（光学工程专业论文）基于空间光调制器的3d图像构建与可视化研究.pdf

基于空间光调制器的3 d 图像构建与可视化研究 学位申请人：梁艳明 导 专 师：周建英教授 业：光学工程 摘要 本文研究通过全息的方法合成三维光场，详细分析了三维g e r c h b e r g s a x t o n ( 3 dg s ) 算法的原理，使用该算法设计位相型计算全息图，并对其进行数字再 现。对反射型硅基液晶( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ，l c o s ) 进行定标，测得灰度 位相关系曲线和灰度光强关系曲线，把位相型全息图转换为灰度全息图。搭建 实验系统，再现出三维光场。利用量子点材料受激发射荧光的特性，把合成的三 维光场显示在量子点材料上。 本文分为四大部分： 第一章介绍了三维光学图像合成技术的应用，包括光通信器件的制备、大容 量光信息存储、全息光镊和立体显示。重点介绍了国内外对三维光场全息合成技 术和立体显示的研究现状。 第二章介绍了计算全息的概念和分类，以及位相型计算全息图的几种优化设 计方法，包括直接二元搜索算法、模拟退火算法、遗传算法、杨顾算法和g s 算法。重点介绍计算效率高、收敛速度快的3 dg s 算法。结合菲涅耳衍射公式 和物像关系，阐述了算法的原理，分析了把三维图像信息编码进计算全息图的方 法，并给出算法的流程。 第三章首先介绍了实现波前动态调制的工具空间光调制器，然后针对本 i v 实验所用的液晶空间光调制器l c o s ，介绍了其结构、特性和表征方法。对退偏 效应、衰减效应、调制深度对波长的依赖关系做了详细的讨论，并介绍了两种表 征方法：琼斯矩阵法和m s 矩阵法。作为衍射器件，l c o s 需要工作于纯位相调 制模式，而扭曲向列相液晶本身固有的位相强度耦合调制特性，决定了其一般情 况下不满足纯位相调制的条件，需要对光路的偏振参数进行配置。 第四章是3 d 图像再现和可视化的实验。首先对l c o sl c r2 5 0 0 进行定标。 对5 3 2 n m 和6 3 3 n m 两种波长，选择合适的入射和出射偏振方向，使l c o s 工作 于偏位相调制模式，测量灰度光强关系曲线和灰度位相关系曲线。其次根据设 定的目标图像，采用3 dg s 算法优化迭代得到位相型傅里叶计算全息图。然后 搭建光学系统进行光学再现，用c c d 采集图像，详细分析了影响再现图像质量 的因素和改善图像质量的措施。最后把再现光场显示在量子点材料上，得到信噪 比和对比度较高的视觉效果。 关键词：全息，三维光场，_ - - f f 至g e r c h b e r g s a x t o n 算法，立体显示 v 3 dr e c o n s t r u c t i o na n dv i s u a l i z a t i o nb a s e do ns p a t i a ll i g h t m o d u l a t o r a u t h o r ： y a n m i n gl i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n y i n gz h o u m a j o r ：o p t i c se n g i n e e r i n g a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u tt h es y n t h e s i so f3 dl i g h tf i e l d sb yh o l o g r a p h y f i r s t , w e a n a l y z et h e3 dg e r c h b e r g s a x t o n ( g s ) a l g o r i t h mi nd e t a i l ，w i t hw h i c hw ed e s i g n p h a s e - o n l yc o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a m s ( c g h ) a n dr e c o n s t r u c tt h e mo nc o m p u t e r s e c o n d ，w em e a s u r et h eg r a yl e v e l p h a s ec u r v ea n dg r a yl e v e l n o r m a l i z e di n t e n s i t y c u r v eo ft h el i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ( l c o s ) ，w i t hw h i c ht h ep h a s e - o n l yh o l o g r a m sa r e c o n v e r t e di n t og r a yh o l o g r a m s t h i r d ，t h e3 dl i g h tf i e l d sa