一種基于復振幅調制的增強現實全息顯示方法與流程

本發明涉及一種全息顯示方法，特別是一種基于復振幅調制的增強現實全息顯示方法。

背景技術：

增強現實技術是將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息疊加到真實世界場景中，增強用戶對現實世界的感知。隨著這一課題的不斷發展，如今已經出現了一系列用于增強現實顯示的技術與產品，其中微軟的Hololens基于衍射式平視顯示原理，采用先進的傳感器、微型高分辨率高對比度的微型數字光處理器投影(DLP Pico)技術，實現了較好的增強現實顯示效果。然而，由于技術和器件的限制，在可穿戴設備上實現真三維，大視角，實時計算的增強現實顯示還存在一些障礙。

基于復振幅調制的全息顯示技術是一種能夠重建物體復振幅光場的技術，將該技術應用于增強現實顯示系統能夠提高顯示內容的景深，降低人眼頻繁聚焦的疲勞。同時，利用點光源作為光源能夠有效增大視場角，緩解傳統的衍射式增強現實平顯系統視場角小無景深的問題。采用相位型空間光調制器能夠大幅提高衍射效率，同時使得成像系統更加輕便適用于可穿戴設備。

技術實現要素：

發明目的：本發明目的是提供一種基于復振幅調制的增強現實全息顯示方法，該方法能夠通過復振幅調制避免隨機相位帶來的全息成像中的散斑問題，增強圖像對比度，同時能夠通過使用點光源照明，增大成像的景深和視角，可適用于實時計算的全息成像。

技術方案：本發明所述的基于復振幅調制的增強現實全息顯示方法，包括以下步驟：

1)布設點光源、相位型空間光調制器、透鏡和濾波光闌，使點光源發出的光波依次經過相位型空間光調制器、透鏡和濾波光闌；

2)根據最終重建圖像，獲得相位型空間光調制器所需生成的復振幅光場的位置、振幅和相位參數；

3)根據矢量分解原理，將所述復振幅光場各個像素的光矢量分解為兩個純相位值，得到與原圖大小相等的兩張純相位全息圖；利用棋盤格圖樣對兩張純相位全息圖進行采樣合成，在合成得到的純相位全息圖上加上傾斜平面波因子，得到經編碼的純相位全息圖；

4)將步驟3)得到的經編碼的純相位全息圖傳輸到相位型空間光調制器中，使點光源發出的光波在相位型空間光調制器中進行相位調制后射出，實現重建圖像與現實場景的疊加。

其中，透鏡與濾波光闌之間設有波導或第一分光棱鏡，通過波導或第一分光棱鏡實現重建圖像與現實場景的疊加；相位型空間光調制器為反射式相位型空間光調制器，點光源發出的光波經反射鏡或第二分光棱鏡到達反射式相位型空間光調制器。

為了避免重建圖像受到器件零級波的影響，根據傾斜平面波因子調整濾波光闌的位置及大小，使濾波光闌為矩形濾波光闌，濾波光闌位于純相位全息圖的頻譜面(u，v)，即點光源關于透鏡的成像面，頻譜面(u，v)平行于空間光調制器平面(x，y)和透鏡平面，頻譜面(u，v)原點(0，0)與透鏡中心、空間光調制器中心以及點光源在同一直線上，該直線垂直于頻譜面(u，v)，(u，v)坐標軸的正方向與空間光調制器平面坐標軸(x，y)的正方向相同；濾波光闌中心的位置坐標為矩形濾波光闌的大小為u軸方向v軸方向d₁為點光源與相位型空間光調制器的垂直光路距離，d₂為相位型空間光調制器與透鏡的距離，d₃為濾波光闌與透鏡的距離，d₃由透鏡成像公式得出。

步驟2)中，獲得復振幅光場的位置的方法具體為：

計算復振幅光場與相位型空間光調制器的衍射距離l₁：

其中，l₂＝d₁，為點光源與相位型空間光調制器的垂直光路距離；l₃由下式得出：

其中，d₂為相位型空間光調制器與透鏡的距離，f為透鏡的焦距，d₃為透鏡到濾波光闌的距離，d₃由透鏡成像公式得出，d₄為最終重建圖像與人眼的距離。

步驟3)中，棋盤格圖樣為M₁(iΔx₀，jΔy₀)、M₂(iΔx₀，jΔy₀)的圖樣，M₁(iΔx₀，jΔy₀)和M₂(iΔx₀，jΔy₀)滿足：

M₁(iΔx₀，jΔy₀)+M₂(iΔx₀，jΔy₀)＝1

其中，Δx₀、Δy₀為空間光調制器的像素間距，i、j為像素點的標號，i∈(1，N)，j∈(1，M)，i、j為整數。

要得到復振幅為的輸出面，像素化后分辨率為M×N的輸入面(x，y)的純相位編碼公式為：

φ(iΔx₀，jΔy₀)＝M₁(iΔx₀，jΔy₀)θ₁(iΔx₀，jΔy₀)

