动态全息三维显示研究最新进展

全息三维显示是真三维显示技术, 其原理是利用光学干涉记录和衍射再现将物体或场景的三维信息全部重建出来, 所以观看全息三维图像与观看真实物体或场景的效果一样. 近期全息研究领域有一些突破性的成果被报道, 将推动全息显示的应用不断走向成熟. 本文将重点介绍基于光学材料和空间光调制器为全息图承载载体的动态全息三维显示最新发展状况. 虽然动态全息三维显示研究仍然存在挑战, 但最近研究中已经利用光学材料实现了实时动态全息三维视频显示, 这为未来实现大尺寸、高分辨率、彩色全息真三维视频显示提供了可能.     

空间光调制器曲面拼接实现全息三维显示视角拓展

本文对多空间光调制器不同拼接方式拓展全息三维再现像视角的方法进行了分析,基于多片空间光调制器拼接拓展视角的思想,利用平面反射镜、分光镜和两片透射式空间光调制器设计了曲面拼接系统,进行了全息三维再现像的视角拓展实验研究。用该系统对四棱锥物体的层析菲涅尔衍射全息图进行再现,结果表明,总视角由基于单片空间光调制器的1.7°增大到3.2°,即拓展到约1.9倍,分光镜能够消除两片空间光调制器间的间隙,实现无缝拼接。该方法同样适用于更多空间光调制器的曲面拼接中,可以有效地拓展全息再现像的视场角大小。     

改进的加权迭代多平面全息显示方法

在多平面全息图的设计过程中,为了减小各平面之间的相互串扰,本文提出了一种改进的加权迭代多平面全息图生成方法,使用权值约束来减少各平面之间的相互影响,从而提高多平面全息显示的质量。通过对全息图的约束控制,可以使各平面的目标强度分布更均匀,并且在不降低计算速度的前提下,该方法相比于未进行约束控制时相当或具有更高的重建质量。为了验证结果,使用了相同和不同的目标图像,对6个离散平面的多平面全息图进行了数值模拟与实验验证。本文为高质量的多平面全息显示提供了一种新方法。     

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.     

三维立体显示技术研究新进展

在分析传统基于二维平面图像的三维立体显示技术的原理及特点的基础上,重点阐述了数字全息三维显示技术的应用研究现状,介绍了三种典型的数字全息显示技术:基于数字合成全息的三维显示技术、基于空间光调制器的数字全息三维显示技术以及基于集成数字全息技术的三维显示技术,并对三维显示技术研究及其应用中存在的关键技术问题进行了分析和讨论。     

实时全息三维显示技术研究进展

全息三维显示技术能有效地重建三维物体的波前,并为人眼提供完整的深度线索,已经成为三维显示领域的研究热点。相比于光学全息,计算全息通过计算机模拟全息图的记录过程,并采用可刷新的空间光调制器替代传统的光学记录材料作为全息图的承载媒介,因而成为理想的实现实时全息三维显示的技术方案。然而,复杂三维场景数据量巨大、空间光调制器调制能力不足以及全息三维显示系统展示度不高等问题仍阻碍了实时全息三维显示的发展。为了克服这些不足,研究者们在算法和硬件两方面做出了许多创新工作。本文综述了实时全息三维显示的进展。首先概述了全息术的基本原理和发展简史,接着详细介绍了全息图快速计算方法和针对现有空间光调制器的波前编码方法,然后讨论了深度学习对实时全息三维显示做出的贡献并介绍了一些典型的全息显示系统,最后对实时全息三维显示的未来发展进行了展望。     

利用反射全息实现计算全息三维显示

计算全息和光学全息都可应用于三维显示,但各有自己的优势和缺陷.将计算全息和光学反射全息相结合,可以突破光学全息对记录物体的限制,进行虚拟物体或自然场景的全息图的制作,同时可以实现白光再现.本文首先用三维扫描仪获得实际物体的三维数据,用"点云算法"模拟得到其菲涅耳全息图透射率数据,采用计算全息打印机将其输出于全息记录介质,得到可光学再现的菲涅耳计算全息图H₁.然后将H₁作为光学全息的记录物体进行反射全息记录,将平面全息转化为体全息,实现了计算全息白光再现.     

利用反射全息实现计算全息三维显示

计算全息和光学全息都可应用于三维显示,但各有自己的优势和缺陷.将计算全息和光学反射全息相结合,可以突破光学全息对记录物体的限制,进行虚拟物体或自然场景的全息图的制作,同时可以实现白光再现.本文首先用三维扫描仪获得实际物体的三维数据,用"点云算法"模拟得到其菲涅耳全息图透射率数据,采用计算全息打印机将其输出于全息记录介质,得到可光学再现的菲涅耳计算全息图H1.然后将H1作为光学全息的记录物体进行反射全息记录,将平面全息转化为体全息,实现了计算全息白光再现.     

基于SLM的计算全息三维显示视角扩展编码

提出一种利用高分辨液晶空间光调制器的高衍射级来增大再现视角的计算全息编码方法.该方法首先对被记录物波的视角超出所用高分辨液晶空间光调制器允许范围的物波信息进行预处理,使预处理后的物波视角满足抽样定理;然后再进行计算全息编码.这种计算全息图可利用高分辨液晶空间光调制器的特定高衍射级恢复再现被记录物波.文中给出了该方法的编码原理及物波函数的预处理公式,并通过设计实例和实验结果证明了该方法的可行性.     

