一种基于声光调制器的偏振全息复用显示系统及其方法

1.本发明涉及一种基于声光调制器的偏振全息复用显示系统及其方法，属于数字全息技术领域。


背景技术：

2.利用传统的空间光调制器进行全息显示复用是一个巨大挑战，在过去几十年里受到了广泛关注。但是通常来说，空间光调制器只能重建一幅全息图像，通过在全息显示系统中引入偏振光栅(polarization grating，pg)，利用其偏振选择性来提高显示性能。一些具体的应用如：yoo等人的利用偏振光栅系统来实现扩展的动眼框，lin等人利用偏振光栅实现了麦克斯韦近眼显示系统的二维瞳孔复制。
3.但现有技术中，由于空间光调制器技术的限制，利用偏振光栅进行全息显示面临着显示面积小，复用困难等问题。本发明通过在全息显示系统中引入偏振光栅，利用其偏振选择性来提高系统显示性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于通过偏振光栅的偏振分束性质将两束入射光分成四个子光束。再分别利用声光调制器的高通滤波效果，干涉双相位编码原理，以及傅里叶迭代算法对子光束进行编码调制，可以在不同重建距离得到三种不同效果的重建图像，以此实现全息图的复用。
5.本发明首先提供了如下的技术方案：
6.一种基于声光调制器的偏振全息复用显示系统，包括：
7.空间光调制器前设置分束镜；
8.激光器，第一线偏振器、分束镜依次设在激光器的光路上；
9.分束镜反射光路上依次设有第一透镜、小孔、第二透镜、第一偏振光栅；第一偏振光栅后有四束圆偏振光；
10.第一光束的光路上依次设有经反射镜、声光调制器、第三透镜、图像传感器；
11.第二光束、第二光束、第四光束的光路上依次设有第二偏振光栅、第二线偏振器、图像传感器。
12.将由激光器出射的激光转换为线偏振光；
13.空间光调制器上下两部分加载两幅不同的全息图信息；
14.将所述线偏振光经分束镜反射到空间光调制器，得到系统两束入射光；
15.将所述入射光场使用4f系统滤波，滤除空间光调制器带来的背景噪声；
16.两束滤波后的线偏振入射光经过第一偏振光栅分成四束圆偏振光；
17.第一光束经反射镜反射后经声光调制器调制后，经由第三透镜通过图像传感器接收；
18.第二光束，第三光束在第二偏振光栅处叠加，并经第二线偏振器后干涉通过图像
传感器接收；
19.第四光束经过第二偏振光栅，并经第二线偏振器后通过图像传感器接收；
20.在更具体的一些实施方式中，所述处理过程包括：
21.将激光器出射的光通过第一线偏振器得到线偏振光，再经过分束镜反射至纯相位型空间光调制器，其中空间光调制器上下部分加载两幅不同的全息信息e
jφ
,e
jφ
。两衍射光场经4f系统滤波后，入射至第一偏振光栅。偏振光栅将两线偏振衍射光场分别分解为两束左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的组合，经过偏振光栅后系统总共有四束光。第一光束经反射镜反射至声光调制器，并经由第三透镜通过图像传感器接收；第二光束，第三光束在第二偏振光栅处叠加，并经第二线偏振器后干涉通过图像传感器接收；第四光束经过第二偏振光栅，并经第二线偏振器后通过图像传感器接收；自此，完成了本全息重建系统的三幅全息图像的重建。
22.所述的全息重建的过程更具体如：空间光调制器加载两张全息信息预先通过全息算法计算获得的具有特定相位分布，由三张全息图像叠加组成。其中：
[0023][0024][0025]
其中，和分别为三幅计算全息图，三幅全息图的重建距离分别为d1，d2，d3。
[0026]
根据本发明的一些优选实施方式，所述计算全息图通过全息算法计算得到，所述全息算法为傅里叶迭代算法。
[0027]
更具体的，所述傅里叶迭代算法可包括：利用空域和频域之间的正反傅里叶变换与空域和频域各自的约束条件，反复迭代，直到满足预先设计的与加载的初始场的收敛条件。
[0028]
根据本发明的一些优选实施方式，所述计算全息图通过全息算法得到，所述全息算法为双相位编码方法。
[0029]
更具体的，所述双相位编码方法为：将预期的复振幅全息图的振幅归一化后，此时复振幅可以表示为两个纯相位分布的和，即
[0030]
