全息顯示的計(jì)算原理、方法及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).pdf

1、1948年，英國(guó)科學(xué)家DennisGabor[3]發(fā)明了全息術(shù)并用物理手段在光域中得到了實(shí)現(xiàn)。全息術(shù)的基本原理是用一個(gè)已知的波場(chǎng)(在光全息術(shù)中所謂的參考波)來(lái)調(diào)制、記錄、重構(gòu)(顯示)、提取另一個(gè)未知波場(chǎng)。全息術(shù)的發(fā)展為三維顯示技術(shù)特別是動(dòng)態(tài)全息顯示技術(shù)提供了新的發(fā)展空間。本論文擬借助強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段(例如分?jǐn)?shù)傅里葉變換、Wigner分布)為傳統(tǒng)的光波場(chǎng)的衍射計(jì)算提供了一種統(tǒng)一的描述工具以及若干快速算法并借助先進(jìn)的空間光調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全

2、息顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，構(gòu)造一種新的成像系統(tǒng)的樣機(jī)。 經(jīng)典的物理方法對(duì)全息顯示的記錄介質(zhì)的分辨率及記錄裝置的靈敏度要求都非常高；而且由于記錄和重現(xiàn)是兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程，只能顯示靜止的圖像，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的顯示。計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)迅猛發(fā)展為全息顯示帶來(lái)了新的希望，高分辨率的空間光調(diào)制器以及數(shù)字投影裝置的發(fā)展為全息顯示技術(shù)的研究提供了新的工具。 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖方法由于在標(biāo)量衍射的光場(chǎng)描述中沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)值計(jì)算方法從而

3、計(jì)算復(fù)雜度高而且重構(gòu)的3D圖像的體積和視場(chǎng)都比較小，離市場(chǎng)化的要求距離遠(yuǎn)。因此在目前的計(jì)算機(jī)硬件條件下，算法和顯示系統(tǒng)的研究仍有很大的空間。將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與全息技術(shù)結(jié)合起來(lái)，采用強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段對(duì)物波函數(shù)、對(duì)物體的三維數(shù)據(jù)或?qū)ξ矬w的體視圖像編碼生成計(jì)算全息圖，再由空間光調(diào)制器生成衍射光柵，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光波的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)全息顯示是本論文的研究思路。 本論文中研究的將采用計(jì)算機(jī)技術(shù)與全息技術(shù)結(jié)合起來(lái)的方式，即用計(jì)算機(jī)生成全息圖并

4、由空間光調(diào)制器構(gòu)成的重構(gòu)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)全息顯示。主要涉及人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)參數(shù)的分析、3D景物的數(shù)字描述及光波衍射標(biāo)量場(chǎng)的表示、波前重構(gòu)的建模、采樣、編碼及顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等幾個(gè)方面的研究。論文完成的主要工作是： 1.研究了分?jǐn)?shù)傅里葉變換與菲涅耳衍射光場(chǎng)的緊密聯(lián)系，給出了分?jǐn)?shù)傅里葉變換的快速數(shù)值算法，為菲涅耳衍射計(jì)算找到一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)值計(jì)算方法。將分?jǐn)?shù)傅里葉變換應(yīng)用到計(jì)算全息圖中得到分?jǐn)?shù)傅里葉變換計(jì)算全息圖，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分?jǐn)?shù)傅里葉變換相對(duì)于

5、傳統(tǒng)的傅里葉變換在記錄全息數(shù)據(jù)方面的優(yōu)越性。 2.利用分?jǐn)?shù)傅里葉變換和wigner分布函數(shù)的關(guān)系將wigner變換引入到全息計(jì)算中，提出了wigner分布變換計(jì)算菲涅耳衍射光場(chǎng)的算法，并給出了wigner變換中所包含的全息信息以及wigner分布的Radon投影(即分?jǐn)?shù)傅里葉功率譜)在數(shù)字全息中應(yīng)用。 3.提出一種基于圖像(而又不同于體視全息)頻譜的計(jì)算全息圖方法，實(shí)現(xiàn)了一種基于圖像生成全息圖的計(jì)算和顯示，并給出模擬實(shí)驗(yàn)

6、結(jié)果。 4.初步搭建出以空間光調(diào)制器DMD為核心的光學(xué)重構(gòu)全息圖裝置并完成了部分全息圖的光電顯示和計(jì)算機(jī)模擬顯示。 本論文以光波的標(biāo)量衍射特征描述為原理，以全息顯示的實(shí)現(xiàn)為最終目標(biāo)，研究了全息圖的算法和全息顯示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作包括：將分?jǐn)?shù)傅里葉變換引入到全息圖的計(jì)算中，給出了菲涅耳衍射全息圖的統(tǒng)一形式；將wigner分布變換引入到全息顯示技術(shù)中，給出了一種可以在空間一頻率域中同時(shí)討論全息問(wèn)題的方式，為