（信号与信息处理专业论文）基于dlp再现的计算全息研究.pdf

独创性声明 f i i i f lf ll ll l fi i ipi ll f lfllf y 18 9 4 5 6 5 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。除文中已注明引用的内容以外，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，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名柱7 虱阂 少f 年占只f 殖 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密西。 学位论文作者躲墩风闰 翻膊2 只| 7 日 江苏大学硕十学位论文 摘要 数字光处理( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ，d l p ) 技术是投影显示领域里的一项新 技术，它打破了传统模拟显示的局限，提高了数字显示的潜能。由于d l p 的全 数字化特性，使其能够产生高亮度、高对比度和高分辨率的显示图像，因此，基 于d l p 技术的应用越来越多。为了实现动态的全息显示，本文在对d l p 和计算 全息技术目前的研究现状和存在的问题进行分析的基础上，开展了相关的研究工 作，主要内容涵盖计算全息理论、计算全息图的优化算法研究、d l p 和d m d 器 件的特性分析、d l p 计算全息再现系统构建及实验研究。 经典的计算全息图算法是通过模拟物面到全息面的衍射和干涉过程获得计 算全息图的。如果知道再现像面的目标图像，可以通过优化算法反求全息图。因 位相型全息图具有高衍射效率且再现时无共扼像的特点，本文在对典型编码方式 的再现效果进行综合分析的基础上，突出了位相型全息图编码方式及其在计算全 息显示中的重要地位。在计算全息图优化中，引入蚁群算法，并将其与遗传算法 结合，利用两者的全局搜索和局部搜索的优势互补，研究该组合算法在位相全息 图优化中的可行性。实验表明，遗传蚁群混合算法有良好的收敛性，与其他全息 图优化算法相比，其解具有更好的适应度，即所实现的全息图更接近目标图像。 因此，蚁群算法及遗传蚁群混合算法均在计算全息图优化中显示出了一定的应用 潜力。 本文对d l p 技术及其核心器件d m d 做了深入研究。对基于d l p 技术的投 影显示系统进行了分析与研究，剖析了d l p 投影显示系统的结构组成和工作原 理。在此基础上，提出了基于d l p 的计算全息再现系统的实现方案，并设计了 基于a p p s f p g a 的全息图解码程序。最后实验结果表明该技术在全息显示方面 有很多优势，具有潜在的应用前景。 关键词：数字光处理( d l p ) ，计算全息，数字微镜器件( d m d ) 基于d l p 再现的计算伞息研究 a b s t r a c t d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ( d l p ) i san e ww a yt op r o j e c ta n dd i s p l a yi n f o r m a t i o n ，i tb r e a k st h e l i m i t a t i o no fc o n v e n t i o n a la n a l o gd i s p l a ya n de n h a n c e st h ep o t e n t i a lc a p a b i l i t yo fd i g i t a ld i s p l a y t h e a l l d i g i t a ln a t u r eo fd l pc a nc r e a t eh i g hb r i g h t n e s s ，h i g hc o n t r a s ta n dh i g hr e s o l u t i o ni m a g e s s ot h e a p p l i c a t i o nb a s e do nd l pi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r t oa c h i e v ed y n a m i ch o l o g r a p h yd i s p l a y ， t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h er e c o n s t r u c t i o n o fc g h ( c o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a m ) b a s e do nd l p s o m er e s