r eo p t i c a l l yr e c o n s t r u c t e d f i n a l l y , w ed i s p l a yt h e3 dl i g h tf i e l d so nt h eq u a n t u md o t ( q d ) m a t e r i a l sb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c st h a tq dc a nb es t i m u l a t e da n de m i tf l u o r e s c e n c e t h e r ea r ef o u rc h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n ： c h a p t e ro n ed e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o n so ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a li m a g e s s y n t h e s i st e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h em a n u f a c t u r eo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s ， h i g h c a p a c i t yo p t i c a l i n f o r m a t i o n s t o r a g e ，h o l o g r a p h i co p t i c a lt w e e z e r s a n d t h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y i ta l s oi n t r o d u c e st h et h r e e d i m e n s i o n a lh o l o g r a p h i cl i g h t f i e l ds y n t h e s i st e c h n o l o g yr e s e a r c h c h a p t e rt w o i n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n dc l a s s i f i c a t i o no fc g ha n ds e v e r a ld e s i g n v i m e t h o d s ，i n c l u d i n gd i r e c tb i n a r ys e a r c ha l g o r i t h m ，s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ， g e n e t i ca l g o r i t h m ，y a n g g ua l g o r i t h ma n dg e r c h b e r g s a x t o na l g o r i t h m t h e h i g h l i g h ti st h ee f f i c i e n ta n df a s tc o n v e r g e n c e3 dg sa l g o r i t h m c o m b i n a t i o no f f r e s n e ld i f f r a c t i o nt h e o r e ma n do b j e c t i m a g er e l a t i o n s ，i te x p o u n d st h ep r i n c i p l eo f t h ea l g o r i t h ma n da n a l y z e st h em e t h o do fe n c o d i n gt h ei n f o r m a t i o no ft h e3 di m a g e s i n t ot h ec g h f i n a l l yt h ep r o c e s si sp r e s e n t c h a p t e rt h r e em t r o d u c e st h es p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r s i ti n t r o d u c e st h es t r u c t u r e ， c h a r a c t e ra n dc h a r a c t e r i z i n gm e t h o d so fl c o s ，a n da n a l y z e si t sd e p o l a r i z a t i o ne f f e c t ， d i a t t e n u a t i o na n dt