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CN111830811A - 基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法及其实现装置 - Google Patents

基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法及其实现装置 Download PDF

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CN111830811A
CN111830811A CN202010441362.XA CN202010441362A CN111830811A CN 111830811 A CN111830811 A CN 111830811A CN 202010441362 A CN202010441362 A CN 202010441362A CN 111830811 A CN111830811 A CN 111830811A
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曹良才
何泽浩
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Tsinghua University
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提出一种基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法及其实现装置，其中，方法包括：步骤101，层结构数据模型的渲染；步骤102，子区域模型的构建；步骤103，各子区域全息图的计算；步骤104，全息图衍射重建结果在目标深度处的叠加。根据本发明的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，将全息显示系统的空间带宽积扩大了N倍，提高了全息显示的显示质量，同时该方法具有装配简单、易于校准的优点，提高了全息显示系统的实用性。

Description

基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法及其实现装置
技术领域
本发明涉及三维显示领域，尤其涉及基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法及其实现装置。
背景技术
随着通讯技术的发展，通讯系统的带宽变得越来越大，延时也越来越低。为了充分利用通讯系统高带宽和低延时的特性，增强信息传递的真实性、全面性和沉浸感，三维信息传递将在某些领域取代二维信息传递。
三维信息传递可以分为采集、传输和显示三个主要部分。其中，三维显示可以决定信息内容的展示效果，是最容易被用户感知到的部分，具有广阔的市场前景。因此，三维显示技术得到了科学界和产业界的广泛关注。当前，双目视觉、光场显示以及全息显示是最为常用的三种三维显示解决方案。其中，全息显示技术可以重建待显示场景的波前信息，提供人眼所能感知的所有深度线索，是一种理想的三维显示解决方案。随着计算机技术的快速发展，计算全息作为全息技术的一个分支，在三维显示领域发挥着越来越重要的作用。在计算全息技术中，全息图由计算机生成，并且加载在空间光调制器上。使用相干光照明空间光调制器，待显示的信息会通过衍射的方式，在目标深度处完成重建。计算全息无需使用复杂的光学装置记录全息图，并且可以生成现实中不存在物体的全息图，具有低成本、易存储、易传播的特点。
在计算全息显示系统中，系统的空间带宽积是一个非常重要的参数。它决定了系统所能呈现的信息量大小，进而决定了系统的显示效果。然而，计算全息显示系统中使用的空间光调制器像素尺寸较大且分辨率较低，导致了显示系统空间带宽积存在不足，单个空间光调制器难以呈现理想的三维显示效果。因此，上述技术存在改进空间。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，根据本发明的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，将全息显示系统的空间带宽积扩大了N倍，提高了全息显示的显示质量，同时该方法具有装配简单、易于校准的优点，提高了全息显示系统的实用性。
本发明的第二个目的在于提出基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法的实现装置。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，方法包括以下步骤：
步骤101，采用正交投影法，获取由轮廓图像和深度图像构成的三维场景层结构模型；
步骤102，根据绘制的基于层结构的数据模型，提取层结构模型中N个有效区域，并在其周围置零，获得N个子区域模型；
步骤103，对获得的N个子区域模型，采用分层角谱算法，计算获得N个子区域模型所分别对应的计算全息图；
步骤104，对N个子区域模型对应的纯相位型全息图至相应的纯相位型空间光调制器，实现全息重建。
根据本发明的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，通过衍射场叠加技术，使用N个空间光调制器，将全息显示系统的空间带宽积扩大了N倍，可以实现全息显示质量的极大提高。
