基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法

波前编码过程将计算全息所得的复振幅波前变换为与显示器件匹配的调制函数,是计算全息显示的关键技术之一.现有的计算全息显示器件大多只能实现单一振幅或单一相位调制,因此需要将复振幅波前编码为相应的振幅型或相位型全息图.本文围绕基于液晶空间光调制器的计算全息显示,综述了相位优化编码与复振幅转化编码的基本原理与算法步骤,分析了常...     

基于体全息的三维显示方法

全息三维显示具有呈现包含真实物体所有特征的三维场景的能力,这对信息的数据量和分辨率提出了极高的要求。体全息术可以为高分辨率三维显示提供大容量数据存储和基于三维布拉格光栅的实现方式。提出体全息三维显示方法,通过计算全息算法得到三维物体的全视差相息图,由相位型空间光调制器对物光波进行波前编码,利用体全息光栅的角度选择特性在光致聚合物的同一全息图基元中复用多幅全息图。在参考光照射下,可以重建出多角度的三维场景,扩充了三维显示的空间带宽积。     

液晶空间光调制器相移特性研究

根据计算全息原理和傅立叶变换的位移原理,将液晶显示器作为光学显示元件,通过适当改变显示在液晶显示器上的计算全息图的编码,对液晶空间光调制器进行相移特性系统研究。实验测量表明液晶空间光调制器相移系统具有很高的精确性、可重复性和稳定性,并验证相移系统在同轴数字全息中使用的可行性。     

纯相位全息图优化算法

近年来得益于光学、电子和计算机等各项技术的进步以及新算法的不断提出,计算全息技术飞速发展。由于现有液晶空间光调制器对于纯相位全息图具有更高的调制能力与衍射效率,纯相位全息图优化算法一直以来是一个研究热点。本文回顾了计算机生成全息图的发展历程,并按照迭代方法、非迭代方法以及其他方法为分类标准,对纯相位全息图生成与优化算法进行了总结。各种传统方法可以满足不同的计算耗时与重建质量要求,深度学习、维尔丁格流等方法为纯相位全息图优化带来了新的思路,这些工作都有利于实时、广视场、高质量全息三维显示的早日实现。在未来,由三维物体图像生成曲面纯相位全息图(如柱面全息图和球面全息图)的优化算法值得进一步研究。     

复杂物体离轴-同轴复合数字全息高分辨率成像

当被测物体不满足稀疏条件时,传统同轴数字全息相位恢复方法无法消除共轭像的干扰,也无法获得正确的相位重建结果;而离轴数字全息受最小记录距离的限制分辨率较低。为此,提出了一种将离轴和同轴数字全息相结合的复合数字全息成像方法。该方法只需记录一幅离轴全息图和一幅同轴全息图;采用约束最优化算法从离轴全息图中得到记录平面内物光波的近似相位分布;将此相位信息与同轴全息图的强度信息合成记录面内物光波复振幅的初始值;再利用迭代算法实现物体强度像和相位像的高分辨率重建,该方法的理论分辨率与图像传感器的分辨率相同。实验结果表明,该方法可以充分利用图像传感器的空间带宽积,能在对复杂物体成像时消除共轭像,实现大视场、高分辨率数字全息成像,实验成像分辨率接近理论分辨率。     

基于空分复用的大尺寸全息再现方法

在计算全息再现过程中,受空间光调制器(SLM)自身像素尺寸的影响,再现像的尺寸很小。基于计算全息中相位型全息图上的每一点都包含有物体各个点的全部相位信息,提出一种扩大计算全息再现像尺寸的方法。利用空分复用法,将SLM分为四部分,每部分上分别加载含有物体不同场景的相位型全息图。在光学再现过程中,通过计算机控制加载到相应场景的全息图中相位光栅的变化,调节四个再现像的位置,实现了再现像的无缝拼接,从而得到计算全息大尺寸再现。实验结果证明了该方法的可行性。将该方法跟现有的几种方法进行对比,并进行了相应的讨论。     

LC-SLM的光学调制特性及其在全息中的应用

液晶空间光调制器是实时光学信息处理中的重要器件,本文分析了液晶空间光调制器的光学调制特性及其目前在全息领域的主要应用.并根据液晶空间光调制器实时再现计算全息图的原理,提出利用计算全息技术得到单元合成全息图阵列,通过计算机控制向液晶空间光调制器输出合成全息图序列进行实时光电再现进而实现合成全息动感的方法,分析了基本原理和实现方法并给出了相应实验结果.     

