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擬轉(zhuǎn)化成果 | 基于液晶空間光調(diào)制器的計(jì)算全息波前編碼方法
來源:中國光學(xué)《液晶與顯示》（ESCI,、Scopus收錄,，中文核心期刊）2022 年第 5 期 | 作者:4SHQ | 發(fā)布時(shí)間: 930天前 | 3570 次瀏覽 | 分享到:
現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的顯示技術(shù)以平板顯示為主,，其發(fā)展受限于顯示器件與顯示觀感,。在顯示器件方面,，LED 與液晶面板等應(yīng)用廣泛，但其發(fā)展受元件加工技術(shù)瓶頸的影響,，限制了顯示分辨率與視場角的進(jìn)一步提升,。在顯示觀感方面，基于雙目視差的顯示方案占據(jù)主流市場,，但其無法提供真實(shí)三維觀感的聚焦離焦效果,，并在長時(shí)間觀看后容易帶來視覺疲勞。


現(xiàn)有前沿顯示技術(shù)研究因而以突破顯示器件參數(shù)與顯示觀感上限為主要目標(biāo),，其技術(shù)路徑可分為近眼顯示與裸眼顯示兩類,。近眼顯示研究面向可穿戴顯示設(shè)備的市場需求，采用視差屏幕,、視網(wǎng)膜投影等技術(shù),，現(xiàn)已陸續(xù)產(chǎn)生融合虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與混合現(xiàn)實(shí)（MR）等概念的顯示產(chǎn)品,。裸眼顯示研究面向大場景沉浸式的顯示用戶需求,，已產(chǎn)生激光投影、全景 LED 顯示等技術(shù)方案,，并成功用于北京冬奧會(huì)等超清顯示場景,。兩種技術(shù)路徑均以實(shí)現(xiàn)具有超高數(shù)據(jù)量、真實(shí)觀感的三維顯示為終極目標(biāo),。

圖1：顯示技術(shù)發(fā)展路徑

全息技術(shù)因其能夠利用光的衍射原理重建出物體在空間中真實(shí)的波前分布,，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)真三維顯示的終極方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字化編碼器件的發(fā)展,，傳統(tǒng)全息中的干涉記錄過程可以在計(jì)算機(jī)中通過數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn),，即計(jì)算全息技術(shù)(CGH),。由于目前較為常用的計(jì)算全息顯示器件為空間光調(diào)制器，包含振幅型與相位型兩類,。為使全息圖數(shù)據(jù)格式能夠與編碼器件相匹配,，物光波在全息圖平面的復(fù)振幅分布需要轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振幅型全息圖或相位型全息圖，這個(gè)過程被稱為波前編碼,。

近日,，清華大學(xué) 曹良才 教授團(tuán)隊(duì)針對計(jì)算全息波前編碼方法在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄,、中文核心期刊）2022 年第 5 期發(fā)表綜述論文,，從基于液晶空間光調(diào)制器的全息圖編碼算法出發(fā)，圍繞優(yōu)化求解方法與復(fù)振幅轉(zhuǎn)換方法兩個(gè)方面對相位型全息圖波前編碼原理進(jìn)行分類,，對其數(shù)學(xué)理論與研究進(jìn)展進(jìn)行概述,。

優(yōu)化求解方法將相位型全息圖的計(jì)算過程轉(zhuǎn)換為逆問題求解,，依據(jù)全息圖的約束條件與物體相位的浮動(dòng),，優(yōu)化得到該問題的一個(gè)局部最優(yōu)解。目前較為廣泛應(yīng)用的計(jì)算全息優(yōu)化算法可以分為交替投影算法與非線性最小化算法,。

交替投影算法通過在不同約束構(gòu)成的集合之間投影迭代來更新求解的全息圖函數(shù),。早在 1972 年，Gerchberg 和 Saxton 提出了基于正逆傅里葉變換的交替投影算法,，簡稱為 G-S 算法（圖2）,。該算法將物函數(shù)置于空域，將全息圖置于頻域,，算法在迭代過程中分別在空域與頻域施加相關(guān)約束條件,。在 1978 年 Fienup 等人基于 G-S 的交替投影框架提出誤差下降算法。誤差下降算法在空域引入反饋約束機(jī)制,。誤差下降算法針對重建物函數(shù)中不同物點(diǎn)采取不同約束條件,，能夠有效提升重建圖像質(zhì)量并加快迭代收斂。在 1988 年 Wyrowski 等人提出在迭代中引入物函數(shù)平面的條件約束（圖3）,，并與全息圖平面的軟約束結(jié)合,，來使全息圖函數(shù)平緩過渡至滿足約束條件的局部最優(yōu)解。