一种空分复用彩色全息再现系统及实现方法

摘要

本发明公开了一种基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统，包括红、绿、蓝三色激光器、三个衰减片、三个空间滤波器、三个平凸透镜、三个分光棱镜、三个空间光调制器、一个合光棱镜、一个接收屏、一个DVI‑分离器和一台计算机。本发明仅使用一台计算机进行三色全息图的加载，可降低空分复用系统的复杂度并简化三色分量全息图的同步加载问题；所述系统中三色再现衍射像经分光棱镜、合光棱镜偶数次透射和反射后重合为彩色再现像，且再现像衍射光路中不包含透镜等光学元件，不需要考虑彩色全息再现中轴向色差、倍率色差问题。此外，本发明给出了空分复用彩色全息再现系统的完整实现方法，为彩色全息三维显示提供了有力的架构支撑。

权利要求

1.一种基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统，其特征在于，包括红、绿、蓝三色激光器、三个衰减片、三个空间滤波器，三个平凸透镜、三个分光棱镜、三个空间光调制器、一个合光棱镜、一个接收屏、一个DVI‑分离器和计算机；

由红、绿、蓝三色激光器发射的红、绿、蓝三色激光依次入射至对应的衰减片、空间滤波器、平凸透镜、分光棱镜和空间光调制器，经对应的空间光调制器反射后形成三色再现衍射像，三色再现衍射像经对应的分光棱镜和合光棱镜偶数次透射和反射后，在接收屏上重合为彩色再现像；DVI‑分离器的B、G、R三个端口分别与三个空间光调制器对应连接，计算机计算三色分量全息图并将其合成为彩色全息图，通过DVI‑分离器将各色分量全息图加载到对应的空间光调制器上；

其中，红、绿、蓝三色激光经对应的空间光调制器反射后至合光棱镜的光路光程相等；

三个分光棱镜和一个合光棱镜配置成：使得经空间光调制器反射后形成的三色再现衍射像中的任一色再现衍射像经分光棱镜和合光棱镜偶数次透射后，射在接收屏上，而另外两色再现衍射像分别经分光棱镜和合光棱镜偶数次反射后，射在接收屏上。

2.一种基于权利要求1所述的空分复用彩色全息再现系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：点配准步骤：确定红、绿、蓝三色各激光器、各衰减片、各空间滤波器、各平凸透镜、各分光棱镜、各空间光调制器、合光棱镜、接收屏的位置和姿态，获取空分复用基本光路；

S2：三色再现衍射像中心对准步骤：确定各空间光调制器的位置姿态，使得各色激光入射至对应的空间光调制器的位置相同；

S3：平行光对准步骤：确定由空间滤波器和平凸透镜组成的准直扩束装置的位置和姿态。

3.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于，步骤S1具体包括如下子步骤：S101：调整一色激光器使水平出射激光，使出射激光照射在空间光调制器的中心位置；

S102：该空间光调制器上不加载全息图，调整该空间光调制器的位置和姿态，使该空间光调制器平面与入射激光垂直；

S103：在光路中加入分光棱镜，调整分光棱镜使得光束垂直入射至该分光棱镜；

S104：按照步骤S101‑S103的方法，完成其他两色光路的搭建，得到基本的彩色全息再现光路；

S105：在得到的基本的彩色全息再现光路中加入合光棱镜，不断调整合光棱镜，直至红绿蓝三束光的传播方向完全重合，其中，合光棱镜要放置于合适的位置，使红、绿、蓝三色激光经对应的空间光调制器反射后至合光棱镜的光路光程相等。

4.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下子步骤：S201：在三个空间光调制器上加载三色全息图；

S202：以其中一色光路作为基准，调整其他两色光路的空间光调制器的位置，使得三色光再现衍射像的中心位置重合；

S203：卸载三个空间光调制器上的三色全息图，检查三色光光点在接收屏是否重合，如果不重合，则返回步骤S1调整三个空间光调制器的姿态；反之，则结束三色光再现衍射像中心对准步骤。