e a r c h i n gw o r k sa s s o c i a t e dw i t hc g ha r ed e s c r i b e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i n c l u d i n gt h e o r i e so f c o m p u t e rh o l o g r a p h y ，t h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sf o rc g h ，c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fd l pa n dd m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) ，e s t a b l i s h m e n to fd l ps y s t e ma n de x p e r i m e n tf o rc g h c g hc a nb eo b t a i n e db yc l a s s i cc g ha l g o r i t h mb yw h i c ht h ed i f f r a c t i o na n di n t e r f e r e n c ef r o m o b j e c tp l a n et ot h eh o l o g r a ms u r f a c ec a nb es i m u l a t e d i ft h et a r g e ti m a g eo ft h er e p r o d u c t i o no f t h e i m a g ep l a n ei sk n o w n ，c g hc a nb eo b t a i n e db yt h eh o l o g r a mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s b a s i ct h e o r i e s a n dt y p i c a lm e t h o d so fc o m p u t e rh o l o g r a p h ya r ed e s c r i b e d ，a n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i si sc a r r i e do u t f o rs o m et y p i c a lc o d i n gm e t h o d si nc o m p u t e rh o l o g r a p h y a n a l y t i c a lr e s u l ts h o w st h a t ，k i n o f o r mi sa n i m p o r t a n tc o d i n gm e t h o di nh o l o g r a p h i cd i s p l a yf o ri t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ， w i t h o u tt w i ni m a g ei ni m a g e p l a n e t h i sp a p e rp r o p o s e dan e wa p p r o a c hu s i n ga c oi nc g h o p t i m i z a t i o n g aw a sc o m b i n e dw i t ha c o ，u t i l i z i n gt h ea d v a n t a g e so ft h et w oa l g o r i t h m s ，a n dt h e a p p l i c a b i l i t yo ft h ec o m b i n a t i o ni n t h ep h a s eh o l o g r a mw a si n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ep r o p o s e dg a - a c om e t h o dc o u l dy i e l dab e t t e rs o l u t i o nw i t hs h o r t e rc o n v e r g e n c e t i m e ，c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt w oa p p r o a c h e s ，w h e no p t i m i z i n gt h eh o l o g r a m a c oa n dg a - a c o