+M₂(iΔx₀，jΔy₀)θ₂(iΔx₀，jΔy₀)+2πiΔx₀sinα/λ

其中，A(x，y)表示復振幅光場的振幅，表示復振幅光場的相位；φ(iΔx₀，jΔy₀)為輸入到空間光調制器的相位值，Δx₀、Δy₀為空間光調制器的像素間距，2πiΔx₀sinα/λ為左右傾斜的傾斜平面波因子，λ為光波波長i、j為像素點的標號，i∈(1，N)，j∈(1，M)，i、j為整數，θ₁(iΔx₀，jΔy₀)和θ₂(iΔx₀，jΔy₀)由以下兩公式得出：

A_max為A(x，y)的最大值。

有益效果：本發明所述的方法具有以下有益效果：

1、消除重建圖像散斑。本發明使用了復振幅調制的方法，能夠同時調制圖像的振幅和相位，與傳統的只能重建目標振幅的GS迭代算法相比，避免了在重建光場中由于相鄰像素間的相干干涉產生額外的強度圖案，即散斑噪音，大大提高了圖像質量。

2、避免重建圖像受到器件零級波的影響。本發明根據全息圖所加的傾斜平面波因子設置濾波光闌的位置及大小，添加傾斜平面波因子以后，器件的零級波和復振幅編碼全息圖圖像的零級波能夠在頻譜面分開，濾波時就可以在濾出全息圖的零級信息同時避免器件零級噪聲的干擾，系統不需要布設偏振片，同時使得圖像不被零級波遮蓋，圖像對比度增強。

3、與一般的矢量分解復振幅調制方法相比，本發明的復振幅調制方法不會改變圖面的大小。根據矢量分解的原理，一個矢量總可以分解為兩個振幅相同、相位不同的矢量的疊加。因此，傳統的矢量分解復振幅調制方法中要得到n×n的重建圖像就至少需要2n×n大小的復振幅編碼圖，使得圖像大小至少縮小一倍。而本復振幅調制方法使用的棋盤格編碼方式，重建圖像的大小和復振幅編碼圖大小是相同的。

4、使用點光源能夠提高顯示內容的景深，降低人眼頻繁聚焦的疲勞，同時能夠有效增大視場角，緩解傳統的衍射式增強現實平顯系統視場角小的問題。

5、相比于傳統迭代優化的全息計算方法，本發明提出的方法無需迭代，大大縮短了全息圖計算時間，可適用于實時計算的全息成像。

附圖說明

圖1是點光源發出的光波經空間光調制器相位調制后射入人眼的光路圖；

圖2是最終重建圖像(所成虛像)、點光源、空間光調制器、透鏡以及成像面之間位置關系示意圖；

圖3是使用反射式相位型空間光調制器時顯示系統的光路圖。

具體實施方式

實施例1

基于復振幅調制的增強現實全息顯示方法，包括以下步驟：

(1)布設顯示系統。

如圖1所示，將點光源2、相位型空間光調制器3、透鏡4和濾波光闌5依次布設，點光源2、透鏡4和濾波光闌5之間的位置關系滿足成像公式，空間光調制器3與生成相位全息圖的計算機1通過數據線連接。點光源2發出的球面波射入相位型空間光調制器3，然后依次經過透鏡和濾波光闌進入人眼。相位型空間光調制器3所處的位置形成輸入平面(x，y)，光闌位于頻譜面(u，v)。

使用反射式相位型空間光調制器的增強現實顯示系統如圖3所示：點光源2發出的球面波經過第二分光棱鏡7進入空間光調制器3，經過調制的光場依次經過透鏡4、第一分光棱鏡8和濾波光闌5進入人眼，第一分光棱鏡8另一側的現實場景經過第一分光棱鏡8也進入人眼，實現增強現實的顯示效果。

(2)根據最終重建圖像的位置和內容，結合光學系統參數，獲得相位型空間光調制器所需生成的復振幅光場的位置、振幅和相位參數。

計算相位型空間光調制器3所需生成的復振幅光場與點光源2、相型空間光調制器3、透鏡4以及最終重建圖像所在的平面6之間的距離關系如圖2所示。其中，最終重建圖像具體是指相位型空間光調制器3所生成的復振幅光場經過透鏡4所成的虛像。

