CN109856944B - 一种提高再现像质量的纯相位全息图生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对纯相位全息图生成过程中，由于散斑噪声和混叠现象造成的再现像质量不高的问题，提出一种提高再现像质量的纯相位全息图生成方法。该方法通过栅格化的物体采样，充分利用混叠现象，使得全息面上的振幅分布均匀，生成的纯相位全息图丢失信息减少，从而能够完整地再现原来的物体，有效地提高了纯相位全息图的再现像质量。本发明的方法简单、效果好，在目前热门的AR显示和投影显示中有极大的应用潜力。

Description

一种提高再现像质量的纯相位全息图生成方法

技术领域

本发明涉及一种全息投影显示领域，特别是纯相位全息图的生成方法。

背景技术

全息显示能提供给观察者需要的所有信息，因此被公认为最有前景的3D显示技术。但是，目前的全息显示技术依然有一些问题亟待解决，其中之一是由于振幅或相位的丢失造成的再现像的质量退化问题。纯相位全息图的再现像质量可以通过向物体添加随机相位来得到一定的改善，然而干涉产生的散斑噪声也是一个需要解决的问题。造成纯相位全息图再现质量下降的另一个原因是混叠现象，通常混叠是需要消除的，但是通过研究分析发现，如果混叠使用得当，也能用于纯相位全息图的再现像质量提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高再现像质量的纯相位全息图生成方法。

解决上述技术问题采用如下技术措施：提高再现像质量的纯相位全息图生成方法按如下步骤进行：

（i）放大采样间距：对采样间距为p、分辨率为M1×N1的图像持分辨率不变，但是将采样间距扩大s倍，得到图像I1，扩大后的采样间距为p1，p1=s×p。

（ii）模拟漫反射照明：向图像I1代表的物体添加一定的随机噪声，得到待衍射物体复振幅分布U1，其过程表示为U1=I1×exp(i×R1)，其中，i为虚数单位，R1在区间[0, tπ]上具有均匀概率分布，t≤2。

（iii）全息面衍射场分布计算：以物体复振幅分布U1作为输入，采用点源法，计算全息面上的衍射场分布U2，其过程表示为：U2=PBM(U1| λ, d)，其中PBM()表示点源法的衍射场计算，λ表示波长，d表示衍射距离，全息图的分辨率为M×N，像素间距为p0。

（iv）纯相位全息图生成：对得到的全息面衍射场分布U2取相位角，即得到纯相位的全息图H，其过程表示为：H=ang(U2)，其中ang()表示对复数取相位角操作。

关键参数条件：在关键的步骤（i）中，扩大的采样间距p1和像素数量M1必须同时满足3个条件：第一，采样间距大于艾里斑直径，即p1≥2d×tan(1.22λ/p0/M)，其中tan()表示正切函数；第二，采样间距小于人眼的分辨能力，即p1≤d1×1.22λ/De，其中d1是人眼观看再现像的距离，De表示人眼的瞳孔直径；第三，空间光调制器的空间带宽积限制，即p1×M1≤d×tan[arcsin(λ/p0)]，其中arcsin表示反正弦函数。

本发明的有益效果在于：由于间距扩大后的图像相当于一个光栅的效果，能够使得全息面上的衍射场的混叠效应得到充分利用，可以提高生成的纯相位全息图的再现像质量。

附图说明

附图1为本发明的纯相位全息图生成流程图。

附图2为全息图的再现像质量对比，2(a)为不进行步骤(i-iii)生成的全息图的再现像，2(b)本发明方法生成的全息图的再现像。

注：上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明本发明一种提高再现像质量的纯相位全息图生成方法的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明所述方法的具体实施方式如下：

纯相位全息图的生成过程（如图1所示）分如下几个步骤：

（i）放大采样间距：对采样间距为p、分辨率为M1×N1的图像持分辨率不变，但是将采样间距扩大s倍，得到图像I1，扩大后的采样间距为p1，p1=s×p。

（ii）模拟漫反射照明：向图像I1代表的物体添加一定的随机噪声，得到待衍射物体复振幅分布U1，其过程表示为U1=I1×exp(i×R1)，其中，i为虚数单位，R1在区间[0, tπ]上具有均匀概率分布，t≤2。

