基于液晶空间光调制器的全息显示

在传统的纯相位全息显示系统中, 一般基于快速傅里叶变换(FFT)算法来计算相位全息图, 在FFT的计算中需要遵循Nyquist采样定理, 因此, 重建图像的尺寸往往受限于空间光调制器的固定采样率. 这个限制可以通过卷积算法或者两步菲涅耳衍射算法来解决, 但是需要使用多个FFT的计算, 导致计算量增大. 鉴于此, 提出了一种基于透镜的纯相位全息图计算方法. 在全息图的计算中, 通过透镜的成像原理建立一个采样率可变的虚拟全息面, 通过调节相应的距离参数使得在全息图的计算中可以任意调节原始图像的采样率, 摆脱了传统方法中液晶空间光调制器带宽积对重建图像尺寸的限制, 并且这种算法只需使用一次FFT就能达到变采样率的衍射计算, 大幅提高了全息图的计算速度. 数值模拟及光学实验结果证明了此方法可以在全息显示光学系统中清晰地重建不同尺寸的图像. 同时该系统可以有效地消除由空间光调制器的像素化结构带来的零级衍射.     

可编程菲涅耳相位透镜应用于多平面全息投影

研究了基于菲涅耳相位透镜实现多平面全息投影的方法,采用硅基液晶相位调制器建立了多平面全息投影系统.首先,利用可编程菲涅耳相位透镜代替傅里叶透镜,将计算机生成的相位全息图与菲涅耳透镜的相位结合;其次,基于时分复用和空分复用原理提出了加载菲涅耳相位透镜与相位全息图到相位空间光调制器上的两种方法;最后,讨论了在多平面全息投影中每个单一平面实现旋转物体动态360°视角显示的方法.实验结果表明:在距离硅基液晶分别为500、800、1 100和1 400mm处的四个重构平面可以获得全息投影图像;通过动态地改变菲涅耳相位透镜的焦距,可以实现多平面全息投影.     

新型液晶光学相控阵的特性研究

将液晶作为平板光波导的上包层,构建了液晶光学相控阵器件.根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论与光栅衍射理论,研究分析了基于这种新型结构下液晶光学相控阵的传输特性,输出衍射特性和其它性能特性.研究结果表明,器件的传输电控相位延迟可以实现更大的光程差;阵列电极周期数目、电极宽度、电极间隔宽度等结构参量对器件的输出衍射光束的光强分布和半峰值全宽度影响很大,同时光束扫描的可行性得到论证;器件的响应时间提高了一个数量级,且其色散性能获得改善.为以后研制新型液晶光学相控阵提供了理论基础与技术设计依据.     

基于掩膜的光场成像仿真及采样研究

从原理上分析了掩膜的光场成像特点,通过建立光场成像的计算机仿真模型,模拟四维光场的获取,并通过数字对焦算法获得离焦物体的清晰图像.同时利用采样定理分析了孔径采样密度对数字对焦图像的影响,计算出合适的采样间隔对仿真模型的复杂度进行优化.     

基于掩膜的光场成像仿真及采样研究

从原理上分析了掩膜的光场成像特点,通过建立光场成像的计算机仿真模型,模拟四维光场的获取,并通过数字对焦算法获得离焦物体的清晰图像.同时利用采样定理分析了孔径采样密度对数字对焦图像的影响,计算出合适的采样间隔对仿真模型的复杂度进行优化.     

液晶光学相控阵可编程光束偏转研究

研究了一种一维透射式向列相液晶光学相控阵.建立了器件的数学模型,根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论计算了电场作用下液晶指向矢分布,定量分析了器件的相位延迟及衍射特性.研制了含1 024个驱动电极的实际器件,由FPGA对电极驱动电压进行可编程控制.经实验测试,该器件可以实现60个角度的准连续随机可编程电控偏转与扫描,最大偏转角度为2.001 4°.根据器件的理论模型,对光束偏转的衍射效率进行了定性讨论,发现电极之间形成的“相位凹陷”是形成衍射旁瓣的直接原因.     

