本發(fā)明涉及全息顯示，尤其涉及一種計算全息顯示系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、計算全息顯示技術(shù)通過使用空間光調(diào)制器（spatial?light?modulator，slm）加載計算機生成的全息圖（computer-generated?hologram，cgh），能夠復現(xiàn)物光波的振幅和相位信息，從而實現(xiàn)三維圖像的再現(xiàn)。該技術(shù)被視為三維顯示的終極實現(xiàn)方式之一，因其能夠提供人眼所需的深度感知線索、呈現(xiàn)逼真的三維視覺效果，廣泛應用于虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、醫(yī)療成像以及科學研究等領(lǐng)域。

2、然而，當前計算全息顯示系統(tǒng)在信息傳播效率方面面臨顯著挑戰(zhàn)。具體而言，受限于空間光調(diào)制器固有的空間帶寬積，現(xiàn)有系統(tǒng)的顯示分辨率難以突破調(diào)制器件的像素數(shù)目限制，無法滿足超高分辨率全光信息調(diào)制的需求等。

3、為了解決上述分辨率瓶頸問題，現(xiàn)有的國內(nèi)外主流方法主要集中在硬件層面的改進。一種常見策略是制備超高像素密度的光調(diào)制器件，這種方法雖然理論上可以提升分辨率，但其高昂的成本、漫長的制備周期以及復雜的工藝要求使得大規(guī)模應用變得不切實際。另一種常見的解決方案是通過拼接多個空間光調(diào)制器來增加有效像素數(shù)，盡管這一方法在一定程度上提高了分辨率，但也帶來了新的問題，如拼接誤差、校準復雜度以及整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這些方法不僅增加了系統(tǒng)復雜性和成本，還難以實現(xiàn)實時動態(tài)全息顯示的要求，無法滿足現(xiàn)代應用對高分辨率和快速響應的需求。

4、因此，如何解決現(xiàn)有計算全息顯示系統(tǒng)受限于空間光調(diào)制器件固有的空間帶寬積，難以實現(xiàn)超高分辨率的全光信息調(diào)制，且超高像素密度的光調(diào)制器件工藝復雜、制備周期長、成本高，無法實現(xiàn)實時動態(tài)全息顯示等問題，是全息顯示領(lǐng)域亟待解決的重要課題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種計算全息顯示系統(tǒng)及方法，用以克服現(xiàn)有計算全息顯示系統(tǒng)受限于空間光調(diào)制器件固有的空間帶寬積，難以實現(xiàn)超高分辨率的全光信息調(diào)制和實時動態(tài)全息顯示的缺陷，實現(xiàn)了更高分辨率的計算全息顯示性能，且無需進行復雜工藝長時間制備，大大降低了全息超分顯示的成本。

2、一方面，本發(fā)明提供一種計算全息顯示系統(tǒng)，包括：控制元件，用于獲取第一分辨率的目標場景圖像，基于所述目標場景圖像計算全息面復振幅信息并進行編碼，得到全息圖序列；空間光調(diào)制器，與所述控制元件連接，用于加載所述全息圖序列，并根據(jù)所述全息圖序列調(diào)制入射光束，得到衍射圖像序列；平行平板調(diào)制元件，與所述空間光調(diào)制器連接，用于通過控制自身旋轉(zhuǎn)角度，將所述衍射圖像序列按照目標偏移量全息顯示于像面。

3、進一步地，所述控制元件，具體用于將所述目標場景圖像分割為第二分辨率的物光圖像序列；計算所述物光圖像序列對應的全息面復振幅信息并進行編碼，得到全局透過率函數(shù)序列；其中，所述第一分辨率高于所述第二分辨率，所述全局透過率函數(shù)序列為所述全息圖序列。

4、進一步地，所述目標偏移量根據(jù)所述平行平板調(diào)制元件的多個關(guān)鍵元件參數(shù)計算得到；其中，所述多個關(guān)鍵元件參數(shù)包括折射率、厚度以及旋轉(zhuǎn)角度。

5、進一步地，所述目標偏移量根據(jù)所述空間光調(diào)制器的像素和衍射圖像序列中衍射圖像的數(shù)量計算得到。

6、進一步地，所述第一分辨率的目標場景圖像與所述第二分辨率的物光圖像序列之間的關(guān)系如下：

7、；

8、其中，表示目標場景圖像，表示第一分辨率，表示水平方向的像素數(shù)，表示垂直方向的像素數(shù)，表示物光圖像序列，表示第二分辨率，表示物光圖序列中物光圖像的數(shù)量。

9、進一步地，所述目標偏移量的計算公式如下：

10、；

11、其中，表示第個所述衍射圖像的目標偏移量，表示所述平行平板調(diào)制元件的厚度，表示第個所述衍射圖像對應的旋轉(zhuǎn)角度，表示所述平行平板調(diào)制元件的折射率。

12、進一步地，所述物光圖像序列對應的全息面復振幅信息的計算公式如下：

13、；

14、；

15、其中，表示物光圖像序列中第個物光圖像對應的全息面復振幅信息，表示傅里葉正變換，表示傅里葉逆變換，表示第個物光圖像，表示全息面角譜衍射傳遞函數(shù)，表示虛數(shù)單位，表示波數(shù)，表示衍射傳播距離，表示波長，、分別表示水平方向和垂直方向的采樣頻率。

