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CN108873660A - 基于单空间光调制器的全息成像的方法、装置及设备 - Google Patents

基于单空间光调制器的全息成像的方法、装置及设备 Download PDF

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CN108873660A
CN108873660A CN201810872119.6A CN201810872119A CN108873660A CN 108873660 A CN108873660 A CN 108873660A CN 201810872119 A CN201810872119 A CN 201810872119A CN 108873660 A CN108873660 A CN 108873660A
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holographic
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Abstract

本发明公开了一种基于单空间光调制器的全息成像的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，包括：计算获得成像目标的原始全息图后，修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图；分别在包括原始全息图的每幅全息图中相邻像素间添加不含任何信息的黑色像素，得到与所述多幅全息图依次对应的多幅等效全息图；将所述多幅等效全息图加载至空间光调制器中，从而使所述多幅等效全息图叠加形成所述成像目标的一帧图像。本发明所提供的方法、装置、设备及计算机可读存储介质，提高了空间光调制器成像的分辨率。

Description

基于单空间光调制器的全息成像的方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及三维成像技术领域，特别是涉及一种基于单空间光调制器的全息成像的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质。
背景技术
全息三维立体显示是基于光场再现的真三维显示，具有人眼需要的全部深度暗示信息。空间光调制器是实现动态全息三维显示的核心器件，它基于衍射原理可以把全息图中记录的物光场信息再现出来。由于空间光调制器的离散化像素结构，使得其成像效果具有多个衍射级，光能利用效率低，同时每级的视场角较小，成像效果不理想。计算机和全息技术的结合使得全息图的生成更高效便利，不再需要进行复杂的光学生成过程。全息成像的效果主要受空间光调制器性能的限制，其中空间光调制器的阵面大小决定了其可以显示的物体分辨率，像素尺寸决定了其视场角及分辨率。受到这两方面的制约，目前的空间光调制器成像质量普遍不高。
在物体尺寸和记录距离一定的情况下，增大全息图的尺寸可以提高全息图记录的物光角谱频率范围，进而可以提高成像的分辨率。全息图的尺寸一般由空间光调制器决定，而在空间光调制器件已经确定的情况下，其尺寸是无法改变的。
有学者将合成孔径思想引入全息图计算中，提出了基于合成孔径的全息超分辨率成像，把单个空间光调制器对应的全息图位置分别在上、下、左、右四个方向平移，计算九个相邻位置的全息图，这就相当于增加了全息图的尺寸，然后把这九幅全息图分别进行再现，把得到的再现图像叠加到一块，就可以形成高于单个全息图再现图像分辨率的成像。这种方法在进行光学成像时，需要多个空间光调制器，且不同调制器之间再现图像要能够精确重合，在实际光学成像过程中存在许多困难，很难实施。
综上所述可以看出，如何提高空间光调制器成像的分辨率是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单空间光调制器的全息成像的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，以便于解决现有技术中由于空间光调制像素尺寸不够小造成的成像分辨率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于单空间光调制器的全息成像的方法，包括：计算获得成像目标的原始全息图后，修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图；分别在包括原始全息图的每幅全息图中相邻像素间添加不含任何信息的黑色像素，得到与所述多幅全息图依次对应的多幅等效全息图；将所述多幅等效全息图加载至空间光调制器中，从而使所述多幅等效全息图叠加形成所述成像目标的一帧图像。
优选地，所述计算获得成像目标的原始全息图包括：
通过计算获得成像目的原始全息图；
其中，xh,yh为全息面上的横纵坐标，n为原始全息图记录的物点个数，aj为物点的振幅，λ为物光波的波长，xj,yj,zj为物点的坐标。
优选地，所述修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图包括：
以一个空间光调制器像素为单位对所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数进行修改，从而获得带有偏移量的多幅全息图。
优选地，所述以一个空间光调制器像素为单位对所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数进行修改，从而获得带有偏移量的多幅全息图包括：