h ed e p e n d e n c eo fw a v e l e n g t h t h e nt w oc h a r a c t e r i z i n gm e t h o d sa r e p r e s e n t ：j o n e sm a t r i xa n dm u l l e r - s t o k e sm a t r i x a sad i f f r a c t i v ee l e m e n t , l c o s s h o u l dw o r ku n d e rp h a s e o n l yc o n d i t i o n b u ta sat w i s t e dn e m a t i cl e d ，i t s p h a s e i n t e n s i t yc o u p l i n gm o d u l a t i o ni s n tf i tf o rp h a s e - o n l yc o n d i t i o n s oi tn e e d st o c o n f i g u r et h ep o l a r i z a t i o no f t h eo p t i c a ls y s t e m c h a p t e rf o u ri sa b o u tt h e3 dr e c o n s t r u c t i o na n dv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t w e m a k et h el c - r2 5 0 0w o r ku n d e rp h a s em o s t l yc o n d i t i o na n dm e a s u r et h eg r a y l e v e l p h a s ec a l v ea n dg r a yl e v e l n o r m a l i z e di n t e n s i t yc u r v ef o r5 3 2 n ma n d6 3 3 n m t h e na c c o r d i n gt ot h et a r g e ti m a g e sw ed e s i g nt h ep h a s e o n l yf o u r i e rc g hw i t h3 d g sa l g o r i t h ma n do p t i c a l l yr e c o n s t r u c tt h e3 dl i g h tf i e l d s ac c di su s e df o r c o l l e c t i n gi m a g e s w ea n a l y z et h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo ft h er e c o n s t r u c t e d i m a g e sa n dp r o p o s es o m ew a y st oi m p r o v ei t a tl a s t , t h el i g h tf i e l d sa r ed i s p l a y e do n t h eq dm a t e r i a l st og e tav i s i o nw i t hh i 【g hc o n t r a s ta n ds i g n a l - t o n o i s er a t i o k e yw o r d s ：h o l o g r a p h y , 3 dl i g h tf i e l d ，3 dg e r c h b e r g - s a x t o na l g o r i t h m ，s t e r e o d i s p l a y v h 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确的方式表明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：兽札- 日 日期：h d 年 占月r 日 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 n 学位论文作者签名：精秒哨 日期：w 尸年6 月r 日 翱烈鞯日日期：p 年6 月j 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 i i i 学位论文作者签名：枷月 日期：冲年厶月r 日 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 随着计算机视觉、数字媒体和虚拟现实技术的发展，立体光学图像的生成和 显示，交互性视频及立体视频技术等相关技术正受到越来越广泛的关注，成为近 年来研究的热点之一。另一方面，三维光场合成技术在微纳加工、数据存储、全 息光镊、医疗制药等领域也有重要与广泛的应用价值。 