠 色分量相息圖傳輸?shù)綄?duì)綠色激光調(diào)制的空間光調(diào)制器上，藍(lán)色分量相息圖傳輸?shù)綄?duì)藍(lán)色激光 調(diào)制的空間光調(diào)制器上。上述步驟③中通過對(duì)三個(gè)空間光調(diào)制器上的相息圖進(jìn)行快速同步更新，以抑制再現(xiàn)像的 散斑噪聲。上述步驟③中的激光照明是采用紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光同時(shí)分別照射三個(gè)空間光調(diào) 制器，或通過計(jì)算機(jī)控制快速地切換RGB激光器輸出激光的波長，分時(shí)地照射到三個(gè)空間光 調(diào)制器。在本說明書各附圖中，釆用相同的標(biāo)記符號(hào)表示相同功能的組件。真彩色3D物體的計(jì)算全息光電再現(xiàn)裝置的具體形式之一如附圖2所示，RGB激光器1 可發(fā)出紅、綠、藍(lán)三個(gè)波段的共軸激光光束，其波段和功率按色度學(xué)的原理進(jìn)行配比，以獲 得良好的色彩還原效果。激光束經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直器2擴(kuò)束后，再經(jīng)過兩個(gè)分光鏡3、 4和一個(gè)反 射鏡5后分成三束平行光，其中一束激光經(jīng)過紅色窄帶濾光片6和起偏器9后，入射到承載 紅色分量相息圖的透射式位相型空間光調(diào)制器12，經(jīng)過調(diào)制后的光束再經(jīng)過偏振片15，并通 過一個(gè)分光鏡18后在成像區(qū)域21中再現(xiàn)出真彩色3D物體的紅色分量信息。同理，經(jīng)過綠 色濾光片7后的激光束經(jīng)過相應(yīng)的起偏器10后，入射到承載綠色分量相息圖的透射式位相型 空間光調(diào)制器13,經(jīng)過調(diào)制后的光束再經(jīng)過相應(yīng)的偏振片16和分光鏡19、 18，在成像區(qū)域 21中再現(xiàn)出真彩色3D物體的綠色分量信息。而經(jīng)過藍(lán)色濾光片8后的激光束經(jīng)過相應(yīng)的起 偏器11后，入射到承載藍(lán)色分量相息圖的透射式位相型空間光調(diào)制器14，經(jīng)過調(diào)制后的光 束再經(jīng)過相應(yīng)的偏振片17，并通過反射鏡20和分光鏡19、 18后，在成像區(qū)域21中再現(xiàn)出 真彩色3D物體的藍(lán)色分量信息。RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲得真彩色3D物 體的真彩色再現(xiàn)像。圖中《、4、《在本說明書后文中給出了詳細(xì)的設(shè)定方法。真彩色3D物體的計(jì)算全息光電再現(xiàn)裝置的具體形式之二如附圖3所示，其特點(diǎn)是采 用三個(gè)單色激光器22~24，其中每個(gè)激光器均配置獨(dú)立的擴(kuò)束準(zhǔn)直器，但該形式無需形式之 一中所示的窄帶濾光片6~8，其余組件與裝置的具體形式之一相同。具體實(shí)施過程是紅色 激光器22發(fā)出的光束經(jīng)過擴(kuò)散準(zhǔn)直器25擴(kuò)束并通過起偏器9后，入射到承載紅色分量相息 圖的透射式位相型空間光調(diào)制器12,經(jīng)過相息圖調(diào)制后的光束再經(jīng)過偏振片15及分光鏡18， 并在成像區(qū)域21中再現(xiàn)出真彩色3D物體的紅色分量信息；綠色激光器23發(fā)出的光束經(jīng)過 擴(kuò)散準(zhǔn)直器26擴(kuò)束并通過偏振片10后，入射到承載綠色分量相息圖的透射式位相型空間光 調(diào)制器13，經(jīng)過調(diào)制后的光束再經(jīng)過相應(yīng)的偏振片16、分光鏡19、分光鏡18，在成像區(qū)域 21中再現(xiàn)出真彩色3D物體的綠色分量信息；藍(lán)色激光器24發(fā)出的光束經(jīng)過擴(kuò)散準(zhǔn)直器27擴(kuò)束并通過偏振片11后，入射到承載藍(lán)色分量相息圖的透射式位相型空間光調(diào)制器14，經(jīng) 過調(diào)制后的光束再經(jīng)過相應(yīng)的偏振片17、反射鏡20、分光鏡19、分光鏡18后，在成像區(qū)域 21中再現(xiàn)出真彩色3D物體的藍(lán)色分量信息。RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲得真 彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像。圉中c/k、《、^在本說明書后文中給出了詳細(xì)的設(shè)定方法。真彩色3D物體的計(jì)算全息光電再現(xiàn)裝置的具體形式之三如附圖4所示，其特點(diǎn)是采 用反射式位相型空間光調(diào)制器承載相息圖，本發(fā)明所采用的反射式位相型空間光調(diào)制器在只 加入起偏器的情況下仍可實(shí)現(xiàn)純相位調(diào)制，從而提高這類器件的光能利用效率。具體實(shí)施過 程是經(jīng)過偏振片9的紅色激光束經(jīng)過分光鏡28后入射至承載紅色分量相息圖的反射式位相 型空間光調(diào)制器31，經(jīng)過調(diào)制后的光束再次通過分光鏡28后在成像區(qū)域21中再現(xiàn)出真彩色 3D物體的紅色分量信息；經(jīng)過綠色窄帶濾光片7、偏振片10的綠色激光束經(jīng)過分光鏡29后 入射至承載綠色分量相息圖的反射式位相型空間光調(diào)制器32，經(jīng)過調(diào)制后的光束分光鏡29、 28后，在成像區(qū)域21中再現(xiàn)出真彩色3D物體的綠色分量信息；而藍(lán)色窄帶濾光片8、偏振 片11的藍(lán)色激光束經(jīng)過分光鏡30后入射至承載藍(lán)色分量相息圖的反射式位相型空間光調(diào)制 器33，經(jīng)過調(diào)制后的光束經(jīng)過分光鏡30、 29、 28后，在成像區(qū)域21中再現(xiàn)出真彩色3D物 體的藍(lán)色分量信息。RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲得真彩色3D物體的真彩色再 現(xiàn)像。圖中4、 ^在本說明書后文中給出了詳細(xì)的設(shè)定方法。真彩色3D物體的計(jì)算全息光電再現(xiàn)裝置的具體形式之四如附圖5所示，其特點(diǎn)是該 形式的后端組件與附圖4所示裝置形式之三的后端相同，而前端組件與附圖3所示的裝置形 式之二的前端相同。具體實(shí)施過程是紅色激光器22發(fā)出的光束經(jīng)過擴(kuò)散準(zhǔn)直器25擴(kuò)束并 通過偏振片9、分光鏡28后，入射至承載紅色分量相息圖的反射式位相型空間光調(diào)制器31， 經(jīng)過調(diào)制后的光束再次通過分光鏡28后在成像區(qū)域21中再SL出真彩色3D物體的紅色分量 信息；綠色激光器23發(fā)出的光束經(jīng)過擴(kuò)散準(zhǔn)直器26擴(kuò)束并通過偏振片10、分光鏡29后，入射至承載綠色分量相息圖的反射式位相型空間光調(diào)制器32，經(jīng)過調(diào)制后的光束經(jīng)過分光鏡 29、 28后，在成像區(qū)域21中再現(xiàn)出真彩色3D物體的綠色分量信息；藍(lán)色激光器24發(fā)出的 光束經(jīng)過擴(kuò)散準(zhǔn)直器27擴(kuò)束并通過偏振片11、分光鏡30后，入射至承載藍(lán)色分量相息圖的 反射式位相型空間光調(diào)制器33，經(jīng)過調(diào)制后的光束經(jīng)過分光鏡30、 29、 28后，在成像區(qū)域 21中再現(xiàn)出真彩色3D物體的藍(lán)色分量信息。RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲得真 彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像。 本發(fā)明中真彩色三維物體相息圖的計(jì)算方法本發(fā)明針對(duì)真彩色3D物體，計(jì)算其相息圖的方案是將真彩色物體分解為R、 G、 B三 基色分量(包括深度信息和幅值信息)，并根據(jù)各分量的深度信息和幅值信息分別計(jì)算相應(yīng)顏 色分量的相息圖。具體計(jì)算方法描述如下設(shè)真彩色3D物體某單色信息沿縱深方向量化為S層面，第/(is^S)層面S距離全息面 的距離為z,.，《層面上的振幅分布為Q(w,)，其中，",x)為第f'層面的物面坐標(biāo)系。