5.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于，步骤S3具体包括如下子步骤：S301：以其中两色光光路作为参考光束，在第三色光路中添加空间滤波器，调整该空间滤波器的位置和姿态，使得该第三色光的中心点经对应的分光棱镜、空间光调制器和合光棱镜之后在接收屏上仍与两色参考光束中心点重合；

S302：保持两束参考光束不变，在第三色光路中添加平凸透镜，调整平凸透镜的位置和姿态，使得空间光调制器的反射像大小恒定，并且反射像中心在接收屏上与其他两色参考光中心点重合，完成该第三色光光路的准直扩束；

S303：按照步骤S301‑S302的方法，完成其他两色光光路的准直扩束。

说明书

一种空分复用彩色全息再现系统及实现方法

技术领域

[0001] 本发明属于计算全息与三维显示领域，具体来说，涉及一种基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统及其实现方法。

背景技术

[0002] 全息三维显示技术是一种基于波动光学原理，可完整记录和重建三维物体光波的三维显示技术。计算机技术与波动光学的不断进步有力推动了计算全息技术的发展，而载
有GPU的显卡、空间光调制器等相关硬件设备的出现使计算全息三维动态显示成为可能。基
于空间光调制器的彩色全息显示需要将红、绿、蓝三色分量全息再现像合成，主要方法为空
分复用和时分复用方法。空分复用方法是将三色激光分别照射到三个空间光调制器，通过
系统光路设计使得三色再现衍射像在空间位置上重合。时分复用方法是将三色激光分时照
射到同一片空间光调制器上，利用人眼的视觉暂留效应获得彩色再现像。时分复用系统对
空间光调制器和硬件系统的帧率有较高的要求，并且难以实现动态全息，同时由于激光器
开关存在一定的延迟，其彩色全息再现像还会存在颜色串扰等现象。空分复用光学结构略
微复杂，但是其对空间光调制器等硬件设备的要求较低，并且较高的光学效率和再现质量，
被广泛应用于彩色全息再现系统中。

[0003] 然而，空分复用彩色全息再现系统的应用目前还被两个问题制衡，一是三色全息图在三个空间光调制器上的同步加载问题，二是三色再现衍射像在空间的精确配准问题。
对于第一个问题，普遍的解决方法是使用三个计算机分别连接到三台空间调制器上，通过
计算机程序来实现各色全息图的同步加载，这需要多机并行实现，系统复杂度较高。对于第
二个问题，目前明确可行的实施方案很少。

发明内容

[0004] 针对现有空分复用彩色全息再现系统中的三色全息图同步加载与三色再衍射像在空间中的精确配准问题，本发明提出了一种基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系
统，并给出了其具体实现方法。

[0005] 本发明提供了一种基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统，包括红、绿、蓝三色激光器、三个衰减片、三个空间滤波器、三个平凸透镜、三个分光棱镜、三个空间光调制
器、一个合光棱镜、一个接收屏、一个DVI‑分离器和计算机；

[0006] 由红、绿、蓝三色激光器发射的红、绿、蓝三色激光依次入射至对应的衰减片、空间滤波器、平凸透镜、分光棱镜和空间光调制器，经对应的空间光调制器反射后形成三色再现
衍射像，三色再现衍射像经对应的分光棱镜和合光棱镜偶数次透射和反射后，在接收屏上
重合为彩色再现像；DVI‑分离器的B、G、R三个端口分别与三个空间光调制器对应连接，计算
机计算三色分量全息图并将其合成为彩色全息图，通过DVI‑分离器将各色分量全息图加载
到对应的空间光调制器上；

[0007] 其中，红、绿、蓝三色激光经对应的空间光调制器反射后至合光棱镜的光路光程相等。

[0008] 进一步，三个分光棱镜和一个合光棱镜配置成：使得经空间光调制器反射后形成的三色再现衍射像中的任一色再现衍射像经分光棱镜和合光棱镜偶数次透射后，射在接收
屏上，而另外两色再现衍射像分别经分光棱镜和合光棱镜偶数次反射后，射在接收屏上。

