本發(fā)明屬于計(jì)算全息顯示領(lǐng)域，特別地，本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字透鏡的彩色計(jì)算全息雜光消除系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
伴隨計(jì)算機(jī)性能的提升和光電器件的發(fā)展，空間光調(diào)制器(slm)作為一種電子可編程的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波振幅、相位、頻率等的調(diào)制，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量、模式識(shí)別、條紋投影、全息以及動(dòng)態(tài)顯示中，基于slm的計(jì)算全息顯示優(yōu)點(diǎn)日益突出。計(jì)算全息顯示中，在slm上加載數(shù)字透鏡不僅簡(jiǎn)化了再現(xiàn)系統(tǒng)，而且能夠控制再現(xiàn)位置，這種優(yōu)勢(shì)尤其體現(xiàn)在彩色計(jì)算全息顯示系統(tǒng)中。然而，數(shù)字透鏡產(chǎn)生的零級(jí)光斑和再現(xiàn)像混疊會(huì)嚴(yán)重影響再現(xiàn)像的質(zhì)量。
為消除再現(xiàn)像的雜光提高質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了一系列研究。例如利用傅里葉透鏡進(jìn)行再現(xiàn)變換，在slm上加載會(huì)聚球面波，分離零級(jí)雜光和多級(jí)再現(xiàn)像，在傅里葉透鏡焦點(diǎn)處放置一個(gè)光闌進(jìn)行濾波；此外，也有學(xué)者提出通過(guò)電濕潤(rùn)液體透鏡的電控性搭建可變焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雜光消除。雖然這些技術(shù)能實(shí)現(xiàn)零級(jí)雜光的消除，但是系統(tǒng)比較復(fù)雜、使用的器件比較多，而且達(dá)不到實(shí)時(shí)可控的效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于數(shù)字透鏡的彩色計(jì)算全息雜光消除系統(tǒng)及方法，采用數(shù)字透鏡代替傅里葉透鏡，通過(guò)等比例設(shè)置數(shù)字透鏡的焦距，實(shí)現(xiàn)對(duì)彩色再現(xiàn)中紅、綠、藍(lán)三分量因波長(zhǎng)不同產(chǎn)生的倍率色差和軸向色差進(jìn)行補(bǔ)償，利用數(shù)字透鏡的采樣區(qū)域變換性能，線性改變?cè)佻F(xiàn)像的再現(xiàn)位置，達(dá)到分離零級(jí)光斑和再現(xiàn)像的效果，再通過(guò)光闌進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)彩色計(jì)算全息再現(xiàn)的彩色色差補(bǔ)償和雜光消除。
基于數(shù)字透鏡的彩色計(jì)算全息雜光消除系統(tǒng)如附圖1所示，包括：
—紅、綠、藍(lán)三色激光器，數(shù)量均為1個(gè)，呈u型放置，用于提供紅、綠、藍(lán)三色相干光源；
—準(zhǔn)直單元，包括濾波器和準(zhǔn)直透鏡，數(shù)量均為3個(gè)，濾波器和準(zhǔn)直透鏡分別以光軸統(tǒng)一水平放置于紅、綠、藍(lán)三色激光器之后，用以得到準(zhǔn)直光束；
