[发明专利]一种基于可伸缩查找表的相息图生成方法

权利要求书

1.一种基于可伸缩查找表的相息图生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：对三维物体进行均匀划分并在各个离散物点上添加随机相位，计算并存储每个离散物点的幅度信息、随机相位和深度信息的乘积；

S2：在基准物点深度和基准记录光波波长下，计算并存储S-FZP沿半径方向的光场复振幅分布，将所述S-FZP沿半径方向的光场复振幅分布按照半径由小到大的顺序排列，生成一维主S-FZP查找表，其中S-FZP表示具有伸缩特性和圆对称特性的简化的菲涅尔波带；

S3：定义当前离散物点的深度与所述基准物点深度的比值为深度伸缩因子α，定义当前记录光波波长与所述基准记录光波波长的比值为波长伸缩因子β，利用所述深度伸缩因子和所述波长伸缩因子，将所述一维主S-FZP查找表伸缩为原来的αβ倍；

S4：根据需求选择单色或彩色相息图生成方法，利用伸缩后的一维S-FZP查找表和各离散物点的幅度信息、随机相位和深度信息的乘积，生成单色或彩色相息图；

步骤S1，对三维物体进行均匀划分并在各个离散物点上添加随机相位，计算并存储每个离散物点的幅度信息、随机相位和深度信息的乘积，具体包括如下步骤：

S11：以空间光调制器的像元尺寸为采样步长，将三维物体在XY方向均匀划分，划分后第j个离散物点的坐标为(x_jd,y_jd,z_j)，其中，(x_j,y_j,z_j)表示划分前第j个物点的坐标，p表示空间光调制器的像元尺寸；

S12：在三维物体的各个离散物点上添加随机相位，假设第j个离散物点的随机相位为

S13：计算并存储第j个离散物点的幅度信息、随机相位及深度信息的乘积：

对于单色相息图，单色相息图的生成过程仅涉及单一颜色通道的幅度信息，第j个离散物点的幅度信息、随机相位及深度信息的乘积表示为：

其中，a_j表示第j个离散物点的幅度；i表示虚数；k＝2π/λ表示波数，λ表示单色相息图的光波波长，为所述当前记录光波波长，且与所述基准记录光波波长相同；z_j表示第j个离散物点的深度；

对于彩色相息图，彩色相息图的生成过程涉及红、绿、蓝三色通道的幅度信息，分别计算红、绿、蓝三色分量对应的第j个离散物点的幅度信息、随机相位及深度信息的乘积，记为A_j(λ_R)、A_j(λ_G)、A_j(λ_B)，表达式为：

其中，a_jR、a_jG和a_jB分别表示第j个离散物点的红光幅度、绿光幅度和蓝光幅度；i表示虚数；z_j表示第j个离散物点的深度；k_R＝2π/λ_R、k_G＝2π/λ_G、k_B＝2π/λ_B分别表示红光波数、绿光波数和蓝光波数，λ_R、λ_G和λ_B分别表示彩色相息图的红光光波波长、绿光光波波长和蓝光光波波长，彩色相息图的三色光波波长分别为第一记录光波波长λ₁、第二记录光波波长λ₂和第三记录光波波长λ₃，所述第一记录光波波长λ₁与所述基准记录光波波长相同；

步骤S2中，S-FZP的数学表达形式为：

F_j(x_h,y_h)＝exp{ik[(x_h-x_j)²+(y_h-y_j)²]/(2z_j)} (5)

其中，F_j(x_h,y_h)表示第h个全息面像素点(x_h,y_h)处的光场复振幅分布，(x_j,y_j,z_j)表示第j个物点的坐标；S-FZP具有圆对称性和可伸缩特性，相同深度的S-FZP具有相同的圆对称条纹分布；

步骤S2，在基准物点深度和基准记录光波波长下，计算并存储S-FZP沿半径方向的光场复振幅分布，将所述S-FZP沿半径方向的光场复振幅分布按照半径由小到大的顺序排列，生成一维主S-FZP查找表，具体包括如下步骤：

S21：计算第j个离散物点(x_jd,y_jd,z_j)与第h个全息面离散像素点(x_h/p,y_h/p)在X方向的最大离散距离OH_xmax＝max(|x_jd-x_h/p|)，计算第j个离散物点(x_jd,y_jd,z_j)与第h个全息面离散像素点(x_h/p,y_h/p)在Y方向的最大离散距离OH_ymax＝max(|y_jd-y_h/p|)；

S22：计算第j个离散物点(x_jd,y_jd,z_j)与第h个全息面离散像素点(x_h/p,y_h/p)在XY平面的最大离散距离

S23：在基准物点深度和基准记录光波波长下，利用采样步长Δ对S-FZP沿半径方向进行采样，采样点总数目为l_M＝r_Md·p/Δ，计算并存储各采样点处的S-FZP光场复振幅数据，得到总长度为r_Md·p/Δ的一维主S-FZP查找表；其中，Δ≤p/16；

步骤S3和步骤S4，单色相息图的生成过程，具体包括如下步骤：

S31：根据单色相息图的尺寸为单色相息图开辟内存；

S32：对于当前第h个全息面离散像素点(x_h/p,y_h/p)，计算当前第j个离散物点(x_jd,y_jd,z_j)与当前第h个全息面离散像素点(x_h/p,y_h/p)在XY平面的离散距离

S33：定义当前第j个离散物点的深度z_j和所述基准物点深度的比值为深度伸缩因子α，将总长度为r_Md·p/Δ的一维主S-FZP查找表伸缩为总长度为r_Md·αp/Δ的一维S-FZP查找表，根据单色相息图生成方法，以r_dp/Δ为查找表索引查找伸缩后的一维S-FZP查找表，获取当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点的S-FZP光场复振幅分布；