[0009] 本发明还提供了一种上述空分复用彩色全息再现系统的实现方法，包括如下步骤：

[0010] S1：点配准步骤：确定红、绿、蓝三色各激光器、各衰减片、各空间滤波器、各平凸透镜、各分光棱镜、各空间光调制器、合光棱镜、接收屏的位置和姿态，获取空分复用基本光
路；

[0011] S2：三色再现衍射像中心对准步骤：确定各空间光调制器的位置姿态，使得各色激光入射至对应的空间光调制器的位置相同；

[0012] S3：平行光对准步骤：确定由空间滤波器和平凸透镜组成的准直扩束装置的位置和姿态。

[0013] 进一步，步骤S1具体包括如下子步骤：

[0014] S101：调整一色激光器使水平出射激光，使出射激光照射在空间光调制器的中心位置；

[0015] S102：该空间光调制器上不加载全息图，调整该空间光调制器的位置和姿态，使该空间光调制器平面与入射激光垂直；

[0016] S103：在光路中加入分光棱镜，调整分光棱镜使得光束垂直入射至该分光棱镜；

[0017] S104：按照步骤S101‑S103的方法，完成其他两色光路的搭建，得到基本的彩色全息再现光路；

[0018] S105：在得到的基本的彩色全息再现光路中加入合光棱镜，不断调整合光棱镜，直至红绿蓝三束光的传播方向完全重合，其中，合光棱镜要放置于合适的位置，使红、绿、蓝三
色激光经对应的空间光调制器反射后至合光棱镜的光路光程相等。

[0019] 进一步，步骤S2具体包括如下子步骤：

[0020] S201：在三个空间光调制器上加载三色全息图；

[0021] S202：以其中一色光路作为基准，调整其他两色光路的空间光调制器的位置，使得三色光再现衍射像的中心位置重合；

[0022] S203：卸载三个空间光调制器上的三色全息图，检查三色光光点在接收屏是否重合，如果不重合，则返回步骤S1调整三个空间光调制器的姿态；反之，则结束三色光再现衍
射像中心对准步骤。

[0023] 进一步，步骤S3具体包括如下子步骤：

[0024] S301：以其中两色光光路作为参考光束，在第三色光路中添加空间滤波器，调整该空间滤波器的位置和姿态，使得该第三色光的中心点经对应的分光棱镜、空间光调制器和
合光棱镜之后在接收屏上仍与两色参考光束中心点重合；

[0025] S302：保持两路参考光束不变，在第三色光路中添加平凸透镜，调整平凸透镜的位置和姿态，使得空间光调制器的反射像大小恒定，并且反射像中心在接收屏上与其他两色
参考光中心点重合，完成该第三色光光路的准直扩束；

[0026] S303：按照步骤S301‑S302的方法，完成其他两色光光路的准直扩束。

[0027] 本发明的有益效果：

[0028] 1)本发明构建了基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统，可降低空分复用系统的复杂度并简化三色分量全息图的同步加载问题；

[0029] 2)本发明中三色再现衍射像经分光棱镜、合光棱镜偶数次透射/反射后重合为彩色再现像，且再现衍射像衍射光路中不包含透镜等光学元件，本发明提出的系统不需要考
虑彩色全息再现中轴向色差、倍率色差问题；

[0030] 3)本发明给出了空分复用彩色全息再现系统的完整搭建流程，可实现三色再现衍射像的精确配准，为彩色全息三维显示提供架构支撑。

附图说明

[0031] 图1是本发明的基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统示意图；

[0032] 图2是本发明的再现衍射像在分光棱镜不同放置模式下的效果图，其中，a)为偶数次透射效果图，b)为奇数次透射和奇数次反射效果图，c)为偶数次反射效果图；