将所述原始全息图的纵坐标沿Y轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第二全息图；将所述原始全息图的纵坐标沿Y轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第三全息图；将所述原始全息图的横坐标沿X轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第四全息图；将所述原始全息图的横坐标沿X轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第五全息图；将所述第二全息图的横坐标沿X轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第六全息图；将所述第二全息图的横坐标沿X轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第七全息图；将所述第三全息图的横坐标沿X轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第八全息图；将所述第三全息图的横坐标沿X轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第九全息图。
优选地，所述修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图包括：
修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的24幅全息图。
本发明还提供了一种基于单空间光调制器的全息成像的装置，包括：
计算模块，用于计算获得成像目标的原始全息图后，修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图；
预处理模块，用于分别在包括原始全息图的每幅全息图中相邻像素间添加不含任何信息的黑色像素，得到与所述多幅全息图依次对应的多幅等效全息图；
成像模块，用于将所述多幅等效全息图加载至空间光调制器中，从而使所述多幅等效全息图叠加形成所述成像目标的一帧图像。
优选地，所述计算模块具体用于：
通过计算获得成像目标的原始全息图；
其中，xh,yh为全息面上的横纵坐标，n为原始全息图记录的物点个数，aj为物点的振幅，λ为物光波的波长，xj,yj,zj为物点的坐标。
优选地，所述计算模块还用于：以一个空间光调制器像素为单位对所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数进行修改，从而获得带有偏移量的多幅全息图。
本发明还提供了一种基于单空间光调制器的全息成像的设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述一种基于单空间光调制器的全息成像的方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种基于单空间光调制器的全息成像的方法的步骤。
本发明所提供的基于单空间光调制器的全息成像的方法，计算得到成像目标的原始全息图后，以所述原始全息图的中心坐标为二维平面坐标原点；修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图。由于空间光调制器只能以整像素为单位显示全息图，无法实现具有二分之一像素位置偏移的全息图显示，因此本发明中对每幅全息图中相邻的像素单元之间添加黑色像素得到等效全息图；且添加的所述黑色像素不包含任何信息，因此不会影响被记录成像目标的信息。依据人眼视觉暂留效应设置相机快门速度，使其曝光时间与人眼视觉暂留效应的持续时间大致相等；以便于将所述多幅等效全息图加载至空间光调制器中进行高速切换，从而使所述多幅等效全息图叠加形成所述成像目标的一帧图像。本发明所提供的全息成像的方法，每帧成像目标的图像由若干幅全息图共同叠加得到，通过把这些全息图在空间光调制器上进行高速切换，就可以实现这些全息图成的像叠加到一起，形成一帧图像。将全息图通过添加黑色像素的方法转变为等效全息图后，将等效全息图直接加载到空间光调制器上，然后把所成的像叠加起来，其目的是为了记录全息面上半个抽样位置处的信息。相比于单幅全息图，合成后的像等效于全息图尺寸不变，抽样间隔缩小了一半，抽样点数量增加了一倍。在全息图尺寸不变，全息图抽样间隔缩小，抽样点增加之后，全息图所能记录的物体空间频率范围会变大，从而可以分辨被记录物体更多细节信息，实现了超出单个空间光调制器分辨率的成像效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的基于单空间光调制器的全息成像的方法的第一种具体实施例的流程图；
图2为由全息图的得到等效全息图的示意图；
图3为本发明所提供的基于单空间光调制器的全息成像的方法的第二种具体实施例的流程图；
图4为九幅全息图的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于单空间光调制器的全息成像的装置的结构框图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于单空间光调制器的全息成像的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，提高了空间光调制器成像的分辨率，实现了超出单个空间光调制器分辨率的成像效果。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的基于单空间光调制器的全息成像的方法的第一种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S101：计算获得成像目标的原始全息图后，修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图；
可以通过计算获得成像目标的原始全息图；其中，xh,yh为全息面上的横纵坐标，n为原始全息图记录的物点个数，aj为物点的振幅，λ为物光波的波长，xj,yj,zj为物点的坐标。