S34：将获取的当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点的S-FZP光场复振幅分布与计算得到的当前第j个离散物点的幅度信息、随机相位及深度信息的乘积A_j相乘，得到当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点的FZP光场复振幅分布，将当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点的FZP光场复振幅分布与当前第h个全息面离散像素点的FZP光场复振幅分布叠加；

S35：返回步骤S32，重复执行步骤S32～S34，计算并叠加下一离散物点j＝j+1在当前第h个全息面离散像素点的FZP光场复振幅分布；待遍历当前第h个全息面离散像素点对应的所有离散物点后，得到所有离散物点在当前第h个全息面离散像素点的FZP光场复振幅分布；

S36：返回步骤S32，重复执行步骤S32～S35，计算下一全息面离散像素点h＝h+1的最终光场复振幅分布；待遍历所有全息面离散像素点后，得到全息面的最终光场复振幅分布；

S37：将所述全息面的最终光场复振幅分布编码为单色相息图。

2.如权利要求1所述的基于可伸缩查找表的相息图生成方法，其特征在于，步骤S3和步骤S4，彩色相息图的生成过程，具体包括如下步骤：

SS31：根据彩色相息图的尺寸为彩色相息图开辟内存；

SS32：对于当前第h个全息面离散像素点(x_h/p,y_h/p)，计算当前第j个离散物点(x_jd,y_jd,z_j)与当前第h个全息面离散像素点(x_h/p,y_h/p)在XY平面的离散距离

SS33：定义当前第j个离散物点的深度z_j和所述基准物点深度的比值为深度伸缩因子α，将总长度为r_Md·p/Δ的一维主S-FZP查找表伸缩为总长度为r_Md·αp/Δ的一维S-FZP查找表，根据单色相息图生成方法，以r_dp/Δ为查找表索引查找伸缩后的一维S-FZP查找表，获取当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和所述第一记录光波波长λ₁下的S-FZP光场复振幅分布；其中，λ₁为λ_R、λ_G和λ_B中的任意一个光波波长；

SS34：将获取的当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和所述第一记录光波波长λ₁下的S-FZP光场复振幅分布与计算得到的当前第j个离散物点的第一记录光波波长λ₁对应的幅度信息、随机相位及深度信息的乘积A_j(λ₁)相乘，得到当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和所述第一记录光波波长λ₁下的FZP光场复振幅分布，将当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和第一记录光波波长λ₁下的FZP光场复振幅分布与当前第h个全息面离散像素点和第一记录光波波长λ₁下的FZP光场复振幅分布叠加；

SS35：定义所述第二记录光波波长λ₂和所述基准记录光波波长的比值为波长伸缩因子β₂，将总长度为r_Md·p/Δ的一维主S-FZP查找表伸缩为总长度为r_Md·αβ₂p/Δ的一维S-FZP查找表，根据单色相息图生成方法，以r_dp/Δ为查找表索引查找伸缩后的一维S-FZP查找表，获取当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和所述第二记录光波波长λ₂下的S-FZP光场复振幅分布；其中，λ₂为λ_R、λ_G和λ_B中除λ₁外的任意一个光波波长；

SS36：将获取的当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和所述第二记录光波波长λ₂下的S-FZP光场复振幅分布与计算得到的当前第j个离散物点的第二记录光波波长λ₂对应的幅度信息、随机相位及深度信息的乘积A_j(λ₂)相乘，得到当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和所述第二记录光波波长λ₂下的FZP光场复振幅分布，将当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和第二记录光波波长λ₂下的FZP光场复振幅分布I_jR(x_h,y_h)与当前第h个全息面离散像素点和第二记录光波波长λ₂下的FZP光场复振幅分布叠加；

SS37：定义所述第三记录光波波长λ₃和所述基准记录光波波长的比值为波长伸缩因子β₃，将总长度为r_Md·p/Δ的一维主S-FZP查找表伸缩为总长度为r_Md·αβ₃p/Δ的一维S-FZP查找表，根据单色相息图生成方法，以r_dp/Δ为查找表索引查找伸缩后的一维S-FZP查找表，获取当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和所述第三记录光波波长λ₃下的S-FZP光场复振幅分布；其中，λ₃为λ_R、λ_G和λ_B中除λ₁和λ₂外的光波波长；

SS38：将获取的当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和所述第三记录光波波长λ₃下的S-FZP光场复振幅分布与计算得到的当前第j个离散物点的第三记录光波波长λ₃对应的幅度信息、随机相位及深度信息的乘积A_j(λ₃)相乘，得到当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和所述第三记录光波波长λ₃下的FZP光场复振幅分布，将当前第j个离散物点在当前第h个全息面离散像素点和第三记录光波波长λ₃下的FZP光场复振幅分布I_jG(x_h,y_h)与当前第h个全息面离散像素点和第三记录光波波长λ₃下的FZP光场复振幅分布叠加；

SS39：返回步骤SS32，重复执行步骤SS32～SS38，计算并叠加下一离散物点j＝j+1在当前第h个全息面离散像素点和红、绿、蓝三色分量下的FZP光场复振幅分布；待遍历当前第h个全息面离散像素点对应的所有离散物点后，得到所有离散物点在当前第h个全息面离散像素点和红、绿、蓝三色分量下的FZP光场复振幅分布；

SS310：返回步骤SS32，重复执行步骤SS32～SS39，计算下一全息面离散像素点h＝h+1的红、绿、蓝三色分量的最终光场复振幅分布；待遍历所有全息面离散像素点后，得到全息面的红、绿、蓝三色分量的最终光场复振幅分布；

SS311：将所述全息面的红、绿、蓝三色分量的最终光场复振幅分布编码为彩色相息图。