基于迭代的纯相位全息图生成算法比较研究

纯相位全息图因无共轭像、衍射效率高，在全息三维显示中得到广泛应用。迭代算法因计算灵活、编码图像重建质量高，在纯相位全息图生成中具有重要地位。对基于迭代的生成纯相位全息图最新算法进行比较研究，介绍迭代算法生成纯相位全息图的基本原理，编程实现了典型代表性、创新性算法。通过图像重建质量、耗时长短的对比，进行了详细的实验研究，分析了各类方法的特点和优缺点。结论表明，对于较大像素差的图像，选用直方图补偿算法可得较好的效果，对于高重建质量的图像，可选用自适应加权Gerchberg-Saxton算法。     

高斯光束变换成方形均匀焦斑的衍射光学元件的研究

采用二维加权串行迭代算法(WSI)设计了8台阶的衍射光学元件(DOE)进行激光光束整形,将圆形高斯激光束变换为10μm×10μm的方形均匀焦斑,同时满足了二维激光光束形状的改变及振幅分布均匀化的功能;应用到高密度全息存储中,实现了入射到记录材料上焦斑强度的均匀分布。模拟计算结果表明,转换到均匀区的能量效率达到912%,平顶区的不均匀度为46%,误差小于0023%,基本上达到了设计的要求。同时分析了衍射光学元件对入射高斯光束的束腰半径及傅里叶变换透镜焦距的宽容度,还制作出了8台阶量化相位衍射光学元件的三套掩膜板。     

基于平行相位调制算法的半导体激光光束整形方法

半导体激光器的发射光束存在发散角大、光照强度分布不均匀等缺陷,使其不能直接用于干涉测量,为改善光束质量,提出基于平行相位调制算法的半导体激光光束整形方法。首先,分析平行相位调制基本原理,设计相位函数,提高信号光照强度,使脉冲相位分布情况满足傅里叶变换极限脉冲水平;其次为获取理想的基模高斯光束,结合正弦光栅算法,获取光束整形的全息图函数表达式;最后为确保入射光束能够铺满整个调制器,使该光束透过扩束镜,调整光束尺寸,并将扩束后的光束消像散全息图叠加到整形全息图中,从而得到理想的激光光束。仿真实验表明,所提方法使激光光束整形为无像散的基模高斯光束,光斑发散角对称性较明显,最低光束质量为81. 4 mm°mrad高于文献方法,能够满足精准度较高的干涉测量要求。     

三维纯相位全息显示中的散斑噪声抑制

提出了一种基于角谱衍射理论的误差扩散算法。通过分层角谱算法计算得到三维物体的复振幅全息图,利用误差扩散法计算得到纯相位全息图,并重建出清晰的再现像,实现了对三维物体纯相位全息再现像的散斑噪声的抑制。仿真实验验证了该方法的可行性及优越性,所提方法明显提高了重构图像的质量。     

激光阵列探测中影响计算全息位相光栅衍射效率因素的分析

本文针对相干阵列探测系统中的光束整形问题，讨论了影响计算全息位相光栅衍射效率的一些因素，为计算全息图的设计及光栅的制作提供了重要的依据，使其实际应用成为可能。     

基于深度学习和分层角谱的三维纯相位全息显示

传统的纯相位全息成像方法,大多数依赖于高强度的迭代,耗费时间长,成像质量不高,针对此问题,提出了一种深度学习与分层角谱结合的纯相位全息图生成算法,在快速生成全息图的同时提高了全息图再现质量.通过LeNet网络结构预测三维物体的复振幅信息,降低了计算量,采用精确的角谱算法生成三维物体的高质量纯相位全息图.通过仿真实验证明...     