传统视差型三维显示技术借助双凸透镜、偏光镜或者微透镜阵列结合狭缝 光栅等手段【l 】营造视觉上的3 d 效果，视场小，易引起视觉疲劳；体三维显示技 术虽然有较大的视场但仍然不能生成真实的3 d 光场；唯有全息技术产生的是真 正的3 d 光场，图像的真实三维性和视点几乎不受限制，因而具有更高的应用价 值。随着计算全息术和空间光调制器的出现，全息技术摒弃了以往利用复杂光路 通过感光胶片记录信息，和繁琐费时的后续处理过程，步入实时动态再现的新阶 段【2 】o 光子作为波色子，具有极好的相容性，集成度不受限制，信息承载量远大于 电子。在透明介质中传输速度快，传输损耗低。这决定了光子在二十一世纪高速 大容量信息存储、处理和传输技术中有着电子无法比拟的优势。由光子技术与信 息技术结合而产生的光信息技术已经在光纤通信，光盘等一些重要的传输和存 储环节发挥了重要的作用。 通过在光子晶体中引入线缺陷，制成光子晶体光纤和光子晶体波导( 图1 1 、 图1 2 ) ，具有偏振保持、反常色散和双折射特性【3 1 。通过在光子晶体中引入点缺 陷或环形缺陷，便可构成纳米尺度的微谐振腔或环形微谐振腔，利用这些谐振腔 可以制造出具有极低阈值甚至无阈值泵浦功率的光子晶体激光器【4 】( 图1 3 ) 。 光存储技术与传统磁存储技术相比，具有存储密度高、并行程度高、抗电磁 干扰能力强、存储寿命长等优点。三维光学图像全息存储是一种获得普遍认可的 第一章目言 实现方法。在全息存储器中物光携带三维光学图像的信息，参考光以特定的方 向直接到达记录介质。不同的图像与不同的参考波面一一对应，在光束相交的介 质体积中形成干涉条纹。写入过程中，材料对干涉条纹照明发生响应，折射率发 生变化，在材料中形成类似光拇结构的立体全息图。读取过程利用光栅结构的衍 射，用适当的参考光照明全息图，使入射光受到空间调制，从而精确地复原三维 光学图像。图l - 4 为o p t w a r e 公司2 0 0 6 年底推出的3 0 g 全息数字存储 。 由此可见3 d 光场的合成对于光纤通信器件的微纳加工和光存储技术的集成 化具有重要的意义。 田i - 2 光子晶体波导 圈1 4 善于l n p 的光子晶件谐振睦阵列澈光器 图1 - 4 0 p t w a r e 公司的如g 垒息数字存储卡 利用空间光场强弱不同导致的梯度力形成的光镊科，在捕捉并移动活体细胞 或者微生物时，不会对其产生伤害，而且可以精确控制移动的位置，是生物学中 不可或缺的工具。结合计算全息术和光镊技术而成的全息光镊，更可以同时控制 数个处于不同平面的个体( 图i - 5 ) ，还可以控制、移动特定的个体。 -摹舞-一-_ 一i一 纤 冒群i 魁 一 睁 二 哥 -黛- 而 1 培 一 卜 一毫垂簟 “ 一 目 毒 _鲁囊 一， 图1 5 光镊 生：塑_ 二整臣嗣酉 圈1 人体量髂的三雄图管 用i = 7 分子结构的三雏田像 3 d 光场合成技术的另一个重要的应用领域是立体显示。在医学上，可用于 医学图像三维重构后的显示问题，利用具有真实物理深度的医学影像辅助医生对 病情做出准确的判断( 图i - 6 ) ：在化学、物理和制药研究中，可用于显示复杂的 分子结构( 图1 7 ) ；应用于工业产品的c a d ，可以直观地呈现设计效果，帮助 设计人员修正设计缺陷和改进产品质量。 目前的立体显示技术可分为分光立体眼镜( g l a s s e s - b a s e ds t e r e o s c o p i c ) 、自动 分光立体显示( a u t os t e r e o s c o p i cd i s p l a y s ) 、全息术( h o l o g r a m ) 和体三维显示 ( v o l u m e t r i c3 - dd i s p l a y ) 四大类。 前两类都采用视差的方式给人以3 d 显示的感觉，即分别为左眼和右眼显示 稍有差别的图像，令观察者复合两眼所看到的图像产生3 d 的感觉。前者通过人 为制造视差的方式所构造的3 d 景象并不自然，加重了观察者的脑力负担，看久 了会产生视觉疲劳：后者只有在屏幕前特定的区域才能看到立体效果，视域不连 续，视场小。2 0 0 9 年南京大学在传统自动分光立体显示装置的基础上作改进， 第一章引言 提出了一种利用菲涅尔透镜和l e d 照明阵列实现观察区域的多用户自由立体显 示器【6 】，通过与人眼跟踪随动装置相结合，可以给在观察区域内任意位置处的观 察者提供有效的观察窗口，同时多用户之间没有相互影响。 全息术则利用光波的干涉和衍射，记录物光波和参考光波的干涉图样，存储 了能使物体恢复原样的振幅和相位信息。全息图记录的光路分两路：一路是从光 源出射后照射到物体表面的漫反射光，称为物光；另一路是从光源出射后直接照 射到记录介质上，称为参考光。这两束光在记录介质上相干叠加，记录介质就把 物体的全部信息( 振幅和相位) 以干涉条纹的形式记录下来。再现时用参考光照射 记录介质，可以读出物体的信息，重现3 d 图像。由于传统全息术的实时性较差， 一般只用于构建静态的3 d 光学场景，不适用于人机交互应用，即便使用计算全 息术也需要处理庞大的数据量，分辨率有待提高。 