一种高分辨率真彩色图像投影显示系统

技术特征：
1.一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于包括照明系统、全息图、滤波系统和控制系统，照明系统包括红绿蓝三色激光器和扩束准直装置，红绿蓝三色激光器发出的激光束经过扩束准直装置得到三束直径较大的平行光束，照射全息图；全息图的制作过程包括彩色图像数据的生成、彩色计算全息图编码、彩色计算全息图输出，通过计算得出红绿蓝三原色计算全息图；滤波系统包括滤波挡板，滤波挡板设置在全息图后，用来滤除投影时产生的零级光和共轭像；控制系统由单片机、驱动电路和手机组成，用来控制红绿蓝三色激光器；手机无线连接单片机，当手机发送指令给单片机后，单片机通过驱动电路控制红绿蓝三色激光器的输出功率大小；从红绿蓝三原色计算全息图后方出射的光包含零级光、共轭像和原始像三部分，用滤波系统将零级光和共轭像滤除，只让原始像的光通过，三色像的光波经过一定距离的传播，在预设的像面上重合即可得到彩色的图像。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于所述扩束准直装置由会聚透镜、针孔滤波器和准直透镜组成，会聚透镜是平凸型的非球面透镜，准直透镜是平凸型的球面透镜；红绿蓝三色激光器出射激光，入射到扩束准直装置的激光束经过会聚透镜会聚于一点，针孔滤波器的针孔置于该会聚点处，滤除杂光后形成发散的球面波，经准直透镜形成扩束成红绿蓝三束平行激光束，红绿蓝三束平行激光束分别用于照射对应的红绿蓝全息图。3.根据权利要求1所述的一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于所述全息图的制作过程如下：(1)彩色图像数据的生成在计算机上将所要显示的彩色图像，进行红绿蓝分色处理，分别得到红绿蓝三原色像点的坐标和rgb值，假设图像总共n个彩色像点，任意一个彩色像点可表示为：o
i
(x
i
,y
i
,z
i
,ar
i
,ag
i
,ab
i
)，其中(x
i
，y
i
，z
i
)表示任意一个彩色像点在坐标轴上的坐标值，ar
i
，ag
i
，ab
i
分别表示任意一个彩色像点红绿蓝颜色分量的灰度值；(2)彩色计算全息图编码将上述步骤得到的彩色像点o
i
(x
i
,y
i
,z
i
,ar
i
,ag
i
,ab
i
)分解成三色像点：o
ir
(x
i
,y
i
,z
i
,ar
i
)、o
ig
(x
i
,y
i
,z
i
,ag
i
)、o
ib
(x
i
,y
i
,z
i
,ab
i
)，这三个像点距离全息记录平面的距离为zo，这三个像点在全息记录平面上任意位置(x
h
,y
h
)处，红绿蓝三原色光波复振幅为：其中，u
ir
是任意一个红色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(x
h
,y
h
)处的复振幅，u
ig
是任意一个绿色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(x
h
,y
h
)处的复振幅，u
ib
是任意一个蓝色像点的光波在全息图记录平面上任意位置(x
h
,y
h
)处的复振幅，k
r
,k
g
,k
b
和r分别为：
其中，λ
r
，λ
g
，λ
b
分别是照明系统中所用红绿蓝三色激光器的波长，k
r
，k
g
，k
b
是波数，r是像平面上任意一点(x
i
，y
i
)到全息记录平面上任意一点(x
h
,y
h
)的距离。红绿蓝三原色像点在像平面(x
i
，y
i
)处，在全息记录平面(x
h
,y
h
)处，各自总的复振幅为：其中，u
r
，u
g
，u
b
分别是所有红绿蓝像点的光波在全息图记录平面上的复振幅总和；以平行光为参考光，其在全息记录平面上任意位置(x
h
,y
h
)处复振幅分布为：u
r
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，u
r
是参考光在全息记录平面上任意位置(x
h
,y
h
)处的复振幅；全息记录平面任意位置(x
h
,y
h
)处，红绿蓝三原色全息图强度可表示为：其中，i
r
是红原色全息图的强度，i
g
是红原色全息图的强度，i
b
是红原色全息图的强度；(3)彩色计算全息图输出通过上述方法可得到红绿蓝三原色计算全息图i
r
，i
g
，i
b