為了 避免物波頻譜信息丟失而使再現(xiàn)像失真，本發(fā)明將各層面的振幅分布Q(w,)乘以隨機(jī)位相因 子，降低物波頻譜的動(dòng)態(tài)范圍，以利于全息圖的計(jì)算和編碼，提高再現(xiàn)像的質(zhì)量。設(shè)菲涅耳 衍射區(qū)的全息面復(fù)振幅分布可表示為，貝IJ- <formula>formula see original document page 14</formula>(1)其中，其中《，7)為全息面坐標(biāo)系，j為虛數(shù)單位，A為記錄波長，A:-2兀/A， exp[j^(x,，:0]為 計(jì)算第？幅(F1， 2, 3,...)相息圖時(shí)各層物面振幅所乘的隨機(jī)位相矩陣，外"，X)中各元素取值范 圍為
，且滿足統(tǒng)一分布。 合成復(fù)振幅分布為聰,/7)^猛")， <formula>formula see original document page 14</formula>(2)問計(jì)算全息面復(fù)振幅五,(《,7)的位相，即可求得真彩色3D物體相應(yīng)顏色分量第r幅相息圖<formula>formula see original document page 15</formula>其中隱含著全息圖的記錄參考光波為強(qiáng)度分布均勻的同軸平面波(由于同軸平面波引入 的是常數(shù)偏置位相，因此可以忽略)。 本發(fā)明裝置中各顏色分量再現(xiàn)距離rf的設(shè)定方法根據(jù)數(shù)字全息的基本原理，設(shè)物面、全息面及再現(xiàn)像面的x(y)方向的像素間隔分別表示 為Ax。bj(A;^)、 AxHol。( HoIo)及( taag)，則有如下關(guān)系<formula>formula see original document page 15</formula>其中，rf表示全息面與物面(像面)的距離，MxW為物面采樣點(diǎn)總數(shù)(也是全息面的像素總量)。 對(duì)于真彩色物體的全息圖計(jì)算而言，由于RGB各分量記錄波長不同，在各分量物面和全 息面采樣間隔和采樣點(diǎn)總數(shù)均為定值的情況下，為保證各分量的再現(xiàn)像能夠重合，則各顏色 分量的記錄距離和波長之間應(yīng)滿足如下關(guān)系-<formula>formula see original document page 15</formula>)其中，4、 A、 4分別為計(jì)算紅、綠、藍(lán)各分量相息圖采用的記錄波長，《、"。、4分別 為計(jì)算紅、綠、藍(lán)各分量相息圖時(shí)的記錄距離。該式表明RGB三基色相息圖計(jì)算時(shí)的記錄距離與相應(yīng)分量的記錄波長成反比。則在附圖2~圖5中，有如下關(guān)系<formula>formula see original document page 15</formula>
權(quán)利要求
1.一種真彩色三維物體全息顯示方法，其特征在于操作步驟如下①將真彩色3D物體的彩像信息根據(jù)色度學(xué)原理分解為紅、綠、藍(lán)三種顏色分量，即RGB三基色顏色分量，每種顏色分量的信息分別包含對(duì)應(yīng)的幅值信息和深度信息；②通過菲涅耳標(biāo)量衍射理論和隨機(jī)位相相息圖計(jì)算方法，計(jì)算每種顏色分量的相息圖；③將RGB各分量相息圖構(gòu)成的序列圖像，即CGH序列，在同步控制器的控制下同時(shí)輸出至在可見光波段的位相調(diào)制幅度均達(dá)到或超過2π的三個(gè)位相型空間光調(diào)制器，并采用三種相應(yīng)顏色的激光照明這三個(gè)空間光調(diào)制器，經(jīng)過這三個(gè)空間光調(diào)制器將各自所承載的相息圖調(diào)制后的衍射光束產(chǎn)生各顏色分量的再現(xiàn)像；④由接收屏接收來自這三個(gè)空間光調(diào)制器的RGB分量再現(xiàn)像，從而在空間融合而成真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像。
2. 如權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息顯示方法，其特征在于所述步驟①中的真彩色 3D物體為靜止或動(dòng)態(tài)的3D物體或3D場(chǎng)景。
3. 如權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息顯示方法，其特征在于所述RGB三種顏色分量 相息圖的采樣間隔和像素總量相同。
