RFreeTrack:基于差分相位全息图的RFID非接触式鲁棒定位系统

针对复杂室内环境非接触式RFID目标定位误差大的问题,提出了RFreeTrack系统,其使用商用RFID设备计算出目标反射信号,实现了复杂环境下高精度非接触式目标定位。首先,提出了一种基于时间序列相似度的搜索方法用于校准静态信号,从而显著增强了目标反射信号提取的鲁棒性。然后,提出了基于差分相位全息图的非接触式定位方法,排除阅读器天线位置的影响,提升了定位准确度,降低了系统的部署难度。最后,实现了一个高精度的非接触式定位系统原型。实验表明,在复杂环境中使用校准后的静态信号提取出的目标反射信号相位,相较于现有方法误差降低了68.8%。基于校准过的静态反射信号,在复杂环境中使用差分相位全息图的定位误差平均值为0.040 8 m,相较于现有方法提升了50.6%。

基于空间光调制器的三维相位全息图再现像优化

在现有的二维图像再现效果改善方法的基础上,对三维物体再现像质量提高的方法进行研究。基于衍射理论,分析了具有有限填充因子空间光调制器的栅格结构对重构图像质量的影响。编入双线性相位因子到纯相位全息图,使得有效光偏移中心光轴传播,让图像细节得到完整重构再现。然后迭加双会聚球面波相位因子,使得各再现像面与空间光调制器栅格结构引起的多级衍射光聚焦平面的位置进行分离,利用光阑和空间滤波器共同作用来消除高级衍射光以及零级光对重构图像质量的影响。搭建了基于LC-SLM的相位全息图光电再现系统用于实验验证。实验结果表明三维物体再现像质量得到明显的提高。

纯相位全息图优化算法

近年来得益于光学、电子和计算机等各项技术的进步以及新算法的不断提出,计算全息技术飞速发展。由于现有液晶空间光调制器对于纯相位全息图具有更高的调制能力与衍射效率,纯相位全息图优化算法一直以来是一个研究热点。本文回顾了计算机生成全息图的发展历程,并按照迭代方法、非迭代方法以及其他方法为分类标准,对纯相位全息图生成与优化算法进行了总结。各种传统方法可以满足不同的计算耗时与重建质量要求,深度学习、维尔丁格流等方法为纯相位全息图优化带来了新的思路,这些工作都有利于实时、广视场、高质量全息三维显示的早日实现。在未来,由三维物体图像生成曲面纯相位全息图(如柱面全息图和球面全息图)的优化算法值得进一步研究。

照相相位全息图:显影液成分对散射和衍射效率的影响

用传统的定影后再用漂白的方法处理的照相相位全息图,与没有经过定影就用反转漂白所加工的全息图相比,通常具有较高的衍射效率。但是,它却表现出相当严重的散射噪音。用这两种漂白法进行实验,其结果表明了显影液成份是如何影响散射噪音和衍射效率的。与显影有关的两个过程,即溶解物理显影过程和明胶的局部硬化过程,对所观察到的效应起着主导作用。

纯相位菲涅尔全息图的反馈迭代算法及其硅基液晶显示

研究了纯相位菲涅尔计算全息图的制作方法,给出了一种生成纯相位菲涅尔计算全息图的算法.首先研究了菲涅尔衍射的数值模拟算法,分析了两种数值模拟算法的计算速度.将计算速度较快的菲涅尔衍射数值模拟算法和迭代算法相结合,并引入比例反馈,得到纯相位菲涅尔计算全息图的反馈迭代算法.其次,对比例反馈系数的选取进行了实验研究,得到其最优经验值范围,然后进行了仿真实验.仿真结果表明,该算法降低了重构误差,提高了全息图重构质量.最后基于新型空间光调制器反射型硅基液晶,建立了全息显示光电实验系统,对该算法进行了验证.

余弦二值编码纯相位全息图的数字微镜器件显示

分析了采用错误减算法的迭代过程,在已知物波函数傅里叶谱的振幅和物波函数振幅的情况下恢复出纯相位的物波函数,最大限度地保留物波的振幅及相位信息。提出采用余弦二值编码生成二值全息图,即全息图的透射率函数取0或1。二值全息图通过数字微镜器件全息显示系统进行了重构显示,重构效果很好。理论分析了数字微镜器件的衍射效率,表明其最大衍射效率仅和微镜之间的间隔尺寸与微镜边长之比有关。余弦二值编码方法从理论上消除了零级衍射,可以制作像素较多的全息图。