对于通过所述原始全息图偏移得到的全息图的计算，只需要在原始全息图的全息计算公式的横纵坐标上加上对应的偏移量Δx,Δy就可以，即：xh＝xh+Δx,yh＝yh+Δy。
所述成像目标的同一帧成像的不同全息图位置在X和Y方向上依次相差一定的偏移，所述偏移一般小于空间光调制器单个像素的尺寸。
步骤S102：分别在包括原始全息图的每幅全息图中相邻像素间添加不含任何信息的黑色像素，得到与所述多幅全息图依次对应的多幅等效全息图；
由于空间光调制器只能以整像素为单位显示全息图，无法实现具有1/2像素位置偏移的全息图显示，这里采用间隔显示的方法将等效全息图加载到空间光调制器上，如图2所示。首先把全息图通过添加黑色像素的方法转变为等效全息图，添加的黑色像素不包含任何信息，因此不会影响被记录物体的信息。等效全息图直接加载到空间光调制器上，时分复用方法中不同位置的全息图以一个空间光调制器像素为单位进行偏移，这里偏移的一个像素就等效于上文中偏移1/2个像素。
步骤S103：将所述多幅等效全息图加载至空间光调制器中，从而使所述多幅等效全息图叠加形成所述成像目标的一帧图像。
通过设置相机快门速度，使得其曝光时间和人眼视觉暂留效应的持续时间大致相等，从而实现模拟拍摄人眼视觉暂留的成像效果。由于人眼的视觉暂留效应持续时间约为0.1-0.4秒，这里通过设置相机快门速度为1/6档，使快门打开的时间持续约0.17秒，模拟人眼视觉暂留所看到的像。
若直接计算得到的全息图位置偏移量为半个像素，无法直接对应空间光调制器的显示器进行加载。通过在相邻全息图像素之间添加黑色像素，使得全息图像素和空间光调制器像素在位置上可以形成对应关系，能够加载到空间光调制器上；且每幅全息图在空间光调制器上显示的位置和自己偏移的位置一致；通过带有位置偏移的若干全息图高速切换，利用人眼视觉暂留效应，可以得到超出单个空间光调制器分辨率的成像效果。
基于上述实施例，所述多幅全息图以所述原始全息图为基准，多幅全息图间具有一定的位置偏移。除原始全息图外的每幅全息图的偏移量小于一个像素大小，一般可以取半个像素；且全息图的偏移具有对称性。通过对所述原始全息图进行偏移得到的全息图的数量越多，成像效果越好；包括所述原始全息图在内的多幅全息图的数量可以为9幅，也可以为25幅等。在本实施例中，以9幅全息图为例对本发明所提供的方法进一步进行解释说明。
请参考图3，图3为本发明所提供的基于单空间光调制器的全息成像的方法的第二种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S301：计算获得成像目标的原始全息图；
步骤S302：将所述原始全息图的纵坐标沿Y轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第二全息图；
步骤S303：将所述原始全息图的纵坐标沿Y轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第三全息图；
步骤S304：将所述原始全息图的横坐标沿X轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第四全息图；
步骤S305：将所述原始全息图的横坐标沿X轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第五全息图；
步骤S306：将所述第二全息图的横坐标沿X轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第六全息图；
步骤S307：将所述第二全息图的横坐标沿X轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第七全息图；
步骤S308：将所述第三全息图的横坐标沿X轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第八全息图；
步骤S309：将所述第三全息图的横坐标沿X轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第九全息图；
如图4所示，(a)为第七全息图，(b)为第二全息图，(c)为第六全息图，(d)为第五全息图，(e)为原始全息图，(f)为第四全息图，(g)为第九全息图，(h)为第三全息图，(l)为第八全息图。
需要说明的是，在本实施例中，并不对所述步骤S302-步骤S309的执行顺序进行限定。
步骤S310：分别在包括原始全息图的每幅全息图中相邻像素间添加不含任何信息的黑色像素，得到与所述多幅全息图依次对应的多幅等效全息图；
步骤S311：将所述多幅等效全息图加载至空间光调制器中，从而使所述多幅等效全息图叠加形成所述成像目标的一帧图像。
本实施例所提供的基于单空间光调制器的全息成像的方法，通过在时间维度进行剖分，使空间光调制器高速刷新显示具有一定位移的多幅全息图，利用人眼的视觉暂留效应，实现超出空间光调制器分辨率的成像效果。
请参考图5，图5为本发明实施例提供的一种基于单空间光调制器的全息成像的装置的结构框图；具体装置可以包括：
计算模块100，用于计算获得成像目标的原始全息图后，以所述原始全息图为基准，在全息面多个预设方向上分别对所述原始全息图在预设偏移范围内进行偏移，从而获得包括所述原始全息图在内的多幅全息图；
预处理模块200，用于分别在每幅全息图中相邻像素间添加不含任何信息的黑色像素，得到与所述多幅全息图依次对应的多幅等效全息图；
成像模块300，用于预先依据人眼视觉暂留效应设置所述空间光调制器的快门速度，将所述多幅等效全息图加载至空间光调制器中，从而使所述多幅等效全息图叠加形成所述成像目标的一帧图像。