[0033] 图3是本发明的DVI‑分离器输入输出信号说明图；

[0034] 图4是本发明的基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现方法流程图；

[0035] 图5是本发明验证激光是否垂直入射分光棱镜的原理图，其中，a)为激光垂直入射示意图，b)为激光斜入射示意图；

[0036] 图6是本发明的基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统搭建中完成点配准后的效果图；

[0037] 图7是本发明的基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统搭建中再现衍射像中心对准前后对比图，其中，a)为再现像中心校准前，b)为在现像中心校准后；

[0038] 图8是本发明的基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统的彩色全息再现效果图，其中，a)为原始图像，b)为彩色全息图，c)为彩色全息再现像。

[0039] 附图中：

[0040] 1‑蓝色激光器(B Laser)、2‑绿色激光器(G Laser)、3‑红色激光器(R Laser)、4‑第一衰减片、5‑第一空间滤波器、6‑第一平凸透镜、7‑第一分光棱镜(BS)、8‑第一空间光调
制器(SLM)、9‑第二衰减片、10‑第二空间滤波器、11‑第二平凸透镜、12‑第二分光棱镜(BS)、
13‑第二空间光调制器(SLM)、14‑第三衰减片、15‑第三空间滤波器、16‑第三平凸透镜、17‑
第三分光棱镜(BS)、18‑第三空间光调制器(SLM)、19‑合光棱镜(X‑Cube)、20‑接收屏、21‑
DVI‑分离器、22‑计算机、23‑导线。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0042] 如图1所示，本发明的基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统，包括蓝色激光器1、绿色激光器2、红色激光器3、第一衰减片4、第一空间滤波器5、第一平凸透镜6、第一
分光棱镜7、第一空间光调制器8、第二衰减片9、第二空间滤波器10、第二平凸透镜11、第二
分光棱镜12、第二空间光调制器13、第三衰减片14、第三空间滤波器15、第三平凸透镜16、第
三分光棱镜17、第三空间光调制器18、合光棱镜19、接收屏20、DVI‑分离器21、计算机22和导
线23。特别地，DVI‑分离器的B、G、R三个端口分别与三个空间光调制器对应连接，计算机计
算三色分量全息图并将其合成为彩色全息图，通过DVI‑分离器将各色分量全息图加载到对
应的空间光调制器上；

[0043] 由蓝色激光器1发射的蓝色激光依次入射至第一衰减片4，第一空间滤波器5，第一平凸透镜6，第一分光棱镜7和第一空间光调制器8，经第一空间光调制器8反射后形成蓝色
再现衍射像，蓝色再现衍射像经第一分光棱镜7第一次反射、合光棱镜19第二次反射后射在
接收屏20。

[0044] 由绿色激光器2发射的绿色激光依次入射至第二衰减片9、第二空间滤波器10、第二平凸透镜11、第二分光棱镜12和第二空间光调制器13，经第二空间光调制器13反射后形
成绿色再现衍射像，绿色再现衍射像经第二分光棱镜12第一次透射、合光棱镜19第二次透
射后射在接收屏20。

[0045] 由红色激光器3发射的红色激光第三衰减片14、第三空间滤波器15、第三平凸透镜16、第三分光棱镜17和第三空间光调制器18，经第三空间光调制器18反射后形成红色再现
衍射像，红色再现衍射像经第三分光棱镜17第一次反射、合光棱镜19第二次反射后射在接
收屏20。最终三色再现衍射像在接收屏上重合为彩色再现像。

