一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法

摘要

本发明提出一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法。该方法中每一个物点的信息均被记录成一幅大尺寸干涉图。全部干涉图进行叠加，即形成计算全息图(CGH)。另外，本方法制作多幅衍射光学元件(DOE)，通过对CGH进行分割，并与DOE拼接，CGH被处理成子全息图(sub‑CGH)。在再现过程中，利用时间复用方法，将sub‑CGH分别加载到单个SLM上，在人眼的视觉暂留效应之内实现大视区全息显示；同时根据斑点噪声统计学规律，再现像的斑点噪声被抑制。

权利要求

1.一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法，其特征在于包括sub‑CGH的制作和再现两个步骤，且仅在系统横截面的水平方向上进行研究，步骤一为制作sub‑CGH：确定被记录物体的尺寸为D，SLM的工作区域尺寸为H，保证H＞D，SLM的中点为坐标原点，被记录物体和SLM之间的距离为L，被记录物体看作由一系列自发光物点组成，对于任意物点I(x0, L)，根据标量衍射原理，其信息被记录成一幅干涉图，干涉图的尺寸被增加，若将干涉图最右侧点和最左侧点的横坐标记作x1和x2，它们分别满足x1=x0+H/2+D/2，x2=x0‑(H/2+D/2)，则干涉图的尺寸H1满足H1=x1‑x2=H+D，将所有的干涉图进行叠加，即可得到CGH，CGH的尺寸HCGH满足HCGH=H+2D，CGH的尺寸大于单个SLM的尺寸而小于三个SLM的尺寸；

同时，制作N（N=2、4、6、8……）幅具有随机相位分布的DOE，其尺寸均为H‑D，对CGH和DOE进行分割拼接操作，首先，将CGH从左至右依次分割成CGH1、CGH2和CGH3，保证CGH1和CGH3的尺寸均为D，CGH2的尺寸为H；然后，任取N/2幅DOE分别在CGH1右侧与其进行拼接，另外N/2幅DOE分别在CGH3左侧与其进行拼接，共生成N幅尺寸为H的拼接sub‑CGH，记作sub‑CGH1、sub‑CGH2……sub‑CGHN，另将CGH2记作sub‑CGH0，共生成（N+1）幅sub‑CGH；

步骤二为再现sub‑CGH：使用单个SLM加载sub‑CGH，激光为再现光源，滤波器和透镜对激光进行扩束和准直，接收板承接再现像，利用时间复用方法，将（N+1）幅sub‑CGH分别加载到SLM上，在人眼的视觉暂留效应之内，

得到斑点噪声被抑制的大视区再现像。

2.如权利要求1所述的一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法，其特征在于，步骤二利用时间复用方法，将（N+1）幅sub‑CGH分别加载到SLM上，在人眼的视觉暂留效应之内，sub‑CGH上的CGH1、CGH2和CGH3共同再现出具有完整信息的大视区全息像，在观看距离R（R＞L）处，视区尺寸满足V=[R(D+H)‑L(H+2D)]/L；

同时，再现光经过拼接sub‑CGH上的DOE调制后，拥有了随机相位，而这些随机相位在再现像上形成斑点噪声，并且N幅拼接sub‑CGH调制再现光形成不同的斑点噪声，根据斑点噪声统计学规律，再现像上的斑点噪声被平均，从而得到斑点噪声被抑制的大视区再现像。

说明书

一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法

一、技术领域

[0001] 本发明涉及全息显示领域，具体地说，涉及一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法。
二、背景技术

[0002] 基于空间光调制器(SLM)的计算全息显示技术利用光的干涉和衍射原理，通过全息图的制作和再现，在空间呈现出满足人眼所有视觉感知功能的3D再现像，被认为是最理
想和最有发展前景的3D显示方式之一，在军事、医疗、科研和娱乐等众多领域具有广阔的应
用前景。但是当前仍然存在着一些难题阻碍着该技术进一步的发展，例如受限于SLM的发展
水平和全息图的生成算法，全息再现像的观看视区很小，不能满足人眼双目观看的需求，严
重影响人们的观看体验；此外，由相干激光引起的斑点噪声也严重降低了再现像的质量。