4. 如權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息顯示方法，其特征在于所述步驟②中的真彩色 3D物體的RGB各顏色分量相息圖均通過如下計(jì)算方法獲得⑤將物體沿縱深方向分成 若干層，并根據(jù)實(shí)際全息圖顯示距離要求設(shè)定再現(xiàn)距離； 在各層物面加入隨機(jī)位相因 子，這些隨機(jī)位相取值范圍為[O， 2兀],且滿足統(tǒng)一分布； 根據(jù)菲涅耳標(biāo)量衍射理論計(jì) 算各分層物面在全息面的復(fù)振幅分布；@將各分層物面的復(fù)振幅相加，獲得合成復(fù)振幅; 計(jì)算獲得該合成復(fù)振幅的位相，并根據(jù)空間光調(diào)制器的位相調(diào)制曲線進(jìn)行[O， 2tt]的多 階量化編碼，從而獲得相息圖；(D根據(jù)步驟⑤重新產(chǎn)生各層物面的隨機(jī)位相因子，重復(fù) 步驟 ~ ，以產(chǎn)生若干幅具有不同位相分布的相息圖。
5. 如權(quán)利要求4所述的真彩色三維物體全息顯示方法，其特征在于所述步驟 中的根據(jù)實(shí)際全息圖顯示距離要求設(shè)定再現(xiàn)距離是RGB三種顏色分量的計(jì)算全息圖的記錄距離與 波長成反比。
6. 如權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息顯示方法，其特征在于所述步驟③中的同步控 制器所控制的是在同一時(shí)間將三個(gè)顏色分量相息圖分別傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的三個(gè)空間光調(diào)制 器，即紅色分量相息圖傳輸?shù)綄?duì)紅色激光調(diào)制的空間光調(diào)制器上，綠色分量相息圖傳 輸?shù)綄?duì)綠色激光調(diào)制的空間光調(diào)制器上，藍(lán)色分量相息圖傳輸?shù)綄?duì)藍(lán)色激光調(diào)制的空間 光調(diào)制器上。
7. 如權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息顯示方法，其特征在于所述步驟③中，通過對(duì) 三個(gè)空間光調(diào)制器上的相息圖進(jìn)行快速同步更新，以抑制再現(xiàn)像的散斑噪聲。
8. 如權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息顯示方法，其特征在于所述步驟③中的激光照 明是采用紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光同時(shí)分別照射三個(gè)空間光調(diào)制器，或通過計(jì)算機(jī)控 制快速地切換RGB激光器輸出激光的波長，分時(shí)地照射到三個(gè)空間光調(diào)制器。
9. 一種真彩色三維物體全息顯示裝置，應(yīng)用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息 顯示方法，包括一個(gè)RGB激光器(l)、 一個(gè)擴(kuò)束準(zhǔn)直器(2)、四個(gè)分光鏡(3、 4、 18、 19)、 兩個(gè)平面反射鏡(5、 20)、 一個(gè)紅光窄帶濾波片(6)、 一個(gè)綠光窄帶濾波片(7)、 一個(gè)藍(lán)光窄 帶濾波片(8)、六個(gè)偏振片(9、 10、 11、 15、 16、 17)、三個(gè)透射式位相型空間光調(diào)制器(12、 13、 14)，其特征在于所述RGB激光器(1)發(fā)出的三色激光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束準(zhǔn)直器(2)、 分光鏡(3)后分成兩束，其中的透射光束經(jīng)過所述紅光窄帶濾波片(6)、偏振片(9)后，射向 加載紅色分量相息圖的所述透射式位相型空間光調(diào)制器(12)，調(diào)制后的光束經(jīng)過所述偏振 片(15)、分光鏡(18)后出射，形成紅光成像光束；經(jīng)過分光鏡(3)的反射光束通過所述分光 鏡(4)后又分成兩束，其中的反射光束通過所述綠光窄帶濾波片(7)、偏振片(10)后，射向 