根据本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，将全息图所在平面设置为基准平面，此处x＝0，采用正交投影法，计算基于点云的三维场景数据中各点到全息图所在平面的垂直距离。
根据本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，基于层结构的数据模型包括：轮廓图像和深度图像，从轮廓图像中提取一个区域，记为轮廓有效区域，将轮廓有效区域以外的图像全部置零，置零区域记为轮廓黑色区域，轮廓有效区域和轮廓灰色区域共同构成子轮廓图像；从深度图像中提取一个区域，记为深度有效区域；将深度有效区域以外的图像全部置零，置零区域记为深度黑色区域，深度有效区域和深度黑色区域共同构成子深度图像；子轮廓图像和子深度图像共同组成子区域模型。
根据本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，计算全息图的过程包括如下步骤：
步骤301，根据子区域模型对应的子轮廓图像和子深度图像，提取相应深度上的振幅分布；
步骤302，叠加随机相位至相应深度上的振幅信息表面，模拟真实物体的散射现象；
步骤303，利用角谱传播理论，计算不同深度的振幅信息在全息平面上的复振幅分布，即角谱传播理论可由下式表示：
Figure RE-GDA0002684016700000041
其中，U(x,y)表示全息平面上的复振幅分布，F是傅里叶变换的符号，Ui(x,y) 表示每一层深度上的振幅信息，r(x,y)表示随机相位，λ表示照明波长，zi表示每一层深度平面和全息平面之间的距离，u和v表示x方向和y方向上的空间频率；
步骤304，叠加所有深度振幅信息在全息面上的复振幅分布，抽取其中的相位部分。
根据本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，将N个子区域模型对应的计算全息图加载到相应的空间光调制器上，其中，空间光调制器被相干平面波照射，相应N个子区域模型的信息在目标区域内被衍射重建并相互叠加，得到相应区域内的三维图像。
根据本发明的第二方面的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法的实现装置，采用了如第一方面任一种基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，还包括：激光光源、可调节衰减片、空间滤波器、多个凸透镜、偏振片、多个分束镜、多个遮光板、多个相位型空间光调制器和平面反射镜，其中激光光源发出的相干光经过可调节衰减片后可发生能量的变化；可调节衰减片通过改变透过率可控制相干光的能量变化；经过可调节衰减片的相干光通过空间滤波器可由准直光束变成了点光源；点光源通过凸透镜进行准直操作后成为扩束准直光；扩束准直光通过偏振片可发生偏振改变；经过偏振片的扩束准直光通过多个分束镜的透射和反射，传至相位型空间光调制器表面可发生衍射；衍射光的一部分经过多个分束镜的再次透射和反射，到达平面反射镜；被平面反射镜反射的衍射光经过由多个凸透镜组成的4F系统，在目标深度处可视。所述实现装置与上述的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法的流程图；
图2为采用分层角谱算法计算一个子区域模型的计算全息图的流程图；
图3为本发明实施例的子区域模型生成方法的示意图；
图4为基于衍射场叠加的高清全息显示实现装置示意图。
附图标记说明：
201-轮廓图像，202-深度图像，203-层结构模型，204-轮廓有效区域，205- 轮廓黑色区域，206-子轮廓图像，207-深度有效区域，208-深度黑色区域，209- 子深度图像，210-A子区域模型，211-B子区域模型，212-C子区域模型，213-D 子区域模型，401-激光光源，402-可调节衰减片，403-空间滤波器，404-凸透镜，405-偏振片，406-分束镜，407-遮光板，408-空间光调制器，409-平面反射镜，410-4F系统。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图1-图4描述本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法。
根据本发明实施例所提供的一种基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，如图1所示，方法包括以下步骤：
步骤101，采用正交投影法，获取由轮廓图像201和深度图像202构成的三维场景层结构模型203；
步骤102，根据绘制的基于层结构的数据模型，提取层结构模型203中N 个有效区域，并在其周围置零，获得N个子区域模型；
步骤103，对获得的N个子区域模型，采用分层角谱算法，计算获得N个子区域模型所分别对应的计算全息图；
步骤104，对N个子区域模型对应的纯相位型全息图至相应的纯相位型空间光调制器408，实现全息重建。
根据本发明的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，通过衍射场叠加技术，使用N个空间光调制器408，将全息显示系统的空间带宽积扩大了N倍，可以实现全息显示质量的极大提高。