菲涅尔衍射积分的单次傅里叶变换算法

单次傅里叶变换算法是一种常用的计算菲涅尔衍射积分的数值算法.在单次傅里叶变换算法中,二次相位因子的采样和计算窗口尺寸会严重影响计算精度.本文利用局域空间频率的概念,结合采样定理,给出了二次相位因子的理想采样间隔和计算窗口尺寸的选取方法.然后将数值仿真结果分别与理论解析解和实验结果进行对比,验证了理想采样间隔和计算窗口尺寸选择方法的有效性.     

采用普通投影液晶片的数字全息实验

采用普通液晶投影仪搭建了简易数字全息显示实验系统,并根据惠更斯子光源叠加原理和光路可逆原理给出了液晶片相位调节量计算公式,推导了系统的点扩散函数.实测衍射光斑尺寸与理论计算基本一致,实验表明采用该系统可以方便地获得清晰的小尺寸数字全息图像.     

基于选择采样的高效迭代相位提取算法

在光学精密测量中,相移干涉法应用广泛。常用的相移器件容易出现相移误差,采用等步距相位提取算法会产生测量误差。基于最小二乘的迭代相位提取算法可以有效消除该类相位提取误差,提高测量精度,但是其迭代过程运行时间长,效率低。提出了一种基于选择采样的迭代相位提取算法,先对干涉图像进行等间隔抽样,降低计算量;再根据对比度滤除干涉图像中低质量像素点,防止误差增大,进行最小二乘迭代求解相位。仿真实验对算法进行了分析和验证,在抽样间隔为2时的选择采样方法与所有像素点全部代入计算相比,运行时间从6.687 s降为0.725 s,均方根误差仅为0.032 9。实验结果证明:选择采样的迭代相位提取算法运算时间短、误差小,非常适合高速相移干涉测量应用。     

纯相位菲涅尔全息图的反馈迭代算法及其硅基液晶显示

研究了纯相位菲涅尔计算全息图的制作方法,给出了一种生成纯相位菲涅尔计算全息图的算法.首先研究了菲涅尔衍射的数值模拟算法,分析了两种数值模拟算法的计算速度.将计算速度较快的菲涅尔衍射数值模拟算法和迭代算法相结合,并引入比例反馈,得到纯相位菲涅尔计算全息图的反馈迭代算法.其次,对比例反馈系数的选取进行了实验研究,得到其最优经验值范围,然后进行了仿真实验.仿真结果表明,该算法降低了重构误差,提高了全息图重构质量.最后基于新型空间光调制器反射型硅基液晶,建立了全息显示光电实验系统,对该算法进行了验证.     

反射式液晶光阀用于激光束空间整形可行性研究

 从理论和实验两方面对一种反射式液晶光阀（LCOS）的调制特性进行了研究。着重研究了在高功率激光系统中,反射式液晶光阀作为空间整形器件面临的一些应用问题,特别是它的各种调制特性、整形能力以及对于光束质量的影响。研究发现,与透射式液晶光阀相比,反射式液晶光阀有着明显的优势,效率达到42%,远远优于透射式液晶光阀10%的效率,从而能够实现系统的大幅度简化,是一种非常有潜力的空间光调制器件。     

实验研究探测器大小与散焦长度对无透镜鬼衍射的影响

无透镜鬼衍射是一种特殊的非局域关联成像技术,通过对包含物体信息的测试光路和不含物体信息的参考光路的光场强度涨落关联进行测量,在参考光路上可得到物体的衍射图样。利用赝热光源实验研究了探测器尺寸大小和光路散焦长度对无透镜鬼衍射质量的影响。实验以四缝物体为例,定量研究了探测器大小和散焦是如何改变无透镜鬼衍射的成像结果,并和理论模拟进行了比较,获得了比较一致的结果。利用图像相关度定量分析了实验结果与理想无透镜鬼衍射图像的差别,发现这两者都会使无透镜鬼衍射的质量变差。     

反射型LCOS器件纯相位调制特性的研究

研究了反射型的LCOS显示器件的相位调制特性.采用2×2的Jones矩阵计算仿真，从理论上分析了它的相位调制特性，建立了一套测量振幅和相位特性的测试系统.它采用He-Ne激光为光源，用干涉仪观察波前相位，将LCOS显示器件作为液晶空间光调制器，用计算机和相关的电路系统驱动控制，并用CCD采样数据，测试了1024×768 LCOS显示器件的相位调制特性.理论和实验的一致性说明了在特定的入射、出射偏振光配制下，LCOS显示器件可以做纯相位调制器. 关键词： 空间光调制器 液晶显示器 反射型LCOS     

