真实场景的实时全息采集与再现系统及方法

本发明属于全息，具体地说，本发明涉及一种真实场景的实时全息采集与再现系统及方法。

背景技术：

1、全息技术自从上世纪四十年代发明以来，一直被视为三维显示领域中最有前景的技术。全息技术给人眼提供完整的光学信息，确保舒适的对焦调节以及无违和的视差线索。全息技术包含两个过程，一个是全息采集，另一个是全息显示。而全息采集过程与全息显示过程往往是分开的，几乎没有一种实时进行全息采集与显示的技术，既全息采集与全息显示同时进行。

2、目前，三维显示的全息采集方式主要有两种。一种方式是光学全息采集，利用物体光束和参考光束的干涉效应，在全息干板上记录带有物体完整信息的干涉条纹。另一种是计算全息方法，先将真实物体或场景转换为计算机程序可理解的三维模型，再把三维模型编码成为全息图。光学采集的缺点一是需要搭建复杂的光路而造成系统的便携性差，二是难以实现动态采集。计算全息采集的缺点是从真实场景物体到全息图之间存在三维模型这个中间过程，从而使采集的实时性很差。

3、为了全息技术在增强现实和虚拟现实领域更好的应用，真实场景的全息采集及重现是必不可少的一环，一个能够实时重建的数字全息系统是很有需求的。因此对于计算全息领域，亟需解决实时全息采集与显示这个问题。

4、专利cn102024272a公开了一种获取三维运动物体计算全息图的装置和方法，该装置利用计算机控制相机透过透镜阵列获取物体频谱信息及深度信息，最终编码为全息图以实现计算全息图的采集。但是该装置在获取深度信息时，需要拍摄18幅图片，而且通过深度要素进行全息图编码要进行复杂的傅里叶变换运算，难以实现实时采集，进而难以实现全息采集与全息显示的实时进行。

5、专利cn100429587c授权了一种全息立体图像记录与显示方法及其装置与应用。该授权方法利用摄像机以圆弧运动连续拍摄景物，得到不同角度的二维图像，再把二维图像集通过光学方法转化为全息底片，并最终用作全息显示。理论上连续拍摄景物、二维图像的计算机处理、全息底片的曝光这三个步骤难以在短时间内完成，因此难以达到全息采集与全息显示的实时进行。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种真实场景的实时全息采集与再现系统及方法，将全息采集装置与全息显示装置一体化设计，使真实场景能够实时全息再现，有效解决了面对真实场景的全息采集与全息显示难以实时进行的问题。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种真实场景的实时全息采集与再现系统，其特点在于，包括：

4、红外光源模块，配置为在全息采集过程中提供准直的红外光；

5、可见光源模块，配置为在全息显示过程中提供准直的可见光；

6、导光装置，配置为至少两个分束镜，用于偏转、拆分并传导光束；具体包括在全息采集过程中将所述红外光源发出的红外光传导至真实场景中的物体，并将该物体的反射光引导经空间光调制器传导至成像装置，以及在全息显示过程中将所述可见光源模块发出的可见光传导至空间光调制器，生成物体的全息像；

7、红外成像装置，用于在全息采集过程中，先后捕获携带物体信息的、传播距离不同的反射光，并生成对应的强度图；

8、计算控制模块，分别与所述红外光源模块、可见光源模块、导光装置，红外成像装置相连接并控制其工作时序，具体的：控制所述红外光源模块和可见光源模块的出光时序，确保二者交替出光且不发生重叠，在全息采集过程中，即红外光源模块开启、可见光源模块关闭状态，控制红外成像装置捕获至少两个不同传播距离下的反射光，生成对应的至少两幅强度图，其中，第二传播距离与第一传播距离之差的绝对值为光强传输方程的有效传播距离，并通过对两幅强度图进行处理计算，获得携带物体信息的编码全息图；在全息显示过程中，即红外光源模块关闭、可见光源模块开启状态，控制空间光调制器加载所述编码全息图，并生成物体的全息重建三维像。

9、进一步，所述光强传输方程的有效传播距离为1～10微米。

10、优选的，所述红外光源模块包括红外光源和红外准直透镜，所述可见光源模块包括可见相干光源和与其可见准直透镜，所述红外成像装置包括红外成像传感器和成像透镜；所述空间光调制器，与计算控制模块连接，用于在全息采集过程中调制物体光波，使光波的传播距离发生变化；以及在全息显示过程中加载编码全息图以生成物体的全息像；其中，所述红外成像装置在全息采集过程中，通过空间光调制器的辅助，先后捕获携带物体信息的、传播距离不同的反射光，并生成对应的强度图。

11、优选的，所述红外光源模块包括红外光源和红外准直透镜，所述可见光源模块包括可见相干光源和与其可见准直透镜，所述红外成像装置包括至少二组红外成像传感器和成像透镜，确保在全息采集过程中捕获携带物体信息的、传播距离不同的反射光，并生成对应的强度图。

