專利名稱：一種全息投影方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全息投影方法，該全息投影方法通過利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的光學(xué)特點來控制投影圖像的成像距離。
背景技術(shù)：
對于傳統(tǒng)的全息投影來說，相位全息圖的生成是采用經(jīng)典的Gerschberg-Saxton(GS)迭代算法,這是一種基于傅里葉變換的迭代算法，全息圖投影的過程是利用透鏡對光場進行傅里葉變換或者菲涅爾衍射從而再現(xiàn)二維圖像的光場。對于傅里 葉全息圖的投影，投影成像的距離是與透鏡的焦距有關(guān)的，根據(jù)透鏡的傅里葉變換特點，成像始終成在透鏡的后焦面上，成像距離也就是透鏡的焦距，因此要想使圖像投影在不同距離的平面上就要調(diào)節(jié)透鏡的焦距。而對于菲涅爾全息圖的投影，雖然通過在計算中引入透鏡因子可以不需要調(diào)節(jié)焦距而使圖像投影在不同距離的平面上，但是引入透鏡因子對于測算和應(yīng)用都十分復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種全息投影方法，該全息投影方法可以使全息圖重建的二維圖像投影在透鏡后的任意平面上，而不需要改變透鏡的焦距來控制成像的距離。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一種全息投影方法，該全息投影方法包括以下步驟10)布設(shè)投影設(shè)備將相位空間光調(diào)制器、分光棱鏡、透鏡和屏幕依次布設(shè)，使得相位空間光調(diào)制器、分光棱鏡、透鏡和屏幕處于同一條直線上，同時，在分光棱鏡的同一側(cè)布設(shè)單色激光器和偏振片，偏振片位于分光棱鏡和單色激光器之間，單色激光器發(fā)出的平面波通過偏振片變?yōu)槠窆?，偏振光通過分光棱鏡后可射入到相位空間光調(diào)制器中；相位空間光調(diào)制器和生成相位全息圖的計算機通過數(shù)據(jù)線連接；相位空間光調(diào)制器所處的位置形成全息面Xtl，屏幕所處的位置形成成像面X1 ;20)測量成像面的距離z :使用距離測量儀器測量透鏡和屏幕之間的距離，為成像面的距離z ；30)測算透鏡的焦距f和成像面的距離z之間的關(guān)系首先，根據(jù)如式(I)所示的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換公式，建立全息面Xtl和成像面X1之間的光傳播的函數(shù)，F(xiàn)(u) = f/(X) exp[i r(---+------)]t& 式(I)
JXfe \m{an / 2) Xfe tm(an / 2) Xfe sm(an / 2)在式(I)中，F(xiàn)(U)為成像面X1的光場復(fù)振幅函數(shù)，u為F(U)的自變量，f (X)為全息面Xtl的光場復(fù)振幅函數(shù)，X為f(x)的自變量，i為虛數(shù)單位，A為單色激光器發(fā)出的平面波的波長，a為分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的階數(shù)，fe為標(biāo)準(zhǔn)焦距，fe=f *sin(a3i /2) = z/tan (an /4),令 Q=sin (a 3i /2), R=tan (a n /4),則 fe = f Q=z/R ；其次，由fe=f W=Z/! 可以得到f=fe/Q和z=fe *R,因此,成像面的距離z與透鏡的焦距f 的關(guān)系如式(2)所示，z=f R Q 式(2)40)根據(jù)式(2)確定系統(tǒng)中分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的階數(shù)a后，利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換公式和分?jǐn)?shù)階傅里葉變換公式逆變換公式進行迭代，得到二維圖像的相位；50)根據(jù)步驟40)得到的相位全息圖，通過計算機將該相位全息圖傳輸?shù)较辔豢臻g光調(diào)制器中，再利用相位空間光調(diào)制器將相位全息圖通過透鏡投影到指定位置的屏幕上。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
I.在不改變透鏡的焦距的前提下，成像距離可以隨意改變。傳統(tǒng)的全息投影是以基于傅里葉變換的傅里葉全息圖或者菲涅爾全息圖為基礎(chǔ)，其全息圖的計算方法為傅里葉變換或者菲涅爾衍射方程的數(shù)值模擬。由于傳統(tǒng)的傅里葉變換公式僅僅是測算出透鏡后焦面上的光場分布，因此全息圖的成像只限定在焦平面上。本發(fā)明采用的全息投影方法可以把相位全息圖投影在透鏡后的任意平面上，不需要根據(jù)成像的距離來改變透鏡焦距。純相位全息圖是采用基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的Gerschberg-Saxton(GS)迭代算法生成,使用相位型空間光調(diào)制器進行投影，根據(jù)分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的特點，利用這種方法生成的全息圖可以把圖像投影在透鏡后的任意平面上，從而不需要改變透鏡的焦距來達到簡單快速的任意平面成像，突破了傳統(tǒng)的全息投影對于成像距離的限制。2.用同一個透鏡可以使不同的圖像聚焦在不同的平面上或者使同一圖像根據(jù)需要在不同的平面上成像。本發(fā)明的方法可以使重建圖像投影在透鏡后的任意平面上而不需要改變透鏡的焦距，即在光學(xué)重建中，只需要用一個透鏡就可以使不同的圖像聚焦在不同的平面上或者使同一圖像根據(jù)需要在不同的平面上成像。


