基于HOE的全息显示双目视差构建方法

全息光学元件(Holographic Optical Element,HOE)是全息三维显示的重要器件之一。为了解决HOE用于双目全息显示时视差不匹配的问题,本文提出并实现了一种基于HOE的全息显示双目视差构建方法,同时对元件成像时的像差进行了分析校正。通过对HOE的制作原理和成像规律分析,结合光线跟踪技术渲染的虚拟模型和现实场景模型,设计了基于HOE的全息双目显示系统,提出了双目视差构建方法,即在获取人眼坐标位置时为观察者实时提供包含双目视差关系的视点图像。通过进一步分析全息显示系统内部的图像畸变产生原因及过程,提出了去畸变的优化处理算法。实验结果表明,提出的方法不仅能够实现HOE实时显示全息三维图像,而且解决了HOE在全息双目显示中视差不匹配以及成像畸变的问题。

基于三维点云的光栅三维显示景深优化方法

对三维显示内容进行深度压缩处理,是一种针对裸眼光栅三维显示器景深范围不足问题的有效解决方法,但常用的压缩方法会使场景中的主体不可避免地产生几何形变。本文面向密集视点光栅三维显示,提出了一种基于三维点云的景深优化方法,根据三维场景的双目视差图重建出三维点云,将场景主体点云分割,仅对超出显示器景深范围的主体进行深度位置调整,保持场景主体的几何结构不变,从而实现三维场景深度的整体压缩。对本文方法进行关于视觉体验的多项统计实验,对于每个参与者,本文方法处理后结果得票率均超过77%;对于每个实验场景,本文方法得票率均超过80%。实验结果证明了本文方法对观众主观感受有明显提升,可以在压缩场景整体深度的同时保证场景主体没有形变,让观众在观看三维场景时没有不自然感且对场景主体保留较强的深度感知。

基于多种眼动行为的裸眼3D显示视觉疲劳评估方法

在裸眼3D立体视频观看中,由于存在辐辏调节的矛盾,观看者会产生诸如眩晕、呕吐等视疲劳症状,尤其在医疗、A/VR等场景下,3D视频观看通常为任务驱动,眼动行为由于受到主观控制,单一的眼动特征很难准确评估视觉疲劳,更无法得到视疲劳等级,导致视疲劳无法及时被发现,从而造成不可预估的损失。针对以上问题,本文提出了一种基于多种眼动行为的3D视疲劳等级评估模型,旨在观看3D内容时,通过对注视、扫视、眨眼等眼动行为进行建模分析,得到实时视疲劳等级。本文采用主客观相结合的方法进行实验:受试者观看3D内容,实验人员记录受试者主观打分并利用眼动仪提取受试者客观眼动行为;通过进行相关性分析,探究任务驱动下能够表征3D视疲劳的各种客观眼动行为;利用神经网络建立基于16种眼动行为的视疲劳四等级评估模型。模型对3D视疲劳等级的预测准确率达到82%,证明了模型的有效性。

基于小样本手部关键点的MLP网络提升3D光场交互准确度方法

针对当前3D光场手势交互存在识别率低、识别速度慢、深度学习网络需要较多数据样本的问题,本文提出了一种基于小样本手部关键点的多层感知器(Multi-Layer Perceptron,MLP)网络提升3D光场交互准确度方法,识别速度达到毫秒级。在手部关键点采集过程中,从不同位置采集得到的同一种手势关键点三维数据存在显著差异。为了消除差异,本文提出在同一右手笛卡尔坐标系下,通过位移和罗德里格旋转公式对简化后的手势模型进行位姿变换,将同一种手势归一化。一个MLP神经网络被用来从归一化后的手部关键点跳变关系中提取手部特征。实验结果表明,本文提出的方法对3D光场交互中的简单手势识别率为95%以上,对复杂手势的识别率为90%以上。与此同时,该方法在小样本数据集训练下表现出优秀的性能,能够满足精确和快速手势识别的要求。最后,本文展示了一种将所提出的方法成功应用于3D光场交互的场景。