基于计算全息的菲涅尔双随机相位加密技术

基于傅里叶计算全息技术,结合菲涅尔双随机相位加密系统,提出了一种数字图像加密方法。该方法以傅里叶计算全息图记录菲涅尔衍射双随机相位加密图像,傅里叶计算全息加密图像隐藏了原图像大小尺度信息,而且再现多个图像,必须针对加密图像共轭方可解密,提高了图像加密的安全性,并且解决了普通方法加密图像难存储的问题,作为原始明文的拥有者,两个随机相位板,应用波长,两次菲涅尔衍射的距离都可作为解密密钥。     

3D全息显示的城市光子地图系统设计

针对现有电子地图不能同时多视角、直观、真实地显示三维地形地貌信息,难以满足高速发展的数字化、信息化城市的建设和管理需求的问题,研究了一种运用全息显示技术的3D城市光子地图系统设计,提出了一种采用逆向衍射纯相位计算全息算法。首先运用SfM(Structure from Motion)理论获取3D地形点云数据,然后从衍射结果出发,将重构的3D地形信息作为衍射目标图像,逆向求取需要的衍射条纹;再通过分配衍射单元的查表算法转化为全息干涉条纹,写入银盐干板记录材料,在白光照射下再现为真三维光子地图。3D全息图在自行搭建的实验平台得到了显示,并借助外协设备将校园局部全息图打印在银盐板上。实验结果表明,系统设计方案可行,算法的运算效率和准确度较高,全息图的显示效果体现出了光子地图的基本属性。     

提高计算全息图再现质量的研究

运用计算全息原理与二元光学技术设计制作了用于波面变换的计算全息ＣＧＨ元件。采用此方法制作的计算全息元件的衍射效率比一般计算全息元件的衍射效率（理论值为１０．１３％）提高了约三倍。再现质量得到了改善。     

基于并行计算的实时数字全息显微镜

为了实现实时数字全息显微观测,采用数字全息并行算法达到实时再现要求。首先根据设计的数字全息显微镜光路结构,充分利用图像传感器空间带宽积,通过实时记录方案采集全息图、物光强及参考光强以消除0级;然后通过设计的并行再现软件,将采集到的图像均匀分割为4个区域,交由4个进程分别同时计算,每个进程实现对应区域的全息图再现后,将每个再现结果再均分成4个区域,并将对应区域重新组合成4组数据交由4个进程分别同时进行叠加,计算相位及强度;最后将4个进程计算得到的相位、强度重新拼接成完整的再现强度及相位图。结果表明,系统的数据采集和图像再现速度达到了18frame/s。该设计系统实现了实时全息显微观测。     

基于共形对应的球面图像的计算全息图

研究了基于共形对应的球面图像的计算全息图(CGH)的生成和重现.通常,当用平面波照射全息图时,所重现的图像一般显示在平面上.共形对应在计算机图形学中被广泛应用,它可以将平面图像和任意曲面对应.相对于简单的坐标变换,共形对应关系具有很多优点,如它可以保持变换前后图像之间的几何形状不变性等.将共形对应引入计算机全息图的生成过程中,利用平面与球面的共形对应关系,生成显示于球面的二维图像的计算全息图,并由所生成全息图得到原始图像,从而实现整个全息记录和重现过程的计算机模拟.二维图像重现于球面实际上了产生三维显示,因此上述方法在从计算全息图重现三维图像方面起到重要的作用.     

数字全息多平面成像技术研究

提出了一种新的数字全息多平面成像技术:将非共轭二次扭曲位相因子作用于实验记录的数字全息图,只需一次菲涅尔衍射便可同时对多个成像平面进行重建。首先介绍了非共轭二次扭曲位相因子多平面成像原理,然后开展实验验证了方法有效性。此方法只需记录一幅处于多个不同平面物体的数字全息图,依据该理论选择合适参数,可在任意位置重建多个平面再现像。采用均方根误差(RMSE)与峰值信噪比(PSNR)作为图像质量评价标准,比较了不同再现距离的成像质量。文中提出方法在无需对光路进行对称设计的前提下,可同时对多个平面进行数字聚焦,延拓了菲涅尔数字全息重建图像的焦深。     

多平面数字全息显微成像技术研究

为了同时获得多个平面的数字全息显微再现图像以延拓成像空间深度,提出一种多平面数字全息显微成像法。将预先设定参数的二次扭曲位相因子作用于实验记录的数字全息图,只需一次菲涅耳重建便可同时获得多个成像平面的清晰再现图像。首先依据菲涅耳成像系统的传递函数,推导了采用二次扭曲位相因子的成像传递函数,确定参数频域滤波的选取规则;然后将实验得到的数字全息图像进行频域滤波以消除直透光和共轭像;最后将二次扭曲位相因子作用于滤波后的全息图进行菲涅耳重建。与其他方法相比较,本方法只需一次重建就能同时得到多个平面的聚焦像,且重建距离可以任意选择,再现图像不受直透光和共轭像干扰。     

