[发明专利]一种基于衍射模糊成像原理的无串扰全息3D显示方法

说明书

本发明提出一种基于衍射模糊成像原理的无串扰全息3D显示方法。该方法包括三个步骤：第一步，对于一个3D物体，根据阿贝二次成像理论和菲涅尔衍射原理计算出物体的模糊光场分布，并计算物体的二次衍射模糊成像条件；第二步，基于二次衍射模糊成像特点建立不同深度面光场的串扰关系，计算出串扰光场；第三步，对不同深度面之间的光场串扰，通过叠加光栅相位使串扰光场的空间频谱形成窗口矩阵的特点，使串扰光场以窗口矩阵的形式与目标光场分离，从而生成复振幅全息图，实现无串扰的全息3D显示效果。

一、技术领域

本发明涉及全息3D显示技术，更具体地说，本发明涉及一种基于衍射模糊成像原理的无串扰全息3D显示方法。

二、背景技术

根据全息技术的基本原理，全息显示可分为全息图的记录和再现两个步骤。在全息图的记录过程中，利用了光的干涉原理，以干涉条纹的形式记录物体的振幅和相位信息；在全息图的再现过程中，利用了光的衍射原理，恢复出与被记录物体相同的波前信息，从而提供了人眼视觉里所需要的全部深度信息。因此，全息显示技术被认为是最理想的3D显示技术之一。然而，复杂图像与全深度控制的全息3D显示技术依然难以实现，其根本原因在于当使用2D存储的全息图描绘复杂3D图像所需的所有信息时，不同深度的全息投影图像之间存在相互影响。由于激光具有很高的相干性，在全息重建过程中，单个像点会以艾里斑的形式重建出来，而相邻像点之间则存在一定的重叠区域，这部分区域会发生干涉从而引入串扰光，影响观看效果。虽然国内外学者提出了不少降低串扰的方法，如波前整形法、添加随机相位因子等，但这些方法只能在一定程度上提高全息3D显示的质量，无法完全消除不同深度图像之间的串扰。

三、发明内容

本发明提出一种基于衍射模糊成像原理的无串扰全息3D显示方法。如附图1所示，该方法包括三个步骤：第一步，对于一个3D物体，根据阿贝二次成像理论和菲涅尔衍射原理计算出物体的模糊光场分布，并计算物体的二次衍射模糊成像条件；第二步，基于二次衍射模糊成像特点建立不同深度面光场的串扰关系，计算出串扰光场，得知一个平面对另一个平面的串扰其实是该平面的空间频谱在另一个平面上的二次衍射模糊像；第三步，对不同深度面之间的光场串扰，通过叠加光栅相位使串扰光场的空间频谱形成窗口矩阵的特点，使串扰光场以窗口矩阵的形式与目标光场分离，从而生成复振幅全息图，使目标光场实现无串扰的全息3D显示效果。

在步骤一中，如附图2所示，物波的中心位于坐标原点处，其沿z轴方向进行光场传播，O(ξ,η)代表物波的初始光场分布，接着在物波上叠加焦距为z_s的透镜相位信息E(x_k,y_k,z_k)表示物波叠加了透镜之后在距离为z_k的衍射光场分布，根据菲涅尔衍射原理，E(x_k,y_k,z_k)与O(ξ,η)的关系为：

其中j表示虚数符号，λ表示波长，表示衍射距离为z＝z_k的菲涅尔正衍射。当衍射距离为透镜的焦距，即z_k＝z_s时，菲涅尔衍射像是聚焦的；当z_k≠z_s时，菲涅尔衍射像是离焦的，此时E(x_k,y_k,z_k)为O(ξ,η)的模糊像。

在焦距为z_s的透镜相位的作用下，物波衍射到透镜的焦面时得到物波的频谱图像。然后该频谱图像作为新的波源会发生二次衍射。将物波O(ξ,η)的高度记为L_H＝md_ξ，其中，m和d_ξ分别表示物波在ξ方向的像素数和像素尺寸，根据衍射计算得出二次衍射模糊成像条件为：当z∈[z_m,∞)且z≠z_s；当时，z∈[z_m,z′_m]且z≠z_s。其中，