s h o w e dt h e i rg r e a tp o t e n t i a li nt h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r i z e dh o l o g r a m at h o r o u g hs t u d yo fd l pa n dd m dw h i c hi st h eh e a r to fd l pt e c h n o l o g yi sm a d ei nt h i s d i s s e r t a t i o n d l pb a s e dp r o j e c t i o nd i s p l a ys y s t e mi s a n a l y z e da n dr e s e a r c h e d t h ed l p - b a s e d r e c o n s t r u c t i o ns y s t e mo fc g hi sd e s i g n e da n dt h ed e t a i l e dd e s i g ns c h e m eo ft h i ss y s t e mi sp r e s e n t e d t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e df o rt h ek e yp a r to ft h i ss y s t e m f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r eg i v e n ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh o l o g r a p h i cd i s p l a yt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s a n dp o t e n t i a lp r a c t i c a lp r o s p e c t s k e y w o r d s ：d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ( d l p ) ，c o m p u t e rh o l o g r a p h y ，d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ( d m d ) 1 1 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 国内外研究概况及发展趋势1 1 2 1 光学全息l 1 2 2 数字全息2 1 2 3 计算全息3 1 3数字光处理( d l p ) 技术与全息显示技术的结合5 1 3 1d l p 技术概述5 1 3 2 数字光处理( d l p ) 技术在全息显示中的应用6 1 4 本课题的主要研究工作7 第二章计算全息的基本理论8 2 1 引一言8 2 2 计算全息的分类8 2 3 计算全息的抽样定理与空间带宽积9 2 4 基于衍射理论的全息图计算算法1 0 2 5 计算全息的编码1 2 2 5 1 计算全息常用的编码方法12 2 5 2 典型编码方式的比较分析1 7 第三章计算全息图的优化算法研究1 9 3 1g s 算法19 3 2 蚁群算法21 3 3 遗传蚁群混合算法在位相全息图优化设计中的应用2 7 3 4 各类优化算法的比较分析2 9 第四章数字光处理( d l p ) 及数字微镜器件( d m d ) 31 4 1d l p 技术概述31 4 2d l p 技术的工作原理31 4 3d l p 技术的优势3 3 1 1 1 基于d l p 再现的计算全息研究 4 4 d m d 的构造及控制3 4 4 4 1d m d 的结构3 4 4 4 2d m d 的寻址和复位3 6 4 4 3d m d 的p w m 驱动3 7 4 4 4d m d 的成像原理：3 9 第五章基于d l p 的计算全息再现4 1 5 1 基于d l p 的硬件实验平台4 1 5 1 1d i s c o v e r y4 0 0 0 平台简介4l 5 1 2 硬件实验平台主要部分的功能分析4 2 5 2 计算全息再现系统的设计思路4 5 5 3 基于a p p s f p g a 的全息图解码程序设计4 6 5 3 1f p g a 模块的输入和输出4 6 5 3 2f p g a 各模块问的结构关系与功能分析4 7 5 3 3 全息图解码关键技术的实现4 8 5 4 实验及分析5 0 5 4 1 全息图的像素提取过程51 5 4 2 软件调试51 5 4 3 实验结果5 2 5 4 4 实验结果分析5 3 第六章总结与展望5 5 参考文献5 6 致谢5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 附：录a 6 1 i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 人类获得的信息约8 0 来自视觉，显示技术的研究对信息的表达和理解具有 重要的意义。