增益平坦的多波长泵浦宽带拉曼光纤放大器

在分析拉曼光纤放大器(RFA)原理的基础上,采用遗传算法对5波长后向泵浦拉曼光纤放大器的波长和功率进行了优化设计。实验采用位于5个波长处的7个泵浦激光器和100.8 km的色散位移光纤,实现了带宽为90 nm、开关增益为15.55 dB、增益平坦度为0.87 dB的拉曼放大,其平均有效噪声系数为-3.5 dB,与理论分析结果一致。

折射率直流分量调制对光纤Bragg光栅的影响

从耦合模理论出发,推导了折射率直流分量调制函数与光纤Bragg光栅相位之间的关系式,分析了折射率直流分量调制对光纤Bragg光栅时延特性的影响.利用传输矩阵法进行了数值仿真,仿真结果与理论分析一致.在理论分析基础上,提出采用同一块均匀相位掩膜版灵活制作具有不同线性或非线性时延特性的啁啾光纤光栅的方法,可用于高速光通信系统中不同色散和色散斜率的补偿.

基于光纤布拉格光栅的化学传感器

除掉光纤布拉格光栅的包层,可以使它的布拉格波长对外界环境的折射率变化敏感。采用氢氟酸腐蚀掉光纤布拉格光栅的包层,获得了直径约为6μm的布拉格光栅。实验研究了布拉格波长对化学溶液的浓度敏感性特征,结果表明:采用10 pm分辨率的光谱仪,丙二醇溶液在低浓度时的浓度分辨率为0.7%,在高浓度时的分辨率为0.32%;糖溶液在低浓度时的分辨率为0.55%,高浓度时为0.1%。采用商用的分辨率为1 pm的高精度波长解调系统,它们的分辨率可以提高一个数量级。

温度对光纤布喇格光栅化学传感器性能的影响

阐述了光纤Bragg光栅化学传感的基本原理,推导并利用数值计算得出了腐蚀掉包层后的光纤Bragg光栅的纤芯有效折射率随外界折射率变化的关系.分析了温度对这种传感器造成的误差.研究表明,温度会造成光纤光栅变化和改变溶液折射率的大小,从而对传感器的测量造成影响.设计了一种温度补偿方案.实验分别研究了低浓度溶液和高浓度溶液中传感头两段不同光栅区的Bragg波长随温度的变化.结果表明:在清水中,传感头两段光栅区Bragg波长受到温度变化的影响基本相同,通过测量波长的差值可消除温度的影响;高浓度溶液中,传感头受温度影响造成的总波长漂移量约为未被腐蚀光栅区的波长漂移量的0.6,与理论的结果基本一致.传感头受温度影响造成的总波长漂移量可由未被腐蚀光栅区波长漂移量的大小得出,进而可消除温度对溶液传感的影响.

直流切趾对光纤光栅特性的影响

从模耦合方程出发,分析了直流切趾对光纤光栅特性的影响,给出了直流切趾和光栅啁啾之间的关系,提出了用线性直流切趾来实现均匀模板制作啁啾光栅和同一啁啾模板制作不同色散特性光栅的方法。实验上,用均匀模板制作了色散量为-2 126 ps/nm的啁啾光栅,并用同一啁啾模板制作出了色散量为-1 599.362 71 ps/nm-、1 250.4 ps/nm和-2 011.4 ps/nm的光栅。实验结果表明,理论和实验符合较好。

宽带拉曼光纤放大中的多泵浦源选择方法

理论分析了拉曼光纤放大谱与多波长泵浦光功率和波长的关系。考虑到泵浦光与泵浦光,泵浦光与信号光的拉曼相互作用,得出一个增益数组,增益数组就是离散的宽带拉曼光纤放大增益谱。对任何形态的宽带拉曼光纤放大增益谱,可以设定对应的增益数组,把泵浦光功率和波长组成二维坐标系,遍取坐标系中的各点,求出各组点对应的增益数组,找出最接近设定的增益数组,这组泵浦光功率及波长就是最优的解决方案。