近年来，3 d 光场的全息合成已成为国内外的一个研究热点。h a i s t 等基于2 d g e r c h b e r g s a x t o n 算法，提出3 dg e r c h b e r g s a x t o n 算法【7 】，通过在全息图中引入 发散球面波因子，优化迭代生成能再现空间三维光场的傅里叶计算全息图。 c o u r t i a l 等利用这种方法，再现了层间距大于3 0 c m 的“1 ”、“2 ”、“3 ”等数 字【8 】，但所用的s l m 较低的填充率和分辨率造成再现时散斑较多和图像均匀性 欠佳。s h i m o b a b a 等利用反射型l c d 作为空间光调制器，红、绿、蓝三色l e d 作为参考光源照射l c d ，投影出真三维彩色图像【9 】，在此基础上，又采用红、绿 脉冲激光器以及时分复用的方法重构出三维彩色像【10 1 。m a k o w s k i 等则利用一种 基于g s 算法的多平面迭代菲涅尔卷积算法【1 1 】，生成位相型计算全息图。但卷积 算法决定了三维再现的每一截面的分辨率与s l m 的像素大小相同，故分辨率受 限于e l 前普遍较大的s l m 像素尺寸，局域性也逊于菲涅尔透镜法【1 2 】。y a m a j i 等 用电子束光刻和反应离子刻蚀法在玻璃上制作二元位相全息图，获得8 层1 6 个 点组成的分散双螺旋结构【1 3 j 。但采用了计算效率较低的直接二元搜索算法；每 个截面只包含数量极少的点，也难以形成连续变化的复杂结构。我们小组提出的 一步全息光刻法【1 4 】，结合位相控制技术【15 1 ，可以快速、方便地曝光感光材料以 制备带缺陷的一维、二维和三维光子晶体。葛宝臻等以博奇编码法制作三维物体 的离轴菲涅尔全息图，并通过计算机进行数字再现，得到层间距为5 c m 、较清晰 的再现像【l 引。另一类方法是，记录三维物体在非相干光照明下两个正交方向上 4 不同视角的一系列投影像，用这些投影像的频谱信息合成三维物体的波前1 ”， 或将组成三维物体的各点的菲涅尔波带【喇叠加，获得三维物体的全息图。这类 方法适于记录和再现物体表面形貌，但无法表现被遮挡的结构。 体三维显示是真正能够实现动态敬果的3 d 技术。它可以让你看到“悬浮” 在半空中的3 d 透视图像。体三维显示技术1 2 1 】目前大体可分为扫描体显示( s w e p t v o l u m ed i s p l a y ) , 和静态体显示( s t a t i cv o l u m ed i s p l a y ) 两种。前者的代表是 f e l i x 3 d 和p e r s p e c t a ，是把激光照射到固定在旋转机械部件上的半透明屏幕上 利用快速旋转产生的视觉暂留显示立体图像；后者的代表是d e p t h c u b e ，它不 包含机械部件。 f e l i x 3 d 是一个基于螺旋面的旋转结构2 a ，如图1 - 8 所示，马达带动一个螺 旋面高速旋转，由r g b 三束激光会聚成一束光线经过光学定位系统打在螺旋面 上，产生一个彩色亮点，当旋转速度足够快时，螺旋面看上去变得透明，亮点仿 佛悬浮在空中，成为一个体象褰( v o x e l ) ，多个这样的v o x e l 便构成了一个3 d 物 体。 t 怒 d 墨o 禹 f 垂湖瀣圜 图1 f e l i z 3 d 的结构和显示效果 p e r s p e c t a l 2 3 i 采用的是柱面轴心旋转外加空间投影的结构如图i - 9 所示。直 立投影屏由很薄的半透明塑料构成，由马达带动，旋转频率可高达7 3 0 r p m ( r o t a t i o np e r m i n u t e ) 。当需要显示一个3 d 物体时，p e r s p e c t a 首先通过软件生成 这个物体的1 9 8 张剖面图( 沿= 轴旋转，平均每旋转不足2 度截取一张垂直于x - y 平面的纵向剖面1 ，每张剖面的分辨率为7 9 8 x 7 9 8 ，投影屏平均每旋转不足2 度， p e r s p e c t a 换一张剖面图投影在屏上。它采用空问光处理( d i g i 诅ll i g h t p r o c e s s i n g ) 整 镕一章言 技术，核心是三块基于微机电系统( m e m s ) f f jd l p 芯片，每块芯片上均布设了由 上百万个数字微镜器件( d i g i t a lm i c r o m i r r o r ) 组成的阵列，这三块d l p 芯片分别 负责r g b 三色图像，三色图像被合成为一副图像，由经底座的固定光学系统以 及随马达同步旋转的光中继镜片的反射，被投影至屏幕上面。当投影屏高速旋转， 多个剖面被轮流高速投影到屏上时，利用视觉暂留效应，生成一个3 d 物体。 尽管几近完美的3 d 显示能力和简单的结构令p e r s p e c t a 的制造成本大为减 少，成为目前最有可能率先进入电子消费市场的体显示设备，但是，它和其他所 有的扫描体显示技术一样存在着致命的弱点一“亮度”和“旋转”。全向开放外 加投影的显示结构光强较弱容易受到背景光影响。