目前表达可视信息的主要手段是二维的，例如在报纸、电视、计算 机显示器上看到的图像等。二维图像的显示技术虽然在多方面满足了人们的需 要，但由于缺乏立体感，自然界的真三维特征无法重现。尤其是在特殊环境下的 远距离显示，例如水下、空间、有毒或核污染环境下，三维显示更是不可缺少。 目前，三维显示技术通常分为四类：透视三维显示技术、体视对显示技术、 体三维显示技术和全息术。透视三维显示技术是将三维场景以透视形式显示在二 维屏幕上，它只能提供部分单眼深度暗示，更多地依靠心理感知和经验估计来获 得第三位信息。体视对显示原理是同一物体在两眼视网膜上的投影会略有差异， 通过大脑合成来感觉三维信息，因此容易引起脑力和视觉疲劳。体三维显示通过 激励位于空问体积内的物质产生体像素来显示三维物体，但由于提供的场景是透 明的，可能会导致某些视点看到的图像信息混杂、空间关系紊乱。 全息显示技术是利用光的干涉原理将物体发出的特定光波以干涉条纹的形 式记录下来，再利用光的衍射原理在一定条件下将物波还原。由于这种技术保留 了物光波的全部( 振幅和相位) 信息，人们在观察全息像时就会得到与观察原物 体时相同的视觉效果，保留了所有的视觉深度效果。因此比较各种三维显示技术 原理，只有全息显示的再现像包含了与原物体完全相同的三维特征，全息像才是 真正的三维像。全息技术是最具有吸引力的三维显示技术，其代表了未来显示技 术发展的方向。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 1 光学全息 全息术【1 】最初是由英国科学家丹尼斯盖伯( d e l l n i sg a b o r ) - 于1 9 4 8 年为消除 像差、提高电子显微镜分辨率提出的。他因此获得了1 9 7 1 年诺贝尔物理学奖。 墨：! ：旦兰! 蔓型竺! ! ：簦尘星型! 塞 自2 0 世纪6 0 年代激光器出现以后，全息术得到了迅速的发展，并越来越为人 们所重视，在科学研究、工程技术的许多领域都得到了成功的应用。 早期的全息显示研究主要集中在传统的光学全息显示方面1 2 】，其记录、再 现的载体一般采用传统的全息记录材料，如卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光致抗 蚀剂、光致聚合物、光导热塑料以及光折变晶体等。制作光学全息图时需有真实 的记录物体存在，需要激光光源、全息防震平台、光学元件、全息记录材料等硬 件条件，对记录环境( 振动、噪音等) 有着很苛刻的要求，且这种光学全息图一经 记录下来很难擦除重写，这些缺点均给全息图的制作质量与重复性带来很多问题 1 3 1 ，难以满足动态、实时显示的要求。 1 2 2 数字全息 数字全息技术”j 是由g o o d m a n 和l a w r e n c e 在1 9 6 7 年提出的，基本原理是 用光敏电子成像器件代替传统全息记录材料记录全息图，用计算机模拟再现取代 光学衍射来实现所记录波前的数字再现，实现了全息记录、存储和再现全过程的 数字化，给全息技术的发展和应用增加了新的内容和方法。1 9 9 3 年，s c h n a r s 和 j u p t n e r i s , 6 】提出利用电荷耦合元件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) ，使得全 息图记录有了飞跃发展，从此全息图可以完全的数字化记录和处理，而不需要任 何感光底片作为中间介质，并提出了c c d 记录全息图的数值再现算法。 总的来说，数字全息沿袭了光学全息记录理论，摒弃了传统光学全息记录和 重现的不足，相对于光学全息术，它具有以下优点：由于用c c d 等图像传感 器来记录全息图，省去了光学全息术中必须的曝光、显影、定影等复杂的物理化 学处理过程，整个记录和重现过程数字化，并且所需要的记录时间短，可以连续 记录运动物体的各个瞬间过程，重现过程简单，有利于实现实时化。计算机技 术和数字图像处理技术的引入，可以很容易得消除像差、畸变、噪声以及记录器 件带来的非线性因素的影响，从而提高全息图重现像的质量。数字全息的数值 重现可以方便地进行自动聚焦，容易实现二维物体的观测。 以上优点增加了数字全息技术的应用范围。但是，由于记录数字全息图的 c c d 与传统的全息记录材料相比较，其像素尺寸大，致使再现像分辨率低；另 一方面，c c d 的光敏面积尺寸小，只能记录物体空间频谱中的低频成分，再现 像与孪生像分离困难，仅适应于小物体、远距离记录，从而使再现像面散斑尺寸 2 江苏大学硕十学位论文 增大，横向分辨率低。