高精度控制多泵浦实现宽带平坦的拉曼放大

设计了基于PID控制技术的高精度激光器温度控制和功率控制模块。激光器驱动电流控制精度为0.1mA,系统温漂小于25mK,实现了泵浦激光器24h波长漂移小于0.02nm。依据遗传算法,采用5波长大功率半导体激光器后向泵浦和100.8km色散位移光纤,实现了带宽为90nm、增益平坦度为0.87dB的拉曼放大。

基于DMD滤波器的波长间隔可调谐的双波长单纵模光纤环形激光器（英文）

提出一种稳定的波长间隔可调谐的双波长单纵模环形光纤激光器.在复合环形谐振腔中,采用由数字微镜装置(DMD)滤波器和两个不同长度的次级环形谐振腔组成的多重滤波的方式来选择激光器的工作模式.其中,DMD滤波器可以从掺铒光纤的自发增益谱中任意选择两个波长并将它们耦合进光路中;次级环形谐振腔作为模式滤波器,可以保证激光器输出单纵模激射;利用非线性光子晶体光纤(HN-PCF)的四波混频(FWM)效应,使激光器输出均衡平稳的双波长激射.在室温条件下,不用移动实验装置中的任何器件,通过将位置不同的光栅映射在DMD滤波器上来实现双波长间隔可调谐,调谐范围为0.165 nm到1.08 nm,调谐步长为0.055 nm.

基于数字微镜器件的高分辨率计算全息显示

针对基于数字微镜器件的全息显示分辨率受限的问题,提出了一种大尺寸、高分辨率计算全息显示方法。本文利用计算机渲染或相关变换方法生成高分辨率输入图像,利用菲涅尔衍射算法和傅立叶变换并行计算提升全息图的分辨率,根据数字微镜器件特性进行衍射图像的时空复用与动态融合,有效提升计算全息显示的分辨率与动态效率。实验结果表明,该方法可实现大尺寸、高分辨率的动态全息显示效果,突破了数字微镜器件固有的像素数目及分辨率限制,使用像素分辨率为2K的数字微镜器件可显示8K甚至更高分辨率的重建图像,尺寸可以达到82 mm甚至更大。

铋/铒共掺光纤荧光特性实验研究

分别用980nm和830nm的半导体激光器作为泵浦源激发铋/铒共掺光纤,采用前向和背向泵浦方式分析放大的自发辐射谱特性.实验结果表明：随着泵浦功率的增大,荧光强度显著增强.利用980nm半导体激光器,采用前向泵浦方式可激发以1 142nm和1 536nm为中心的两个辐射带,以1 142nm为最高辐射峰的3dB带宽是141nm,以1 536nm为最高辐射峰的3dB带宽是29nm.利用830nm半导体激光器,采用前向泵浦方式可激发以1 421nm为中心的荧光谱,3dB带宽是447nm.980nm和830nm激光器分别前向泵浦铋/铒共掺光纤时,随着光纤长度的增加,荧光先增强后减弱;分别背向泵浦铋/铒共掺光纤时,随着光纤长度的增加,荧光强度先逐渐增强后保持稳定.在25～80℃的温度范围内,铋/铒共掺光纤的荧光强度几乎不受温度的影响.使用980nm和830nm泵浦源同时激发铋/铒共掺光纤,结果表明铋/铒共掺光纤的发光中心具有相对独立性,发光范围存在部分重叠.

一种裸眼3D显示中的多视点校正方案

在裸眼3D显示中,传统的多视点采集方式为均匀采集。研究表明,因柱透镜光栅存在畸变,所以显示器构建的视点分布并不均匀,进而导致显示器视点和采集视点不匹配,产生了视点图像错位、透视关系错误等问题,影响最终的观看体验。针对上述问题,本文提出了一种多视点图像分布校正方案,该方案由一种视点筛选算法和中间视点生成网络构成:结合空间视点真实分布规律,针对均匀采集的多视点图像进行视点筛选,以指导中间视点预测网络生成对应位置的虚拟视点,使之匹配显示器构建视点位置。实验证明该方案为显示器视点填充了正确的视差图,有效地解决了显示器空间视点和采集视点的位置不匹配问题,提升了光栅立体显示器的观看质量。

