隨著三維顯示技術(shù)的發(fā)展，三維顯示技術(shù)的研究日新月異，人們希望獲得更為真實(shí)的視覺體驗(yàn)。全息顯示作為真三維顯示技術(shù)，能夠提供人眼感知三維物體所需的全部深度信息，給人以舒適、真實(shí)的三維立體視覺感。全息技術(shù)在軍事、醫(yī)療、商業(yè)以及其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

計(jì)算全息顯示技術(shù)發(fā)展至今仍存在著再現(xiàn)像質(zhì)量差、計(jì)算速度慢與全息再現(xiàn)像的尺寸小和視區(qū)窄等關(guān)鍵性問題，其中，散斑噪聲作為計(jì)算全息顯示的固有問題而制約著其進(jìn)一步發(fā)展，本文從抑制散斑噪聲和擴(kuò)大視區(qū)（FOV）兩個(gè)角度出發(fā)，使得圖像的質(zhì)量改善。

計(jì)算全息再現(xiàn)質(zhì)量提升技術(shù)的研究

首先明確什么是光學(xué)全息？

光學(xué)全息是一種記錄和再現(xiàn)物體信息的成像技術(shù)。其原理是：將物體發(fā)出的光波和已知振幅和相位的光進(jìn)行干涉，將它們記錄在感光介質(zhì)上，然后，通過光的衍射原理，用特定的照明方式將記錄下來的感光介質(zhì)照亮，在再現(xiàn)過程中就可以重現(xiàn)原始物體的全部信息。

相比于光學(xué)全息，計(jì)算全息的基本原理是什么？

計(jì)算全息的基本原理是：通過計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)物光波的相位分布，然后將這些信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。接著，通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將這些相位信息轉(zhuǎn)換成一系列控制信號(hào)，然后通過光學(xué)器件（如液晶屏、光柵等）將這些控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成光學(xué)全息圖像。與光學(xué)全息不同，計(jì)算全息不需要光學(xué)顯影過程，因此可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的全息圖像生成。

圖1 計(jì)算全息光學(xué)再現(xiàn)示意圖

本實(shí)驗(yàn)所采用的空間光調(diào)制器為我司的FSLM-2K55-P，其參數(shù)規(guī)格如下：

計(jì)算全息顯示中散斑噪聲的來源

全息顯示中的激光散斑現(xiàn)象被視為影響全息再現(xiàn)像質(zhì)量的光學(xué)干擾，稱為散斑噪聲。純相位全息圖可以獲得高質(zhì)量的再現(xiàn)像。然而，純相位全息圖獲取算法的缺陷和再現(xiàn)光源的高度相干性會(huì)導(dǎo)致散斑噪聲的存在，所以必須采取措施抑制散斑噪聲。在全息圖計(jì)算中加入初始隨機(jī)相位是必要的，因?yàn)樗梢允沟梦矬w的高頻信息得到傳遞和重建。而物面不加入初始隨機(jī)相位時(shí)只有部分高頻信息能傳遞到全息面上，導(dǎo)致低頻信息的丟失，影響再現(xiàn)時(shí)的物體重建質(zhì)量。

圖2 全息圖的記錄和再現(xiàn)過程示意圖

全息再現(xiàn)像中的散斑噪聲還有其他的來源，主要分為以下四個(gè)部分：

a)在全息圖編碼過程中，物面的振幅信息丟失會(huì)導(dǎo)致散斑噪聲的產(chǎn)生。

b)在全息再現(xiàn)系統(tǒng)中，由于SLM的孔徑限制，使得再現(xiàn)光會(huì)產(chǎn)生額外衍射，導(dǎo)致散斑噪聲的出現(xiàn)。

c)在全息圖的記錄過程中，全息面上的物光波會(huì)受到全息面大小限制而接收部分信息，這使得散斑噪聲的出現(xiàn)。

d)全息顯示系統(tǒng)中的光學(xué)器件出現(xiàn)表面缺陷，會(huì)造成粗糙表面的形成，高相干性的再現(xiàn)光源照射后會(huì)導(dǎo)致散斑噪聲產(chǎn)生。

為了抑制散斑噪聲，可采用時(shí)間平均法和像素分離法等方法。下面簡(jiǎn)單介紹一些散斑噪聲抑制方法。

1. GS算法

Grechberg-Saxton（GS）算法是目前獲取純相位全息圖中較成熟的算法。這種算法需要在滿足物平面和全息面設(shè)定的約束條件下經(jīng)過多次的傅里葉變換和逆變換的迭代計(jì)算，得到衍射率較高的相位全息圖。其算法流程圖如下圖所示。

圖3 GS算法流程圖

2. 像素分離法

在全息再現(xiàn)系統(tǒng)中，需要使用高相干性的激光作為再現(xiàn)光源，在經(jīng)過衍射生成再現(xiàn)像的過程中會(huì)使用到一些光學(xué)器件。由于光學(xué)器件的孔徑尺寸有限，因此在相干再現(xiàn)光衍射再現(xiàn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的衍射效應(yīng)。這種衍射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致再現(xiàn)像點(diǎn)呈現(xiàn)出艾里斑的形式。對(duì)于任意一個(gè)艾里斑，在它的區(qū)域內(nèi)有與其發(fā)生重疊的艾里斑，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)受再現(xiàn)光的影響而發(fā)生隨機(jī)干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致散斑噪聲的進(jìn)一步產(chǎn)生，并且隨機(jī)干涉的面積也會(huì)隨著艾里斑的重疊面積增加而增大，斑點(diǎn)噪聲會(huì)愈加嚴(yán)重。