严重制约了数字全息在某些方面的应用。现阶段数字全息 技术的研究主要集中在实验方案的改进、成像理论和重现算法的研究以及如何提 高精度和降低噪音等方面。 1 2 3 计算全息 随着计算机技术、数字化绘图仪及显示设备的高速发展，人们已经可以不必 用光学干涉记录的方法而改用人工的方法得到全息图，即使用计算机与绘图仪， 根据物波的数学描述，将其振幅和相位以一定的编码方式记录下来形成全息图， 这就是计算机制全息 ( c o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a m ，简写为c g h ) 【7 j ；而采用 光敏电子元件( c c d ，c m o s 等) 代替普通照相干版，并将记录的全息图以数字图 像的形式储存在计算机中，再通过数字技术进行图像重建或通过空问光调制器 ( 液晶光阀l c l v 、液晶显示器l c d 、或数字微镜装置d m d ) j 茳彳t 光学再现【8 川】， 可以实现计算全息图的数字再现。 计算全息始于1 9 6 5 年，最早由k o z m a 和k e l l y 提出1 1 2 】。b r o w n 和l o h m a n n 等人把通讯理论中的抽样定理应用到空间滤波器的计算机合成中，奠定了计算全 息技术的理论基础，并于1 9 6 6 年做出了世界上第一张计算全息图【l3 1 。但由于计 算机速度、容量和高分辨率显示器的约束，直到近2 0 年c g h 才取得较大发展。 二十世纪九十年代初期，麻省理工学院( m i t ) 媒体实验室空间成像小组创建了 首个能够制作实时三维全息图像的显示系统【1 4 7 1 ，1 9 9 2 年m a r k l u c e n t e 研究 的快速算法使得三维全息显示实时性更强，从而使c g h 朝着实用化迈进了 一大步。1 9 9 9 年在北美国际汽车展览上，z e b r ai m a g i n g 公司为福特汽车公司 p 2 0 0 0 豪华型汽车制造了一个1 6 英尺4 英尺的真彩色、全视差、大视角的世界 上最大的全息图【1 9 】，这个全息图是以计算机技术和全息技术的结合来产生的， 推动了三维全息显示技术的进一步发展。2 0 0 4 年，同本利用反射式液晶屏，实 现了动态计算全息图的二维显示。2 0 0 5 年，诺基亚手机的原装电池上附有一张 防伪全息图和一个可以在网上查询的2 0 位隐形识别码。再如，我国的第一代、 第二代身份证都成功地应用到了全息技术。全息电视的研究在国外也悄然进行， 已能显示静态或动态图像【2 0 1 ，展现了全息显示光辉灿烂的应用前景。 另外高分辨率空间光调制器【2 l 】( s l m ) 的发展使得计算全息图可以动态实时 再现出三维物体。不同的是显示在s l m 上的全息图是通过计算机制作产生的。 基于d l p 再现的计算全息研究 随着空间光调制器的发展，美国t l ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司生产的数字微镜器件 d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 凭借它的高对比度和高光效率成为显示系统中 的新宠1 2 2 1 。2 0 0 3 年，美国德州大学西南医学研究中心构造了一部动态全息显示 系统【2 3 1 ，该系统用计算机产生全息图，然后利用1 1 公司的d m d 和相应的光电 设备投影出真三维的动态图像，并利用激光照射d m d 系统得到衍射光，最终形 成真三维图像。日本山岸科技学院的k o k is a t o 等人将d m d 产生的全息像投影 至一个水雾装置中1 2 4 j ，形成了真实三维立体图像。到目前为止，t l 公司的d m d 器件是最快的像素级空间光调制器。 从国内研究情况看，对于全息显示的研究也在进行中。如厦门大学物理系利 用液晶光阀显示了静态的二维全息图像。苏州大学现代光学研究所对数字全息进 行了研究【2 5 讲1 ，并通过激光刻蚀技术，用在新材料上生成特定图像的特定基元 全息光栅的方法，衍射生成了二维全息图像。上海光机所等院所在x 光衍射方 面开展了研究工作，通过x 光全息，研究材料的结构。近几年，国内也有学者 注意到数字微反射镜装置d m d ，并把它用在光学信息处理中。南开大学现代光 学研究所用d m d 作为空间光调制器( s l m ) 实现了数字合成全息系统的设计【2 8 1 。 安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室也开发了一套以d m d 为核心的 全息光学再现装副2 9 1 ，计算生成的全息图加载至d m d ，在激光照射下产生原 物的全息像。中国海洋大学现代光学研究所1 3 0 j 和中国科学院广州电子研究所研 制开发出了以d m d 为核心元件模块化的数字合成全息系统，其中包括d m d 成 像子系统。