珑璟光电与浙师大合作最新成果: 计算机制半周视彩色彩虹全息体视图

实现多人可同时围观的桌面型大尺寸彩色全息3D显示是人们一直以来的一个重要追求目标,该技术在军事三维地图、三维沙盘广告等多个方面具有重要的商业价值。但大尺寸高分辨率全息图巨大的计算量是限制其应用的关键问题。为此,珑璟光电与浙师大研究人员合作,将全息体视图与彩虹全息相结合,提出了计算机制半周视彩色彩虹全息体视图快速算法,实现了分辨率为200800 pixel ×200800 pixel的大尺寸高分辨率全息图计算时间仅需15.15分钟,该全息图能实现悬浮的彩色三维显示,可满足多人同时围观的需求。

本研究成果7月 21日投稿,8月18日被中文权威期刊《光学学报》录用。

图1为周视彩色全息三维显示示意图,照明光垂直照明全息图,全息图衍射光反向侧方衍射,人眼位于所设计的环形视窗内可观看到不同视角的彩色三维显示效果。

 

 

图1. 周视彩色全息三维显示示意图

 

(1) 全息体视图基本原理

 

 

图2. 全息体视图基本原理

 

图2为全息体视图基本原理,传统的全息体视图计算时,全息图H被分割为多个单元全息图,三维物体上一点与不同单元全息图中心连线决定了物点发光到该单元全息图的一个细束平面波,该平面波在频域内为一个频域点。对于每个单元全息图,通过构建所有三维物点与其连线决定的频域形成完整的单元全息图频谱,之后再逆傅里叶变换编码为单元全息图。该方法可并行计算,且使用快速傅里叶变换能实现全息图加速计算,但仅能用于单色全息三维显示。

 

(2) 计算机制半周视彩色彩虹全息体视图

 

 

图3. 计算机制周视彩色彩虹全息体视图计算原理

 

在本研究中,通过对单元全息图进行设计实现半周视彩色彩虹全息图。如图3(a)为单元全息图,其发光由侧视角θd和视场角θFy决定,所设计的结构绕z周旋转一周形成单元全息图的发光模型,即每个单元全息图发出的光为位于所设计的圆锥内的光场。对于彩虹全息计算时,三原色波长分别为λr,λg和λb,尽管每个单元全息图设计的发光方向和视场角相同,但由于设计的波长不同,从而导致不同颜色的光场在频域内的位置不同,形成三个环带的频谱分布,如图3(b)所示。从而与全息体视图计算类似,对于一个彩色三维物点,当其发光在设定的 圆锥内时,计算三色光的频谱,形成包含三色频谱的完整频谱,进行傅里叶逆变换编码为单元全息图,所有单元全息的组合得到高分辨率周视彩色彩虹全息图。

在实际全息图编码时,我们采用振幅全息的编码形式,存在共轭光的影响,为此,将图3(b)所示的环形频谱,仅保留上半部分,形成半周视彩色彩虹全息图的频谱,通过微纳加工形成计算机制半周视彩色彩虹全息图。图4为人眼从不同角度观看的三维显示效果,色子是作为参照物的实际物体,人眼实际观看效果比拍摄的效果更佳。视频1为实际拍摄的从不同角度观看时的效果。

 

 

图4. 四个方向不同视角的彩色全息再现像:

(a)30°方向上再现像;(b)70°方向上再现像;(c)110°方向上再现像;(d)150°方向上再现像

 

当我们采用纯相位全息(phase-only hologram)的编码时,且采用微纳加工实现精准的相位调控时,可避免振幅全息产生的共轭像的影响,从而有望实现360°可围观的彩色全息三维显示。

尽管上述方案是针对高分辨率大尺寸彩色全息三维显示而设计的,但其计算方法亦可应用于基于LCoS的动态全息三维显示中,结合AR技术,有实现彩色全息AR三维显示的潜力。

 

 
2021-08-19

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