基于预处理卷积神经网络提升3D光场显示视觉分辨率的方法

3D光场显示技术因具有较大的观看视角、密集的观看视点而被研究学者们关注。分辨率是3D光场显示技术的一个重要参数,提升分辨率的方法较为复杂,因此研究学者们开始关注视觉分辨率。为了提高3D光场显示的视觉分辨率,提出了一种基于深度学习获取预处理基元图像阵列(PEIA)的方法。在光场显示的成像过程中,透镜的像差会使成像平面上形成弥散斑。弥散斑之间的交叠区域可以被视为新的视觉像素,并被用作额外的信息载体。一个分辨率增强的卷积神经网络(CNN)被用来从高分辨率基元图像阵列(HEIA)中获取PEIA,将PEIA加载到LCD上,经过透镜阵列的光学变换和定向扩散膜的扩散作用,呈现出具有视觉分辨率增强的3D光场显示图像。在实验中,通过使用PEIA、透镜阵列以及定向扩散膜,展示了一个具有70°视角的光场显示,并提高了视觉分辨率。

Design of a photonic crystal fiber polarization beam splitter with simple structure and ultra-wide bandwidth

A novel polarization beam splitter(PBS)based on dual-core photonic crystal fiber(DC-PCF)is proposed in this work.The proposed DC-PCF PBS contains two kinds of lattices and three kinds of air holes to form the asymmetrical elliptic dual-core structure.By using the full-vector finite element method,the propagation characteristics of the proposed DC-PCF PBS are investigated.The simulation results show that the bandwidth of the proposed DC-PCF PBS can reach to 340 nm,which covers the S+C+L+U communication bands,the shortest splitting length is 1.97 mm,and the maximum extinction ratio appears near wavelength 1550 nm.Moreover,the insertion loss of the proposed DC-PCF PBS is very low.It is believed that the proposed DC-PCF PBS has important applications in the field of all-optical communication and network.

Numerical simulation of a truncated cladding negative curvature fiber sensor based on the surface plasmon resonance effect

A refractive index(RI)sensor based on the surface plasmon resonance effect is proposed using a truncated cladding negative curvature fiber(TC-NCF).The influences of the TC-NCF structure parameters on the sensing performances are investigated and compared with the traditional NCF.The simulation results show that the proposed TC-NCF RI sensor has an ultra-wide detection range from 1.16 to 1.43.The maximum wavelength sensitivity reaches 12400 nm/RIU,and the corresponding R^(2)of the polynomial fitting equation is 0.9999.The maximum and minimum resolutions are 2.56×10^(-5)and 8.06×10^(-6),respectively.In addition,the maximum amplitude sensitivity can reach-379.1 RIU^(-1)when the RI is chosen as 1.43.The proposed TC-NCF RI sensor could be useful in biochemical medicine,environmental monitoring,and food safety.

三维显示图像的串扰评价方法与理论建模(特邀)

裸眼三维(3D)显示技术可使观众无须佩戴眼镜就可以观看到具有立体效果的图像,是3D显示领域研究的重点。目前,业界尚缺少衡量裸眼3D显示器显示3D图像质量优劣的方法,从而严重制约了光场显示和内容生成的发展。本课题组提出了裸眼3D显示中串扰的客观评价指标,重点考虑了相邻像素间颜色值相近致使视点信息复用的情况。实验结果表明,所提评价指标与主观评分值的相关系数可以达到88%以上,指标值与人眼视觉对视差图像的串扰感知高度一致。

基于双层半色调图像联合编码的超多视点和高灰阶光场显示(特邀)

提出一种基于双层半色调图像联合编码的光场显示装置。该装置由准直背光、双层菲林片、滤光片、非球面柱透镜阵列和垂直扩散膜组成。菲林片用于显示半色调光场编码图像,滤光片用于实现红绿蓝三色通道,非球面柱透镜阵列和垂直扩散膜用于调控光线的出射方向。为了实现超多视点和高灰阶的光场显示,利用双层菲林光场编码提升视点数目,利用半色调图像联合优化方法合成双层菲林结构上的光场编码图像,扩展灰阶范围。在验证实验中,实现了超多视点、高灰阶、彩色的三维光场显示效果,视点数量达到165个,灰阶达到256×256×256。