確定衍射距離的具體方法為：

假設要在距離人眼距離為d₄處的平面6成一個最終重建圖像，則計算全息圖時，復振幅光場衍射的距離l₁為：

其中l₂＝d₁，為點光源2與相位型空間光調制器3之間的垂直光路距離，l₃為實際復振幅光場與空間光調制器之間的衍射距離，l₃由式(2)給出

其中d₂為相位型空間光調制器3到透鏡4的垂直光路距離，f為透鏡4的焦距，d₃為透鏡4到點光源所成像的垂直光路距離(由于濾波光闌5位于點光源的成像面，因此d₃也為透鏡4到濾波光闌5的垂直光路距離)，d₃由透鏡成像公式得出。

獲得相位型空間光調制器所需生成的復振幅光場的振幅和相位參數的方法具體為：

設目標生成的圖像為U(ξ，η)＝A(ξ，η)e⁰，其平面為其中相位為均勻相位，可設為0。則空間光調制器所需生成的復振幅光場以菲涅爾衍射為例為：

其中z＝-l₁，k為波數，λ為波長，j為虛數單位，(ξ，η)是與(x，y)對應的圖像面的坐標。

(3)利用雙相位分解的復振幅調制方法對復振幅光場進行編碼。

如表1所示，根據矢量分解原理，將復振幅光場各個像素的光矢量分解為兩個純相位值，得到與原圖大小相等的兩張純相位全息圖，利用棋盤格圖樣對兩張純相位全息圖進行采樣合成，在合成得到的純相位全息圖上加上傾斜平面波因子，得到經編碼的純相位全息圖。

將復振幅光場編碼為純相位全息圖的具體方法如下。

任意二維復振幅光場可以用公式(4)表示：

式(4)中，A(x，y)表示復振幅光場的振幅，表示復振幅光場的相位。根據矢量分解的原理，任意一個矢量都可以由兩個模相等的向量合成，從而可以得到以下表達式：

式中，B＝A_max/2是一個常數，A_max是A(x，y)的最大值，θ₁(x，y)和θ₂(x，y)分別由下面兩個式子得到：

假定要得到復振幅為的輸出面，像素化后分辨率為M×N的輸入面(x，y)的純相位編碼公式為：

式(8)中，Δx₀、Δy₀為空間光調制器的像素間距，i、j為像素點的標號，i∈(1，N)，j∈(1，M)，i、j為整數。由上述編碼結果可以看出，本發明使用的雙相位復振幅編碼方法無需犧牲額外的像素，即要得到n×n的重建圖像只需要n×n大小的復振幅編碼圖。φ(iΔx₀，jΔy₀)為輸入到空間光調制器的相位值，θ₁(iΔx₀，jΔy₀)和θ₂(iΔx₀，jΔy₀)由式(9)和式(10)確定；M₁(iΔx₀，jΔy₀)和M₂(iΔx₀，jΔy₀)由式(11)和式(12)確定：

M₁(iΔx₀，jΔy₀)和M₂(iΔx₀，jΔy₀)始終滿足等式：

M₁(iΔx₀，jΔy₀)+M₂(iΔx₀，jΔy₀)＝1 (13)

通常，也將M₁(iΔx₀，jΔy₀)、M₂(iΔx₀，jΔy₀)的圖樣稱作棋盤格。2πiΔx₀ sinα/λ為左右傾斜的傾斜平面波因子，具體確定方法為：

空間光調制器的分辨率記為MM×NN，輸入面(x，y)的純相位全息圖的分辨率小于等于空間光調制器的分辨率，在編碼的純相位全息圖以外的區域，空間光調制器所有像素的相位值設為π；傾斜平面波因子波矢與水平方向的夾角為α，由相位型空間光調制器3的采樣間距確定，由于α較小，所以sinα≈tanα，通常可取其中Δx₀為空間光調制器x軸方向即水平方向的像素間距，λ為光波波長。

表1

4)計算機通過數據線將步驟3)得到的經編碼的純相位全息圖傳輸到相位型空間光調制器3中，使點光源2發出的光波在相位型空間光調制器3中進行相位調制后射出，實現重建圖像與現實場景的疊加。

