CN110032053B

CN110032053B - 一种基于有效利用空间光调制器的全息散斑噪声抑制方法

Info

Publication number: CN110032053B
Application number: CN201910246161.1A
Authority: CN
Inventors: 王琼华; 王迪; 刘超
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN110032053A

Abstract

本发明提出一种基于有效利用SLM的全息散斑噪声抑制方法。该方法包括以下三个步骤：第一步，将物体分成离散的物点组，通过计算有效视区来抑制浪费信息造成的散斑噪声；第二步，通过对中心条纹图案进行位移和叠加得到子全息图；第三步，基于时空复用法有效地利用两个SLM，将所有子全息图平均分成两部分，其中一半的子全息图加载到SLM1上，另一半进行镜像处理后加载到SLM2上，从而降低全息再现像中的散斑噪声。本发明所提出的方法不仅可以抑制全息再现像中的散斑噪声，还能有效地提升全息图的计算速度。

Description

一种基于有效利用空间光调制器的全息散斑噪声抑制方法

一、技术领域

本发明涉及全息显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于有效利用空间光调制器(SLM)的全息散斑噪声抑制方法。

二、背景技术

全息显示技术无需观看者配戴任何特殊眼镜就能观看到完整的三维场景信息。因此，在目前的三维显示技术中，全息显示被认为是最理想的三维显示方式。由于激光的高度相干性，在全息再现过程中存在着散斑噪声，严重影响了再现像的质量。为了抑制散斑噪声，国内外的研究者提出了很多方法，如迭代法、LED照明法、时分复用法、下采样法、复振幅调制法等。尽管迭代法可以抑制散斑噪声，但是其计算时间比较长。复振幅调制法通过调制再现像的振幅和相位来抑制散斑噪声，然而再现复振幅信息时所用的4f结构大大地增加了系统的复杂性。像素分离法通过消除相邻像点的干扰来抑制散斑噪声，然而其目前的计算速度也依然难以实现实时的全息显示。因此，在抑制散斑噪声的同时提高全息显示系统的性能已经成为目前亟待解决的问题。

三、发明内容

本发明提出一种基于有效利用空间光调制器(SLM)的全息散斑噪声抑制方法。如附图1所示，该方法包括以下三个步骤：第一步，将物体分成离散的物点组，通过计算有效视区来抑制浪费信息造成的散斑噪声；第二步，通过对中心条纹图案进行位移和叠加得到子全息图；第三步，基于时空复用法有效地利用两个SLM，从而降低全息再现像中的散斑噪声。

在步骤一中，物体被分离成离散的物点组，其中p(2≤p≤M,2≤p≤N)是像素分离的间距，M和N分别是再现像水平和竖直方向上物点的数量。因此，可以将被记录的物体分成p²个物点组。附图2是有效视区计算的原理示意图，以SLM的中心为原点建立坐标系，H是SLM的宽度，Z是被记录物体和SLM的距离，L是被记录物体的宽度，A、B是被记录物体边界上的两点。在记录过程中，全息图上的任何一点都记录了物体的全部信息。再现过程中，再现像与SLM之间的距离为Z。A’和B’分别是A、B对应的再现像。观看者所处的位置与SLM之间的距离是R，衍射光的边界宽度是D。Da和Db分别是依据衍射理论得出的A’和B’的视区范围，即只有在Da区域内能观看到A’点，Db区域内观看到B’点。因此只有在Da和Db重合的区域(即有效视区Du)，才能看到完整的再现像，其中：

Du＝Da+Db-D (1)

在有效视区之外，无法看到完整的再现像，有效全息图的大小Wo＝H-L，因此，本发明所提出的方法只记录有效视区中的物体信息，在保证有效视区不变的前提下，本发明所提出的方法减少了浪费信息的计算。

在步骤二中，对中心条纹图案进行位移和叠加操作来计算全息图。在对中心条纹图案进行位移和叠加操作时，中心条纹图案对应物体的中心点，其余物点的干涉条纹图通过将中心条纹图平移后进行截取，截取大小对应有效全息图的大小，平移距离等于物点到中心点的距离。将物点组中每一个物点的条纹图叠加在一起，计算出该物点组的衍射图样，通过计算p²个物点组，得到了p²个子全息图。每一个子全息图记录着不同物点集合的信息，这些随机的散斑噪声的分布也不同。

在步骤三中，将p²个子全息图平均分成两部分，其中一半的子全息图加载到SLM1上，另一半进行镜像处理后加载到SLM2上。基于时空复用法进行再现，便可以看到抑制了散斑噪声的再现像。当每一个子图像的散斑噪声均不相干时，最终图像的散斑对比度C可以被表示为：

