无混叠像的大尺寸全息3D显示系统及方法

本发明属于全息显示，涉及一种无混叠像的大尺寸全息3d显示系统及方法。

背景技术：

1、全息显示技术被誉为是实现真三维显示最理想的技术，而随着空间光调制器(slm)的不断发展，slm被广泛用于全息显示系统中，它通常用于加载纯相位全息图以调制入射光，且基于slm的全息显示技术在彩色、动态、三维全息显示等方向潜力巨大。然而当前现有slm并不能满足大尺寸全息显示的需求。由于现有slm的像素尺寸一般在6μm-15μm之间，假设光源波长为532nm，slm的像素尺寸为8μm，可以得到slm的衍射角仅为1.9°，虽然随着传播距离的增加，衍射图像的尺寸会大于slm的尺寸，但由于衍射角太小，导致衍射图像尺寸实际的增量非常小。

2、目前实现大尺寸全息显示的方法包括：拼接多个空间光调制器的重建像实现大尺寸的全息显示，然而这种方法会使得全息显示系统结构较为复杂，且需要精密的光路以实现无缝拼接；利用发散球面光照射slm，物理增加slm的衍射角，实现大尺寸全息显示，但这一类方法对光源要求有一定限制，都需要半径较小的发散球面光束,且入射光为球面波会导致重建图像的强度和相位不均匀。

3、此外，全息图的设计通常依赖基于单次快速傅里叶变换的菲涅耳衍射算法，因为该算法在计算过程中只需要进行一次快速傅里叶变换就可以得到计算结果。但该算法使用条件苛刻，其结果的振幅和相位的计算难以同时满足采样定理，导致成像结果存在混叠误差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无混叠像的大尺寸全息3d显示系统及方法。由所提出的全息显示系统与匹配该系统结构的全息图设计方法配合实现无混叠像的大尺寸全息3d显示。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、无混叠像的大尺寸全息3d显示系统，该系统包括空间光调制器slm和短焦平凸透镜；

4、所述平凸透镜的通光尺寸l1大于slm的通光尺寸l0；

5、l0＝nδx0，n为slm像素数，δx0为slm像素间隔；

6、l1＝λz1n/l0，λ为光波长，z1为slm与平凸透镜之间的距离，

7、l1＝nδx1，f为平凸透镜的焦距，δx1为平凸透镜平面的采样间隔，δx1＝λz1/l0，

8、调整平凸透镜所在平面、平凸透镜焦平面和成像平面的位置，实现全息3d显示，具体为通过迭代算法将3d图像分为若干2d图像，计算每一幅2d图像在全息图平面的复振幅分布，并将所有复振幅分布叠加，最后取叠加后的复振幅的相位为最终生成的全息图。

9、其中，全息图平面是空间光调制器所在的平面，全息图是加载到空间光调制器上的。

10、进一步，所述迭代算法包括正向计算过程和反向计算过程；

11、正向计算过程为先根据全息图的光场分布计算平凸透镜前平面的光场分布，然后根据平凸透镜后平面的光场分布计算平凸透镜焦平面的光场分布，最后根据平凸透镜焦平面的光场分布计算成像平面的光场分布；

12、反向计算过程相反；

13、全息图初始的采样数为n×n，对全息图进行补零至m×m，使计算中全息图的尺寸l0＝mδx0＝l1；

14、迭代完成后，取迭代输出结果中间n×n个点的相位为最终生成的全息图。

15、进一步，所述根据平凸透镜焦平面的光场分布计算成像平面的光场分布中，将使用的基于单次快速傅里叶变换的菲涅耳衍射算法中的快速傅里叶变换fft替换为非均匀快速傅里叶变换nufft，以调整成像平面的采样间隔，将所有的采样点用于图像所占区域。

16、无混叠像的大尺寸全息3d显示方法，该方法包括以下步骤：将空间光调制器slm和短焦平凸透镜并列放置，并满足以下条件；

17、所述平凸透镜的通光尺寸l1大于slm的通光尺寸l0；

18、l0＝nδx0，n为slm像素数，δx0为slm像素间隔；

19、l1＝λz1n/l0，λ为光波长，z1为slm与平凸透镜之间的距离，

20、l1＝nδx1，f为平凸透镜的焦距，δx1为平凸透镜平面的采样间隔，δx1＝λz1/l0，

21、调整平凸透镜所在平面、平凸透镜焦平面和成像平面的位置，实现全息3d显示，具体为通过迭代算法将3d图像分为若干2d图像，计算每一幅2d图像在全息图平面的复振幅分布，并将所有复振幅分布叠加，最后取叠加后的复振幅的相位为最终生成的全息图。

