基于频域光场图像渲染的纯相位全息三维显示

纯相位全息图相比于振幅全息图具有无共轭衍射光和高能量利用率的优点，是全息三维显示的重要研究方向。
 
为了实现大尺寸高分辨率纯相位全息三维显示，珑璟光电与浙师大研究人员合作提出了一种基于频域光场图像渲染的纯相位全息三维显示，对每个单元全息图，通过渲染获得频域内的光场图像，通过优化的GS迭代算法计算获得纯相位单元全息图，利用相邻光场图像之间的相似性，提升纯相位单元全息图的质量，实现了分辨率为200K×200K pixels的大尺寸高分辨率纯相位全息三维显示。
 
本研究成果近期被国际光学权威期刊IEEE Photonics Journal (SCI, IF: 2.4)录用。
 
基本原理及实验结果如下：
 

图1. (a) 全息图频域与光场图像频域关系；

(b) 并行加速方法

 
图1(a)给出单元全息图频域及光场图像频域分布示意图，给定单元全息图参数及衍射光场参数，通过光场图像渲染，获得每个单元全息图在远场衍射情况下频域内的光场图像，通过优化的GS算法进行计算。图1(b)为并行加速计算方法，随机选择多行全息图进行并行计算，其中一行内的单元全息图依次进行串行计算，通过多线程技术减少全息图计算时间。
 

图2. 为单元全息图计算流程
 
图2为算法流程，前一个单元全息图相位存在时，使用该相位重构初始复振幅计算当前纯相位单元全息图，否则以随机相位构建初始复振幅进行计算。由于相邻光场图像间存在相似性，若前一张光场图像存在，其计算的单元全息图与后一单元全息之间存在相似性，所以可以采用该方法提升纯相位单元全息图的质量。图3给出不同初始相位情况下的峰值信噪比情况，红色曲线为以随机相位作为初始相位计算的全息图信噪比与迭代次数关系，而其它曲线为以前一张全息图作为初始相位进行当前纯相位单元全息图计算的情况，可以看出，所提出方法在提高峰值信噪比方面具有一定优势。

图3. 不同相位初始条件信噪比情况
 
图4为全息图计算时设计的两个三维模型，第一个模型包含“珑璟”和“光电”，分别位于两个深度，第二个为一个复杂的三维模型。
 

图4. (a) 三维模型I; (b) 三维模型II
 
图5给出第一个模型计算的高分辨率全息图四个视角拍摄的显示效果，从图5(a)和图5(c)比较可看出纵向视差的变化情况，从图5(b)-(d)可看出观看视角不同时横向视差变化情况。Video I为拍摄的该实验结果的视频。
 

图5. 模型I的四个视角的全息显示结果
 

Video I. 模型I再现拍摄的视频
 
图6给出第二个模型三个视角的再现像。Video II给出第二个模型拍摄的视频。实验结果均为手机拍摄的结果，实际人眼观看效果比拍摄结果效果更佳。
 

图6. 模型II的三个视角全息显示结果
 

Video II. 模型II再现拍摄的视频
 
AR显示中的光能利用率很大程度上决定了智能眼镜的续航能力，实现纯相位全息AR三维显示一方面有望提升续航，另一方面可解决现有基于双目视差的AR三维显示导致辐辏调节冲突问题，具有重要的实际价值。本文的方法虽针对高分辨率全息三维显示设计，但亦可针对现有纯相位LCoS，生成2K或4K分辨率的纯相位全息图，应用于AR三维显示领域。
 
 
2021-10-08
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