（iii）全息面衍射场分布计算：以物体复振幅分布U1作为输入，采用点源法，计算全息面上的衍射场分布U2，其过程表示为：U2=PBM(U1| λ, d)，其中PBM()表示点源法的衍射场计算，λ表示波长，d表示衍射距离，全息图的分辨率为M×N，像素间距为p0。

（iv）纯相位全息图生成：对得到的全息面衍射场分布U2取相位角，即得到纯相位的全息图H，其过程表示为：H=ang(U2)，其中ang()表示对复数取相位角操作。

关键参数条件：在关键的步骤（i）中，扩大的采样间距p1和像素数量M1必须同时满足3个条件：第一，采样间距大于艾里斑直径，即p1≥2d×tan(1.22λ/p0/M)，其中tan()表示正切函数；第二，采样间距小于人眼的分辨能力，即p1≤d1×1.22λ/De，其中d1是人眼观看再现像的距离，De表示人眼的瞳孔直径；第三，空间光调制器的空间带宽积限制，即p1×M1≤d×tan[arcsin(λ/p0)]，其中arcsin表示反正弦函数。

本发明的实例中，点源法的衍射场计算具体表示为：U2=PBM(U1)=-iλ^-1∑∑[U1´exp(ikr)/r]，其中，k=2π/λ，r为物点到全息面上某点的距离；步骤（ii）中的参数t设为1。

下面结合实施例和附图对本发明的内容进行进一步的解释：

物体的分辨率M1×N1为256×256，像素间距p1为12×8um；全息图的分辨率M×N为1920×1080，像素间距p为8.0um；波长λ为532nm，衍射距离d为500mm，再现像观看距离d1为500mm，物体分层层数为256，分层层间距为3×104um，对应的采样间距扩大倍率s为12。

为了说明本发明方法的效果，全息图的再现像质量对比结果如图2所示。2(a)为不进行步骤(i-ii)生成的全息图的再现像，由于振幅信息的缺失造成再现像无法恢复整个物体；2(b)本发明方法生成的全息图的再现像，由于光栅化的物体能够充分利用混叠现象，使得全息面的振幅分布均匀，生成的纯相位全息图丢失信息减少，从而能够较完整地再现原来的物体；从对比可以看出再现像的质量有大幅的提高。因此，本发明的方法简单、效果好，在目前热门的AR显示和投影显示中有极大的应用潜力。

Claims (1)

1.一种提高再现像质量的纯相位全息图生成方法，其特征是按如下步骤进行： （i）放大采样间距：对采样间距为p、分辨率为M1×N1的图像持分辨率不变，但是将采样间距扩大s倍，得到图像I1，扩大后的采样间距为p1，p1=s×p； （ii）模拟漫反射照明：向图像I1代表的物体添加一定的随机噪声，得到待衍射物体复振幅分布U1，其过程表示为U1=I1×exp(i×R1)，其中，i为虚数单位，R1在区间[0, tπ]上具有均匀概率分布，t≤2； （iii）全息面衍射场分布计算：以物体复振幅分布U1作为输入，采用点源法，计算全息面上的衍射场分布U2，其过程表示为：U2=PBM(U1| λ, d)，其中PBM()表示点源法的衍射场计算，λ表示波长，d表示衍射距离，全息图的分辨率为M×N，像素间距为p0； （iv）纯相位全息图生成：对得到的全息面衍射场分布U2取相位角，即得到纯相位的全息图H，其过程表示为：H=ang(U2)，其中ang()表示对复数取相位角操作； 关键参数条件：在关键的步骤（i）中，扩大的采样间距p1和像素数量M1必须同时满足3个条件：第一，采样间距大于艾里斑直径，即p1≥2d×tan(1.22λ/p0/M)，其中tan()表示正切函数；第二，采样间距小于人眼的分辨能力，即p1≤d1×1.22λ/De，其中d1是人眼观看再现像的距离，De表示人眼的瞳孔直径；第三，空间光调制器的空间带宽积限制，即p1×M1≤d×tan[arcsin(λ/p0)]，其中arcsin表示反正弦函数。

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