12、所述红外成像装置，用于捕获红外光并生成对应的电信号。

13、所述导光装置包括至少三个分束镜。

14、优选的，导光装置由三个分束镜组成，所述的导光装置按照光线传播方向在全息采集分支光路中拥有：红外光源模块入光口、真实场景出光口、真实场景入光口、空间光调制器出光口、空间光调制器入光口、红外成像装置出光口，其中空间光调制器出光口和空间光调制器入光口在全息采集分支光路和全息显示分支光路中重合；红外成像装置由一组红外成像传感器与成像透镜组成，所属的红外成像传感器处于导光装置的红外成像出光口。

15、优选的，导光装置由四个分束镜组成，所述的导光装置在全息采集分支光路中拥有两个独立不重合的红外成像装置出光口；红外成像装置由两组红外成像传感器与成像透镜组成，所属的两个红外成像传感器对应处于导光装置的两个红外成像出光口。两个红外成像传感器与两个分别对应的红外成像出光口之间的轴向距离不同，所述两个距离之差为tie传播距离。

16、所述空间光调制器为反射式或透射式，能够动态加载由计算控制模块生成的编码全息图，以调制照明光并重建出物体的全息三维图像。在全息采集阶段加载全息图对传播距离进行调制，在全息显示阶段加载显示图像全息图调制实现全息显示，空间光调制器位于导光装置的空间光调制器出光口或空间光调制器入光口的位置；

17、优选的，所述计算控制模块，至少包括：

18、光源控制单元，用于根据全息采集与显示的时序要求，控制红外光源和可见光源的开启与关闭；

19、成像控制单元，用于控制成像装置的捕获时序，确保在特定传播距离下捕获反射光生成强度图；

20、数据处理单元，用于接收成像装置生成的强度图，基于光强传输方程求解物体复振幅，并进行全息图编码，生成用于全息显示的编码全息图。

21、第二，本发明还提法一种采用所述系统实现真实场景的实时全息采集与再现方法，其特点在于，包括：

22、s1：计算控制模块控制红外光源模块开启，可见光源模块关闭，开始全息采集过程；

23、s2：红外光源模块发出的红外光经导光装置照射真实场景中的物体，携带物体信息的、传播距离不同的反射光，先后被红外成像装置捕获，并生成对应的强度图；其中，第二传播距离与第一传播距离之差的绝对值为光强传输方程的有效传播距离，可以通过一组红外成像装置与空间光调制器配合或两组红外成像装置实现不同传播距离的捕获；

24、s3：计算控制模块接收至少两幅不同传播距离下的强度图，基于光强传输方程求解物体复振幅，并进行全息图编码，生成编码全息图；

25、s4：计算控制模块控制红红外光源模块关闭，可见光源模块开启，开始全息显示过程；

26、s5：可见光源模块发出的可见光经导光装置照射到加载了编码全息图的空间光调制器上，重建出物体的全息三维图像；

27、s6：重复s1至s5，实现全息采集与显示的实时交替进行。

28、进一步，所述步骤s 3具体包括：

29、s3.1将步骤s2生成的两幅强度图代入光强传输方程，得到第一成像传感器处的相位信息φ0，具体的：

30、s3.1.1将两幅强度图进行正则化处理为矩阵，将强度矩阵处理为同一尺寸，s3.1.2将两幅强度图进行对齐处理；

31、s3.1.3将两幅强度图代入光强传输方程求解器，求解出相位；

32、s3.1.4将求解出的相位进行相位包裹，并且输出相位。

33、s3.2将步骤s2捕获的强度信息转化为振幅信息并与求得的相位信息进行组合，获得成像平面的光波前的复振幅波前信息z1；

34、s3.3将成像平面的复振幅波前信息z1代入空间光传播方程asm中，获得真实场景处的复振幅波前信息z0；

35、s3.4将真实场景处的复振幅波前信息z0进行编码，获得携带有完整的真实场景光学信息的用于全息显示的全息图hb。

36、所述全息采集过程s1-s4及全息显示过程s5-s6，两个过程满足一定的时序控制要求，包括：

37、全息显示过程s5-s6持续时间要长于全息采集过程s1-s4持续时间，优选的，全息显示过程s5-s6持续时间占一次全息再现循环时间s1-s6的80％以上；

38、全息采集过程s1-s4和全息显示过程s5-s6之间的切换帧率大于24hz。

39、与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

40、1.本发明的全息采集方法，通过光强传输方程直接处理拍摄的两幅近距离的强度图，得到能用于全息显示的编码全息图。该过程结合了光学全息方法中无需三维建模以及计算全息中快速编码的优势。避免了多重傅里叶变换计算和使用复杂光学硬件，实现了保留真实场景深度信息的全息采集，达到了三维显示的效果。

41、2.本发明装置将全息采集与全息显示过程中共同使用的元器件进行整合，如空间光调制器和分束镜，得到了兼顾全息采集与全息显示功能的一体化装置。通过精确控制红外光源模块和可见光源模块的工作时序，实现了采集与显示的交替进行，避免了光源干扰，同时优化了计算控制模块的处理流程，显著提高了全息采集与再现的实时性。通过计算生成编码全息图，并利用空间光调制器快速加载，实现了实时三维重建。

42、3.本发明装置使用了红外光源进行全息采集、使用了可见光源进行全息显示，避免了全息显示过程中由全息采集所产生得可见杂散光影响。通过计算控制模块对可见光源与红外光源的时序控制，考虑人眼的视觉暂留效应，实现了24hz刷新率的显示效果。