虽然他们的系统并不是用于构造三维显示系统的目的，但是也说明了 从系统选取的角度来说空间光调制器d m d 是值得我们选用的装置。我国对于计 算全息技术的研究仍处于对国外的学习状态。2 0 0 2 年、2 0 0 5 年中国光学学术大 会上都将计算全息作为议题进行讨论。 三种不同的全息方法对比如下： 4 江苏大学硕+ 学位论文 光学全息： 物 体 数字全息： 干板 记录 光学 全息图 重现过程： 光学衍射 计算全息： 原物体 图像 图1 1 三种全息方法的对比示意图 计算全息术是计算机技术与传统光学全息术的结合，它在技术上突破了光学 全息的种种限制与不足。计算全息是建立在现代高性能数字计算、图像显示及处 理技术的基础上，有利于实现光学技术与计算机技术、电子技术的有机结合，是 未来全息技术发展的重要方向，采用计算全息技术获得数字化的全息图，再利用 空间光调制器作为全息图的动态显示装置可实现数字化的动态三维全息显示，己 成为目前全息显示研究中的热点研究方向之一。 1 3 数字光处理( d l p ) 技术与全息显示技术的结合 1 3 1d l p 技术概述 d l p 是“d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ”的缩写，意思为数字光学处理1 3 1 ，3 2 j ，是t l 公司的h o r b e c k 在1 9 8 7 年发明的。d l p 技术的基础是一种光学半导体，称作数 字微镜器件( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) ，缩写为d m d ，d m d 芯片由t i ( 德州仪 器公司) 的l a r r yjh o m b e c k 在1 9 8 7 年发明，它是一个极为精确的光开关，可用 来对光进行数字调制。d m d 芯片利用由精微镜面所组成的长方形阵列进行工作， 这些镜面和投影图像中的光线相对应，这些镜面和数字信号、光源和投影镜头协 同工作，能够把影像和图形最忠实的再现出来，当影像或图形的数字信号进入 d l p 系统后，会激活各个d m d 镜面下方的微型电极，推动镜面迎向光源或避开 光源。当镜面迎向光源时，会将一个白色像素通过投影镜头反射到屏幕上；镜面 避开光源时处于关闭状态，像素在屏幕上的位置便显示为深色。每一个d m d 镜 面一秒钟可以开关几千次，改变镜面的开关时间长度就能够产生不同等级的灰 一酶一 醐 基于d l p 再现的计算全息研究 度。如果镜面开启时间长于关闭时间，反射出的灰色像素就比较浅；如果镜面关 闭时间长于开启时间，反射出的灰色像素就比较深。通过这种方法，d m d 镜面 可以反射1 0 2 4 个灰度等级，来产生高度逼真的灰度图像。这套光处理( l i g h t p r o c e s s i n g ) 的最后一步就是把色彩加进黑白图像。在大多数d l p 系统中加入色 彩的方法是在光源和d m d 镜面座板之间放入一个称作色轮( c o l o rw h e e l ) 的光 过滤器。随着色轮的旋转红、绿、蓝三种光线依次落在d m d 精微镜面上。各个 镜面的开关状态会随着彩色光线的闪烁而调整，这样一个典型的d l p 投影系统 就能够产生1 6 0 0 力种以上的不同色彩。目前已有d m d 用作二维全息图再现 3 3 , 3 4 】 和体三维显示1 3 5 j 的研究报道。d m d 结合适当的光源和投影光学系统，就组成 d l p 系统，我们将d l p 及其外设的先进电子器件称之为d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g 刑 技术。 1 3 2 数字光处理( d l p ) 技术在全息显示中的应用 在全息技术发展的很长一段时间旱，人们都是通过全息干板来记录全息干涉 图样，需要经过曝光、显影、定影等化学处理，过程费时且复杂，最大的缺陷是 干板的不可重复性，一块干板无法实现多幅图像的转换显示；即便是在计算机制 全息图技术出现后的很长一段时间内，也需要用绘图仪或激光光束扫描记录装置 等设备将计算结果制作成全息图进行再现，无法实时显示的缺陷仍然存在。这时 候，空问光调制器出现在了全息研究者的视线里。将空间光调制器和全息技术结 合，这一过程发生在全息再现这一环节中。用空间光调制器作为全息图的载体， 同时实现对再现光波的调制，其优势是显而易见的：可以实现全息图的实时再现。 从上文的介绍可以知道，国内也出现了基于d m d 的全息显示技术研究，但 使用的d m d 大多是从d l p 投影仪上拆下来的，再现效果较差。国内虽有关于 d l p 技术方面的研究，但都是将其应用在其他领域。至今还没有直接把d l p 技 术应用在全息显示方面的先例。因此，基于d l p 的全息显示技术研究可以说是 一个全新的研究领域。本课题研究背景j 下是基于以上两方面的结合而展开的。