而高速的旋转则使得 p e r s p c c t a 对安置平台的平稳程度要求较高，其摆放的桌面不能随意晃动，否则将 导致体象素显示模糊，甚至完全无法成像因此它不能使用在宇航器、航空器及 航海船只等场合。 日本国家工业高科技研究所、庆应大学和b u r t o n 公司合作研制出一种真三 维显示装置。光路如图l - 1 0 ( a ) 所示。红外脉冲激光作为光源，马达和振镜 构成扫描系统，利用空气在聚焦激光靠近焦点的地方产生的等离子旋射现像，扫 描显示3 d 光场，图i 一1 0 ( b ) 是空间点阵的显示效果。这种方式不再依赖于显 示屏，而是用现实空间作为显示空间，所以不存在因为显示屏遮挡造成的大量死 区，具有真实的物理景深。 图i 1 0( a ) 系统示意用，( b ) 扫插点阵 频率上转换三维立体显示技术是近年来引起广泛关注的一种有效的实现方 法。在入射光的功率较大的情况下，会发生2 个或以上的光子同时被1 个原子所 吸收的情况。多光子吸收过程发生时，原子被激发或能量传递跃迁到更高的能级 之上，处于一个寿命较短的能级，需要自发辐射向下跃迁回到最初始的能级，所 吸收的能量以高频光子的形式释放出来，相当于能量由频率低的光子转移到频率 高的光子，这就是频率上转化过程的基本原理口”。将光活性粒子掺杂在作为显 示体的透明材料中，如图1 1 l 所示，利用两束波长不同的红外激光，一束激光 将作用点的粒子从基态激发到一个中间能级，另一束激光将粒子再进一步激发到 更高的能级，粒子回到基态的过程中发出可见光。频率上转换三维立体显示体可 以采用掺杂稀土的氟化物玻璃，掺铒的z b l a n 玻璃等”。 田l _ 1 1 ( a ) 两种额串两步上转换原理示意圈，( b ) 两束激光在显示体内部扫描 频率上转换三维立体显示是利用两束相互垂直的红外激光交义作用于上转 第章引言 换材料上，经过上转换材料的两次共振吸收，在上转换材料内形成个发光的亮 点，即体像素。如果使两束激光的交叉点依照某种轨迹在上转换材料中做三维空 间的寻址扫描，所扫描过的地方就可以显示出同激光交叉点运动轨迹相蚓的三维 立体图形。如果要达到三色显示效果，可以用折射率相同的光学粘着剂粘接若干 薄层，薄层内掺杂三种的稀土元袭，使它们被激发后发出三色光，显示效果如图 l 一1 2 所示。 厂诵 k”一爨 图l 一1 2 撅率上转换三色立体显示 为解决扫描体显示技术普遍存在的亮度不足和对环境平稳度要求较高的问 题，人们提出了静态体显示技术。d c p t h c u b e 系统1 采用层叠液晶屏幕方式来实 现三维体显示。结构如图1 1 3 所示。 圈l 一1 3d e p t h c u b e 的结构 重l 霸 ； d e p t h c u b e 的显示介质由2 0 个液晶屏层叠而成，每一个屏的分辨率为1 0 2 4 7 4 8 ，屏与屏之间间隔约为5 r a m ：这些特制屏体的液晶像素具有特殊的电控光 学属性，当对其施加电压时，液晶像素平行于光束传播方式，从而令光束直接穿 过，而当对其电压为0 时，该液晶像素将变成不透明的，从而对照射光束进行漫 反射，形成一个存在于层叠液晶屏中的v o x e l 。在任一时刻有1 9 个液晶屏是透 明的，只有1 个屏是不透明的，呈漫反射状态，通过在这2 0 个屏上快速切换显 示3 d 物体截面从而产生纵深感。d e p t h c u b e 也采用了d l p 成像技术，观察角度 比较单一，主要是在显示器的正面，因此并不需要像p e 蚪p e c t a 一样高的帧频， 每秒钟仅需显示1 2 0 0 个截面即可产生足够的体显示效果。 体显示技术满足了多人从多个角度同时观看3 d 图像的要求，然而，所有的 体显示技术都没有生成真实的3 d 图像，只能产生半透明的3 d 透视图。 在国内，浙江大学也正在开展体显示技术的相关研究 2 1 - 2 9 】。他们将空间图 像分解成多个二维截面，由对称置于转轴两侧的发光二极管阵列在电机驱动下高 速旋转当时分寻址电路与旋转同步时，就可以根据需要调制不同时刻发光二极 管的发光状态，快速显示二维图像截面序列，利用人眼的视觉暂留形成虚拟的体 像素。图1 1 4 是这种三维显示系统的结构和显示效果。 d h r ( _ )( b )( c ) ( d ) 圈1 1 4 ( a ) 基于旋转= 雏发光二撮臂阵列的三维显示系统；( b ) 飞机模型的三维遘 视图；( c ) 转轴位于左侧机翼边缘的再现圈像；( d ) 转轴位于飞机头部的再现田像 1 2 本文的主要研究内容 第一章引言 本文分为四大部分： 第一章介绍了三维光学图像合成技术的应用，包括光通信器件的制备、大容 量光信息存储、全息光镊和立体显示。重点介绍了国内外对三维光场全息合成技 术和立体显示的研究现状。 第二章介绍了计算全息的概念和分类，以及位相型计算全息图的几种优化设 计方法，包括直接二元搜索算法、模拟退火算法、遗传算法、杨顾算法和g s 算法。重点介绍计算效率高、收敛速度快的3 dg s 算法。结合菲涅耳衍射公式 和物像关系，阐述了算法的原理，分析了把三维图像信息编码进计算全息图的方 法，并给出算法的流程。 