I和σ分别为平均数和强度标准差。通过公式(2)可以看出再现像的散斑对比度C随着p的增加而降低。

优选地，两个SLM的型号相同，被记录物体的尺寸小于SLM的大小。

四、附图说明

附图1为本发明的基于SLM有效利用的全息散斑噪声抑制方法的示意图。

附图2为有效视区计算的原理示意图。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

五、具体实施方式

下面详细说明本发明提出的一种基于有效利用SLM的全息散斑噪声抑制方法的实施例，对本发明进行进一步的描述。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。

本发明的一个实施例为：SLM的分辨率和像素间距分别为1920×1080和6.4μm，再现光的波长是532nm。被记录物体的分辨率是320×240。设定p＝2，将物体分为四个物点集合。用MATLAB计算物体上的中心点从而得到中心条纹图案。中心条纹图案的分辨率是1600×840。通过对中心条纹图案进行平移和相加操作生成了四幅分辨率为1920×1080的子全息图。其中的两幅加载到SLM1上，剩下的两幅作镜像处理后加载到SLM2上。每一个子全息图的显示时间是0.033s，当这两个子全息图再现时，根据空间复用原理可以再现出抑制了散斑噪声的全息再现像，该方法子全息图的计算速度分别是230.541s，峰值信噪比是31.088。而使用传统的新型查表法时，子全息图的计算速度是342.546s，峰值信噪比是29.572。可以看出，所提出的方法不仅能抑制散斑噪声，还能有效地提高全息图的计算速度。

Claims

1.一种基于有效利用空间光调制器的全息散斑噪声抑制方法，其特征在于，该方法包括以下三个步骤：第一步，将物体分成离散的物点组，通过计算有效视区来抑制浪费信息造成的散斑噪声；第二步，通过对中心条纹图案进行位移和叠加得到子全息图；第三步，基于时空复用法有效地利用两个空间光调制器，从而降低全息再现像中的散斑噪声；在步骤一过程，物体被分离成离散的物点组，其中p是像素分离的间距，M和N分别是再现像水平和竖直方向上物点的数量，将被记录的物体分成p²个物点组；以空间光调制器的中心为原点建立坐标系，H是空间光调制器的宽度，Z是被记录物体和空间光调制器的距离，L是被记录物体的宽度，A、B是被记录物体边界上的两点；在记录过程中，全息图上的任何一点都记录了物体的全部信息，再现过程中，再现像与空间光调制器之间的距离为Z，A’和B’分别是A、B对应的再现像，观看者所处的位置与空间光调制器之间的距离是R，衍射光的边界宽度是D，Da和Db分别是依据衍射理论得出的A’和B’的视区范围，即只有在Da区域内能观看到A’点，Db区域内观看到B’点，只有在Da和Db重合的区域，即有效视区Du，才能看到完整的再现像，其中：

Du＝Da+Db-D

在有效视区之外，无法看到完整的再现像，有效全息图的大小Wo＝H-L，只记录有效视区中的物体信息，在保证有效视区不变的前提下，减少了浪费信息的计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于有效利用空间光调制器的全息散斑噪声抑制方法，其特征在于，所述方法的步骤二过程，对中心条纹图案进行位移和叠加操作来计算全息图；在对中心条纹图案进行位移和叠加操作时，中心条纹图案对应物体的中心点，其余物点的干涉条纹图通过将中心条纹图平移后进行截取，截取大小对应有效全息图的大小，平移距离等于物点到中心点的距离；将物点组中每一个物点的条纹图叠加在一起，计算出该物点组的衍射图样，通过计算p²个物点组，得到了p²个子全息图；每一个子全息图记录着不同物点集合的信息，这些随机的散斑噪声的分布也不同。

3.根据权利要求1所述的一种基于有效利用空间光调制器的全息散斑噪声抑制方法，其特征在于，所述方法的步骤三过程，将p²个子全息图平均分成两部分，其中一半的子全息图加载到空间光调制器1上，另一半进行镜像处理后加载到空间光调制器2上；基于时空复用法进行再现，便看到抑制了散斑噪声的再现像；当每一个子图像的散斑噪声均不相干时，最终图像的散斑对比度C被表示为：

I和σ分别为平均数和强度标准差，再现像的散斑对比度C随着p的增加而降低。

4.根据权利要求1所述的一种基于有效利用空间光调制器的全息散斑噪声抑制方法，其特征在于，两个空间光调制器的型号相同，被记录物体的尺寸小于空间光调制器的大小。