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的視覺體驗。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，散斑噪聲作為計算全息顯示的固有問題而制約著其進一步發(fā)展，本文從抑制散斑噪聲和擴大視區(qū)（FOV）兩個角度出發(fā)，使得圖像的質(zhì)量改善。

計算全息再現(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，計算全息的基本原理是什么？

計算全息的基本原理是：通過計算機算法實現(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，存儲在計算機中。接著，通過數(shù)字信號處理技術(shù)將這些相位信息轉(zhuǎn)換成一系列控制信號，然后通過光學(xué)器件（如液晶屏、光柵等）將這些控制信號轉(zhuǎn)化成光學(xué)全息圖像。與光學(xué)全息不同，計算全息不需要光學(xué)顯影過程，因此可以實現(xiàn)高速、高精度的全息圖像生成。

圖1 計算全息光學(xué)再現(xiàn)示意圖

本實驗所采用的空間光調(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。在全息圖計算中加入初始隨機相位是必要的，因為它可以使得物體的高頻信息得到傳遞和重建。而物面不加入初始隨機相位時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，主要分為以下四個部分：

a)在全息圖編碼過程中，物面的振幅信息丟失會導(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，會造成粗糙表面的形成，高相干性的再現(xiàn)光源照射后會導(dǎo)致散斑噪聲產(chǎn)生。

為了抑制散斑噪聲，可采用時間平均法和像素分離法等方法。下面簡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，會產(chǎn)生額外的衍射效應(yīng)。這種衍射效應(yīng)會導(dǎo)致再現(xiàn)像點呈現(xiàn)出艾里斑的形式。對于任意一個艾里斑，在它的區(qū)域內(nèi)有與其發(fā)生重疊的艾里斑，在這個區(qū)域內(nèi)受再現(xiàn)光的影響而發(fā)生隨機干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致散斑噪聲的進一步產(chǎn)生，并且隨機干涉的面積也會隨著艾里斑的重疊面積增加而增大，斑點噪聲會愈加嚴(yán)重。

像素分離法就是為了抑制這種斑點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個物點組，從而物體中相鄰的物點在空間上被分離到不同的物點組中。每個物點組會對應(yīng)生成一個子重建像，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取不同值時子像中艾里斑的重疊情況

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

3. 時間平均法

為了抑制散斑噪聲，可以采用時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幅獨立非相關(guān)的散斑圖樣疊加時，散斑對比度降低到原始的。因此，該方法可以顯著抑制全息再現(xiàn)像中的散斑噪聲。時間平均法的基本原理是對多幅全息圖序列進行計算，每幅圖計算時引入不同的隨機初始相位，再現(xiàn)圖像序列后得到具有不同散斑分布的子再現(xiàn)像。通過時間復(fù)用原理得到散斑抑制的全息再現(xiàn)像。

圖6 時間平均法的實現(xiàn)過程

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

該方法可以生成多個尺寸較大的sub-CGH。

通過像素分離，將記錄的物體分離為多個物點組，每個物點組的信息被記錄在具有獨立初始隨機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SLM來加載子全息圖，并通過時間復(fù)用來重建圖像。其中FOV被放大是因為每個圖像點的光分布尺寸被增大。同時，通過平均效應(yīng)和相鄰圖像點的分離來減少圖像的斑點噪聲。

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，從左視點（A1,A2）和右視點（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，左視點（B1,B2）和右視點（B3,B4）拍攝的“3D”圖像；當(dāng)“3”和“D”分別通過GS方法聚焦時，左視點（C1,C2）和右視點（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（A）和右視點（B）捕獲的光學(xué)重建圖像；通過GS方法在左視點（C）和右視點（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全息顯示方法。

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

模塊化系統(tǒng)推出

我司在計算全息的基礎(chǔ)上還推出了彩色全息，基于時分復(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)制器承載全息圖實現(xiàn)對激光的調(diào)制，進而實現(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?？蓱?yīng)用于國防軍事、教育科學(xué)、文化娛樂、創(chuàng)意設(shè)計等全息投影顯示領(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：

馬寧濤.計算全息再現(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