基于空间光调制器的全息透镜记录波前像差优化方法

提出了一种基于空间光调制器(SLM)的全息透镜(HL)记录波前像差的优化方法。从波像差理论出发,经过理论分析得出透射式全息透镜的像差表达式与像差特性,绘制了全息透镜的一维像差曲线,提出了基于空间光调制器的全息透镜波前像差优化方法。使用空间光调制器加载全息图,通过单次曝光记录全息透镜减小像差的方法进行了理论分析,并针对空间光调制器的零级串扰以及视场孔径光阑对全息图和像差的影响进行了讨论。使用优化后的全息图函数计算出包含非球面信息的全息图,设计了基于空间光调制器的全息透镜记录与成像实验,实验结果与理论分析相符合。     

迂回相位编码的傅里叶变换计算全息图及其再现

光学全息图直接利用光学干涉法在记录介质上记录物光波和参考光波叠加后形成的干涉图样,而采用计算全息(CGH)的方法可不借助参考光直接记录物光波的复振幅信息。如果对迂回相位编码的全息图再进行一次逆的快速傅里叶变换,则可由计算机模拟完成物光波的全息图再现。试验结果也验证了该方法的可行性。     

基于LC-SLM的CT图像全息三维重构与实时显示

提出了一种将计算全息技术与液晶空间光调制器相结合的CT图像三维重构与实时显示的方法。用计算全息技术对一系列CT图片进行三维信息融合,并根据CT图片数目的不同,制作了不同的计算全息图,基于CT图片本身是数字化二维图像的特点,采用了快速傅里叶变换算法。用液晶空间光调制器作为全息图显示载体,设计了CT图像三维实时显示系统,利用计算机控制实时输出不同的计算全息图到空间光调制器,通过光学再现获得不断变化的三维再现像,实现CT图像的三维实时显示。     

太赫兹波前调控器件

正太赫兹波在电磁波谱中介于红外和微波之间。由于其具有许多潜在的应用,得到了人们广泛的重视、人们研发了许多用于太赫兹波谱裁剪和强度调制的器件、但是,却缺少太赫兹波前调制器件。介绍两种新的波前调制方法。第一种方法利用亚波长金属天线实现太赫兹的相位调制。选择八种亚波长天线,他们对太赫兹的振幅调制相通,但相位调制不同。根据不同的波前调制要求可以合理安排天线的分布。设计、制作并表征了透镜、衍射光学元件以及计算相息图、第二种方法是利用空间光调制器将泵浦光打在硅基底上。光生载流子的分布形成了太赫兹振幅全息图,通过光的一级衍射就可以实现预定的振幅相位分布。太赫兹全息图的变化可以达到每秒60帧,实现真正的动态调制。实验结果验证了方法的可行性。     

多平面真三维全息显示

提出了一种多平面迭代算法,通过计算多个平面之间光波的前向和后向传播得到全息面的相位分布的恢复,并且用各个平面上的目标图像的振幅来限定传播过程中的光强。该方法将三维的光场分布离散化为相干光在多个二维平行平面上的同时调制,大幅减少了全息计算量。利用纯相位空间光调制器加载计算全息图,在三个屏幕上依次得到三个不同景深的图像,对于人眼调焦过程进行了模拟,实现了多平面真三维显示。系统简单,对于运算处理与显示器件的要求不高,易于实现。     

彩色全息显示方法与系统概述

彩色全息显示是全息视频显示技术发展的重要目标。概述了基于空间光调制器实现彩色全息显示的方法与系统构建问题。首先,介绍了彩色全息显示中三个单色全息像叠加生成彩色全息再现像的基本原理。分析了全息图生成的方法,比较了光全息图、数字全息图、计算机生成全息图的不同。其次,讨论了彩色全息显示系统构建时空间光调制器的选择以及多波长照明下的相位调制特性问题。在实际系统中,红、绿、蓝三色激光或者发光二极管都可以用作系统照明光源。然后,描述了基于时分复用、空间复用、空间划分、空间叠加方法构建的彩色全息显示系统架构,指出彩色全息重构结果受到空间光调制器像素结构和色差等问题的影响。最后,展望了彩色全息显示技术的发展方向。     

计算全息三维显示的数据压缩编码技术

全息三维显示能够重建真实场景的光场,提供全部的深度感,成为真三维显示的最佳解决方案之一。计算全息三维显示只需要知道物光波的数学描述,可以灵活地控制波前,显示出虚拟的三维物体。但是,巨大的数据量和计算量阻碍了计算全息三维显示的实用化。文中提出了计算全息三维显示中多个环节的数据压缩编码技术,包括三维物体的稀疏采样、全息三维视频压缩编码的优选和参数优化、全息图分形压缩算法,有效地压缩了数据量,并利用GPU的并行运算能力实现了全息图的快速计算。     

