基于复振幅调制的光场全息算法研究

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在三维显示领域,全息显示是公认的真三维显示技术,也因其独特的波前重建技术优势被认为是显示技术发展的终极目标。随着计算机技术以及动态全息显示技术的迅速发展,计算机全息图凭借其制作简单、易于存储、用途广泛等独特的性质,逐步取代传统光学干涉法生成的全息图,解决了传统全息干涉系统复杂度高、获取困难等问题。然而计算机全息图在使用的过程中,也仍然存在着一些问题,例如散斑噪声、视场角、景深等,制约着全息显示的发展与进步。本文主要围绕着计算全息的景深问题展开研究,在复振幅调制算法的基础上通过结合光场调控的思想,在不影响重建质量的情况下获得更准确的深度线索,使得全息显示的景深效果更为自然。本文首先简单叙述了全息术以及计算全息的发展进程,介绍了国内外计算全息研究现状以及面临的问题。接着从理论方面入手,介绍了傅里叶光学中的标量衍射理论以及全息图的数值计算方法,并讨论了相位全息图的算法及优势。在此基础上,重点探讨了复振幅调制方法,并考虑全息再现中的图像景深问题,文章的主要创新点如下:1、研究了双相位编码复振幅调制算法,提出全息显示图像景深范围大的原因是算法的均匀相位导致,即均匀相位导致全息图频谱范围窄。因此,本文采用G-S(GerchbergSaxton)迭代方法来拓展复振幅的频谱范围。其算法思想如下:首先通过对原始图像进行滤波,获得景深变化的振幅图,然后利用G-S循环迭代,使重建图像的景深范围与自然场景逐步逼近。通过模拟仿真与光学实验,发现与原有的双相位编码算法相比,该方法中重建图像拓展了频谱范围,图像在重建平面之外实现了自然模糊。2、研究了基于光场的全息显示方法,从光场显示技术以及自然光场的获取方法等方面展开。研究和比较了三种光场显示技术:基于光线的光场全息、基于波前的光场全息,和基于光线和波前的混合光场全息,以及两种自然光场的获取方法:透视投影几何和正交投影几何。理论分析和实验结果表面基于光场的全息显示方法能够包含更多且更精确的人眼感知需要的深度线索,进而重建出更为接近自然场景的景深效果。3、基于对复振幅调制和光场全息的研究,提出在复振幅调制的基础上将光场信息引入全息图计算模型中,从而获得更为精确的深度线索。其算法思想如下:首先利用射线采样(RS)平面捕获三维场景的透视投影子图像。其次,根据每个视点的空间坐标位置计算得到与之对应的倾斜平面相位因子,并将每个图像与对应于其角度信息的倾斜平面相位因子相乘。最后,直接在空间域将每个图像相加以获得复振幅全息图。同样通过仿真模拟以及光学实验,验证了该方法的景深效果,说明采用光场信息的简单累加就可以提升全息成像的空间带宽积,提升显示图像的质量。
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