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彩色全息显示方法与系统概述

激光与光电子学进展 2014年第3期51卷 33-45页

作者：沈川韦穗刘凯峰张芬李浩王岳安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室安徽合肥230039 安徽省现代成像与显示技术重点实验室安徽合肥230039

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... 详细信息

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。

关键词：全息术彩色全息显示计算机生成全息图空间光调制器

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基于硅基液晶的空分复用彩色全息显示研究

中国激光 2012年第12期39卷 173-177页

作者：王岳沈川张成刘凯峰韦穗安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室安徽合肥230039 安徽省现代成像与显示技术重点实验室安徽合肥230039

彩色全息显示是全息显示的一个重要研究目标。研究了使用RGB三色激光的彩色全息显示技术,提出基于空分复用的彩色全息显示方法。全息光电再现像的成像区域大小和成像区域中心位置依赖于RGB三色激光的波长,通过调节RGB三色分量原图大小... 详细信息

彩色全息显示是全息显示的一个重要研究目标。研究了使用RGB三色激光的彩色全息显示技术,提出基于空分复用的彩色全息显示方法。全息光电再现像的成像区域大小和成像区域中心位置依赖于RGB三色激光的波长,通过调节RGB三色分量原图大小以及加载数字闪耀光栅实现RGB三色再现图像分量区域大小和成像中心的重合。基于空分复用的方法建立了彩色全息显示系统,最终的彩色全息显示系统利用空间光调制器加载计算生成的24bit全息图再现彩色图像。实验结果验证了该方法的可行性。

关键词：全息彩色全息显示空间光调制器空分复用纯相位全息图

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LCOS彩色全息显示系统研究

LCOS彩色全息显示系统研究

作者：王岳安徽大学

学位级别：硕士

人的绝大部分空间信息都是通过视觉得到,而其中90%以上的信息来自3D感知。随着材料、电子和光学的迅速发展,显示技术向3D发展是一个必然的趋势。全息显示能够真实地再现3D图像,因此全息显示是真3D显示的主流技术。彩色全息成像无疑是最... 详细信息

人的绝大部分空间信息都是通过视觉得到,而其中90%以上的信息来自3D感知。随着材料、电子和光学的迅速发展,显示技术向3D发展是一个必然的趋势。全息显示能够真实地再现3D图像,因此全息显示是真3D显示的主流技术。彩色全息成像无疑是最完美的成像技术,理想情况下,被重构的图像与原始的景物在视觉上应该没有区别。近年来随着空间光调制器的发展,硅基液晶作为一种新型的空间光调制器把半导体集成电路和液晶显示技术相结合,具有可编程、高衍射效率、分辨率高等特点,因此使用硅基液晶的全息显示技术得到了较大的关注。虽然经典的光全息技术已经有60多年历史,但是,用空间光调制器来替代全息胶片并能得到高质量的3D图像重构仍然面临很大的困难,基于硅基液晶的彩色全息显示系统更具挑战。本文开展了基于硅基液晶的空分复用彩色全息显示技术的相关研究。论文的主要研究内容和创新点包括： 1、根据标量衍射理论,RGB三色激光的波长不同,导致重构彩色图像时再现像的成像区域大小不同,针对此问题本文提出了预先对RGB三色分量原图大小进行补偿的方法,实现了RGB三色分量的重构图像大小一致。 2、进一步,为了解决重构RGB彩色图像时成像区域大小不同导致了成像区域中心不重叠的问题,利用计算全息的优势,本文提出了加载数字闪耀光栅的方法来实现再现像的偏移,使得产生的RGB三色再现像重叠。 3、在调节成像大小与偏移成像中心位置的基础上,本文借用商业投影仪的结构搭建了基于LCOS的空分复用彩色全息显示系统;概念性地验证了提出方法的可行性。相比实现彩色全息显示的其他两种途径,该系统的非时分方法与目前使用液晶的响应速度匹配。

关键词：彩色全息显示计算全息图硅基液晶空分复用

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基于多层迭代算法的彩色全息显示技术研究

基于多层迭代算法的彩色全息显示技术研究

作者：周超君上海大学

学位级别：硕士

全息显示技术是一种非常有前景的三维显示技术,它能够记录物体的振幅信息和相位信息。而随着科技的发展,全息图的获取方法也从传统的光学全息和数字全息拓展到了计算全息。与传统的方法相比,计算全息具有较大的灵活性,可以通过建模和编... 详细信息