根据本发明的一些优选实施方式，所述两束滤波后的线偏振入射光经过第一偏振光栅(8)分成四束圆偏振光，其中，经过第一偏振光栅分成：第一光束第二光束束经过第一偏振光栅分成：第三光束第四光束第一全息重建图像由得到，第二全息重建图像由得到，第一全息重建图像由得到，系统总的重建结果由三幅全息图叠加得到。
[0031]
根据本发明的一些优选实施方式，所述声光调制器其光学传递函数h(k
x
)设置为：
[0032]
h(k
x
)＝jk
x
，
[0033]
其中，k
x
表示频域坐标；j表示虚数单位。
[0034]
根据本发明的一些优选实施方式，第一光束经所述声光调制后获得的重建光场a1(x，y)满足：
[0035]
[0036]
其中，f{}表示傅里叶变换，f-1
{}表示逆傅里叶变换，h表示所述光学传递函数，由于声光调制器对光信息的高通滤波作用，因此a1(x,y)通常是一个边缘提取的结果。
[0037]
根据本发明的一些优选实施方式，第二光束和第三光束在第二偏振光栅处叠加，并经第二线偏振器后干涉，得到重建光场a2(x,y)：
[0038][0039]
根据本发明的一些优选实施方式，第四光束经过第二偏振光栅，并经第二线偏振器后得到重建光场a3(x,y)；
[0040]
此时系统得到的总的重建光场为：
[0041]
a(x,y)＝a1(x,y)+a2(x,y)+a3(x,y)
[0042]
三个结果分别包含了边缘提取的重建结果，编码复振幅分布的重建结果以及傅里叶迭代算法的重建结果。由于三幅全息图的重建距离分别为d1，d2，d3，因此可以通过控制重建距离来获得三个重建结果中任意的重建结果。
[0043]
本发明进一步提供了通过上述重建方法进行全息图像的处理的一些重建系统。
[0044]
本发明具备以下有益效果：
[0045]
(1)：本发明基于偏振光栅对入射光的选择性，结合计算全息算法，可以在不同的重建位置获得三种性质的全息重建图像。在扩大全息重建图像的视场的同时，还提升了全息重建系统的重建质量。与传统重建系统不同的是，本系统还通过引入声光调制器，让系统变为实时可编程的系统。
[0046]
(2)：在一些具体的实施方式中，基于偏振光栅对入射光的分束作用，通过算法编码实现了不同效果的多光束成像。
[0047]
(3)：在一些具体的实施方式中，基于声光调制器对光信息的调控，本发明通过对入射光起到明显的高通滤波作用的声光滤波传递函数，对图像实现了显著的边缘增强。
[0048]
(4)：在一些具体的实施方式中，本发明中由于将多个重建结果的编码在不同的重建距离，因此可以通过改变系统的重建距离来选择重建不同的重建结果。
附图说明
[0049]
图1为具体实施方式所述全息图像重建系统，其中：1、激光器，2、第一线偏振器，3、分束镜，4、空间光调制器，5、第一透镜、6、小孔，7、第二透镜，8、第一偏振光栅，9、反射镜，10、声光调制器，11、第三透镜，12、图像传感器，13、第二偏振光栅，14、第二线偏振器。
[0050]
图2a为实施例1在不同重建距离的重建结果之一。
[0051]
图2b为实施例1在不同重建距离的重建结果之二。
[0052]
图2c为实施例1在不同重建距离的重建结果之三。
具体实施方式
[0053]
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
[0054]
根据本发明的技术方案，一种具体的实施方式通过如图1所示的一种基于声光调
制器的偏振全息复用显示系统，其包括：
[0055]
空间光调制器4前设置分束镜3；
[0056]
激光器1，第一线偏振器2、分束镜3依次设在激光器1的光路上；
[0057]
分束镜3反射光路上依次设有第一透镜5、小孔6、第二透镜7、第一偏振光栅8；第一偏振光栅8后有四束圆偏振光；
[0058]
第一光束的光路上依次设有经反射镜9、声光调制器10、第三透镜11、图像传感器12；
[0059]
第二光束、第二光束、第四光束的光路上依次设有第二偏振光栅13、第二线偏振器14、图像传感器12；
[0060]
