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擬轉化成果 | 基于液晶空間光調制器的計算全息波前編碼方法
來源:中國光學《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)布時間: 1132天前 | 5514 次瀏覽 | 分享到:
現(xiàn)階段廣泛應用的顯示技術以平板顯示為主，其發(fā)展受限于顯示器件與顯示觀感。在顯示器件方面，LED 與液晶面板等應用廣泛，但其發(fā)展受元件加工技術瓶頸的影響，限制了顯示分辨率與視場角的進一步提升。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，但其無法提供真實三維觀感的聚焦離焦效果，并在長時間觀看后容易帶來視覺疲勞。


現(xiàn)有前沿顯示技術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，其技術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備的市場需求，采用視差屏幕、視網膜投影等技術，現(xiàn)已陸續(xù)產生融合虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）與混合現(xiàn)實（MR）等概念的顯示產品。裸眼顯示研究面向大場景沉浸式的顯示用戶需求，已產生激光投影、全景 LED 顯示等技術方案，并成功用于北京冬奧會等超清顯示場景。兩種技術路徑均以實現(xiàn)具有超高數(shù)據(jù)量、真實觀感的三維顯示為終極目標。

圖1：顯示技術發(fā)展路徑

全息技術因其能夠利用光的衍射原理重建出物體在空間中真實的波前分布，被認為是實現(xiàn)真三維顯示的終極方案。隨著計算機技術與數(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算機中通過數(shù)值計算實現(xiàn)，即計算全息技術(CGH)。由于目前較為常用的計算全息顯示器件為空間光調制器，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振幅分布需要轉換為相應的振幅型全息圖或相位型全息圖，這個過程被稱為波前編碼。

近日，清華大學 曹良才 教授團隊針對計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制器的全息圖編碼算法出發(fā)，圍繞優(yōu)化求解方法與復振幅轉換方法兩個方面對相位型全息圖波前編碼原理進行分類，對其數(shù)學理論與研究進展進行概述。

優(yōu)化求解方法將相位型全息圖的計算過程轉換為逆問題求解，依據(jù)全息圖的約束條件與物體相位的浮動，優(yōu)化得到該問題的一個局部最優(yōu)解。目前較為廣泛應用的計算全息優(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制。誤差下降算法針對重建物函數(shù)中不同物點采取不同約束條件，能夠有效提升重建圖像質量并加快迭代收斂。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。