[0046] 空分复用彩色全息显示再现系统需要合成红、绿、蓝三色分量全息再现像，因此在光路中需要使用分光棱镜和合光棱镜等元件。分光棱镜和合光棱镜的空间排布将会影响全
息再现像的再现效果，如图2所示。当全息再现衍射像经分光棱镜和合光棱镜偶数次透射
后，在接收屏上可以得到全息再现衍射像，如图2a)所示；当全息再现衍射像经分光棱镜和
合光棱镜奇数次透射和奇数次反射后，在接收屏上可以得到全息再现衍射像的镜像对称
像，如图2b)所示；当全息再现衍射像经分光棱镜和合光棱镜偶数次反射后，在接收屏上可
以得到全息再现衍射像，如图2c)所示。由于空分复用彩色全息再现系统中各颜色光路所在
方位不同，因此各光路的分光棱镜和合光棱镜的空间分布也有所不同。为准确再现全息再
现像并保证三色再现像在空间重合，本实例中绿色通道采取图2a)的排布方式，红、蓝两通
道采取图2c)的排布方式，三色衍射像经偶数次透射/反射后，在接收屏上重合为彩色再现
像。在本实施例中，本发明提出的基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统的红绿蓝
三色激光器的输出功率均为50mW，红绿蓝三色光波长分别为λR＝671nm，λG＝532nm，λB＝
473nm；三个空间滤波器中均含有一个40倍的显微物镜；三个分光棱镜的尺寸均为25.4mm×
25.4mm×25.4mm，其折射率和透射率分别为50％、50％；三个空间光调制器的像素尺寸均为
8μm，分辨率均为1920×1080，有效尺寸均为15.36mm×8.64mm；合光棱镜的尺寸为27mm×
27mm×23mm，绿光透射率>91％，红光反射率为>98％，蓝光反射率为>94％；DVI‑分离器的输
入端信号为彩色的全息图，三个端口分别输出R、G、B分量全息图，并相应的加载到三个空间
光调制器上，如图3所示。红绿蓝三色激光器分别照射在三个空间光调制器上，三色再现衍
射像经分光棱镜、合光棱镜偶数次透射/反射后重合为彩色再现像。

[0047] 本实施例提出的基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统的实现方法，可实现红蓝绿三色再现衍射像在空间中的精确配准，如图4所示，具体包括以下步骤：

[0048] S1：点配准步骤：确定激光器、衰减片、空间滤波器、平凸透镜、分光棱镜、空间光调制器、合光棱镜、接收屏等主要元件的位置和姿态，获取空分复用基本光路。具体包括以下
子步骤：

[0049] S101：调整蓝色激光器1使水平出射蓝色激光，使蓝色激光照射在第一空间光调制器8的中心位置；

[0050] S102：第一空间光调制器8上不加载全息图，调整第一空间光调制器8的位置和姿态，使第一空间光调制器8平面与入射蓝色激光垂直，实验现象为经第一空间光调制器8反
射后的光点与出射蓝色激光点重合；

[0051] S103：在光路中加入第一分光棱镜7，调整第一分光棱镜7使得蓝色激光器1出射光线垂直入射至第一分光棱镜7，实验现象为加入第一分光棱镜7前后，以光线传播方向定义
各元件的前后位置，第一分光棱镜7后方的接收屏20上蓝色激光光点位置没有发生改变，其
原理为当光垂直穿过光学元件时，其传播方向不会改变，而光斜入射时则透射后的光束与
原光束不再重合，如图5所示；

[0052] S104：按照步骤S101‑S103的方法，完成红色和绿色两色光路的搭建，得到基本的彩色全息再现光路；

[0053] S105：在光路中加入合光棱镜19，不断调整合光棱镜19，直至红绿蓝三束光的传播方向完全重合。其中，合光棱镜要放置于合适的位置，使分别经第一、第二和第三空间光调
制器反射后至合光棱镜19的蓝绿红三色光路光程相等。点配准后三色激光光点经各自的分
光棱镜、合光棱镜19后的光点重合在一起，视觉表现为白光光点，如图6所示。

[0054] S2：三色再现衍射像中心对准步骤：确定各空间光调制器的位置姿态

[0055] 点配准步骤中，各色激光光点照射在各自的空间光调制器的中心位置，三色激光在各自空间光调制器上的位置偏差会使得三色再现衍射像原点不重合，因此需要调整空间
光调制器的位置使得三色再现衍射像中心对齐，也即调整空间光调制器使得各色激光入射
至各自的空间光调制器的位置相同。具体包括以下子步骤：