全息显示技术是一种非常有前景的三维显示技术,它能够记录物体的振幅信息和相位信息。而随着科技的发展,全息图的获取方法也从传统的光学全息和数字全息拓展到了计算全息。与传统的方法相比,计算全息具有较大的灵活性,可以通过建模和编码来模拟光学干涉记录的过程,舍去了传统方法中全息干板显影定影的过程。同时全息显示技术的记录物体也从原来的二维图像转变为三维图像和彩色图像。本文主要围绕彩色全息显示技术中的全息图计算方法和再现过程展开研究。主要的研究工作如下:详细阐述了计算全息的基本原理,介绍了角谱衍射算法的理论,分析了目前已有的几种彩色全息显示方案,阐述了它们的原理和特点。提出了具有动态补偿的深度分割复用(DDM)法来实现彩色全息显示。解决了传统的DDM法会导致彩色图像中不同颜色通道的再现图像质量水平不均匀的问题。该问题通常表现为:蓝色通道再现像的质量最好,绿色通道再现像的质量一般,而红色通道再现像的质量最差,最终导致彩色再现像往往会产生较大色差。而本文提出的优化方法是将彩色图像的红色、绿色和蓝色通道的三个单颜色图像有序地放置在同一条轴上的不同位置处。当光波在三原色通道图像平面和全息面之间来回传递的时候,三个平面的复振幅按照设定好的顺序进行迭代更新。在迭代过程中,动态补偿因子被添加到各个单颜色通道图像的复振幅上,这可以有效地平衡各个颜色通道再现像的质量水平。实现了基于动态补偿DDM方法的多层彩色三维物体全息图的计算方案。将三维物体切片后每一层彩色图像的红、绿、蓝通道的图像全部都有序地放置在同一条轴上的不同位置处。然后,在动态补偿DDM方法计算全息图过程中,每一层彩色图像的红色、绿色、蓝色通道都按照设定好的顺序进行迭代更新。最终能够实现多平面的彩色全息再现。同时该方法也适用于动态彩色全息显示。构建了基于反射式位相型液晶空间光调制器的彩色全息再现实验系统,并进行了彩色全息显示实验验证。将彩色全息图加载到空间光调制器(SLM)上,使用三原色激光进行再现。通过CCD采集彩色全息再现像,并对实验结果进行分析。进一步地,又对多层彩色三维物体以及动态彩色图像进行光电实验再现。实验结果验证了本研究提出的方法的可行性。

关键词：计算全息角谱衍射彩色全息显示深度分割动态补偿

基于硅基液晶和激光直写技术实现彩色全息显示的方法研究

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基于硅基液晶和激光直写技术实现彩色全息显示的方法研究

作者：吕诗琪安徽大学

学位级别：硕士

彩色全息显示包含丰富的深度信息以及充分的色彩表现,能带来完美的视觉体验,被誉为三维(Three-Dimensional,3D)显示的未来。随着计算机与光电器件行业的兴起,借助空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)实现动态可调的彩色全息显示... 详细信息

彩色全息显示包含丰富的深度信息以及充分的色彩表现,能带来完美的视觉体验,被誉为三维(Three-Dimensional,3D)显示的未来。随着计算机与光电器件行业的兴起,借助空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)实现动态可调的彩色全息显示备受研究学者的关注。遗憾的是,SLM空间带宽积有限,没有达到某些彩色全息显示实验的要求,所呈现的三维场景的质量也不能满足人们的需求。于是,基于衍射光学元件(Diffractive Optical Element,DOE)实现高分辨率、大视场角(Field Of View,FOV)的彩色全息显示带来了新的设计思路。本文首先探究分析SLM的可编程特性,利用空间划分法实现单一彩色全息再现像,然后基于激光直写技术灵活设计制备DOE,实现高分辨率、大FOV的彩色全息显示,主要研究内容包括:1.利用空间划分法建立了基于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCo S)的彩色全息显示系统。LCo S作为一种典型的SLM,由于其像素尺寸小、衍射效率高,且具有可编程性,而广泛应用于全息显示领域。但由于其自身结构特点,也带来了多级再现像与多级衍射光的问题。本文首先以蓝色图像四角为顶点,对红色图像和绿色图像原图按比例进行缩放消除三色色差,再采用空间划分的方法获得彩色重构像。然后加载球面波相位、调整数字闪耀光栅周期消除多级再现像与多级衍射光的干扰,最终通过频域滤波得到彩色全息单一重构像。模拟与光学实验验证了该方法的有效性。2.提出了激光直写技术制备DOE应用于高分辨率彩色全息显示的方法。DOE衍射效率高、特征尺寸小、重量轻,且利用激光直写技术制备DOE设计灵活、简单便捷,可制作多像素、小像素尺寸的高分辨率全息图。本文利用苏大维格的Holo Maker IVB激光直写系统,开展了多种参数DOE的制备及测试工作,验证了像素数及像素尺寸对彩色全息重构像的影响。并提供了利用空间划分法与空分复用法,基于DOE实现彩色全息再现的两种方案。