根据本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，将全息图所在平面设置为基准平面，此处z＝0，采用正交投影法，计算基于点云的三维场景数据中各点到全息图所在平面的垂直距离。进一步地，由于正交投影法不改变水平和垂直方向上的放大率，因此垂直距离反应了点云数据模型中各点的准确深度信息。进一步地，将各点的深度值近似为最相近的设置离散值，绘制基于层结构的数据模型，它由一幅深度图像202和一幅轮廓图像201组成。其中，深度图像202中每个像素点的灰度值代表了该点的深度信息，轮廓图像201中每个像素点的灰度值代表了该点的振幅大小。进一步地，在一个具体的实施例中，最多可以将各点分布在256个离散深度上。
根据本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，如图3 所示，基于层结构的数据模型包括：轮廓图像201和深度图像202，具体地，从轮廓图像201中提取一个区域，记为轮廓有效区域204，将轮廓有效区域204 以外的图像全部置零，置零区域记为轮廓黑色区域205，轮廓有效区域204和轮廓灰色区域共同构成子轮廓图像206；进一步地，从深度图像202中提取一个区域，记为深度有效区域207；将深度有效区域207以外的图像全部置零，置零区域记为深度黑色区域208，深度有效区域207和深度黑色区域208共同构成子深度图像209；子轮廓图像206和子深度图像209共同组成子区域模型。需要说明的是，轮廓图像201、深度图像202、子轮廓图像206和子深度图像 209的分辨率两两相等。进一步地，在一个具体的实施例中，基于层结构的数据模型可以被分为4个子区域模型，即A子区域模型210、B子区域模型211、 C子区域模型212和D子区域模型213，其中A子区域模型210、B子区域模型211、C子区域模型212和D子区域模型213各自的轮廓有效区域204和深度有效区域207的分辨率均是相等的。进一步地，A子区域模型210、B子区域模型211、C子区域模型212和D子区域模型213的轮廓有效区域204相加与轮廓图像201相同，A子区域模型210、B子区域模型211、C子区域模型212 和D子区域模型213的深度有效区域207相加与深度图像202相同。
根据本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，如图2 所示，计算全息图的过程包括如下步骤：
步骤301，根据子区域模型对应的子轮廓图像206和子深度图像209，提取相应深度上的振幅分布；
步骤302，叠加随机相位至相应深度上的振幅信息表面，模拟真实物体的散射现象；这样可以使实际生成的计算全息图完整记录待显示三维场景的低频信息，进而提升全息图记录信息的全面性，从而有利于提高全息显示的显示效果。
步骤303，利用角谱传播理论，计算不同深度的振幅信息在全息平面上的复振幅分布，即角谱传播理论可由下式表示：
Figure RE-GDA0002684016700000081
其中，U(x,y)表示全息平面上的复振幅分布，F是傅里叶变换的符号，Ui(x,y) 表示每一层深度上的振幅信息，r(x,y)表示随机相位，λ表示照明波长，zi表示每一层深度平面和全息平面之间的距离，u和v表示x方向和y方向上的空间频率；
步骤304，叠加所有深度振幅信息在全息面上的复振幅分布，抽取其中的相位部分。也就是说，抽取出来的相位信息就是A子区域模型210、B子区域模型211、C子区域模型212和D子区域模型213对应的纯相位型全息图。
根据本发明实施例的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，将N个子区域模型对应的计算全息图加载到相应的空间光调制器408上，其中，空间光调制器408被相干平面波照射，相应N个子区域模型的信息在目标区域内被衍射重建并相互叠加，从而得到相应区域内的三维图像。
综上，根据本发明的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，根据本发明的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，通过衍射场叠加技术，使用N 个空间光调制器408，将全息显示系统的空间带宽积扩大了N倍，可以实现全息显示质量的极大提高。
根据本发明的第二方面的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法的实现装置，采用了如第一方面任一种基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，如图4所示，还包括：激光光源401、可调节衰减片402、空间滤波器403、多个凸透镜404、偏振片405、多个分束镜406、多个遮光板407、多个相位型空间光调制器408和平面反射镜409，其中激光光源401发出的相干光经过可调节衰减片402后可发生能量的变化，可调节衰减片402通过改变透过率可控制相干光的能量变化，从而达到控制全息显示亮度的目的。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