[0056] S201：在三个空间光调制器上加载三色全息图，为了方便后续的配准，本发明实例中生成了二维XOY坐标系的计算全息图；

[0057] S202：以其中某一色光路作为基准，调整其他两路空间光调制器的位置，使得三色光再现衍射像的中心位置重合；

[0058] S203：卸载三个空间光调制器上的三色全息图，检查三色光光点在接收屏20是否重合，如果不重合，则返回步骤S1调整三个空间光调制器的姿态；反之，则结束再现衍射像
中心对准步骤。

[0059] 由于调整空间光调制器的位置时可能会改变其姿态，因此在完成步骤S202之后应卸载空间光调制器上的全息图，检查接收屏20上三色光光点是否重合。如果三色光点不重
合，说明空间光调制器的姿态被改变，需要返回步骤S1重新调整空间光调制器的姿态，直至
三色光光点在接收屏20上重合，再进行步骤S2的再现衍射像中心对准。图7给出了再现衍射
像坐标原点校准前后的对比图，图7a)展示了校准前三色再现衍射像在接收屏20上的分布，
三色并没有完全重合；图7b)展示了校准后的三色再现衍射像在接收屏20上的分布，三色中
心重合。

[0060] S3、平行光对准步骤：确定由空间滤波器和平凸透镜组成的准直扩束装置的位置和姿态

[0061] 在完成点配准和再现衍射像中心对准之后，各个激光器、分光棱镜、合光棱镜、空间光调制器的位置和姿态已经确定。为获取平行光，应在三色光路中分别加入准直扩束装
置。由于准直扩束装置中包含透镜元件，其摆放位置将会影响光线的传播方向，因此在准直
扩束部分也需要进行对准操作。本发明组合了空间滤波器与平凸透镜来对光束进行准直扩
束，其具体的校准步骤为：

[0062] S301：以红绿两色光光路作为参考光束，在蓝色光路中添加第一空间滤波器5，调整第一空间滤波器5的位置和姿态，使得蓝色光的中心点经第一分光棱镜7、第一空间光调
制器8和合光棱镜19之后在接收屏20上仍与红绿两个参考光束中心点重合；

[0063] S302：仍以红绿两光路作为参考光束，在蓝色光路中添加第一平凸透镜6，调整第一平凸透镜6的位置和姿态，使得第一空间光调制器5的反射像大小恒定，并且反射像中心
在接收屏20上与其他两束光中心点重合，完成蓝色光光路的准扩束；

[0064] S303：按照步骤S301‑S302的方法，完成红绿两色光光路的准直扩束。

[0065] 基于上述三个步骤S1‑S3可完成本发明的空分复用彩色全息再现系统的搭建。有利地，本发明设计的空分复用彩色再现系统的再现衍射像衍射光路中不包含透镜的光学元
件，因此该系统在合成彩色像时不需要进行轴向色差和倍率色差的处理。图8展示了本发明
提出的空分复用彩色全息再现系统的彩色再现效果，图8a)是原始的彩色图像，“BUAA”四个
字母分别为红、白、绿、蓝色；图8b)是计算机输入至DVI‑分离器的彩色全息图；图8c)是原始
图像的彩色全息再现。由此可以看出，本发明的三色再现衍射像能够实现精确配准，并且三
色再现衍射像之间不存在轴向色差和倍率色差。

[0066] 综上，本发明提出了一种基于DVI‑分离器的空分复用彩色全息再现系统及其实现方法，所述系统仅使用一台计算机进行三色全息图的加载，就可降低空分复用系统的复杂
度并简化三色分量全息图的同步加载问题；所述系统中三色再现衍射像经分光棱镜、合光
棱镜偶数次透射/反射后重合为彩色再现衍射像，且再现衍射像衍射光路中不包含透镜等
光学元件，所以不需要考虑彩色全息再现中轴向色差、倍率色差问题；并且，本发明给出了
空分复用彩色全息再现系统的完整搭建流程，可实现三色再现衍射像的精确配准，为彩色
全息三维显示提供了有力的架构支撑。

[0067] 对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。