本 文尝试直接将d l p 技术应用于全息显示方面的研究，最终取得了成功。 6 江苏大学硕十学位论文 1 4 本课题的主要研究工作 ( 1 ) 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括：计算全息的基本理沦、计算全息图的优化算法、 数字光处理( d l p ) 的工作原理及特性研究、数字微镜装置( d m d ) 的工作原 理及特性研究和基于d l p 的计算全息图的再现。 全文共分六章，各章内容如下： 第一章绪论。介绍本论文的研究背景和研究目的、国内外研究现状以及本 文的主要研究工作，阐明了本文研究的意义。 第二章计算全息基本理论。本章内容主要围绕计算全息图的编码方法展丌 论述。首先对计算全息的基本理论、计算全息图的制作方法以及典型的全息图优 化算法进行了研究。其次，对几种典型的编码方式进行了综合分析，阐明了相息 图编码在计算全息显示领域中的重要地位。 。 第三章计算全息图的优化算法研究。对几种典型的计算全息图优化算法进 行研究，同时将“遗传蚁群混合算法”首次应用到位相全息图的设计中，在此基础 上对各种优化算法的收敛性能、效率以及适用全息图类型等方面的性能进行综合 的对比分析和归纳。 第四章数字光处理( d l p ) 和数字微镜装置( d m d ) 。首先，对d m d 的结 构构造、d m d 的寻址与复位过程、p w m 驱动等多方面进行了研究。其次，对 基于d l p 技术的投影显示系统进行了分析与研究，剖析了d l p 投影显示系统的 结构组成和工作原理。 第五章基于d l p 的计算全息再现。提出了基于d l p 的计算全息再现系统 的实现方案，并设计了基于a p p s f p g a 的全息图解码程序。最后实验结果表明 该技术在全息显示方面有很多优势，具有潜在的应用前景。 第六章总结与展望。本章是对本论文的总结和对未来研究工作的展望。 ( 2 ) 本研究的技术路线 本文的研究的技术路线如图1 2 所示： 图1 2 本文研究技术路线图 7 网 i 图像i i _ j 基于d l p 再现的计算全息研究 2 1 引言 第二章计算全息的基本理论 1 9 6 5 年，在i b m 工作的罗曼( l o h m a n n ) 教授使用计算机和绘图仪制作出 了世界上第一幅计算全息图1 3 6 1 。它不仅可以全面的记录光波的振幅与位相，而且 在低噪声、高重复性，以及可记录世间不存在物体等方面都远远超过了光学全息 图。计算全息图的制作技术涉及光学全息术的基本原理、透镜的傅罩叶变换特性、 傅里叶分析和线性系统、抽样定理以及计算机程序设计等相关的理论和技术，是 一门综合性较强的技术。 如图2 1 所示，计算全息图的制作和再现过程主要分为以下5 个步骤【7 】： 抽样：对物面按抽样定理进行抽样，得到物体在各个离散点上的离散值；计算： 计算物光波在全息平面上的光强分布；编码：根据各种不同的编码方法将全息 平面上的光场分布编码成全息图的透过率变化；成图：在计算机控制下，将全 息图的透过率变化在成图设备上成图，如果成图设备分辨率不够，再经光学缩版 得到实用的全息图。再现：用再现装置再现成像，这一步骤在本质上与光学全 息图的再现没有区别。 物体( 物仝息全息全息 光波数 抽样 离散 衍射场计算 面复 编码 透过 绘图 再 透过 再现 学表达 样点 振幅率函 率函 现 分布 照相 数式) 千涉场计算 分御数 像 编i 犄 2 2 计算全息的分类 图2 1 计算全息图的制作流程 从计算全息图的制作过程来看，涉及的理论和相关技术较多，因此计算全息 图的分类方法也比较复杂。大致有以下几种分类方法【7 1 ( 如图2 2 所示) ： 根据计算全息图透过率变化的特征进行分类；根据物体和记录平面的相 对位置不同进行分类；根据制作全息图制作时的不同编码技术进行分类。这三 种分类方法是从不同角度考虑的，不能把他们分割开来。例如：对于菲涅耳全息 8 江苏大学硕十学位论文 图，可采用修正离轴参考光的方式进行编码，也可采用迂回位相方式进行编码； 相息图可采用傅立叶变换进行编码，而且透过率函数可以采用二元位相型或者多 阶位相型。 图2 2 计算全息图的分类方法 2 3 计算全息的抽样定理与空间带宽积 ( 1 ) 抽样定理 计算全息图的制作过程涉及到物波复振幅分布的抽样问题。是否满足抽样定 理，直接关系到计算全息图制作的成败。因此，抽样定理是计算全息中最重要的 理论基础。抽样定理1 3 7 j 是电讯系统中联系离散信号系统和连续信号系统的一个 桥梁。在光学中，把时间域换成空间域，则电讯中的离散信号系统和连续信号系 统的概念可直接移植到光学系统中来。因此抽样定理可应用于光学中的空问讯 号。 抽样定理可简单叙述为：“若一个函数s ( t ) 不包含赫以上的频率，则该函 数可以由一系列间隔小于1 2 f 。秒处的样点值完全( 唯一地) 确定”。