关键词：彩色全息显示空间划分法硅基液晶衍射光学元件激光直写

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大视角的全息真彩色显示方法

激光与光电子学进展 2015年第6期52卷 103-107页

作者：王迪唐文华王君王琼华四川大学电子信息学院四川成都610065 四川大学视觉合成图形图像技术国家重点学科实验室四川成都610065

大视角的真彩色显示是全息显示的重要目标。提出一种使用白光发光二极管(LED)作为再现光源,通过旋转反射镜实现大视角彩色全息显示的方法。通过空分的方法,使每个颜色分量的全息图加载到空间光调制器(SLM)的三分之一区域。白光LED经过... 详细信息

大视角的真彩色显示是全息显示的重要目标。提出一种使用白光发光二极管(LED)作为再现光源,通过旋转反射镜实现大视角彩色全息显示的方法。通过空分的方法,使每个颜色分量的全息图加载到空间光调制器(SLM)的三分之一区域。白光LED经过滤光片照射到空间光调制器上,通过调整红绿蓝(RGB)三色分量原图的大小实现再现像的完全重合。当加载不同视角的全息图时,再现像经过旋转反射镜呈在不同的位置。保证全息图的切换速度与反射镜的转动速度一致,当切换速度足够快时,通过人眼的暂留效应可看到大视角的全息再现像。实验结果验证了所提出方法的可行性。

关键词：全息彩色全息显示旋转反射镜空间光调制器

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计算机制相位彩虹全息近眼显示

光学学报 2021年第22期41卷 49-55页

作者：杨鑫焦述铭宋强马国斌北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 鹏城实验室广东深圳518055 珑璟光电微纳光学研究中心广东深圳518000

基于现有的相位空间光调制器,提出并实现了计算机制相位彩虹全息近眼显示。指出带限条件下物光在全息面上相位分布的计算及高频闪耀光栅纵向色散的控制是实现相位彩虹全息的关键要素。在计算相位彩虹全息图时,首先利用带限条件下的角谱... 详细信息

基于现有的相位空间光调制器,提出并实现了计算机制相位彩虹全息近眼显示。指出带限条件下物光在全息面上相位分布的计算及高频闪耀光栅纵向色散的控制是实现相位彩虹全息的关键要素。在计算相位彩虹全息图时,首先利用带限条件下的角谱衍射算法获取全息面上物光的复振幅分布,并利用双向误差扩散算法将复振幅分布编码为相位分布。然后,对参考光对应的高频闪耀光栅的相位进行编码,得到计算机制相位彩虹全息图。最后,设计了包含白色点光源、准直透镜、空间光调制器、4f滤波系统及目镜的全息彩色近眼显示系统,并通过光学再现获得了相位彩虹全息近眼显示效果,证明了所提方法的有效性。

关键词：全息全息显示近眼显示相位彩虹全息彩色全息显示

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基于自适应约束的彩色计算全息算法优化研究

基于自适应约束的彩色计算全息算法优化研究

作者：王滨安徽大学

学位级别：硕士

随着科技的飞速发展,二维(Two-dimensional,2D)显示难以满足人们的观赏要求。三维(Three-dimensional,3D)显示能够提供更完善的视觉体验,将成为显示技术极具潜力的发展方向。全息显示技术能记录场景的全部信息并完美再现且无需佩戴辅助... 详细信息