，采用全息图打印机、激光直写、电子束或金刚石车床，将计算全息图制备在石英、聚合物树脂或光学塑料材料上，用红绿蓝三色激光分别照射这三张全息图，它们各自再现一个单色图像，三个单色图像在预设像面重合即可显示出彩色图像。4.根据权利要求1所述的一种高分辨率真彩色图像投影显示系统，其特征在于所述滤波系统设置在全息图后，用于滤除投影时产生的零级光和共轭像，在计算全息图时，以红绿蓝三色激光的三个波长作为全息图的计算波长，并设定成像距离和离轴参数，分别计算得到三原色全息图，当激光照射到全息图上再现时，会再现出共轭像、零级光和所需投影图像的光场，这三束光之间存在夹角，会在全息图后一定距离分离开，其中，零级光是激光照射到全息图上的直透光，该光束的大小等于全息图尺寸的大小；共轭像和所需投影图像的光束分布在零级光两侧，与零级光的夹角相同；根据参数设置滤波系统，将零级光和共轭像滤除，只使所需的红绿蓝三色再现像的光束通过，在成像空间就会仅呈现所需要的彩色图像；单张全息图的滤波系统设置方法为：再现时，零级光与投影图像光束间的夹角为θ
rgb
，设置一个空间直角坐标系，将零级光与投影图像光束存在夹角的平面设置为空间直角坐标系的yoz面；在yoz面上，假设记录的全息图的尺寸为2l
h
，全息图平面位于坐标z＝0处；投影图像的宽度为2l
o
，投影图像与全息图之间在z轴方向上的距离为z
o
，即投影图像平面位于z＝z
o
处；在z轴方向距离全息图z
frgb
处共轭像、零级光和投影图像的光束分离，分离处投影图像的光束宽度为2l
yfrgb
，z
frgb
由下式得到：z
frgb
表示全息图平面与滤波挡板平面的距离，在z轴方向距离全息图平面z
frgb
的平面设
置滤波挡板，在滤波挡板平面y方向上y＝-l
h
到y＝-l
h-2l
yfrgb
间，在x方向上x＝-l
xfrgb
到x＝l
xfrgb
间，开一个尺寸为2l
yfrgb
×
2l
xfrgb
的矩形孔，即可使所需投影图像的光束通过；l
yfrgb
由下式得到：l
xfrgb
由下式得到：其中，l
yfrgb
是滤波挡板上y方向所开矩形孔的宽度的l
xfrgb
是滤波挡板上x方向所开矩形孔的宽度本系统只需用一块滤波挡板滤除三张全息图的所有共轭像和零级光，所以先根据(8)式分别算出红绿蓝三张全息图与滤波挡板所需的最近光束分离距离z
fr
，z
fg
，z
fb
，根据这三个参数中的最大值设置全息图平面与滤波挡板平面间的距离，再在滤波挡板上分别开出矩形孔，矩形孔尺寸分别为2l
yfr
×
2l
xfr
，2l
yfg
×
2l
xfg
，2l
yfb
×
2l
xfb
，l
yfr
，l
yfg
，l
yfb
根据(9)式算出，l
xfr
，l
xfg
，l
xfb
根据(10)式算出，l
yfr
是对应红原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的l
xfr
是对应红原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的l
yfg
是对应绿原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的l
xfg
是对应绿原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的l
yfb
是对应蓝原色全息图在滤波挡板上y方向所开矩形孔宽度的l
xfb
是对应蓝原色全息图在滤波挡板上x方向所开矩形孔宽度的在计算时应避免任意一张全息图的再现像与其他两张全息图再现的共轭像与零级光重合。

技术总结
本发明涉及一种高分辨率真彩色图像投影显示系统。其特征在于包括照明系统、全息图、滤波系统和控制系统，红绿蓝三色激光器发出的激光束经过扩束准直装置得到三束直径较大的平行光束，照射全息图；从红绿蓝三原色计算全息图后方出射的光包含零级光、共轭像和原始像三部分，用滤波系统将零级光和共轭像滤除，只让原始像的光通过，三色像的光波经过一定距离的传播，在预设的像面上重合即可得到彩色的图像。本系统投影的图像具有图像清晰、颜色鲜艳真实、图像色彩和亮度可灵活调节以及系统轻便等优点，将为行业增添全新的高品质真彩色图像投影显示方案，具有广阔的商业化应用前景。具有广阔的商业化应用前景。具有广阔的商业化应用前景。


技术研发人员：彭先君 施逸乐
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2022/7/15