基于Lcos技术的相干3D成像的研究

论文摘要

随着各种空间光调制器的发展,如：声光调制.、液晶器件、数字微镜等,电可控空间光调制器在3D光电全息显示技术中起着越来越重要的作用。Lcos技术,作为一种新兴的显示技术,被人们看做是最具潜力的相干显示技术。本论文工作主要是利用Lcos面板作为相干显示器进行有关相干全息3D显示方面的研究。研究的主要内容包括：计算全息图的产生、利用现有Lcos芯片搭建数字全息显示系统、对计算全息图的重建质量进行改善、提高程序的运算效率和扩大成像的可视角度等方面。首先对三维视觉的生理根源进行了回顾。对典型的三维显示系统进行了分析和归纳。全息显示作为三维显示的圣杯,进行了重点的介绍。计算全息图显示作为全息显示的一种,研究了其特点,指出了其优于传统显示和光学全息显示的方面。Lcos空间光调制器作为数字空间光调制器的一种,在计算全息显示系统中位于非常重要的位置,介绍了其技术背景,分析了其用于数字全息显示的优势。利用等效光栅模型测量了Lcos芯片所对应的等效光栅常数,为进一步的研究提供了基础。根据现有Lcos芯片的物理参数研究了其再现能力。从数学上分析了由于Lcos数字空间光调制器的引入对物光波前再现的影响,并计算了现有Lcos芯片的空间带宽积。以微软公司的VB6.0为开发环境编写了计算全息图生成程序,在此基础上给出了提高程序运行效率的方法和途径,并对其效果进行了分析和讨论。搭建了以Lcos空间光调制器为核心的数字全息光电再现实验系统。对会聚球面波照明情况下,透镜焦平面上的频谱分布进行了讨论；在此基础上,对再现光路进行了滤波处理,并进行实验验证和对比分析。根据基元全息图的思想,任意三维物体都可以看作是自由空间物点的集合。通过理论推导在空间单一物点的再现位置,分析了记录距离和再现距离之间的联系,讨论可视角度和横向放大率的关系。最后,实验验证以Lcos芯片为核心的数字全息光电三维再现的可行性,并最终通过人机交互实现三维物体的动态再现效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 三维显示概述
• 1.1.1 三维感知的生理基础
• 1.1.2 三维显示技术的现状
• 1.2 计算全息的优势
• 1.3 空间光调制器工作原理与分类
• 1.4 Lcos技术背景及芯片工作原理介绍
• 1.5 本文的研究意义和研究内容
• 1.5.1 本研究的意义
• 1.5.2 本研究的主要内容
• 第2章 计算全息的基本理论
• 2.1 光的波动理论
• 2.2 光波场的空间傅里叶分析
• 2.3 全息图的记录和再现
• 2.4 计算全息图的分类
• 2.5 数学方法与基础
• 2.5.1 二维傅里叶变换的定义和性质
• 2.5.2 二维卷积的定义
• 2.5.3 线性系统分析方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 LCOS芯片与算法研究
• 3.1 LCOS芯片的物理特征
• 3.1.1 等效光栅模型
• 3.1.2 再现能力的讨论
• 3.1.3 固有栅格结构对再现波前的影响
• 3.1.4 芯片信息容量的计算
• 3.2 衍射数字化过程
• 3.3 计算全息图生成程序的编写
• 3.4 算法的优化
• 3.4.1 有效贡献区域的定义
• 3.4.2 全向视差与单向视差
• 3.4.3 前景和背景的定义
• 3.4.4 波带片平移叠加法
• 3.5 本章小结
• 第4章 三维显示的实验研究
• 4.1 实验平台的介绍
• 4.2 有关滤波和再现位置的研究
• 4.2.1 对直流分量的滤除
• 4.2.2 成像位置的计算
• 4.2.3 可视角度与横向放大率关系的讨论
• 4.3 实现全息3D成像的动态显示
• 4.3.1 三维显示可行性验证
• 4.3.2 三维立体成像
• 4.3.3 三维动态成像
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