Menu产品中心激光器飞秒超快激光Class5多光子显微成像激光Coherent飞秒超快激光器AVESTA飞秒激光器Menhir高重频低噪声飞秒Fluence飞秒光纤激光器Lithium紧凑型高功率飞秒ActiveFiber高功率飞秒光纤SolarLaser全固态飞秒Laser Quantum飞秒激光器SourceLAB超强激光等离子体Prospective多光子成像飞秒FSXCycle超快激光时间同步Amplitude超快激光器neoLASE工业超快激光Fibercryst飞秒光纤放大Chromacity超快光纤激光器IMRA超快光纤激光器Fastlite超快激光系统LaserFemto飞秒光纤激光Litilit飞秒光纤激光KMLabs超快X射线光源皮秒纳秒激光HiLASE高能量皮秒激光Passat皮秒纳秒激光器Irisiome皮秒光纤激光器FYLA超连续谱超快激光器LotisTII可调谐皮秒激光Refined可调谐皮秒激光Sirah高重频纳秒染料激光器QLI可调谐纳秒激光器Excelitas光学参量振荡器CW-OPOALS皮秒激光器PILAS可调谐激光器Santec波长可调谐激光器Radiantis超快OPO系统Stuttgart中红外OPOSuperlum扫频可调谐半导体激光器GouMax光通信测试仪表扫频激光器OCTLIGHT高速扫频激光器Axsun高速扫频激光器Optores扫频激光器光纤激光器AdValue光纤激光器NP Photonics光纤激光器Azurlight超高功率单频激光器MW Technologies光纤激光器Optromix光纤激光器Alnair Labs光纤激光器Amonics 1550nm光纤放大器Lumibird光纤激光器超连续中红外Leukos超连续谱激光器Novae中红外超短脉冲激光Femtum中红外飞秒光纤激光紫外光源CryLaS紫外激光器Oxide紫外激光器量子级联激光器Block Engineering量子级联激光Pranalytica高功率量子级联激光Alpes Lasers量子级联激光稳频激光器Stable Laser Systems稳频激光器DMF 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3D光场相机PHOTONIS相机TELOPS红外热像仪NAC高速摄像机Phantom超高速相机Hamamatsu CMOS相机NUVU背照式EMCCD相机FirstLight高速近红外EMCCDDouble Helix Optics深度相机AOS高速相机PCO科学相机Axis超快条纹相机量子信息光学Zurich量子测控Intermodulation微波合成分析QBLOX量子比特控制Swabian时间相关单光子计数Maybell稀释制冷机Basel低噪声超稳定电子设备Excelitas光子探测器UQDevices多光子计数FLIM LABS荧光寿命成像Photonscore光子计数Pi Imaging单光子相机Sparrow单光子源FEMTO低噪声放大器光纤光电器件AOS光纤布拉格光栅Gooch Housego光电器件iXblue电光调制器LUNA光纤传感通信GLOphotonics光子晶体光纤Alnair Labs光学滤波器大气天文探测Miratlas一体化大气监测仪ALCOR SYSTEM天文仪器Plair环境监测系统VOYIS海洋水下探测振镜激光调控SCANLAB扫描振镜EOPC光学扫描系统LINOS激光场镜Cambridge MOVIA振镜Cambridge共振型扫描振镜CRSSill Optics激光场镜MRC激光稳定系统Mirrorcle微扫描镜PLS高速多边形扫描仪光束分析测量Duma光束质量分析仪Liquid多功能测量仪Duma自准直仪HighFinesse波长计Bristol激光波长计数据采集处理Licel数据采集系统AlazarTech高速数据采集处理Spectrum高速数字化仪AMPI刺激器Alnair Labs电脉冲发生器Keysight电子测量与分析仪器AnaPico射频微波信号分析与测量红外光谱ARCoptix红外光谱仪PhaseTech二维红外光谱仪NLIR中红外传感器Optogama红外观察仪IR ViewerEMO高性能红外观测仪超快测量整形Swamp Optics超短脉冲测量FemtoEasy超快测量PhaseTech飞秒光谱脉冲整形n2 Photonics飞秒脉冲压缩few cycle超快激光技术Amonics超短脉冲分析仪太赫兹Lytid太赫兹技术光学元器件光栅few cycle超快啁啾镜Wasatch