基于頻域光場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共軛衍射光和高能量利用率的優(yōu)點，是全息三維顯示的重要研究方向。 為了實現(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圖像渲染的純相位全息三維顯示，對每個單元全息圖，通過渲染獲得頻域內(nèi)的光場圖像，通過優(yōu)化的GS迭代算法計算獲得純相位單元全息圖，利用相鄰光場圖像之間的相似性，提升純相位單元全息圖的質(zhì)量，實現(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際光學(xué)權(quán)威期刊IEEE Photonics Journal (SCI, IF: 2.4)錄用。 基本原理及實驗結(jié)果如下：

圖1. (a) 全息圖頻域與光場圖像頻域關(guān)系；

(b) 并行加速方法

    圖1(a)給出單元全息圖頻域及光場圖像頻域分布示意圖，給定單元全息圖參數(shù)及衍射光場參數(shù)，通過光場圖像渲染，獲得每個單元全息圖在遠場衍射情況下頻域內(nèi)的光場圖像，通過優(yōu)化的GS算法進行計算。圖1(b)為并行加速計算方法，隨機選擇多行全息圖進行并行計算，其中一行內(nèi)的單元全息圖依次進行串行計算，通過多線程技術(shù)減少全息圖計算時間。 

    圖2. 為單元全息圖計算流程 圖2為算法流程，前一個單元全息圖相位存在時，使用該相位重構(gòu)初始復(fù)振幅計算當(dāng)前純相位單元全息圖，否則以隨機相位構(gòu)建初始復(fù)振幅進行計算。由于相鄰光場圖像間存在相似性，若前一張光場圖像存在，其計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，紅色曲線為以隨機相位作為初始相位計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行當(dāng)前純相位單元全息圖計算的情況，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。

    圖3. 不同相位初始條件信噪比情況 圖4為全息圖計算時設(shè)計的兩個三維模型，第一個模型包含“瓏璟”和“光電”，分別位于兩個深度，第二個為一個復(fù)雜的三維模型。 

    圖4. (a) 三維模型I; (b) 三維模型II 圖5給出第一個模型計算的高分辨率全息圖四個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橫向視差變化情況。Video I為拍攝的該實驗結(jié)果的視頻。 

    圖5. 模型I的四個視角的全息顯示結(jié)果 

    Video I. 模型I再現(xiàn)拍攝的視頻 圖6給出第二個模型三個視角的再現(xiàn)像。Video II給出第二個模型拍攝的視頻。實驗結(jié)果均為手機拍攝的結(jié)果，實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)沖突問題，具有重要的實際價值。本文的方法雖針對高分辨率全息三維顯示設(shè)計，但亦可針對現(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。