[0003] 针对再现像视区受限的问题，国内外学者进行大量研究，并根据再现系统中使用SLM的数量，提出了单SLM方法和多SLM方法。单SLM方法中包括高级衍射光法、等效SLM曲面
阵列法、SLM分辨率重新分配法和多通道视区扫描法等。单SLM的方法在实现再现像视区扩
大的同时，会损失显示系统或再现像的其它性能。典型的多SLM方法为多SLM曲面阵列法，该
方法使用多个SLM可以显著地扩大再现像的观看视区，但是对SLM之间的无缝拼接技术要求
较高，再现系统的复杂度和成本也会大幅增加，不利于其市场化。针对再现像中存在斑点噪
声的问题，学者们提出了多种方法，例如较弱相干光法、时间平均法和像素分离法。但是这
些方法在实现再现像斑点噪声抑制的同时，则会增加系统的复杂度或增加全息图计算量。
因此，提出一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法，对于改善全息再现像质量具
有重要意义。
三、发明内容

[0004] 本发明提出一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法。该方法中每一个物点的信息均被记录成一幅大尺寸干涉图。全部干涉图进行叠加，即形成计算全息图(CGH)。
另外，本方法制作多幅衍射光学元件(DOE)，通过对CGH进行分割，并与DOE拼接，CGH被处理
成子全息图(sub‑CGH)。在再现过程中，利用时间复用方法，将sub‑CGH分别加载到单个SLM
上，在人眼的视觉暂留效应之内实现大视区全息显示；同时根据斑点噪声统计学规律，再现
像的斑点噪声被抑制。如附图1所示，本发明一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方
法包括sub‑CGH的制作和再现两个步骤，且仅在系统横截面的水平方向上进行研究。

[0005] 步骤一为制作sub‑CGH。确定被记录物体的尺寸为D，SLM的工作区域尺寸为H，保证H＞D，SLM的中点为坐标原点，被记录物体和SLM之间的距离为L。被记录物体看作由一系列
自发光物点组成，对于任意物点I(x0,L)，根据标量衍射原理，其信息被记录成一幅干涉图，
记录系统如附图2所示。干涉图的尺寸被增加，若将干涉图最右侧点和最左侧点的横坐标记
作x1和x2，它们分别满足公式(1)和公式(2)：

[0006] x1＝x0+H/2+D/2  (1)

[0007] x2＝x0‑(H/2+D/2)  (2)

[0008] 则干涉图的尺寸H1满足公式(3)：

[0009] H1＝x1‑x2＝H+D  (3)

[0010] 将所有的干涉图进行叠加，即可得到CGH。CGH的尺寸HCGH满足公式(4)：

[0011] HCGH＝H+2D  (4)

[0012] CGH的尺寸大于单个SLM的尺寸而小于三个SLM的尺寸。

[0013] 同时，本发明制作N(N＝2、4、6、8……)幅具有随机相位分布的DOE，其尺寸均为H‑D，对CGH和DOE进行分割拼接操作，其流程如附图3所示。首先，将CGH从左至右依次分割成
CGH1、CGH2和CGH3，保证CGH1和CGH3的尺寸均为D，CGH2的尺寸为H。然后，任取N/2幅DOE分别在
CGH1右侧与其进行拼接，另外N/2幅DOE分别在CGH3左侧与其进行拼接，共生成N幅尺寸为H的
拼接sub‑CGH，记作sub‑CGH1、sub‑CGH2……sub‑CGHN，另将CGH2记作sub‑CGH0，所以本步骤共
生成(N+1)幅sub‑CGH。

[0014] 步骤二为再现sub‑CGH。本发明使用单个SLM加载sub‑CGH，其光学再现系统光路如附图4所示，激光为再现光源，滤波器和透镜对激光进行扩束和准直，接收板承接再现像。利
用时间复用方法，将(N+1)幅sub‑CGH分别加载到SLM上，在人眼的视觉暂留效应之内，sub‑
CGH上的CGH1、CGH2和CGH3共同再现出具有完整信息的大视区全息像，在观看距离R(R＞L)
处，视区尺寸满足公式(5)：

[0015] V＝[R(D+H)‑L(H+2D)]/L  (5)