加載綠色分量相息圖的所述透射式位相型空間光調(diào)制器(13)，調(diào)制后的光束經(jīng)過所述偏振片(16)、分光鏡(19)、分光鏡(18)后形成綠光成像光束；經(jīng)過分光鏡(4)的透射光束通過所 述平面反射鏡(5)、藍(lán)光窄帶濾波片(8)、偏振片(ll)后，射向加載藍(lán)色分量相息圖的所述 透射式位相型空間光調(diào)制器(14)，調(diào)制后的光束經(jīng)過所述偏振片(17)、平面反射鏡(20)、 分光鏡(19)、分光鏡(18)后形成藍(lán)光成像光束；RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲 得真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像(21)。
10. —種真彩色三維物體全息顯示裝置，應(yīng)用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息 顯示方法，包括一個(gè)紅色激光器(22)、 一個(gè)綠色激光器(23)、 一個(gè)藍(lán)色激光器(24)、三個(gè) 擴(kuò)束準(zhǔn)直器(25、 26、 27)、 二個(gè)分光鏡(18、 19)、 一個(gè)平面反射鏡(20)、六個(gè)偏振片(9、 10、 11、 15、 16、 17)、三個(gè)透射式位相型空間光調(diào)制器(12、 13、 14)，其特征在于所述紅 色激光器(22)發(fā)出的激光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束準(zhǔn)直器(25)、偏振片(9)后，射向加載紅色分量 相息圖的所述透射式位相型空間光調(diào)制器(12)，調(diào)制后的光束經(jīng)過所述偏振片(15)、分光 鏡(18)后出射，形成紅光成像光束；所述綠色激光器(23)發(fā)出的激光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束準(zhǔn) 直器(26)、偏振片(10)后，射向加載綠色分量相息圖的所述透射式位相型空間光調(diào)制器 (13)，調(diào)制后的光束經(jīng)過所述偏振片(16)、分光鏡(19)、分光鏡(18)后出射，形成綠光成像 光束；所述藍(lán)色激光器(24)發(fā)出的激光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束準(zhǔn)直器(27)、偏振片(ll)后，射 向加載藍(lán)色分量相息圖的所述透射式位相型空間光調(diào)制器(14)，調(diào)制后的光束經(jīng)過所述偏 振片(17)、反射鏡(20)、分光鏡(19)、分光鏡(18)后出射，形成藍(lán)光成像光束；RGB各顏 色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲得真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像(21)。
11. 一種真彩色三維物體全息顯示裝置，應(yīng)用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息 顯示方法，包括一個(gè)RGB激光器(l)、 一個(gè)擴(kuò)束準(zhǔn)直器(2)、五個(gè)分光鏡(3、 4、 28、 29、 30)、 一個(gè)平面反射鏡(5)、 一個(gè)紅光窄帶濾波片(6)、 一個(gè)綠光窄帶濾波片(7)、 一個(gè)藍(lán)光窄 帶濾波片(8)、三個(gè)偏振片(9、 10、 11)、三個(gè)反射式位相型空間光調(diào)制器(31、 32、 33)，其特征在于所述RGB激光器(1)發(fā)出的三色激光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束準(zhǔn)直器(2)、分光鏡(3) 后分成兩束， 一束經(jīng)過所述紅光窄帶濾波片(6)、偏振片(9)、分光鏡(28)，射向加載紅色 分量相息圖的所述反射式位相型空間光調(diào)制器(31)，調(diào)制后的反射光束經(jīng)過所述分光鏡 (28)后出射，形成紅光成像光束；經(jīng)過分光鏡(3)的反射光束，經(jīng)過所述分光鏡(4)又分成 兩束，其中的反射光束通過所述綠光窄帶濾波片(7)、偏振片(IO)、分光鏡(29)，射向加載 