5)根據傾斜平面波因子調整濾波光闌的位置及大小，使全息圖的零級波透過濾波光闌，同時遮擋空間光調制器的零級波干擾，在緊貼濾波光闌的人眼視網膜上成像。

濾波光闌5的位置由傾斜平面波因子的傾角α、相位型空間光調制器3與點光源2的距離d₁、相位型空間光調制器3到透鏡4的距離d₂以及透鏡4的焦距f確定；相位型空間光調制器3大小根據采樣定理由相位型空間光調制器3的x軸方向(水平方向)和y軸方向(豎直方向)的像素間距Ax₀、Δy₀，波長λ和d₁，d₂，f確定，具體確定方法為：

濾波光闌位于純相位全息圖的頻譜面(u，v)，即點光源關于透鏡的成像面，頻譜面(u，v)平行于空間光調制器平面(x，y)和透鏡平面，頻譜面(u，v)的原點(0，0)與透鏡中心、空間光調制器中心以及點光源在同一直線上，所述直線垂直于頻譜面(u，v)，(u，v)坐標軸的正方向與空間光調制器平面坐標軸的正方向(x，y)相同；濾波光闌中心的位置坐標為矩形濾波光闌的大小為u軸方向v軸方向d₁為點光源與相位型空間光調制器3的垂直光路距離，d₂為相位型空間光調制器與透鏡的垂直光路距離，d₃為濾波光闌與透鏡的垂直光路距離，d₃由透鏡成像公式得出。

本發明中，經編碼的純相位全息圖通過計算機1加載到相位型空間光調制器3中，點光源2發出的光射入相位型空間光調制器3，光波在相位空間光調制器3中進行相位調制后射出，通過透鏡4之后，經過濾波光闌5進行濾波，使一級衍射透過濾波光闌5，人眼緊貼濾波光闌可以看到無散斑的虛像。

實施例2

采用圖3所示的結構得到顯示系統。即，計算機1通過數據線與反射式相位型空間光調制器3相連，反射式相位型空間光調制器3、第二分光棱鏡7、透鏡4、第一分光棱鏡8、濾波光闌5依次設置，點光源2位于第二分光棱鏡7上部。設置以上各光學元件的相對位置使得點光源2發出的光經過第二分光棱鏡7分光射入反射式相位型空間光調制器3，再依次經過第二分光棱鏡7、透鏡4、第一分光棱鏡8和濾波光闌5。

點光源2采用LED點光源，通過LED點光源發出波長約為532納米的綠光進行投影；相位型空間光調制器3采用德國Holoeye公司生產的相位空間光調制器Holoeye Pluto，其規格為1920×1080像素，像素間距為8微米，即Δx₀＝Δy₀＝8μm；透鏡4的焦距f為0.1米。

矩形濾波光闌位于純相位全息圖的頻譜面(u，v)，頻譜面(u，v)平行于空間光調制器平面(x，y)和透鏡平面，頻譜面(u，v)的原點(0，0)與透鏡中心、空間光調制器中心以及點光源在同一直線上，該直線垂直于頻譜面(u，v)，(u，v)坐標軸的正方向與空間光調制器平面坐標軸的正方向(x，y)相同；LED點光源距離相位型空間光調制器3的垂直光路距離d₁為0.05米，相位型空間光調制器3與透鏡4的垂直光路距離d₂為0.13米，則編碼公式(8)中傾斜平面的傾斜角度為sinα≈0.02351。

矩形濾波光闌5中心的坐標為(1.47mm，0)，矩形濾波光闌5的大小為1.47mm×1.47mm。

在該顯示系統中，經過編碼的純相位全息圖通過計算機1加載到相位空間光調制器3中，點光源2發出的光經過第二分光棱鏡7分光射入相位型空間光調制器3，光波在相位型空間光調制器3中進行相位調制后射出，通過透鏡4之后，射入第一分光棱鏡8，經過濾波光闌5進行濾波，人眼緊貼濾波光闌5可以看到無散斑的虛像與第一分光棱鏡8另一側真實場景融合的增強現實顯示結果。

設最終重建圖像(即所成虛像)與人眼的距離為0.625米，則衍射計算復振幅光場距離相位型空間光調制器3的距離l₁為0.025米。

根據以上確定的參數，采用實施例1步驟(3)所述的方法經過編碼后得到純相位全息圖。得到的純相位全息圖經過計算機1加載到空間光調制器3中，就能夠在平面6得到相應重建的虛像。由于使用了復振幅調制的方法，有效消除了散斑，大大提高了圖像質量。同時，由于使用了LED點光源作為光源，進一步平滑了圖像同時擴大的景深和視角。