基于波前动态扫描系统的计算全息三维显示技术研究

Three-dimensional (3D) display technology has great value in both industry and research fields, and it is one of the hottest research areas in display technology. 3D display also has broad prospects in military, medical, and entertainment applications. Holographic 3D display can provide all the depth cues that human vision system can perceive, which is a promising technique to realize true 3D display. This project focuses on the space-bandwidth product limitation of the computer-generated holographic 3D display system, and plans to build a dynamic wavefront scanning system based on a high frame rate spatial light modulator (SLM) to expand the system space-bandwidth product by accurate modulation of the 3D wavefront information. Quality computer-generated holograms of complex 3D scenes are calculated, encoded and transmitted using a GPU parallel computing platform. The optical reconstruction system can provide dynamic holographic 3D display with frame rate of 60Hz, image size larger than 70mm×50mm, and viewing angle of 40 degrees. Space-bandwidth product of the dynamic holographic 3D display system can be expanded and the viewing performance of the 3D hologram during optical reconstruction can be enhanced with the implementation of this project, which would promote the practicality of computer-generated holographic 3D display techniques.

三维显示技术蕴藏着巨大的市场应用价值与科学研究价值，是显示领域的研究热点，并在军事、医疗、娱乐等领域有着广阔的应用前景。全息三维显示技术可以提供人眼视觉系统所需的全部深度感，是实现真三维显示的有效技术方案。本项目针对计算全息三维显示系统的空间带宽积受限问题，拟构建基于高帧频空间光调制器件的波前动态扫描系统，通过对三维场景波前信息的精确调制来实现系统空间带宽积的有效扩展，再利用GPU并行运算平台对复杂三维场景的计算全息图进行高质量的快速运算、编码与传输，实现刷新频率为60Hz，图像尺寸大于70mm×50mm，视场角为40度的动态全息三维显示。本项目的研究将有效地扩展动态计算全息三维显示系统的空间带宽积，提高三维全息图光学重建的视觉参数，从而促进计算全息三维显示技术的实用化。

全息三维显示技术可以提供人眼视觉系统所需的全部深度感，是实现真三维显示的有效技术方案。本项目针对计算全息三维显示的算法设计以及系统集成，设计了高精度三维全息图衍射算法，利用多角度复用的方式有效提高了系统的空间带宽积，并成功抑制了共轭像和零级噪声，实现了三维场景的高质量光学重建。本项目的主要研究成果归纳如下：.1. 针对三维波前信息的高精度计算问题，提出了复合分层全息体视图算法，该算法利用基于空间分割的逆菲涅尔衍射计算模型，突破了传统菲涅尔衍射计算的傍轴近似和适用距离限制，该算法在衍射距离超过10 mm的条件下信噪比可以达到39 dB，实现了三维波前信息的快速高质量计算。.2. 针对三维计算全息图的深度信息编码问题，将计算全息与计算机图形学相结合，利用分段渲染结合基于轮廓掩膜的分层角谱算法，系统地解决了三维计算全息的遮挡问题，并通过基于Phong反射模型的真实光照计算，实现了三维计算全息图的真实光照渲染，有效提升了三维场景的光学重建质量。.3. 针对全息三维显示系统的空间带宽积受限问题，提出了基于材料多角度复用和基于物光多角度复用的体全息显示方法，有效地扩展了全息显示系统的空间带宽积。利用DMD结合扫描振镜搭建了基于波前动态扫描的计算全息三维显示系统，实现了三维全息图的多角度拼接，视场角可以扩大至40°。.4. 针对振幅计算全息图的共轭像以及零级噪声干扰问题，提出了通用的单边带滤波方法以消除共轭像和零级噪声的干扰，该方法通过对三维场景全息图平面复振幅信息的空间频率信息重新分布，使得共轭像与重建像在空间频率域进行分离，从而可以实现任意三维全息图算法的共轭像与零级噪声消除，有效地提高了三维全息图的光学重建质量。. 本项目的研究有效地扩展动态计算全息三维显示系统的空间带宽积，提高了三维全息图光学重建的重建质量与视觉参数，有望应用于三维显示、虚拟现实以及增强现实等领域并促进计算全息三维显示技术的实用化。