位于激光器1光路上的第一线偏振器2，将激光反射至空间光调制器4的分束镜3，将加载两幅全息信息的空间光调制器4调制后的激光经过由第一透镜5、小孔6和第二透镜7组成的4f系统滤波后，入射至第一偏振光栅8。第一偏振光栅8将两全息信息分解为四束圆偏振光。第一光束经反射镜9反射至声光调制器10调制，由第三透镜11成像至图像传感器12。第二光束、第二光束在第二偏振光栅13处叠加，经过第二线偏振器14后干涉，成像至图像传感器12。第四光束在经过第二偏振光栅13成像至图像传感器12。
[0061]
根据上述系统进行图像处理的过程包括：
[0062]
将激光器1出射的光通过第一线偏振器2得到线偏振光，再经过分束镜3反射至纯相位型的空间光调制器4，其中空间光调制器4上下部分加载两幅不同的全息信息两衍射光场经4f系统滤波后，入射至第一偏振光栅8。第一偏振光栅8将两线偏振衍射光场分别分解为两束左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的组合，经过第一偏振光栅8后系统总共有四束光。第一光束经反射镜9反射至声光调制器10，并经由第三透镜11通过图像传感器12接收，结果为a1(x,y)；第二光束和第三光束在第二偏振光栅13处叠加，并经第二线偏振器14后干涉通过图像传感器12接收，结果为a2(x,y)；第四光束经过第二偏振光栅13，并经第二线偏振器14后通过图像传感器12接收，结果为a3(x,y)；自此，完成了本全息重建系统的三幅全息图像的重建。此时系统得到的总的重建光场为a(x,y)。
[0063]
其中：
[0064]
所述声光调制器其光学传递函数h(k
x
)设置为：
[0065]
h(k
x
)＝jk
x
，
[0066]
其中，k
x
表示频域坐标；j表示虚数单位。
[0067]
根据本发明的一些优选实施方式，第一光束经所述声光调制后获得的重建光场a1(x,y)满足：
[0068][0069]
其中，f{}表示傅里叶变换，f-1
{}表示逆傅里叶变换，h表示所述光学传递函数，由于声光调制器对光信息的高通滤波作用，因此a1(x,y)通常是一个边缘提取的结果。
[0070]
第二光束和第三光束在第二偏振光栅13处叠加，并经第二线偏振器14后干涉，得到重建光场a2(x,y)：
[0071]
[0072]
根据本发明的一些优选实施方式，第四光束经过第二偏振光栅13，并经第二线偏振器14后得到重建光场a3(x,y)；
[0073]
此时系统得到的总的重建光场为：
[0074]
a(x,y)＝a1(x,y)+a2(x,y)+a3(x,y)
[0075]
三个结果分别包含了边缘提取的重建结果，编码复振幅分布的重建结果以及傅里叶迭代算法的重建结果。由于三幅全息图的重建距离分别为d1，d2，d3，因此本发明可以通过控制重建距离分别为d1，d2或d3。来获得三个重建结果中任意的重建结果。
[0076]
实施例1
[0077]
对具体实施方式所述的全息图像重建过程进行仿真模拟，其中，激光发出的激光波长为λ＝6.32
×
10-7
m，所用空间光调制器为纯相位型，像素数为1920*1080，像素间距8微米。声光调制器为一般声光调制器，其参数设置为光栅间距λ＝7
×
10-5m。
[0078]
在仿真实验中，所使用的傅里叶迭代算法收敛阈值设置为0.95，预先在空间光调制器上加载的两幅全息信息尺寸相同，均为800
×
1000。三幅全息图像的重建距离设置为d1＝100mm，d2＝200mm，d3＝300mm。
[0079]
图2a-图2c所示的效果图为经本发明的重建方法在不同重建距离得到的图像，可以看出本发明在不同的重建距离分别重建出了三种不同的重建结果，并且三种重建结果分别为边缘提取重建图像，复振幅重建图像，以及纯相位重建图像。
[0080]