多路角度复用体全息三维显示技术

为满足高分辨率真三维大数据显示的空间带宽积要求,提出一种基于多通道角度复用模式的体全息三维显示技术。通过对三维场景进行波前编码,获得相位计算全息图,并将计算全息图依次按照不同角度复用记录到掺杂金纳米颗粒体全息光致聚合物材料的同一区域,获得复用体全息图,再现时可以在不同角度观察三维场景。在体全息三维显示实验系统中,实现体全息材料记录区域的单点像素总数为120×1 920×1 080,显示的空间带宽积达到了2.5×108,相对于空间光调制器显示提升了120倍。     

Holographic Three-Dimensional Display Using an Electron-Beam-Addressed Spatial Light Modulator

Three-dimensional (3-D) or holographic information extracted by two-dimensional active optical heterodyne scanning has been demonstrated recently. The technique is called optical scanning holography. To reconstruct the obtainable 3-D holographic information, digital techniques have been used and demonstrated. For real-time applications, we need to investigate spatial-light-modulator-based systems. In this paper, we first briefly review optical scanning holography, and then present experimental results of 3-D image reconstruction using an electron-beam-addressed spatial light modulator.     

彩色全息显示中液晶空间光调制器位相调制偏差的矫正方法

采用三基色激光照明并结合时分复用或空间复用技术,可实现基于液晶空间光调制器(LC-SLM)的彩色全息显示.但由于在不同激光波长入射条件下LC-SLM的位相调制特性曲线不同,难以同时满足多波长入射条件下2π线性位相调制的要求,致使彩色全息再现结果受到共轭像和零级斑的干扰.针对该问题,本文通过实验测试获得LC-SLM在不同波长入射时的位相调制特性曲线,并分析了RGB激光器各分量的位相调制特性曲线非线性偏差和调制幅度偏差对多阶位相型傅里叶变换相息图再现效果的影响.根据"查表法"建立了各波长入射条件下满足2π线性位相调制的灰度映射关系,并对RGB分量相息图进行修正.通过对修正前后RGB分量相息图的数值模拟再现和光电再现实验与分析,结果表明:该方法有效地克服了LC-SLM位相调制特性曲线偏差的不利影响,从而改善了彩色全息显示中各分量相息图的再现质量.     

Application of the holographic carrier fringe and FFT technique for deformation measurement

This paper describes a holographic system based on the use of fibre optics and automatic spatial carrier fringe pattern analysis. Carrier fringes are generated by simply translating the object beam between two exposures. Single-mode optical fibres are used to transfer both the object and reference beams. The fast Fourier transform method is used to process the interferograms: it extracts phase from fringe patterns resulting from the interference of tilted wavefronts. The method is illustrated by measuring the deformation of an arbitrarily clamped, uniformly loaded circular plate. The results are given for the perspective plot of the out-of-plane deformation field, the maps of wrapped and unwrapped phase, and a contour map of the unwrapped phase.     

体全息存储中输入方参数对输出信号的影响

借助基于 4F成像系统的掩模版模拟SLM实验 ,在国内首次实现 10 0 0× 10 0 0高分辨率数据页输入 输出像素一对一匹配的基础上研究了体全息存储系统输入方重要参数 ,如 :输入器件 (空间光调制器 )像素填充因子和输入图案组合对输出器件 (电荷耦合器件 )读出图像的影响 ,为提高全息存储系统输出图像质量、降低误码率提供理论和实验基础。     

双波长全息术实验研究及在自适应光学中的应用

在双波长全息术中,全息图可用一个波长记录,用另一个波长重现。用光学寻址液晶空间光调制器作为记录介质,可方便实现动态双波长全息图的记录。经一个畸变波前记录动态全息图后,由具有相同畸变的另一个波前去重现该动态全息图,可以实现对光学波前畸变的等比例缩小。在用于自适应光学的负性反馈回路中时,可简化大波前畸变的测量过程,可在中红外光谱范围内记录并制作动态全息图畸变校正器(在此波段直接的全息记录是极难的),也能增大可校正的畸变范围。介绍了这种动态干涉仪的实验实现,及该动态全息记录技术应用于自适应光学的前景。     

Study on the simplified phase-shifting digital holographic microscopy

In this paper, a new simplified technique for effectively eliminating the zero order and the conjugate virtual image in digital holographic microcopy, which makes use of two-step phase-shifting method of just recording two holograms and an intensity image of object wave, is proposed. Meanwhile, combined with the principle of making full use of spatial bandwidth of the CCD sensor by in-line lens-less Fourier holographic recording geometry, the theory and experimental methods to increase the resolution of the reconstructed image in digital holography by using phase-shifting technique are detailedly analyzed. At end, the validity and availability of this technique has been demonstrated through the off-axis and in-line Fourier transform recording geometry. The study provides some theoretical and experimental guidance for the design and operation of a digital holographic microscopy system.