纯相位彩色彩虹全息近眼显示

白光照明的纯相位彩色全息图能够实现无散斑噪声干扰的真三维彩色全息显示,是全息三维显示领域的重要研究方向。珑璟光电与鹏城实验室研究人员合作,在前期研究基础上,提出并实现了纯相位彩色彩虹全息近眼显示的方法,指出当照明光的波长与设计波长不相同时的再现会引起一定的波前像差,但不引起高级衍射光,通过带限衍射获得二维及三维图像的复振幅分布,通过优化的误差扩散算法并编码三色参考光相位获得纯相位彩色彩虹全息图,实现了彩色近眼显示效果。
Optics Letters (OL)杂志于1977年建刊,是美国光学学会(OSA)的旗舰期刊,主题范围涵盖光学及光学工程领域所有最新的研究成果。OL位列中科院SCI期刊分区top2 区。
本研究成果近期被国际光学权威期刊Optics Letters (SCI, IF: 3.776)录用。
基本原理如下:
图1. 纯相位彩色彩虹全息显示原理
纯相位彩色彩虹全息显示原理如图1所示,全息图位于透镜前焦平面上,准直白光平面光C以一定角度照明纯相位全息图,照明光被调制发生纵向色散,衍射一段距离后形成再现像,在透镜的后焦平面上,三组色散光谱重叠,人眼可在一定位置同时看到红色、绿色和蓝色光谱,而实际上看到的彩色图像为全息再现像通过lens放大于远处的三维再现像。与振幅全息不同,纯相位全息衍射时只存在一级衍射光,从而可提升能量利用率。
全息图计算时,将彩色三维物体分割为多层,每一层对应一个深度。对于一个颜色通道,三维场景每一层深度的图像进行傅里叶变换之后乘以与该深度对应的点扩散函数,再和与观察狭缝相对应的频带响应函数乘后进行逆变换获得该深度物体在全息平面上复振幅,所有深度图像的复振幅叠加获得该衍射通道的复振幅

  (1)

其中可表示为:
                (2)
其中为y方向上的带宽,与观察狭缝对应。
 
然后通过优化的双向误差扩散算法获得编码后的该颜色通道的相位,可表示为:
                          (3)
误差扩散算法的示意图如图2所示,图2(a)为误差扩散算法像素扫描的方向,而图2(b)给出一个像素中误差扩散的方向,奇数列方向的误差扩散表示为:
    (4)
偶数列方向的像素误差扩散表示为:
   (5)
图2. 误差扩散算法示意图
当获得彩色三维物体三组编码后的相位后,纯相位彩色彩虹全息可以表示为:

      (6)

其中为对应于不同波长的平面参考光的相位。
图3给出了纯相位彩色彩虹全息的实验结果,其中图3(a)为原始图像,图3(b)为编码的纯相位彩色彩虹全息图,图3(c)为图3(b)中红色框中的局部放大。图3(d)为图3(b)数值再现结果,图3(e)-(f)为实际光学再现的结果。
图3. 纯相位彩色彩虹全息的实验结果
图4给出了三维模型不同视角的图像及最终显示的几个视角再现像的效果。Video I为动态三维显示效果,实验结果均使用手机拍摄,实际观看效果比拍摄效果好。
图4. 三维模型不同视角的图像及再现结果

Video 1 动态三维显示效果

尽管该方案实现的显示效果相比于我们前期单波长编码的彩虹全息近眼显示略差(见:https://mp.weixin.qq.com/s/gYw2-Vx0l-ubPINWPaY7YQ),但该方案首次实现了纯相位的彩色彩虹全息近眼显示,我们后期将研究深度学习的方法用于纯相位彩色彩虹全息图的计算中,以提升相位调控的准确性,进一步改善彩色全息三维显示的质量。该方案有望应用于未来的全息AR三维显示中,以实现无辐辏调节冲突的真三维彩色显示。
 
2021-10-12

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