随着科技的飞速发展,二维(Two-dimensional,2D)显示难以满足人们的观赏要求。三维(Three-dimensional,3D)显示能够提供更完善的视觉体验,将成为显示技术极具潜力的发展方向。全息显示技术能记录场景的全部信息并完美再现且无需佩戴辅助设备即可观看,被认为是实现3D显示的重要手段。光全息术利用光的干涉和衍射进行波前记录与再现,但显示的滞后与记录介质的不可擦写限制了其的广泛应用。计算全息通过计算机模拟光场传播过程,使用动态可调的空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)加载计算全息图,使得实时3D显示成为可能。然而目前的SLM不能同时独立地调制振幅与相位,振幅型全息图的衍射效率低于相位型,因此纯相位全息图更受研究者们的青睐。全息图的质量影响着全息重建的效果,因而如何获得高质量的纯相位全息图成为研究的热点。在此基础上,彩色计算全息能提供更加丰富的色彩体验,是计算全息的重要发展方向。本文主要对生成彩色计算全息图的迭代与非迭代算法进行研究,并使用时分复用方法实现彩色全息重建,主要研究内容与创新点如下所示:(1)针对经典的Gerchberg-Saxton(GS)算法收敛速度慢、重建质量有限的情况,本文提出一种优化迭代方法生成计算全息图,并利用基于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCo S)显示系统实现彩色图像的重建。首先将彩色图像进行通道分解,迭代计算三色分量全息图。本文选用具有相对平滑分布的二次相位作为迭代输入相位,削弱了使用随机相位导致的散斑噪声影响。同时将图像平面划分为信号区与噪声区,对信号区施加自适应变化的振幅约束,放松噪声区的约束,以加快收敛,提升重建质量。SLM分时加载三通道计算全息图,并以对应色光照明,实现光学重建。仿真计算与实际光学重建表明此方法能加速迭代的收敛,提升彩色图像的重建效果。(2)提出一种非迭代算法用于全息图的快速生成,提升彩色全息显示的效率。迭代算法虽然能够获得较高质量的全息图,但对不同目标的反复迭代操作将会导致计算效率的降低,不利于实现动态实时显示。非迭代算法则是能对不同目标快速生成其纯相位全息图的方法,但简单使用随机相位或二次相位快速生成的全息图用于重建时图像质量有限,因而本文以矩形区域和二次相位组合作为输入复振幅先迭代获得优化二次相位分布,然后用实际目标图像与优化二次相位重构一次以此获得反馈参数提升重建图像对比度,最后将反馈参数、目标图像、优化相位的组合经单次傅里叶变换即可获取全息图。在获得优化相位后,该算法对不同目标仅需一次迭代即可生成全息图,在保证重建效果的前提下加快了全息图的生成效率,且对于不同位置与不同尺寸需求的光学系统具有一定的灵活性,特别是生成的优化相位可直接用于彩色全息图的生成,无需因倍率色差而重新调整。

关键词：彩色全息显示计算全息纯相位全息图优化算法时分复用自适应约束

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LCOS视频全息显示实验系统

LCOS视频全息显示实验系统

作者：沈川安徽大学

学位级别：硕士

真三维显示是继高清后现代成像技术发展的重要目标。全息技术是一种最有前景的真三维显示技术,能够提供人眼所需的全部立体感知。经典的光全息技术采用高分辨率的胶片作为显示媒质,能够实现逼真的三维显示效果;但是此技术不能满足实时,... 详细信息

真三维显示是继高清后现代成像技术发展的重要目标。全息技术是一种最有前景的真三维显示技术,能够提供人眼所需的全部立体感知。经典的光全息技术采用高分辨率的胶片作为显示媒质,能够实现逼真的三维显示效果;但是此技术不能满足实时,动态的显示需求,限制了其作为主流显示技术的应用。 MIT的Benton将全息术从胶片时代带入数字时代,他领导的空间成像小组于1989年构建了第一台实际运行的视频全息显示系统,这是一个令人嘱目的变化。但视频全息显示实用化仍而临许多挑战。原理上,视频全息、显示的核心是一种被称为空间光调制器（SLM）的光电装置。目前可用的SLM包括声光调制器（AOM）,数字微镜器件（DMD）和液晶空间光调制器（LC-SLM）。硅基液晶（LCOS）,作为一种LC-SLM,具有衍射效率高、开口率大、分辨率高等特点。本文采用纯相位调制LCOS作为空间光调制器,开展了视频全息显示方而的研究。论文的主要研究工作及创新点总结如下： 1)在分析了像素结构SLM内在的多重和多级衍射特性基础上,提出了一种提高全息再现像的视觉效果的方法。通过计算加光学的方法,利用数字闪耀光栅、数字球而波相位分离多级再现像与多级衍射光的聚焦位置,然后利用4f系统的频域低通滤波实现高级再现像消除。 2)建立了一套基于硅基液品的全息显示实验验证系统。系统集成了若干目前已有的消除高衍射级光和零级光的方法以及多个光学元件。针对反射型LCOS,提出将会聚球而波相位加载到相位全息图,实现了全息再现像的聚焦位置的前移,改善了全息系统单一方向上的物理长度过长的问题。引入成像透镜,方便调节全息再现像的成像位置和大小,利用光阑和高通滤波器的共同作用消除了高衍射级光、多级再现像以及零级光对重构视觉效果的影响。利用图像序列的方法实现了360度视角图片的全息动态显示。 3)探讨了实现彩色视频全息显示的主要原理和方法,着重讨论了采用RGB三色激光光源的彩色全息视频显示系统中由于器件对波长的依赖性所导致的问题,研究了消除倍率色差的方法。为了实现更高的光学效率,基于空间复用的方法搭建了彩色视频全息显示概念性验证系统。

关键词：全息空间光调制器纯相位全息图彩色全息显示硅基液晶