Acoustically modified optical Fresnel diffraction by a slit and a periodic object in relation to periodic partial coherence

Optical Fresnel diffraction by a slit and a periodic rectangular wave object, illuminated with accoustically phase-modulated laser light, is investigated in association with partial coherence. The periodic partial coherence, produced by acousto-optic interaction, much deformes the Fresnel diffraction patterns of the respective objects. A nearly flat-top diffraction pattern by the slit is obtained if the acoustic and slit parameters are adjusted. The self-image by the periodic rectangular wave object is reversed in contrast if the acoustic power exceeds a critical value.     

激光LCOS光学引擎的设计

通过选择适当的光学材料,并且将它们合理地安排在一起,设计完成了激光LCOS投影机的光学引擎。光学组件包含3块LCOS面板和三基色的激光光源。在光学设计中使用光学软件ZEMAX对光学引擎进行了优化。设计的光学引擎证实了激光LCOS显示的高效率和均匀性,并且所有指标都满足激光LCOS显示的要求。     

LCOS微型投影系统的LED照明设计

随着LCOS(Liquid Crystal on Silicon)技术的发展,投影仪趋于微型化,传统的UHP(Ultra High Performance)光源已经不适合作为微投系统的光源。使用LED阵列作为微投系统的光源,分别采用CPC(Compound Parabolic Con-centrator)集光器和锥形光棒来耦合光束,使光源发出的光束会聚在LCOS上。分析结果表明,这两种照明系统都具有很好的调节光束角度和收集光束的能力,并在微型投影仪中实现高效的均匀照明。     

Holographic vibration measurements of rough surfaces using a LCSLM

This paper describes measurements of a vibrating object with rough surface by the time-averaged method of holography using a newly designed optically addressed liquid crystal spatial light modulator with a resolution of 102 lp/mm and a diffraction efficiency of 16%. An object vibrating faster than several tens of Hz could be visualized. The pattern obtained by the method provides the locus of vibrating nodes. The advantage of this method is that a high contrast pattern of a vibrating object can be imaged in near-real-time, although the sensitivity of vibration is decreased.     

基于像素结构空间光调制器的全息再现像问题研究

基于纯相位空间光调制器的全息显示系统在重构显示时,再现像的视觉效果受到空间光调制器像素结构引起的多级衍射光和多级再现像的干扰。在分析具有有限填充因子空间光调制器的像素结构对再现像影响的基础上,提出了一种提高全息再现像的视觉效果并且再现像成像位置和大小可调节的方法。先加载闪耀光栅到纯相位全息图,其次通过叠加会聚球面波相位,分离再现像与空间光调制器像素结构引起的多级衍射光的聚焦平面的位置,再利用光阑和高通滤波器的共同作用,消除高级衍射光、多级再现像以及零级光干扰对重构视觉效果的影响,最后引入成像透镜,调节再现像的成像位置与大小。建立了一套基于硅基液晶的全息显示系统用于实验验证。实验结果表明,最终的单一再现像清晰且可以方便地调节成像位置和大小。该方法同样适用于各种基于像素结构空间光调制器的全息光学系统。     

Optical circular sampling system for translation and rotation invariant pattern recognition

A simple but effective rotation invariant pattern recognition method based on optical circular sampling of the input pattern is described. The object is decomposed by a set of concentric rings. The distribution of energy between those rings is independent of the orientation of the object and characterizes it sufficiently to allow its classification. A computer generated hologram formed of concentric diffraction grating rings of suitable spatial frequencies may perform the sampling in parallel. In combination with a lens, each ring is then focused to a given position on a CCD detector where the intensity distribution may be found. Translation invariance is added to the system by sampling the intensity of the Fourier transform of the input object in combination with a liquid crystal light valve. A phototypesetter is used to write the hologram whose quality is demonstrated by optical experiments.