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全息成像的研究

柴晓冬  
【摘要】: 本论文以视频全息显示为目标,讨论动态全息显示的理论、数值计算方法和技术实现等问题。经典的光全息由波阵面记录与重现这两个独立过程构成,因此无法实现全息显示的动态和实时性。而动态全息显示可真正实现交互式真三维显示,应用领域极其广阔。传统的研究集中在计算机生成全息图(computer-generated holography,简称CGH)和全息图综合的方法上,采用模拟光全息的物理方法,从而导致数据量庞大,无法在现有硬件上完成实时处理,或者靠损失部分三维信息和分辨率以减少数据量,但失去了真三维显示的效果。1990年美国麻省理工学院(MIT)媒体实验室S. A. Benton为首的空间成像小组采用全息视频的新方法,首次实现了动态全息显示。但图像的视角、体积和传输速率受到较大的限制,这既给动态全息显示带来了希望,也给该方法的进一步研究留下了一定的空间。本论文就是在这样一个背景下开展研究的。 论文首先研究了计算全息方法,然后以视频全息显示为目标,讨论了面向衍射的动态三维成像方法。对基于计算机的三维全息成像中的光栅编、解码理论进行了研究,在此基础上,将小波变换方法应用到全息显示中,建立新的变换模式下的光栅编、解码算法,计算中采用小波包分解方法,使全息条纹的计算更加快速、便捷。同时利用光栅的编码结果实现了一个具有三维感的全息立体图显示。为了达到实时性要求,在满足人眼视觉的光信息量基础上,对带宽压缩的理论问题进行了研究,提出了基于离散频谱的带宽压缩算法,并给出了结果。最后讨论了数字全息显示系统中的空间光调制器特性,对数字全息重构也进行了理论分析,模拟重构了镜面反射物波波阵面的相位。 论文中具体完成了以下工作: 1、对光的传播特性进行了数值模拟,以可视化方式表现了菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射的光场分布。 2、用模拟退火算法实现了全息图的计算及显示。 3、在基于干涉全息图的计算方法上,计算了一个点光源的干涉全息图和相位分布。 4、在面向衍射的三维成像方法上,用小波变换方法计算基本条纹,用小波包的分解法直接获得基本条纹函数,给出了条纹函数的物理特性。 博士论文 全息成像的研究 5、提出了基于离散频谱的带宽压缩算法。采用空间频率域的子采样,计算了 一个8倍的条纹函数压缩编码结果,并给出了简单易行的解码方式。 6、利用获得的基本条纹函数合成了一个基于序列视差图像的立体图显示,实 现了三维数据未知的物体的三维全息显示。 7、对CCD获取的镜面反射物波波阵面的干涉全息图,数字重构了其波阵面相 位并给出了算法。


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