OCT光栅光谱OptiGrate布拉格光栅Spectrogon光栅滤光片Layertec滤波片Alluxa超窄带滤光片Chroma滤光片Andover带通滤光片Acton紫外衰减片Ondax光学元件Spectrogon滤光片Asahi滤光片反射镜镀膜Layertec超快激光反射镜VIAVI高功率大尺寸光学元件镀膜Acton紫外光学元件OptoSigma超级反射镜Optoman超快激光反射镜支架转台Lexitek电动旋转台其他常用光学表面清洁剂First Contact大型仪器显微系统LyncéeTec数字全息显微镜反射式数字全息显微镜DHM-R透射式数字全息显微镜DHM-TFemtonics多光子显微镜Prospective多光子显微镜Lumicks光镊荧光Lumicks m-Trap光镊Lumicks C-Trap光镊自动化机械ISP精密自动化机械设备微纳加工WOP飞秒激光微加工系统加速质谱仪HVE离子束和电子束设备HVE加速器质谱仪HVE离子加速器系统Ionplus加速器质谱仪低能量碳十四小型加速器质谱系统LEA放射性碳定年小型加速器质谱系统MICADAS多核素低能量小型加速器质谱系统MILEA light多核素低能量小型加速器质谱系统MILEA半导体设备Plassys薄膜沉积和蚀刻设备Picosun原子层沉积TSST脉冲激光沉积Sentech等离子刻蚀原子层沉积MBE分子束外延设备光伏设备WEP电化学ECV掺杂浓度检测pv-tools接触电阻测试仪Horiba椭圆偏振光谱仪Horiba氧/氮/氢分析仪Sinton少子寿命测试仪合作自营赋同量子超导纳米线单光子探测北京卓镭超快激光TINY系列Nd:YAG 纳秒激光器BLAZER系列中高功率超快皮秒激光器LAMBER系列纳秒激光器国盾量子科学仪器国盾量子高亮度纠缠源国盾量子高速近红外单光子探测器国盾量子高速皮秒脉冲激光器国盾量子可见光波段单光子探测器SURISE热风式大气湍流模拟器SURISE液晶大气湍流模拟器SURISE夏克-哈特曼波前传感器SURISE全息光镊系统SURISE飞秒激光频率梳SURISE高性能激光器SURISE高时间对比度TW/PW激光系统SURISE数字微镜阵列DMDSURISE大气光学参数测量仪SURISE光学仪器专用干燥柜解决方案自适应光学多光子显微成像光学相干层析成像OCT大气湍流大气激光雷达量子光学合作伙伴 首页 行业新闻 基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法 基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法 现阶段广泛应用的显示技术以平板显示为主,其发展受限于显示器件与显示观感。在显示器件方面,LED 与液晶面板等应用广泛,但其发展受元件加工技术瓶颈的影响,限制了显示分辨率与视场角的进一步提升。在显示观感方面,基于双目视差的显示方案占据主流市场,但其无法提供真实三维观感的聚焦离焦效果,并在长时间观看后容易带来视觉疲劳。 现有前沿显示技术研究因而以突破显示器件参数与显示观感上限为主要目标,其技术路径可分为近眼显示与裸眼显示两类。近眼显示研究面向可穿戴显示设备的市场需求,采用视差屏幕、视网膜投影等技术,现已陆续产生融合虚拟现实(VR)、增强现实(AR)与混合现实(MR)等概念的显示产品。裸眼显示研究面向大场景沉浸式的显示用户需求,已产生激光投影、全景 LED 显示等技术方案,并成功用于北京冬奥会等超清显示场景。两种技术路径均以实现具有超高数据量、真实观感的三维显示为终极目标。 图1:显示技术发展路径 全息技术因其能够利用光的衍射原理重建出物体在空间中真实的波前分布,被认为是实现真三维显示的终极方案。随着计算机技术与数字化编码器件的发展,传统全息中的干涉记录过程可以在计算机中通过数值计算实现,即计算全息技术(CGH)。由于目前较为常用的计算全息显示器件为空间光调制器,包含振幅型与相位型两类。为使全息图数据格式能够与编码器件相匹配,物光波在全息图平面的复振幅分布需要转换为相应的振幅型全息图或相位型全息图,这个过程被称为波前编码。 近日,清华大学 曹良才 教授团队针对计算全息波前编码方法在《液晶与显示》(ESCI、Scopus收录、中文核心期刊)2022 年第 5 期发表综述论文,从基于液晶空间光调制器的全息图编码算法出发,围绕优化求解方法与复振幅转换方法两个方面对相位型全息图波前编码原理进行分类,对其数学理论与研究进展进行概述。 优化求解方法将相位型全息图的计算过程转换为逆问题求解,依据全息图的约束条件与物体相位的浮动,优化得到该问题的一个局部最优解。目前较为广泛应用的计算全息优化算法可以分为交替投影算法与非线性最小化算法。 交替投影算法通过在不同约束构成的集合之间投影迭代来更新求解的全息图函数。早在 1972 年,Gerchberg 和 Saxton 提出了基于正逆傅里叶变换的交替投影算法,简称为 G-S 算法(图2)。