綠色分量相息圖的所述反射式位相型空間光調(diào)制器(32)，調(diào)制后的反射光束經(jīng)過所述分光 鏡(29)、分光鏡(28)后形成綠光成像光束；經(jīng)過分光鏡(4)的透射光束經(jīng)過所述反射鏡(5)、 藍(lán)光窄帶濾波片(8)、偏振片(ll)、分光鏡(30),射向加載藍(lán)色分量相息圖的所述反射式位 相型空間光調(diào)制器(33)，調(diào)制后的反射光束經(jīng)過所述分光鏡(30)、分光鏡(29)、分光鏡(28) 后形成藍(lán)光成像光束；RGB各顏色分量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲得真彩色3D物體的真 彩色再現(xiàn)像(21)。
12. —種真彩色三維物體全息顯示裝置，應(yīng)用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的真彩色三維物體全息 顯示方法，包括一個(gè)紅色激光器(22)、 一個(gè)綠色激光器(23)、 一個(gè)藍(lán)色激光器(24)、三 個(gè)擴(kuò)束準(zhǔn)直器(25、 26、 27)、三個(gè)分光鏡(28、 29、 30)、三個(gè)偏振片(9、 10、 11)、三個(gè) 反射式位相型空間光調(diào)制器(31、 32、 33)，其特征在于所述紅色激光器(22)發(fā)出的激 光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束準(zhǔn)直器(25)、偏振片(9)、分光鏡(28)，射向加載紅色分量相息圖的 所述反射式位相型空間光調(diào)制器(31)，調(diào)制后的反射光束經(jīng)過所述分光鏡(28)后出射， 形成紅光成像光束；所述綠色激光器(23)發(fā)出的激光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束準(zhǔn)直器(26)、偏 振片(IO)、分光鏡(29)，射向加載綠色分量相息圖的所述反射式位相型空間光調(diào)制器 (32)，調(diào)制后的光束經(jīng)過所述分光鏡(29)、分光鏡(28)后出射，形成綠光成像光束；所 述藍(lán)色激光器(24)發(fā)出的激光束，經(jīng)過所述擴(kuò)束準(zhǔn)直器(27)、偏振片(ll)、分光鏡(30)， 射向加載藍(lán)色分量相息圖的所述反射式位相型空間光調(diào)制器(33)，調(diào)制后的反射光束經(jīng) 過所述分光鏡(30)、分光鏡(29)、分光鏡(28)后出射，形成藍(lán)光成像光束；RGB各顏色分 量再現(xiàn)像通過色彩融合，獲得真彩色3D物體的真彩色再現(xiàn)像(21)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種真彩色三維物體全息顯示方法及裝置。本方法是通過將真彩色3D物體的彩像信息分解為RGB三基色顏色信息，包括各顏色分量幅值信息和深度信息，根據(jù)3D物體的深度信息和各顏色分量的幅值信息計(jì)算3D物體各顏色分量相對(duì)應(yīng)的多階位相型相息圖；將各顏色分量相息圖構(gòu)成的圖像序列在同步控制器的控制下分別輸出至具有位相調(diào)制能力的三個(gè)空間光調(diào)制器，并采用相應(yīng)顏色的相干光照明該三個(gè)空間光調(diào)制器中所承載的相息圖，經(jīng)過相息圖調(diào)制后的光束再現(xiàn)出原真彩色3D物體RGB各顏色分量信息，該信息經(jīng)過融合后獲得真彩色3D物體的全息真彩色再現(xiàn)效果?；诜瓷涫胶屯干涫轿幌嘈涂臻g光調(diào)制器，本發(fā)明設(shè)計(jì)了多種裝置，并給出了光電再現(xiàn)裝置中關(guān)鍵器件的位置關(guān)系設(shè)定方法。本發(fā)明可以用于靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的真彩色3D物體或場(chǎng)景的全息顯示。
文檔編號(hào)G03H1/26GK101566823SQ20091005259
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者于瀛潔, 代林茂, 周文靜, 濤 王, 鄭華東 申請(qǐng)人:上海大學(xué)