圖I是本發(fā)明的步驟10)的投影設(shè)備位置圖。圖2是本發(fā)明的步驟30)中透鏡的焦距和成像面的距離之間的關(guān)系圖。圖3是本發(fā)明在不同平面上成像的簡單示意圖。圖中有相位空間光調(diào)制器I、分光棱鏡2、透鏡3、投影屏幕4、單色激光器5、偏振片6、計算機7、第二投影屏幕8、第三投影屏幕9。
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。如圖I和圖2所示，本發(fā)明的一種全息投影方法，包括以下步驟10)布設(shè)投影設(shè)備將相位空間光調(diào)制器I、分光棱鏡2、透鏡3和屏幕4依次布設(shè)，使得相位空間光調(diào)制器I、分光棱鏡2、透鏡3和屏幕4處于同一條直線上，同時，在分光棱鏡2的同一側(cè)布設(shè)單色激光器5和偏振片6,偏振片6位于分光棱鏡2和單色激光器5之間，單色激光器5發(fā)出的平面波通過偏振片6變?yōu)槠窆猓窆馔ㄟ^分光棱鏡2后可射入到相位空間光調(diào)制器I中；相位空間光調(diào)制器I和生成相位全息圖的計算機7通過數(shù)據(jù)線連接；相位空間光調(diào)制器I所處的位置形成全息面Xtl,屏幕4所處的位置形成成像面Xl。
20)測量成像面的距離z :使用距離測量儀器測量透鏡3和屏幕4之間的距離，為成像面的距離z。30)測算透鏡3的焦距f和成像面的距離z之間的關(guān)系首先，根據(jù)如式(I)所示的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換公式，建立全息面Xtl和成像面X1之
間的光傳播的函數(shù)，
權(quán)利要求
1.一種全息投影方法，其特征在于，該全息投影方法包括以下步驟 10)布設(shè)投影設(shè)備將相位空間光調(diào)制器(I)、分光棱鏡(2)、透鏡(3)和屏幕(4)依次布設(shè)，使得相位空間光調(diào)制器(I)、分光棱鏡(2)、透鏡(3)和屏幕(4)處于同一條直線上，同時，在分光棱鏡(2)的同一側(cè)布設(shè)單色激光器(5)和偏振片(6),偏振片(6)位于分光棱鏡(2)和單色激光器(5)之間，單色激光器(5)發(fā)出的平面波通過偏振片(6)變?yōu)槠窆?，偏振光通過分光棱鏡(2)后可射入到相位空間光調(diào)制器(I)中；相位空間光調(diào)制器(I)和生成相位全息圖的計算機(7)通過數(shù)據(jù)線連接；相位空間光調(diào)制器(I)所處的位置形成全息面X。，屏幕(4)所處的位置形成成像面X1 ； 20)測量成像面的距離z :使用距離測量儀器測量透鏡(3)和屏幕(4)之間的距離，為成像面的距離z ； 30)測算透鏡(3)的焦距f 和成像面的距離z之間的關(guān)系 首先，根據(jù)如式(I)所示的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換公式，建立全息面Xtl和成像面X1之間的光傳播的函數(shù)，
2.按照權(quán)利要求I所述的全息投影方法，其特征在于，所述的步驟40)包括以下步驟 401)令全息面Xtl的光場復(fù)振幅為1，相位為隨機相位； 402)根據(jù)式(I)成像面X1的光場復(fù)振幅函數(shù)，得到成像面X1上的光場復(fù)振幅分布，光場復(fù)振幅依照振幅因子乘以相位因子表示； 403)把成像面X1上的光場復(fù)振幅中的振幅因子用將要重建的二維圖像的灰度值代替，成像面X1上的光場復(fù)振幅中的相位因子保持不變； 404)利用如式(3)所示的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換公式逆變換公式測算出全息面Xtl上的光場復(fù)振幅，光場復(fù)振幅依照振幅因子乘以相位因子表示；
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全息投影方法，包括以下步驟10)布設(shè)投影設(shè)備將相位空間光調(diào)制器、分光棱鏡、透鏡和屏幕依次布設(shè)，在分光棱鏡的同一側(cè)布設(shè)單色激光器和偏振片，相位空間光調(diào)制器和計算機連接；20)測量成像面的距離；30)測算透鏡的焦距和成像面的距離之間的關(guān)系；40)確定系統(tǒng)中分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的階數(shù)后，利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換公式和逆變換公式進行迭代，得到二維圖像的相位；50)通過計算機將該相位全息圖傳輸?shù)较辔豢臻g光調(diào)制器中，再利用相位空間光調(diào)制器將相位全息圖投影到指定位置的屏幕上。該全息投影方法可以使全息圖重建的二維圖像投影在透鏡后的任意平面上，而不需要改變透鏡的焦距來控制成像的距離。
文檔編號G03H1/22GK102749793SQ20121025775
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者夏軍, 常琛亮 申請人:東南大學(xué)