22、其中，全息图平面是空间光调制器所在的平面，全息图是加载到空间光调制器上的。

23、进一步，所述迭代算法包括正向计算过程和反向计算过程；

24、正向计算过程为先根据全息图的光场分布计算平凸透镜前平面的光场分布，然后根据平凸透镜后平面的光场分布计算平凸透镜焦平面的光场分布，最后根据平凸透镜焦平面的光场分布计算成像平面的光场分布；

25、反向计算过程相反；

26、全息图初始的采样数为n×n，对全息图进行补零至m×m，使计算中全息图的尺寸l0＝mδx0＝l1；

27、迭代完成后，取迭代输出结果中间n×n个点的相位为最终生成的全息图。

28、进一步，所述根据平凸透镜焦平面的光场分布计算成像平面的光场分布中，将使用的基于单次快速傅里叶变换的菲涅耳衍射算法中的快速傅里叶变换fft替换为非均匀快速傅里叶变换nufft，以调整成像平面的采样间隔，将所有的采样点用于图像所占区域。

29、本发明的有益效果在于：

30、1、相较于传统的全息显示系统，只需引入一个短焦平凸透镜，调控透镜所在平面，透镜焦平面，成像面的位置，即可实现大尺寸的全息3d显示。

31、2、在全息图设计方法中，针对不同的计算步骤，通过补零和非均匀采样的操作，改进了传统的基于单次快速傅里叶变换的菲涅耳衍射算法，避免了传统算法中的采样误差及采样间隔恒定的问题，消除了全息重建像的混叠像，提高视觉质量。

32、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.无混叠像的大尺寸全息3d显示系统，其特征在于：该系统包括空间光调制器slm和短焦平凸透镜；

2.根据权利要求1所述的无混叠像的大尺寸全息3d显示系统，其特征在于：所述迭代算法包括正向计算过程和反向计算过程；

3.根据权利要求2所述的无混叠像的大尺寸全息3d显示系统，其特征在于：所述根据平凸透镜焦平面的光场分布计算成像平面的光场分布中，将使用的基于单次快速傅里叶变换的菲涅耳衍射算法中的快速傅里叶变换fft替换为非均匀快速傅里叶变换nufft，以调整成像平面的采样间隔，将所有的采样点用于图像所占区域。

4.无混叠像的大尺寸全息3d显示方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：将空间光调制器slm和短焦平凸透镜并列放置，并满足以下条件；

5.根据权利要求4所述的无混叠像的大尺寸全息3d显示方法，其特征在于：所述迭代算法包括正向计算过程和反向计算过程；

6.根据权利要求5所述的无混叠像的大尺寸全息3d显示方法，其特征在于：所述根据平凸透镜焦平面的光场分布计算成像平面的光场分布中，将使用的基于单次快速傅里叶变换的菲涅耳衍射算法中的快速傅里叶变换fft替换为非均匀快速傅里叶变换nufft，以调整成像平面的采样间隔，将所有的采样点用于图像所占区域。

技术总结本发明涉及一种无混叠像的大尺寸全息3D显示系统及方法，属于全息显示技术领域。该方法包括：全息显示系统由一个空间光调制器和一个短焦平凸透镜组成，通过调控平凸透镜所在平面，平凸透镜焦平面，成像平面三个平面的位置，扩大成像平面的显示范围；全息图设计方法先提供一个初始光场分布作为初始全息图，该光场的振幅为单位振幅，相位为随机相位，在计算机中根据基于单次快速傅里叶变换菲涅耳衍射算法模拟所述初始全息图在全息面与待显示物体多个物面之间往返传播，在每一轮迭代中，通过补零和非均匀采样的操作避免菲涅耳衍射算法的混叠误差，迭代完成后，该设计方法能够生成可再现无混叠全息3D重建图像的全息图。技术研发人员：尹韶云,张可,孙秀辉,陈建军受保护的技术使用者：重庆邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2