數(shù)字全息三維立體顯示關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、真實地再現(xiàn)三維(3D)物場是成像技術(shù)的重要發(fā)展趨勢，而全息顯示的特點正是能夠在空間再現(xiàn)具有真實立體感的3D影像。近年來，基于空間光調(diào)制器的數(shù)字全息3D立體顯示技術(shù)的研究逐漸受到重視。本文在對該技術(shù)目前的研究現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，開展了相關(guān)的研究工作，主要內(nèi)容涵蓋計算全息理論與算法研究、真彩色3D物體的全息計算方法、器件的特性分析、系統(tǒng)構(gòu)建及實驗研究。 在對典型的編碼方式的再現(xiàn)效果進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，突出了相息圖編碼

2、方式因其具有高衍射效率且再現(xiàn)時無共軛像的特點，而在數(shù)字全息顯示中的重要地位。將“混合遺傳—模擬退火”算法(GA-SA)的思想引入到位相全息圖的優(yōu)化設(shè)計中，并對典型的全息圖優(yōu)化算法(包括GA-SA算法)的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析和歸納。對優(yōu)化算法的進(jìn)一步研究具有指導(dǎo)意義。 為了獲得良好的3D再現(xiàn)效果，本研究在對典型的3D物體全息圖計算方法的原理和和特點進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的3D物體全息圖計算方法——“動態(tài)隨機(jī)位相層析法”。利用該

3、方法計算3D物體的相息圖，能夠有效地抑制3D再現(xiàn)像的噪聲，且具有衍射效率高、無零級斑和共軛像的特點。并采用峰值信噪比(PSNK)和互相關(guān)系數(shù)(CC)對算法的噪聲抑制效果進(jìn)行評價，驗證了該方法的有效性。為了實現(xiàn)真彩色3D物體的全息顯示，本研究提出了兩種計算RGB真彩色相息圖的方案——“等距方案”和“等像素總量方案”。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合動態(tài)隨機(jī)位相層析法，實現(xiàn)了真彩色3D物體多視角相息圖的計算和數(shù)值再現(xiàn)，并對兩種計算方案的各自特點進(jìn)行了對比分

4、析。 在利用空間光調(diào)制器(SLM)對位相型全息圖進(jìn)行再現(xiàn)時，為了使位相型全息圖獲得良好的再現(xiàn)效果，要求SLM具備純位相(或接近純位相)的調(diào)制能力。本研究對數(shù)字微反射器件(DMD)以及LC-R2500(LCoS-SLM)的振幅和位相調(diào)制特性進(jìn)行了測試和比較分析，表明LCoS-SLM在適當(dāng)?shù)钠骷渲煤蛥?shù)設(shè)置時能夠?qū)崿F(xiàn)純位相調(diào)制，有利于位相型全息圖的正確再現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，分析了RGB各分量的調(diào)制特性曲線對多階位相型傅立葉變換相息圖再

5、現(xiàn)效果的影響，并提出了“灰度映射法”對位相型全息圖進(jìn)行矯正，以改善相息圖的再現(xiàn)效果，并通過數(shù)值再現(xiàn)驗證了該方法的有效性，為進(jìn)一步改善相息圖光電再現(xiàn)效果提供了新思路。從理論上分析了LCoS-SLM的像素開口率和像素間距對衍射場分布的影響，并探討了改善再現(xiàn)像強(qiáng)度的均勻性、增大再現(xiàn)像的尺度以及提高光能利用效率的途徑。 針對利用LCoS-SLM對位相型全息圖進(jìn)行光電再現(xiàn)時，柵格效應(yīng)導(dǎo)致單一再現(xiàn)像的能量利用效率較低的問題，本研究提出了在位

6、相型全息圖中加載特定周期和特定槽向的“數(shù)字閃耀光柵”的方法，提高了再現(xiàn)像的強(qiáng)度和光能利用效率。從理論上分析了光電再現(xiàn)時，實際再現(xiàn)距離和再現(xiàn)像的尺寸與全息圖記錄(或計算)時的真實值存在偏差的影響因素，為數(shù)字全息光電再現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。對采用本研究提出的動態(tài)隨機(jī)位相法計算的相息圖進(jìn)行光電再現(xiàn)，結(jié)果表明：該方法能夠?qū)怆娫佻F(xiàn)像的噪聲進(jìn)行有效地抑制。分析了在對RGB真彩色3D物體進(jìn)行全息光電再現(xiàn)時，各分量相息圖再現(xiàn)像存在空間位置偏差(