进一步地，经过可调节衰减片402的相干光通过空间滤波器403可由准直光束变成了点光源；点光源通过凸透镜404进行准直操作后成为扩束准直光；扩束准直光通过偏振片405可发生偏振改变，需要说明的是，由于多个相位型空间光调制器408对入射光的偏振状态敏感，这样通过偏振片405改变扩束准直光的偏振状态，可以与空间光调制器408的最佳偏振状态匹配，从而增强全息显示的最终效果。
进一步地，经过偏振片405的扩束准直光通过多个分束镜406的透射和反射，传至相位型空间光调制器408表面可发生衍射，需要说明的是，多个相位型空间光调制器408加载了A子区域模型210、B子区域模型211、C子区域模型212和D子区域模型213对应的纯相位型全息图，从而使扩束准直光受到纯相位型全息图调制，而且衍射结果中包含了待显示物体的波前信息。
进一步地，衍射光的一部分经过多个分束镜406的再次透射和反射，到达平面反射镜409；被平面反射镜409反射的衍射光经过由多个凸透镜404组成的4-F系统410，在目标深度处可视。具体地，4F系统410可以滤除衍射结果中的干扰成分，从而有利于提升全息显示系统的显示效果。需要说明的是，通过多个相位型空间光调制器408的衍射结果的一部分无法被观看者所观看，为了避免对显示效果的干扰，可以使用多个遮光板407予以遮挡。综上所述，根据本发明的第二方面的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法的实现装置具有装配简单、易于校准和实用性高等优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
步骤101，采用正交投影法，获取由轮廓图像和深度图像构成的三维场景层结构模型；
步骤102，根据绘制的基于层结构的数据模型，提取层结构模型中N个有效区域，并在其周围置零，获得N个子区域模型；
步骤103，对获得的N个子区域模型，采用分层角谱算法，计算获得N个子区域模型所分别对应的计算全息图；
步骤104，对N个子区域模型对应的纯相位型全息图至相应的纯相位型空间光调制器，实现全息重建。
2.根据权利要求1的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，其特征在于，将全息图所在平面设置为基准平面，此处z＝0，采用正交投影法，计算基于点云的三维场景数据中各点到全息图所在平面的垂直距离。
3.根据权利要求2的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，其特征在于，基于层结构的数据模型包括：轮廓图像和深度图像，从轮廓图像中提取一个区域，记为轮廓有效区域，将轮廓有效区域以外的图像全部置零，置零区域记为轮廓黑色区域，轮廓有效区域和轮廓灰色区域共同构成子轮廓图像；从深度图像中提取一个区域，记为深度有效区域；将深度有效区域以外的图像全部置零，置零区域记为深度黑色区域，深度有效区域和深度黑色区域共同构成子深度图像；子轮廓图像和子深度图像共同组成子区域模型。
4.根据权利要求3的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，其特征在于，计算全息图的过程包括如下步骤：
步骤301，根据子区域模型对应的子轮廓图像和子深度图像，提取相应深度上的振幅分布；
步骤302，叠加随机相位至相应深度上的振幅信息表面，模拟真实物体的散射现象；
步骤303，利用角谱传播理论，计算不同深度的振幅信息在全息平面上的复振幅分布，即角谱传播理论可由下式表示：
Figure RE-FDA0002684016690000021
其中，U(x,y)表示全息平面上的复振幅分布，F是傅里叶变换的符号，Ui(x,y)表示每一层深度上的振幅信息，r(x,y)表示随机相位，λ表示照明波长，zi表示每一层深度平面和全息平面之间的距离，u和v表示x方向和y方向上的空间频率；
步骤304，叠加所有深度振幅信息在全息面上的复振幅分布，抽取其中的相位部分。
5.根据权利要求4的基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，其特征在于，将N个子区域模型对应的计算全息图加载到相应的空间光调制器上，其中，空间光调制器被相干平面波照射，相应N个子区域模型的信息在目标区域内被衍射重建并相互叠加，得到相应区域内的三维图像。
6.一种基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法的实现装置，其特征在于，采用根据权利要求1-5中任一项基于衍射场叠加的高清三维全息显示方法，还包括：激光光源、可调节衰减片、空间滤波器、多个凸透镜、偏振片、多个分束镜、多个遮光板、多个相位型空间光调制器和平面反射镜，其中激光光源发出的相干光经过可调节衰减片后可发生能量的变化；可调节衰减片通过改变透过率可控制相干光的能量变化；经过可调节衰减片的相干光通过空间滤波器可由准直光束变成了点光源；点光源通过凸透镜进行准直操作后成为扩束准直光；扩束准直光通过偏振片可发生偏振改变；经过偏振片的扩束准直光通过多个分束镜的透射和反射，传至相位型空间光调制器表面可发生衍射；衍射光的一部分经过多个分束镜的再次透射和反射，到达平面反射镜；被平面反射镜反射的衍射光经过由多个凸透镜组成的4F系统，在目标深度处可视。
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