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，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的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于声光调制器的偏振全息复用显示系统，其特征在于，包括：空间光调制器(4)前设置分束镜(3)；激光器(1)，第一线偏振器(2)、分束镜(3)依次设在激光器(1)的光路上，分束镜(3)反射光路上依次设有第一透镜(5)、小孔(6)、第二透镜(7)、第一偏振光栅(8)；第一偏振光栅(8)后有四束圆偏振光；第一光束的光路上依次设有经反射镜(9)、声光调制器(10)、第三透镜(11)、图像传感器(12)；第二光束、第二光束、第四光束的光路上依次设有第二偏振光栅(13)、第二线偏振器(14)、图像传感器(12)；位于激光器(1)光路上的第一线偏振器(2)，将激光反射至空间光调制器(4)的分束镜(3)，将加载两幅全息信息的空间光调制器(4)调制后的激光经过由第一透镜(5)、小孔(6)和第二透镜(7)组成的4f系统滤波后，入射至第一偏振光栅(8)；第一偏振光栅(8)将两全息信息分解为四束圆偏振光；第一光束经反射镜(9)反射至声光调制器(10)调制，由第三透镜(11)成像至图像传感器(12)；第二光束、第二光束在第二偏振光栅(13)处叠加，经过第二线偏振器(14)后干涉，成像至图像传感器(12)；第四光束在经过第二偏振光栅(13)成像至图像传感器(12)。2.一种基于声光调制器的偏振全息复用显示方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种基于声光调制器的偏振全息复用显示系统，系统进行图像处理的过程包括：将激光器(1)出射的光通过第一线偏振器(2)得到线偏振光，再经过分束镜(3)反射至纯相位型的空间光调制器(4)，其中空间光调制器(4)上下部分加载两幅不同的全息信息两衍射光场经4f系统滤波后，入射至第一偏振光栅(8)；第一偏振光栅(8)将两线偏振衍射光场分别分解为两束左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的组合，经过第一偏振光栅(8)后系统总共有四束光；第一光束经反射镜(9)反射至声光调制器(10)，并经由第三透镜(11)通过图像传感器(12)接收，结果为a1x,y；第二光束和第三光束在第二偏振光栅(13)处叠加，并经第二线偏振器(14)后干涉通过图像传感器(12)接收，结果为a2x,y；第四光束经过第二偏振光栅(13)，并经第二线偏振器(14)后通过图像传感器(12)接收，结果为a3x,y；完成了本全息重建系统的三幅全息图像的重建；此时系统得到的总的重建光场为ax,y。3.根据权利要求2所述的一种基于声光调制器的偏振全息复用显示方法，其特征在于，所述声光调制器其光学传递函数h(k
x
)设置为：h(k
x
)＝jk
x
，其中，k
x
表示频域坐标；j表示虚数单位；第一光束经所述声光调制后获得的重建光场a1(x,y)满足：其中，f{}表示傅里叶变换，f-1
{}表示逆傅里叶变换，h表示所述光学传递函数，由于声光调制器对光信息的高通滤波作用，a1(x,y)是一个边缘提取的结果；第二光束和第三光束在第二偏振光栅(13)处叠加，并经第二线偏振器(14)后干涉，得到重建光场a2(x,y)：
第四光束经过第二偏振光栅(13)，并经第二线偏振器(14)后得到重建光场a3(x,y)；系统得到的总的重建光场为：a(x,y)＝a1(x,y)+a2(x,y)+a3(x,y)三个结果分别包含了边缘提取的重建结果，编码复振幅分布的重建结果以及傅里叶迭代算法的重建结果。

技术总结
本发明涉及一种基于声光调制器的偏振全息复用显示系统及其方法，空间光调制器前设置分束镜；激光器，第一线偏振器、分束镜依次设在激光器的光路上；分束镜反射光路上依次设有第一透镜、小孔、第二透镜、第一偏振光栅；第一偏振光栅后有四束圆偏振光；第一光束的光路上依次设有经反射镜、声光调制器、第三透镜、图像传感器；第二光束、第二光束、第四光束的光路上依次设有第二偏振光栅、第二线偏振器、图像传感器。本发明可以在不同重建距离得到三种不同效果的重建图像，本发明在全息显示及全息存储等领域具有很好的应用前景。领域具有很好的应用前景。领域具有很好的应用前景。


技术研发人员：张亚萍 王品 范厚鑫 姚勇伟 秦文龙 符庆杨
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/20