像素分離法就是為了抑制這種斑點(diǎn)噪聲而提出的解決方法。在像素分離法中，通過取特定的像素分離間隔N可以將物體分離成N2個(gè)物點(diǎn)組，從而物體中相鄰的物點(diǎn)在空間上被分離到不同的物點(diǎn)組中。每個(gè)物點(diǎn)組會(huì)對(duì)應(yīng)生成一個(gè)子重建像，子像中艾里斑之間的重疊面積隨著N值的不同而發(fā)生變化，其情況如下圖所示。

圖4 像素分離間隔N取不同值時(shí)子像中艾里斑的重疊情況

圖5 像素間隔N取不同值對(duì)應(yīng)的最終再現(xiàn)像及對(duì)應(yīng)放大區(qū)域

3. 時(shí)間平均法

為了抑制散斑噪聲，可以采用時(shí)間平均法來提高全息再現(xiàn)像的質(zhì)量。已有研究表明，在N幅獨(dú)立非相關(guān)的散斑圖樣疊加時(shí)，散斑對(duì)比度降低到原始的。因此，該方法可以顯著抑制全息再現(xiàn)像中的散斑噪聲。時(shí)間平均法的基本原理是對(duì)多幅全息圖序列進(jìn)行計(jì)算，每幅圖計(jì)算時(shí)引入不同的隨機(jī)初始相位，再現(xiàn)圖像序列后得到具有不同散斑分布的子再現(xiàn)像。通過時(shí)間復(fù)用原理得到散斑抑制的全息再現(xiàn)像。

圖6 時(shí)間平均法的實(shí)現(xiàn)過程

在文章中，提出了一種斑點(diǎn)噪聲被抑制的大視場(chǎng)全息顯示。與傳統(tǒng)的方法不同，

該方法可以生成多個(gè)尺寸較大的sub-CGH。

通過像素分離，將記錄的物體分離為多個(gè)物點(diǎn)組，每個(gè)物點(diǎn)組的信息被記錄在具有獨(dú)立初始隨機(jī)相位的不同全息圖上。在全息重建中，使用空間中呈直線排布結(jié)構(gòu)的三個(gè)SLM來加載子全息圖，并通過時(shí)間復(fù)用來重建圖像。其中FOV被放大是因?yàn)槊總€(gè)圖像點(diǎn)的光分布尺寸被增大。同時(shí)，通過平均效應(yīng)和相鄰圖像點(diǎn)的分離來減少圖像的斑點(diǎn)噪聲。

圖7 所提方法的示意圖

圖8 重建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖9 當(dāng)所提出的方法分別聚焦“3”和“D”時(shí)，從左視點(diǎn)（A1,A2）和右視點(diǎn)（A3,A4）拍攝的光學(xué)重建“3D”圖像；當(dāng)通過像素分離方法分別聚焦“3”和“D”時(shí)，左視點(diǎn)（B1,B2）和右視點(diǎn)（B3,B4）拍攝的“3D”圖像；當(dāng)“3”和“D”分別通過GS方法聚焦時(shí)，左視點(diǎn)（C1,C2）和右視點(diǎn)（C3,C4）拍攝的光學(xué)重建“3D”圖像

圖10 通過所提出的方法分別從左視點(diǎn)（A）和右視點(diǎn)（B）捕獲的光學(xué)重建圖像；通過GS方法在左視點(diǎn)（C）和右視點(diǎn)（D）捕獲的光學(xué)重建圖像

總結(jié)：

文中提出了一種基于散斑噪聲被抑制的大視場(chǎng)全息顯示方法。

該方法通過子CGH的產(chǎn)生保證了每個(gè)像點(diǎn)的光分布尺寸增大，從而實(shí)現(xiàn)了FOV的擴(kuò)大。此外，基于時(shí)分復(fù)用，通過平均噪聲并分離相鄰圖像點(diǎn)，有效地抑制斑點(diǎn)噪聲。該方法操作簡(jiǎn)單易行，具有一定的實(shí)用價(jià)值。與GS方法相比，本文提出的方法在觀看距離R=600mm時(shí)，F(xiàn)OV尺寸增大了40倍，散斑對(duì)比度降低了54.55%。與像素分離法相比，散斑對(duì)比度降低了19%。

模塊化系統(tǒng)推出

我司在計(jì)算全息的基礎(chǔ)上還推出了彩色全息，基于時(shí)分復(fù)用方法建立的彩色全息顯示系統(tǒng)，以R、G、B激光作為光源，利用空間光調(diào)制器承載全息圖實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彩色全息顯示。該系統(tǒng)具有參數(shù)可靈活配置、易于操作、衍射效率高等優(yōu)點(diǎn)。可應(yīng)用于國(guó)防軍事、教育科學(xué)、文化娛樂、創(chuàng)意設(shè)計(jì)等全息投影顯示領(lǐng)域。

圖11 彩色全息系統(tǒng)

彩色全息系統(tǒng)中配套的空間光調(diào)制器型號(hào)為FSLM-2K39-P02，其參數(shù)規(guī)格如下：

除FSLM-2K39-P02外，我司還有其他型號(hào)的相位型和振幅型SLM同樣支持彩色全息，參數(shù)規(guī)格如下：

*后續(xù)推出單色180Hz，彩色60Hz。

參考文獻(xiàn)：

馬寧濤.計(jì)算全息再現(xiàn)質(zhì)量提升技術(shù)的研究[D].鄭州輕工業(yè)大學(xué)，2023.

審核編輯 黃宇