—再現(xiàn)單元，包括分光棱鏡、slm和計(jì)算機(jī)，數(shù)量均為3個(gè)，分光棱鏡分別位于準(zhǔn)直單元之后，slm位于分光棱鏡的垂直分光方向，用于將準(zhǔn)直光束作為再現(xiàn)光束照射到slm上，計(jì)算機(jī)分別連接slm，用于將計(jì)算機(jī)生成的同一場(chǎng)景不同顏色分量的全息圖加載到slm上并實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)；
—合光鏡，數(shù)量為1個(gè)，位于出射光束會(huì)聚處，用于對(duì)紅、綠、藍(lán)三色出射光束進(jìn)行合光，實(shí)現(xiàn)彩色再現(xiàn)；
—濾波接收單元，包括光闌和接收光屏，數(shù)量均為1個(gè)，光闌位于合光鏡和接收光屏之間，用來(lái)消除零級(jí)雜光，接收光屏用于接收彩色計(jì)算全息再現(xiàn)像，且與各slm的有效距離為各slm加載數(shù)字透鏡的焦距。
優(yōu)選地，激光器、分光棱鏡、slm、合光鏡和光闌的中心處于同一水平面。
優(yōu)選地，光闌基板長(zhǎng)d1≥30mm且d1≤35mm，寬d2≥20mm且d2≤25mm，厚d3≥1mm且d3≤2mm。
優(yōu)選地，考慮slm尺寸匹配，光闌中間黑色掩膜尺寸長(zhǎng)d4≥16mm且d4≤17mm，寬d5≥9mm且d5≤10mm。
基于數(shù)字透鏡的彩色計(jì)算全息雜光消除的方法，包括以下幾個(gè)步驟：
第一，通過(guò)圖像處理技術(shù)提取目標(biāo)圖像的波長(zhǎng)分別的紅、綠、藍(lán)三分量信息；
第二，利用迭代傅里葉算法生成同一場(chǎng)景的三幅全息圖,分別記錄紅、綠、藍(lán)三色信息；
第三，根據(jù)透鏡成像特性等比地設(shè)置分別加載在紅、綠、藍(lán)三分量全息圖中數(shù)字透鏡的焦距fr、fg和fb；
第四，根據(jù)混疊信息分別改變加載在紅、綠、藍(lán)三分量全息圖上數(shù)字透鏡的采樣區(qū)域，并將數(shù)字透鏡加載到相應(yīng)的三幅全息圖中；
第五，將計(jì)算機(jī)生成的加載了數(shù)字透鏡的紅、綠、藍(lán)三分量的全息圖分別加載在slm上；
第六，使波長(zhǎng)分別為λr、λg、λb的紅、綠、藍(lán)三色激光器分別通過(guò)準(zhǔn)直單元、再現(xiàn)單元和合光鏡；
第七，設(shè)定光闌中間黑色掩膜的尺寸為a×b，且a×b為零級(jí)衍射光斑的大小，光闌將經(jīng)過(guò)合光鏡之后的零級(jí)雜光消除，并在接收光屏上接收到無(wú)雜光影響的彩色再現(xiàn)像。
優(yōu)選地，數(shù)字透鏡的焦距設(shè)置為fr：fg：fb=λb/λr：λb/λg：1。
優(yōu)選地，根據(jù)初始狀態(tài)下的數(shù)字透鏡采樣區(qū)域（sa）滿足
線性改變數(shù)字透鏡采樣區(qū)域，此時(shí)sa’滿足
式中m、n為slm的像素?cái)?shù)，p為slm的像素間距，（m，n）為改變數(shù)字透鏡采樣區(qū)域之后的中心位置坐標(biāo)?？紤]混疊信息，記初始再現(xiàn)像中心位置坐標(biāo)為（i，j），且加載在紅、綠、藍(lán)三分量上的數(shù)字透鏡采樣區(qū)域的中心位置坐標(biāo)分別為（mr，nr），（mg，ng）和（mb，nb），為了保證三色再現(xiàn)像重合，記最終再現(xiàn)像中心位置坐標(biāo)為（
附圖說(shuō)明
附圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明中數(shù)字透鏡焦距為85.12cm的灰度示意圖；
附圖3為本發(fā)明中數(shù)字透鏡焦距為67.48cm的灰度示意圖；
附圖4為本發(fā)明中數(shù)字透鏡焦距為60cm的灰度示意圖；
附圖5為本發(fā)明中焦距為85.12cm數(shù)字透鏡采樣區(qū)域中心位置坐標(biāo)為（-4mm,-4mm）的灰度示意圖；