基于电介质超表面的光场复振幅调制及应用

超表面作为一种人工设计的二维阵列纳米结构,能够在亚波长尺度上实现光场波前振幅、相位和偏振态的灵活调控,为现代光学器件的小型化、集成化提供了全新的实现途径。随着光学成像、显示等应用的发展,在可见光波段具有高工作效率的微型光学器件的需求日益凸显。近年来,由高折射率、低损耗电介质材料制备的光学超表面得到了极大地发展,在消色差光学超透镜、偏振相关全息显示等方面展现出广泛的应用前景。文中围绕电介质超表面的相关研究,首先介绍广义斯涅耳定律及电介质超表面结构调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾近年来关于光场波前单一参量调控和多参量联合调控在全息显示、结构光场产生等方面的研究进展,最后讨论电介质超表面发展的可能挑战与前景。     

高分辨率多视点动态全息3D显示

提出了一种高分辨率多视点动态全息3D显示方法,观看视点位置变化时,观看者能够看到连续变化的3D效果。在进行全息图计算时,首先根据针孔阵列投影模型,渲染3D动画中每一帧3D模型的光场图像序列;然后从已渲染的多组光场图像序列中抽取对应视角信息的光场图像进行融合,得到融合后的动态光场图像序列;在进行全息图编码时,以动态光场图像序列中的一帧图像作为物光振幅,以来自于针孔的发散球面波的相位作为物光相位,引入平面参考光进行编码,得到一个单元全息图。由于每个单元全息图的计算是相互独立的,因此在计算过程中使用并行加速计算,实现了尺寸为32 mm×32 mm、分辨率为100000 pixel×100000 pixel的高分辨率全息图,其光场图像融合和全息编码的时间仅需27 min。光学再现结果证明了该方法的可行性。所提出的高分辨率多视点动态全息3D显示方法在全息包装和3D广告等领域具有广泛的应用前景。     

三维物场多重分数傅里叶变换全息图光电再现实验研究

对基于多重分数傅里叶变换(FrFT)的三维(3D)物场计算全息图进行光电再现实验研究.根据分数阶与衍射距离的关系,对不同物面分别设置不同的分数阶,分别计算得到各层物面在全息面的复振幅并进行叠加,对其进行编码分别得到分数傅里叶变换振幅型全息图和相息图.同时在计算3D物场的全息图时,在物波面加入不同的随机相位因子,得到3D...     

基于迭代的纯相位全息图生成算法比较研究

纯相位全息图因无共轭像、衍射效率高，在全息三维显示中得到广泛应用。迭代算法因计算灵活、编码图像重建质量高，在纯相位全息图生成中具有重要地位。对基于迭代的生成纯相位全息图最新算法进行比较研究，介绍迭代算法生成纯相位全息图的基本原理，编程实现了典型代表性、创新性算法。通过图像重建质量、耗时长短的对比，进行了详细的实验研究，分析了各类方法的特点和优缺点。结论表明，对于较大像素差的图像，选用直方图补偿算法可得较好的效果，对于高重建质量的图像，可选用自适应加权Gerchberg-Saxton算法。     

基于液晶空间光调制器的大视角全息显示技术

全息显示技术可以完整记录和再现物体的波前信息,被认为是3D显示的终极目标。其中大视角全息再现是全息显示的关键技术之一。本文从基于液晶空间光调制器的全息显示原理出发,介绍了近年来所出现的多种大视角全息显示方法,并对其实现技术做了探究分析,论证了现有大视角全息显示技术的实现原理及优劣。随着液晶空间光调制器像素间隔的减小、刷新率的提升以及新器件新材料的结合,大视角全息显示必将迎来新的发展。     

元宇宙中的动态全息三维显示:发展与挑战（特邀）

相比二维显示,三维显示可以提供更接近真实世界的图像内容,是5G、大数据、元宇宙和物联网领域的关键性技术。计算全息三维显示可以提供所有种类的深度线索,被认为是三维显示的终极实现方式,在智能制造、远程教育、异地办公和娱乐社交等领域都具有广阔的应用前景。文中首先介绍了计算全息技术的发展历史和重要技术节点,分析了高质量全息动态三维显示面临的挑战,主要包括计算全息图重建质量不足、波前调制器件和全息显示系统性能受限以及三维内容源匮乏等,进一步介绍了已有的解决方案,比较了各类方案的优势与不足,进而分析了高质量全息动态三维显示的主要研究方向,包括低噪声全息图的获取、像质优化和畸变校正技术的开发以及三维内容源的构建。实现高质量、低噪声、无畸变、高刷新、真三维的动态全息三维显示,是计算全息显示发展的必由之路,也是元宇宙等典型应用对全息三维显示提出的必然要求。