该算法将物函数置于空域,将全息图置于频域,算法在迭代过程中分别在空域与频域施加相关约束条件。在 1978 年 Fienup 等人基于 G-S 的交替投影框架提出误差下降算法。误差下降算法在空域引入反馈约束机制。误差下降算法针对重建物函数中不同物点采取不同约束条件,能够有效提升重建图像质量并加快迭代收敛。在 1988 年 Wyrowski 等人提出在迭代中引入物函数平面的条件约束(图3),并与全息图平面的软约束结合,来使全息图函数平缓过渡至满足约束条件的局部最优解。 图2:基于液晶空间光调制器的全息图计算与编码 图3:几种交替投影算法 图源:液晶与显示, 2022, 37(5):615-616. Figs.2-4 非线性最小化算法由 Zhang 等人于 2017 年引入计算全息领域,其优化原理为定义求解相位型全息图逆问题的损失函数(图4),通过求解损失函数对于全息图的导数,搜索损失函数梯度下降的方向并寻找相对应的全息图解。由于全息图重建存在目标值,l₂ 范数能够使物函数满足强度约束,成为了较为广泛应用的损失函数之一。除 l₂ 范数外,0-1 损失、SSIM 损失函数等也对特定的物体强度具有突出的优化效果。目前非线性最小化算法较为广泛应用的延伸算法包括准牛顿梯度下降算法、 Wirtinger flow 算法和随机梯度下降算法等。 图4: 非线性最小化逆问题模型 图源:液晶与显示, 2022, 37(5): 617. Fig.6 复振幅转换方法将复振幅全息图通过一定的近似数学变换转化为相位型全息图。其中较为广泛应用的此类复振幅编码与转换方法包括双相位分解算法(Double-phase Decomposition Algorithm)与误差扩散算法(Error Diffusion Algorithm)等。 双相位分解算法基于复振幅的双相位分解原理,将分解的双相位分量逐个像素穿插排列,使得相邻像素在衍射传播的过程中相干叠加的复振幅。2002 年 Arrizón 与 Sanchez-de-la-Llave 提出由四个像素组成复振幅单元的双相位编码方法,即为巨像素编码方法(Macro Pixel Encoding)。2014 年 Mendoza-Yero 等人提出将双相位分量通过二元光栅进行像素级采样并相加为一幅相位型全息图的双相位编码方法,被称为单像素编码方法(Single Pixel Encoding)。 图5: 双相位分解算法、全息图计算与重建 误差扩散算法最早使用于二值全息图编码,它将灰度图二值化导致的量化误差分散到周围像素,从而提升二值全息图的重建效果,后续也被用于编码相位型全息图。该方法将复振幅分布与相位型全息图之间的差值通过不同的传递系数传递至相邻四个像素,并更新周围像素值。 图6: 误差扩散法算法,计算得到的全息图与重建的图像 近年来计算全息在算法、器件与系统层面均取得了跨越式的发展,以优化算法与深度学习结合为主的相位编码方法在能量利用率与带宽利用率上具有突出表现,以双相位为主的复振幅编码方法兼备了高运算效率与高重建精度,使得实现高分辨率、大视场的真三维实时全息显示成为可能。 以空间光调制器为代表的调制器件,不断突破像素数目、视场角、像素尺寸的上限,为下一代显示技术奠定了基础。同时,散射介质与超颖表面介入新一代显示系统刺激了波前编码技术的更新与迭代。针对不同的显示应用场景,采用不同的显示器件,设计适配的显示系统与运算算法将是未来全息显示的发展方向。 论文信息 隋晓萌, 何泽浩, 曹良才, 金国藩. 基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法[J]. 液晶与显示, 2022, 37(5):613-624. https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0047 通讯作者介绍 曹良才,清华大学精密仪器系教授、博士生导师。国际光学工程学会 SPIE 和美国光学学会 OPTICA 会士,教育部长江学者特聘教授。2005 年获得清华大学光学工程专业博士学位,毕业后留校工作至今,加州大学圣塔克鲁兹分校和麻省理工学院访问学者,研究方向主要为全息光学成像与显示技术。 E-mail: clc@tsinghua.edu.cn 本文注明来源为其他媒体或网站的文/图等稿件均为转载,如涉及版权等问题,请作者在20个工作日之内联系我们,我们将协调给予处理。最终解释权归旭为光电所有。 液晶与显示・封面 | 基于人工免疫算法的里奥型液晶调谐滤波器优化设计 MRC主动激光束稳定系统 低串扰:多指向型背光三维显示 北邮桑新柱团队3D显示成果集锦 液晶显示用量子点扩散板的研究进展 深度学习赋能下的光学计量:让“老司机”搭上“顺风车” 初大平教授:更佳的3D表面测量技术,“大视场、大高差、异质材料、高精度” Interview with PIs