第三章首先介绍了实现波前动态调制的工具空间光调制器，然后针对本 实验所用的液晶空间光调制器l c o s ，介绍了其结构、特性和表征方法。对退偏 效应、衰减效应、调制深度对波长的依赖关系做了详细的讨论，并介绍了两种表 征方法：琼斯矩阵法和m s 矩阵法。作为衍射器件，l c o s 需要工作于纯位相调 制模式，而扭曲向列相液晶本身固有的位相强度耦合调制特性，决定了其一般情 况下不满足纯位相调制的条件，需要对光路的偏振参数进行配置。 第四章是3 d 图像再现和可视化的实验。首先对l c o sl c r2 5 0 0 进行定标。 对5 3 2 n m 和6 3 3 n m 两种波长，选择合适的入射和出射偏振方向，使l c o s 工作 于偏位相调制模式。测量灰度光强关系曲线和灰度位相关系曲线。其次根据设 定的目标图像，采用3 dg s 算法优化迭代得到位相型傅里叶计算全息图。然后 搭建光学系统进行光学再现，用c c d 采集图像，详细分析了影响再现图像质量 的因素和改善图像质量的措施。最后把再现光场显示在量子点材料上，得到信噪 比和对比度较高的视觉效果。 参考文献 【1 】蔡履中，刘华光光学三维显示技术【j 】现代显示，1 9 9 6 ，1 ：3 9 - 5 4 l o 第一章引言 【2 】郑华东，于瀛洁，程维明三维立体显示技术研究新进展叨光学技术，2 0 0 8 ， 3 4 ( 3 ) ：4 2 6 4 3 4 【3 】3k a i j a g es f , n a m i h i r ay h a in h m u l t i p l ed e f e c t c o r eh e x a g o n a lp h o t o n i cc r y s t a lf i b e rw i t h f l a t t e n e dd i s p e r s i o na n dp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gp r o p e r t i e s j o p t i c a lr e v i e w ，2 0 0 8 ， 1 5 ( 1 ) ：3 1 - 3 7 【4 】l o n 芒a rm a r k o ，y o s h i et o m o y u k i ，s c h e r e ra x e lc ta l 。l o w t h r e s h o l dp h o t o n i cc r y s t a ll a s e r j a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s ，2 0 0 2 ，81 ( 15 ) ：2 6 8 0 2 6 8 2 【5 】5a s h k i n ，j m d ，j e b j o r l d a o l m ，a n ds t e v e nc h u , o b s e r v a t i o no fas i n g l e b e a mg r a d i e n tf o r c e o p t i c a lt r a pf o rd i e l e c t r i cp a r t i c l e s j o p t l e t t ，1 9 8 6 ，1 1 ( 5 ) ：2 8 8 2 9 0 【6 】汪洋，王元庆多用户自由立体显示技术【j 1 液晶与显示，2 0 0 9 ，2 4 ( 3 ) ：4 3 4 - 4 3 7 【7 】h a i s tt ，s c h k l e b e rm ，t i z i a n ihj c o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a m sf i o m3 d o b j e c t s w r i t t e no nt w i s t e d - n e m a t i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s j o p t c o m m u n ，1 9 9 7 ，1 4 0 ：2 9 9 3 0 8 【8 】s i n c l a i rgl e a c hj ，j o r d a npe ta l 。i n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o ni nh o l o g r a p h i co p t i c a l t w e e z e r so fam u l t i p l a n eg e r c h b e r g s a x t o na l g o r i t h mf o rt h r e e d i m e n s i o n a ll i g h ts h a p i n g j o p t e x p r e s s ，2 0 0 4 ，1 2 ( 8 ) ：1 6 6 5 1 6 7 0 【9 】i t ot ，s h i m o b a b at ，g o d oh e ta l h o l o g r a p h i cr e c o n s t r u c t i