16、第二方面，本發(fā)明還提供一種計算全息顯示方法，應用于上述任一項所述的計算全息顯示系統(tǒng)，包括：獲取第一分辨率的目標場景圖像；基于所述目標場景圖像計算全息面復振幅信息并進行編碼，得到全息圖序列；控制空間光調(diào)制器加載所述全息圖序列，并根據(jù)所述全息圖序列調(diào)制入射光束，得到衍射圖像序列；通過控制平行平板調(diào)制元件的旋轉(zhuǎn)角度，將所述衍射圖像序列按照目標偏移量全息顯示于像面。

17、進一步地，所述基于所述目標場景圖像計算全息面復振幅信息并進行編碼，得到全息圖序列，包括：將所述目標場景圖像分割為第二分辨率的物光圖像序列；計算所述物光圖像序列對應的全息面復振幅信息；對所述物光圖像序列對應的全息面復振幅信息進行編碼，得到全局透過率函數(shù)序列；其中，所述第一分辨率高于所述第二分辨率，所述全局透過率函數(shù)序列為所述全息圖序列。

18、進一步地，所述目標偏移量根據(jù)所述平行平板調(diào)制元件的多個關(guān)鍵元件參數(shù)計算得到，所述多個關(guān)鍵元件參數(shù)包括折射率、厚度以及旋轉(zhuǎn)角度；或者，所述目標偏移量根據(jù)所述空間光調(diào)制器的像素和衍射圖像序列中衍射圖像的數(shù)量計算得到。

19、本發(fā)明提供的計算全息顯示系統(tǒng)包括控制元件、空間光調(diào)制器、平行平板調(diào)制元件以及像面，其中，控制元件用于獲取第一分辨率的目標場景圖像，基于目標場景圖像計算全息面復振幅信息并進行編碼，得到全息圖序列；空間光調(diào)制器與所控制元件連接，用于加載全息圖序列，并根據(jù)全息圖序列調(diào)制入射光束，得到衍射圖像序列；平行平板調(diào)制元件，與空間光調(diào)制器連接，用于通過控制自身旋轉(zhuǎn)角度，將衍射圖像序列按照目標偏移量全息顯示于像面。該系統(tǒng)根據(jù)顯示分辨率提升需求在空間光調(diào)制器與像面間引入平行平板調(diào)制元件，并通過復振幅數(shù)據(jù)補償來確保較低分辨率全息圖在物平面的較高分辨率映射，提高了全息圖對于有限分辨率的空間光調(diào)制器的調(diào)制能力，實現(xiàn)了更高分辨率的計算全息顯示性能，且無需進行復雜工藝長時間制備，大大降低了全息超分顯示的成本。

技術(shù)特征：

1.一種計算全息顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算全息顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述控制元件，具體用于將所述目標場景圖像分割為第二分辨率的物光圖像序列；計算所述物光圖像序列對應的全息面復振幅信息并進行編碼，得到全局透過率函數(shù)序列；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算全息顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述目標偏移量根據(jù)所述平行平板調(diào)制元件的多個關(guān)鍵元件參數(shù)計算得到；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算全息顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述目標偏移量根據(jù)所述空間光調(diào)制器的像素和衍射圖像序列中衍射圖像的數(shù)量計算得到。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算全息顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述第一分辨率的目標場景圖像與所述第二分辨率的物光圖像序列之間的關(guān)系如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的計算全息顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述目標偏移量的計算公式如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的計算全息顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述物光圖像序列對應的全息面復振幅信息的計算公式如下：

8.一種計算全息顯示方法，應用于權(quán)利要求1-7中任一項所述的計算全息顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的計算全息顯示方法，其特征在于，所述基于所述目標場景圖像計算全息面復振幅信息并進行編碼，得到全息圖序列，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的計算全息顯示方法，其特征在于，所述目標偏移量根據(jù)所述平行平板調(diào)制元件的多個關(guān)鍵元件參數(shù)計算得到，所述多個關(guān)鍵元件參數(shù)包括折射率、厚度以及旋轉(zhuǎn)角度；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種計算全息顯示系統(tǒng)及方法，其中的系統(tǒng)包括：控制元件，用于獲取第一分辨率的目標場景圖像，基于目標場景圖像計算全息面復振幅信息并進行編碼，得到全息圖序列；空間光調(diào)制器，用于加載全息圖序列，并根據(jù)全息圖序列調(diào)制入射光束，得到衍射圖像序列；平行平板調(diào)制元件，用于通過控制自身旋轉(zhuǎn)角度，將衍射圖像序列按照目標偏移量全息顯示于像面。該系統(tǒng)通過在空間光調(diào)制器與像面間引入平行平板調(diào)制元件，并通過復振幅數(shù)據(jù)補償來確保較低分辨率全息圖在物平面的較高分辨率映射，提高了全息圖對于有限分辨率的空間光調(diào)制器的調(diào)制能力，實現(xiàn)了更高分辨率的計算全息顯示性能，且無需進行復雜工藝長時間制備，降低了全息超分顯示的成本。

技術(shù)研發(fā)人員：李會,王玉旺,戴瓊海
受保護的技術(shù)使用者：清華大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15