本实施例的基于单空间光调制器的全息成像的装置用于实现前述的基于单空间光调制器的全息成像的方法，因此基于单空间光调制器的全息成像的装置中的具体实施方式可见前文中的基于单空间光调制器的全息成像的方法的实施例部分，例如，计算模块100，预处理模块200，成像模块300，分别用于实现上述基于单空间光调制器的全息成像的方法中步骤S101，S102和S103，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本发明具体实施例还提供了一种基于单空间光调制器的全息成像的设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述一种基于单空间光调制器的全息成像的方法的步骤。
本发明具体实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种基于单空间光调制器的全息成像的方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的基于单空间光调制器的全息成像的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于单空间光调制器的全息成像的方法，其特征在于，包括：
计算获得成像目标的原始全息图后，修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图；
分别在包括原始全息图的每幅全息图中相邻像素间添加不含任何信息的黑色像素，得到与所述多幅全息图依次对应的多幅等效全息图；
将所述多幅等效全息图加载至空间光调制器中，从而使所述多幅等效全息图叠加形成所述成像目标的一帧图像。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算获得成像目标的原始全息图包括：
通过计算获得成像目标的初始全息图；
其中，xh,yh为全息面上的横纵坐标，n为原始全息图记录的物点个数，aj为物点的振幅，λ为物光波的波长，xj,yj,zj为物点的坐标。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图包括：
以一个空间光调制器像素为单位对所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数进行修改，从而获得带有偏移量的多幅全息图。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述以一个空间光调制器像素为单位对所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数进行修改，从而获得带有偏移量的多幅全息图包括：
将所述原始全息图的纵坐标沿Y轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第二全息图；
将所述原始全息图的纵坐标沿Y轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第三全息图；
将所述原始全息图的横坐标沿X轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第四全息图；
将所述原始全息图的横坐标沿X轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第五全息图；
将所述第二全息图的横坐标沿X轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第六全息图；
将所述第二全息图的横坐标沿X轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第七全息图；
将所述第三全息图的横坐标沿X轴正方向偏移一个空间光调制器像素，得到第八全息图；
将所述第三全息图的横坐标沿X轴负方向偏移一个空间光调制器像素，得到第九全息图。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图包括：
修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的24幅全息图。
6.一种基于单空间光调制器的全息成像的装置，其特征在于，包括：
计算模块，用于计算获得成像目标的原始全息图后，修改所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数，从而获得带有偏移的多幅全息图；
预处理模块，用于分别在包括原始全息图的每幅全息图中相邻像素间添加不含任何信息的黑色像素，得到与所述多幅全息图依次对应的多幅等效全息图；
成像模块，用于将所述多幅等效全息图加载至空间光调制器中，从而使所述多幅等效全息图叠加形成所述成像目标的一帧图像。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块具体用于：
通过计算获得成像目标的原始全息图；
其中，xh,yh为全息面上的横纵坐标，n为原始全息图记录的物点个数，aj为物点的振幅，λ为物光波的波长，xj,yj,zj为物点的坐标。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算模块还用于：
以一个空间光调制器像素为单位对所述原始全息图的全息计算公式中的在全息面上的位置坐标参数进行修改，从而获得带有偏移量的多幅全息图。
9.一种基于单空间光调制器的全息成像的设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述一种基于单空间光调制器的全息成像的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述一种基于单空间光调制器的全息成像的方法的步骤。
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