o nw i t ha10 1 a m p i x e l p i t c hr e f l e c t i v el i q u i d - c r y s t a ld i s p l a yb y 嘴o f al i g h t - e m i t t i n gd i o d er e f e r e n c el i g h t j o p t l e t t ，2 0 0 2 ，2 7 ( 1 6 ) ：1 4 0 6 1 4 0 8 【1 0 】s h i m a b a b at ，i t ot ac o l o rh o l o g r a p h i cr e c o n s t r u c t i o ns y s t e mb yt i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n gw i t hr e f e r e n c el i g h t so fl a s e r j o p t r e v ，2 0 0 3 ，10 ( 5 ) ：3 3 9 - 3 41 【11 】m a k o w s k im ，s y p e km ，k o l o d z i e j c z y ka e ta 1 t h r e e - p l a n ep h a s e - o n l yc o m p u t e r h o l o g r a mg e n e r a t e dw i t hi t e r a t i v ef r e s n e la l g o r i t h m j o p t e n g ，2 0 0 5 ，4 4 ( 1 2 ) ， 1 2 5 8 0 5 一l - 1 2 5 8 0 5 7 【1 2 】m a k o w s k im ，s y p e km ，k o l o d z i e j c z y ka e ta 1 i t e r a t i v ed e s i g no f m u l t i p l a n e h o l o g r a m s ：e x p e r i m e n t sa n da p p l i c a t i o n s j o p t e n g ，2 0 0 7 ，4 6 ( 4 ) ，0 4 5 8 0 2 1 - 0 4 5 8 0 2 6 【13 】y a m a j im ，k a w a s h i m ah ，s u z u k ije ta 1 t h r e ed i m e n s i o n a lm i c r o m a c h i n i n gi n s i d ea t r a n s p a r e n tm a t e r i a lb ys i n g l ep u l s ef e m t o s e c o n dl a s e rt h r o u g hah o l o g r a m j a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 8 ，9 3 ( 4 ) ：0 4 111 6 - i 0 4 111 6 3 【1 4 】l ijt ，l i uyk x i exse ta l 。f a b r i c a t i o no fp h o t o n i ec r y s t a l sw i t hf u n c t i o n a ld e f e c t sb y 第一章引言 o n e - s t e ph o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h y j o p t e x p r e s s ，2 0 0 8 ，1 6 ( 1 7 ) ：1 2 8 9 9 - 1 2 9 0 4 【15 】x i exs ，l im ，g u oje ta l 。p h a s em a n i p u l a t e dm u l t i b e a mh o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h yf o r t u n a b l eo p t i c a ll a t t i c e s j o p t e x p r e s s ，2 0 0 7 ，1 5 01 ) ：7 0 3 2 - 7 0 3 7 【1 6 】葛宝臻，罗文国，吕且妮，等数字再现三维物体菲涅耳计算全息的研究【j 】光电子激 光，2 0 0 2 ，1 3 ( 1 2 ) ：1 2 8 9 - 1 2 9 2 【1 7 】巢亚锋，王丁一种新的三维计算全息图的计算方法【j 】光学与光电技术，2 0 0 7 ， 5 ( 6 ) ：7 7 - 8 0 【l8 】侯瑞宁，王丁三维物体菲涅耳计算全息图的研究阴红外技术，2 0 0 8 ，3 0 ( 7 ) ：4 0 3 - 4 0 5 【1 9 】张晓洁，刘旭，陈晓西利用菲涅尔波带法计算三维全息【j 】光电工程，2 0 0 4 ， 31 ( 1 2 ) ：5 8 6 7 【2 0 】陈晓西