附圖6為本發(fā)明中焦距為67.48cm數(shù)字透鏡采樣區(qū)域中心位置坐標(biāo)為（-4mm,-4mm）的灰度示意圖；
附圖7為本發(fā)明中焦距為60cm數(shù)字透鏡采樣區(qū)域中心位置坐標(biāo)為（-4mm,-4mm）的灰度示意圖；
附圖8為本發(fā)明實(shí)施例中光闌示意圖。
上述各附圖中的圖示標(biāo)號(hào)為：
（1）紅色激光器,（2）濾波器1,（3）準(zhǔn)直透鏡1,（4）分光棱鏡1,（5）slm1,（6）計(jì)算機(jī)1,（7）計(jì)算機(jī)2,（8）slm2,（9）分光棱鏡2,（10）綠色激光器,（11）濾波器2,（12）準(zhǔn)直透鏡2,（13）藍(lán)色激光器,（14）濾波器3,（15）準(zhǔn)直透鏡3,（16）分光棱鏡3,（17）slm3,（18）計(jì)算機(jī)3,（19）合光鏡,（20）光闌,（21）接收光屏。
應(yīng)該理解上述附圖只是示意性的，并沒(méi)有按比例繪制。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的一種基于數(shù)字透鏡的彩色計(jì)算全息雜光消除系統(tǒng)及方法的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述。有必要在此指出的是，以下實(shí)施例只用于本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容對(duì)本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例為，按照附圖1搭建系統(tǒng)，使用波長(zhǎng)分別為671nm、532nm和473nm的紅、綠、藍(lán)三色激光器作為光源，采用反射型、純相位型的slm用以加載全息圖和數(shù)字透鏡，其像素?cái)?shù)為1920×1080，像素間距為8μm；紅、綠、藍(lán)三色激光器分別與一個(gè)濾波器和一個(gè)準(zhǔn)直透鏡以同一水平光軸放置并在空間上呈u型分布，分光棱鏡處于準(zhǔn)直透鏡之后，合光鏡位于三束光束交匯處，光闌平行置于合光鏡和接收光屏之間任一位置且中心位置處于與slm中心位置同一所在水平面上；用圖像處理技術(shù)提取目標(biāo)物體的紅、綠、藍(lán)三分量信息并利用迭代傅里葉算法分別生成三幅全息圖，等比例設(shè)置焦距分別為fr=85.12cm，fg=67.48cm和fb=60cm的數(shù)字透鏡，灰度圖分別如附圖2，3和4所示，加載在紅、綠、藍(lán)三分量全息圖上的數(shù)字透鏡采樣區(qū)域中心位置坐標(biāo)為（-4mm,-4mm），分別如附圖5，6和7所示；并且，接收光屏與各slm的有效距離為各slm加載數(shù)字透鏡的焦距，即slm分別位于分光棱鏡分光方向zr=45.12cm、zg=27.48cm和zb=20cm處，此時(shí)合光鏡與三個(gè)分光棱鏡的距離zl=20cm，接收光屏位于合光鏡合光方向z=20cm處；如附圖8所示，使用的光闌基板大小為30mm×25mm且厚度為1mm，位于光闌正中間的黑色掩膜尺寸為9mm×16mm；紅、綠、藍(lán)三色激光器分別經(jīng)過(guò)濾波器和準(zhǔn)直透鏡后形成三束準(zhǔn)直光束，三束準(zhǔn)直光束依次通過(guò)分光棱鏡之后垂直照射在對(duì)應(yīng)的加載了紅、綠、藍(lán)三分量信息和數(shù)字透鏡的slm上，經(jīng)過(guò)slm調(diào)制反射的三束光束經(jīng)過(guò)分光棱鏡和合光鏡合光之后形成彩色光束，并通過(guò)光闌，最終在接收光屏上得到無(wú)色差、無(wú)雜光的彩色再現(xiàn)像。