菲涅耳全息投影中零级光的消除

采用菲涅耳相位全息图进行全息投影显示时,再 现像的视觉效果受到空间光调制器(SLM)像素结构引起 零级光的影响。为消除零级光的影响,本文基于原有的菲涅耳全息投影系统,在SLM后面引 入成像透镜, 并在透镜的后焦面设置高通滤波器以滤除零级光。为抵消成像透镜引起 的相位变化,通过引入发散球面, 实现调节全息再现像成像位置的目的。实验结果表明,在 不改变菲涅耳相位全息图重构距离的情况下,可以有效消除零级光对全息再现像的影响。     

高分辨率多视点动态全息3D显示

提出了一种高分辨率多视点动态全息3D显示方法,观看视点位置变化时,观看者能够看到连续变化的3D效果。在进行全息图计算时,首先根据针孔阵列投影模型,渲染3D动画中每一帧3D模型的光场图像序列;然后从已渲染的多组光场图像序列中抽取对应视角信息的光场图像进行融合,得到融合后的动态光场图像序列;在进行全息图编码时,以动态光场图像序列中的一帧图像作为物光振幅,以来自于针孔的发散球面波的相位作为物光相位,引入平面参考光进行编码,得到一个单元全息图。由于每个单元全息图的计算是相互独立的,因此在计算过程中使用并行加速计算,实现了尺寸为32 mm×32 mm、分辨率为100000 pixel×100000 pixel的高分辨率全息图,其光场图像融合和全息编码的时间仅需27 min。光学再现结果证明了该方法的可行性。所提出的高分辨率多视点动态全息3D显示方法在全息包装和3D广告等领域具有广泛的应用前景。     

基于数字微镜器件的计算全息3维显示

为了进一步研究计算全息3维显示的方法,以数字微镜器件为空间光调制器,采用层析法,结合菲涅耳衍射积分算法中的角谱法,探讨了全息图的计算与数字微镜器件参量之间的关系,并利用修正立轴参考光编码的方式,得到了菲涅耳计算全息图。通过对计算全息图进行数值模拟及实验验证,均得到了较好的再现像。结果表明,该方法实现了3维物体的再现,为计算全息3维显示提供了一种有效的方法。     

基于数字微镜的计算全息再现像质增强

为了实现基于数字微镜器件的高质量全息图再现,阐述了数字微镜器件的灰度调制特性及其衍射特性,探讨了数字微镜器件进行全息显示的机理,实现了基于数字微镜器件的全息图高质量再现,并给出了相应的数值模拟结果。结果表明,经过灰度调整后的计算全息图再现效果有明显改善。这一结果对数字微镜用于计算全息显示是有帮助的。     

Artificial Microwave Volume Holograms Based on Printed Disk Media: Theory and Measurement of Single-Grating Holograms

A new type of complex electromagnetic structure, the artificial microwave volume hologram (AMVH), has been developed. The structure consists of cascaded planar lattices of metallic circular patches with varying size and can be designed to have an effective dielectric modulation that follows a holographic interference pattern. Under the illumination of certain electromagnetic waves, an AMVH can reproduce a required wave field pattern based on its design, just like an optical volume hologram. A theoretical model, namely the self-consistent dynamic-dipole interaction theory, has been presented to characterize AMVHs for wave scattering and beam reconstruction. It can be used for designing and optimizing AMVHs. Comparisons with the coupled-wave theory (CWT) and a full-wave finite element method analysis have been made to validate the proposed theory. A prototype AMVH has been fabricated and measured, which has confirmed the AMVH concept as well as the theoretical model     

衍射光学器件精细化设计及光强失真机理

基于基尔霍夫标量衍射理论,详细分析了输入、输出平面及变换函数抽样间距的选取原则.系统建立了衍射光学器件精细化设计的抽样理论,深入研究了输出图样在非抽样点上的光强失真机理.在定义衍射光学器件光能利用率、顶部不均匀性等性能评价参数的基础上,以盖师贝格-撒克斯通(GS)算法设计一维光束整形器件为例,探讨了输出图样在非抽样点上的光强失真和输出平面抽样间距间的关系,通过模拟计算验证了精细化设计时输入与输出平面抽样理论的有效性.