[0016] 同时，再现光经过拼接sub‑CGH上的DOE调制后，拥有了随机相位，而这些随机相位在再现像上形成斑点噪声，并且N幅拼接sub‑CGH调制再现光形成不同的斑点噪声，根据斑
点噪声统计学规律，再现像上的斑点噪声被平均，从而得到斑点噪声被抑制的大视区再现
像。
四、附图说明

[0017] 本发明的前述和附加的方面及优点从下述结合附图与实施例的详细描述中将得以进一步明确和容易理解，其中：

[0018] 附图1为本发明方法斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示的流程图。

[0019] 附图2为本发明方法干涉图记录系统的示意图。

[0020] 附图3为本发明方法sub‑CGH生成示意图。

[0021] 附图4为本发明方法光学再现系统结构示意图。

[0022] 上述附图中的图示标号为：

[0023] 1被记录物体，2 SLM，3干涉图，4 CGH，5 CGH1，6 CGH2，7 CGH3，8 DOE，9拼接sub‑CGH，10 sub‑CGH0，11激光，12滤波器，13透镜，14接收板。

[0024] 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

[0025] 下面详细说明利用本发明一种基于斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。

[0026] 本发明一种斑点噪声被抑制的大视区计算全息显示方法包括sub‑CGH的制作和再现两个步骤，本案例仅在系统横截面的水平方向上进行研究。

[0027] 步骤一为制作sub‑CGH。确定被记录物体的尺寸D＝4.1mm，SLM的工作区域尺寸H＝8.64mm，保证了H＞D，SLM的中点为坐标原点，被记录物体和SLM之间的距离L＝200mm。被记
录物体看作由一系列自发光物点组成，对于任意物点I(x0,200mm)，根据标量衍射原理，其
信息被记录成一幅干涉图。干涉图的尺寸被增加，若将干涉图最右侧点和最左侧点的横坐
标记作x1和x2，它们分别满足公式x1＝x0+H/2+D/2＝x0+8.64mm/2+4.1mm/2＝x0+6.37mm，x2
＝x0‑(H/2+D/2)＝x0‑(8.64mm/2+4.1mm/2)＝x0‑6.37mm，则干涉图的尺寸H1满足H1＝x1‑x2
＝H+D＝8.64mm+4.1mm＝12.74mm。将所有的干涉图进行叠加，即可得到CGH。CGH的尺寸HCGH
满足HCGH＝H+2D＝8.64mm+2*4.1mm＝16.84mm，CGH的尺寸大于单个SLM的尺寸而小于三个
SLM的尺寸。

[0028] 同时，本发明制作N＝8幅具有随机相位分布的DOE，其尺寸均为H‑D＝8.64mm‑4.1mm＝4.54mm，对CGH和DOE进行分割拼接操作。首先，将CGH从左至右依次分割成CGH1、CGH2
和CGH3，保证CGH1和CGH3的尺寸均为D＝4.1mm，CGH2的尺寸为H＝8.64mm。然后，任取4幅DOE
分别在CGH1右侧与其进行拼接，另外4幅DOE分别在CGH3左侧与其进行拼接，共生成8幅尺寸
为H＝8.64mm的拼接sub‑CGH，记作sub‑CGH1、sub‑CGH2……sub‑CGH8，另将CGH2记作sub‑
CGH0，所以本步骤共生成9幅sub‑CGH。

[0029] 步骤二为再现sub‑CGH。本发明使用单个SLM加载sub‑CGH，绿色激光为再现光源，滤波器和透镜对激光进行扩束和准直，接收板承接再现像。利用时间复用方法，将9幅sub‑
CGH分别加载到SLM上，在人眼的视觉暂留效应之内，sub‑CGH上的CGH1、CGH2和CGH3共同再现
出具有完整信息的大视区全息像，在观看距离R＝450mm处，视区尺寸V＝[R(D+H)‑L(H+
2D)]/L＝[450*(4.1+8.64)‑200(8.64+2*4.1)]/200＝11.83mm。同时，再现光经过拼接sub‑
CGH上的DOE调制后，拥有了随机相位，而这些随机相位在再现像上形成斑点噪声，并且8幅
拼接sub‑CGH调制再现光形成不同的斑点噪声，根据斑点噪声统计学规律，再现像上的斑点
噪声被平均，从而得到斑点噪声被抑制的大视区再现像。

[0030] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因
此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。