基于頻域光場(chǎng)圖像渲染的純相位全息三維顯示

    純相位全息圖相比于振幅全息圖具有無(wú)共軛衍射光和高能量利用率的優(yōu)點(diǎn)，是全息三維顯示的重要研究方向。 為了實(shí)現(xiàn)大尺寸高分辨率純相位全息三維顯示，瓏璟光電與浙師大研究人員合作提出了一種基于頻域光場(chǎng)圖像渲染的純相位全息三維顯示，對(duì)每個(gè)單元全息圖，通過(guò)渲染獲得頻域內(nèi)的光場(chǎng)圖像，通過(guò)優(yōu)化的GS迭代算法計(jì)算獲得純相位單元全息圖，利用相鄰光場(chǎng)圖像之間的相似性，提升純相位單元全息圖的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了分辨率為200K×200K pixels的大尺寸高分辨率純相位全息三維顯示。 本研究成果近期被國(guó)際光學(xué)權(quán)威期刊IEEE Photonics Journal (SCI, IF: 2.4)錄用。 基本原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖1. (a) 全息圖頻域與光場(chǎng)圖像頻域關(guān)系；

(b) 并行加速方法

    圖1(a)給出單元全息圖頻域及光場(chǎng)圖像頻域分布示意圖，給定單元全息圖參數(shù)及衍射光場(chǎng)參數(shù)，通過(guò)光場(chǎng)圖像渲染，獲得每個(gè)單元全息圖在遠(yuǎn)場(chǎng)衍射情況下頻域內(nèi)的光場(chǎng)圖像，通過(guò)優(yōu)化的GS算法進(jìn)行計(jì)算。圖1(b)為并行加速計(jì)算方法，隨機(jī)選擇多行全息圖進(jìn)行并行計(jì)算，其中一行內(nèi)的單元全息圖依次進(jìn)行串行計(jì)算，通過(guò)多線程技術(shù)減少全息圖計(jì)算時(shí)間。 

    圖2. 為單元全息圖計(jì)算流程 圖2為算法流程，前一個(gè)單元全息圖相位存在時(shí)，使用該相位重構(gòu)初始復(fù)振幅計(jì)算當(dāng)前純相位單元全息圖，否則以隨機(jī)相位構(gòu)建初始復(fù)振幅進(jìn)行計(jì)算。由于相鄰光場(chǎng)圖像間存在相似性，若前一張光場(chǎng)圖像存在，其計(jì)算的單元全息圖與后一單元全息之間存在相似性，所以可以采用該方法提升純相位單元全息圖的質(zhì)量。圖3給出不同初始相位情況下的峰值信噪比情況，紅色曲線為以隨機(jī)相位作為初始相位計(jì)算的全息圖信噪比與迭代次數(shù)關(guān)系，而其它曲線為以前一張全息圖作為初始相位進(jìn)行當(dāng)前純相位單元全息圖計(jì)算的情況，可以看出，所提出方法在提高峰值信噪比方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

    圖3. 不同相位初始條件信噪比情況 圖4為全息圖計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)的兩個(gè)三維模型，第一個(gè)模型包含“瓏璟”和“光電”，分別位于兩個(gè)深度，第二個(gè)為一個(gè)復(fù)雜的三維模型。 

    圖4. (a) 三維模型I; (b) 三維模型II 圖5給出第一個(gè)模型計(jì)算的高分辨率全息圖四個(gè)視角拍攝的顯示效果，從圖5(a)和圖5(c)比較可看出縱向視差的變化情況，從圖5(b)-(d)可看出觀看視角不同時(shí)橫向視差變化情況。Video I為拍攝的該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的視頻。 

    圖5. 模型I的四個(gè)視角的全息顯示結(jié)果 

    Video I. 模型I再現(xiàn)拍攝的視頻 圖6給出第二個(gè)模型三個(gè)視角的再現(xiàn)像。Video II給出第二個(gè)模型拍攝的視頻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為手機(jī)拍攝的結(jié)果，實(shí)際人眼觀看效果比拍攝結(jié)果效果更佳。 

    圖6. 模型II的三個(gè)視角全息顯示結(jié)果 

Video II. 模型II再現(xiàn)拍攝的視頻 AR顯示中的光能利用率很大程度上決定了智能眼鏡的續(xù)航能力，實(shí)現(xiàn)純相位全息AR三維顯示一方面有望提升續(xù)航，另一方面可解決現(xiàn)有基于雙目視差的AR三維顯示導(dǎo)致輻輳調(diào)節(jié)沖突問(wèn)題，具有重要的實(shí)際價(jià)值。本文的方法雖針對(duì)高分辨率全息三維顯示設(shè)計(jì)，但亦可針對(duì)現(xiàn)有純相位LCoS，生成2K或4K分辨率的純相位全息圖，應(yīng)用于AR三維顯示領(lǐng)域。