从直观上看， 这个定理是可以理解的，因为这样一个频带受限的波形，绝不可能在一个很短的 时间内就发生实质性的变化，因为它的最大变化率被其具有的最高频率限制住 9 基- fd l p 再现的计算全息研究 、o ( 2 ) 空问带宽积 空间带宽积是空问信号( 如光学像、图像等) 的信息容量的有效描述，也是 光学处理系统的处理能力，全息图的存储能力等的衡量尺度。空间带宽积是空间 信号a ( x ，y ) 在空间一频率相空问中占据的空间的量度，因此，光学系统的空间带 宽积【3 7 】( s p a c e b a n d w i d t hp r o d u c t ，简称s b p ) 可表示为： 艇 尸= 频域宽度空域宽度 = 胁肛却 2 1 在计算全息技术和各种应用中，计算全息图的实用能力都可用其空间带宽积 来衡量，譬如用计算全息技术制作空间滤波器时，这种空间滤波器的空间带宽积 至少要等于( 或大于) 被处理图像的空间带宽积，因此可由计算全息所具有的空 间带宽积方便地估计其处理空间图像的能力。 如果像场和空间频率域中的面积都是矩形，空域边长为x 、y ，频域边长 为2 b x ，2 b y ，则其空间带宽积为； s b p = 4 x y b 。艿。 ( 2 2 ) 由于空间带宽积具有传递不变性，当物体或图像( 空间信号) 发生空间位移， 缩小或放大，受到调制或变换等操作时，空问带宽积的值是保持不变的。应用空 间带宽积的概念，可以确定制作计算全息图时所需要的采样点总数。反之，如果 知道计算全息图的像素总量及全息面分辨率，则可知道所计算的虚拟物体的尺寸 大小。此外，物体无论在空域或频域中自由度数是不变的，即物体的信息容量是 不变的。这在计算全息图制作中是个很重要的依据。 2 4 基于衍射理论的全息图计算算法 菲涅尔全息图的计算算法 如图2 3 所示，设d ( _ ，m ) ，尺( 一，m ) 分别表示物面和参考光复振幅。在菲涅 耳衍射区，全息面复振幅分布【3 8 】为： r ( _ y ) 一e x p ，( 几j 。k z ) i j d ( 一，乃) 尺( 五，乃) e x p 笔 ( x 一五) 2 + ( y m ) 2 也嘲( 2 3 )，- 二iz zl jj l o 江苏大学硕十学位论文 其中，k = 2 = j t 。 将公式( 2 3 ) 展开并量化处理，设全息面像素总数为m n ，a x i ，a y , 为物面 分辨率，缸，缈为全息面的分辨率，令m a x = x ，n a y = 夕，s a x i = 而，锄= 乃， 其中：m = 1 ，2 ，3 m ，刀= 1 ，2 ，3 n 。则全息面的复振幅为： 脚) = 百e x p ( j k z ) e x p 匦2 幽蝴 ，九ziz zi 善薯。c 蹦c 蹦，e x p 笔c s 2 缸2 觚2 ， e x p 一譬c 朋缸5 缸十，却，觚) 在物场衍射极限下缸= i 去，觚= 害古，则式( 2 4 1 1 ( 朋， ) ：_ e x p ( j k z ) e x p f 譬( 朋z ) f 2 + 刀z 妙：) i i a zi 以zj 备m 渺n 施咖x 社志菇， c x p 川吒m s 帑n t ( 2 - 5 备善d ( 岛f ) 刖岛d e x p l ，砌( 万聂+ 万每l 似p l 2 “万+ 万j 令g = 百e x p ( j k z ) 唧 和幽蝴 ，c 2 = e x p lj r c 2 c 志m + 南, a y ，l ，式 ，九zi 九zli 一x 一v 。 一 l 基于d l p 再现的计算全息研究 i 月( ，m ) 1 全息面 ，x 自少 砂 戈 自面 - 5 7 1 眠? y v 乃7 。 彳k n 。 衍射距离z衍射距离z 图2 3 全息图记录和再现的空问坐标关系 傅立叶变换全息图的计算算法 傅立时变换全息图的计算和数值再现过程与菲涅耳全息图的过程类似。在夫 琅和费衍射区，全息面复振幅分布为： 啪，= 百e x p ( j k z ) 唧2 叫肌艄砌蛔 譬c 硝训b ( 2 8 ) 对r ( x ，y ) 进行离散化处理，可得到全息面复振幅的离散形式： 令c l = 百e x p ( j k z ) e x p 娑a , z ( 垅2 缸2 + 刀2 缈2 ) ，则式( 2 9 ) 变为： ，以zli r ( m ，刀) = c l f f i 2 o ( s ，t ) r ( s ，f ) 】 ( 2 1 0 ) 因此，傅立叶变换全息面复振幅分布可表示为：对物波o ( s ，) 和参考光波 r ( s ，) 乘积进行二维快速傅立叶变换后再乘以位相因子c l 。傅立叶变换全息图的 透过率函数可表示为： h ( m ，刀) = 口( 聊，刀) + 6 ( 朋，n ) c o s q ( m ，刀) 】 ( 2 1 1 ) 式中，b ( m ，门) 和够( m ，刀) 分别包含了傅立叶变换面物波的振幅和位相信息。 2 5 计算全息的编码 2 5 1 计