基于混合相位的多平面全息显示

在计算全息术中,基于层析法实现多平面全息显示是最常用的方法之一。针对层析法中多个平面之间存在串扰的问题,本文结合随机相位和二次相位的优点,提出了一种基于混合相位的多平面全息显示方法。首先,选择合适的权重因子生成混合相位代替随机相位作为初始相位。利用迭代傅里叶变换算法进行迭代后,将获得的每个子全息图与具有不同重建距离的菲涅尔波带片叠加,接着将每个全息图以复振幅叠加,获取相位后得到纯相位全息图,从而将分层图像重构于指定的平面上。利用硅基液晶空间光调制器搭建多平面全息显示系统开展了相关的光学实验。实验结果表明,与基于随机相位的方法相比,本文方法提高了结构相似性参数(最高可达4.6%),减弱了多个全息重构平面之间的串扰,提高了多平面全息显示的再现质量。

基于迭代的纯相位全息图生成算法比较研究

纯相位全息图因无共轭像、衍射效率高,在全息三维显示中得到广泛应用.迭代算法因计算灵活、编码图像重建质量高,在纯相位全息图生成中具有重要地位.对基于迭代的生成纯相位全息图最新算法进行比较研究,介绍迭代算法生成纯相位全息图的基本原理,编程实现了典型代表性、创新性算法.通过图像重建质量、耗时长短的对比,进行了详细的实验研究,分析了各类方法的特点和优缺点.结论表明,对于较大像素差的图像,选用直方图补偿算法可得较好的效果,对于高重建质量的图像,可选用自适应加权Gerchberg-Saxton算法.

在液体光化聚合混合物中记录相位全息图的机理

本文叙述和分析在多元光化聚合混合物上记录相位全息图机理的实验,这种全息图的特点是长时间稳定性。全息记录用的光化聚合混合物参数在衍射效率峰值、长时间稳定性和信噪比方面的最佳化会使成分复杂化。本文研究了上述参数最佳化的四组分488,它在正常条件下是单相溶液。该系统的组分是:X——双官能低聚物——11%(重量),Y——多官能单基物——44%(重量)。

用于智能显示的相位型计算全息图的设计

介绍了一种基于相息图原理的用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法,并在此基础上,以雪花图形和分划板图形为例,完成了全息元件实验样件的制作及全息再现实验,这种实时再现的图像可以用于智能显示。在已知记录介质折射率的情况下,通过控制纯相位型计算全息图记录介质表面微结构的宽度和高度来调制光波,得到所需图像。采用逐步迭代的傅里叶变换算法来获取纯相位型计算全息图的相位结构,为了降低相位型计算全息图的制作难度,提出量化数学模型,并对所设计的相位结构进行量化处理,给出了纯相位型计算全息图的4台阶浮雕型相位结构。全息元件的尺寸设定为6mm×6mm,工作波长为650nm,衍射结构的最小特征尺寸为8μm。理论计算和模拟再现像的结果表明,在未考虑加工误差的条件下,所提供的这种用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法是可行的。此方法可推广用于其它任意特定图案的纯相位型计算全息图的设计,也可用于设计具有光束整形功能的衍射光学元件,如离轴照明的光束的整形匀光器件等。用于智能显示时,用平行光照射制作的实验样件,只得到的单一的衍射图像,不存在其他衍射级次的图像,在考虑采用台阶量化结构和存在加工误差的情况下,衍射效率仍然很高。若改变设计的全息图相位的正负,并用平行光以特定的角度照射制作此相位型计算全息图,可用于全息瞄准。

可编程菲涅耳相位透镜应用于多平面全息投影

研究了基于菲涅耳相位透镜实现多平面全息投影的方法,采用硅基液晶相位调制器建立了多平面全息投影系统.首先,利用可编程菲涅耳相位透镜代替傅里叶透镜,将计算机生成的相位全息图与菲涅耳透镜的相位结合;其次,基于时分复用和空分复用原理提出了加载菲涅耳相位透镜与相位全息图到相位空间光调制器上的两种方法;最后,讨论了在多平面全息投影中每个单一平面实现旋转物体动态360°视角显示的方法.实验结果表明:在距离硅基液晶分别为500、800、1 100和1 400mm处的四个重构平面可以获得全息投影图像;通过动态地改变菲涅耳相位透镜的焦距,可以实现多平面全息投影.

基于并行结构的相位恢复算法在全息激光投影中的应用

全息激光投影技术相比传统图像显示技术有突出的优势。作为全息激光投影技术的关键图像处理算法——相位恢复算法,算法的收敛速率和精度都有待提高,在实际计算中它们的效果不够理想,甚至不能保证迭代过程总收敛到正确解。基于此,本文提出了基于并行结构的相位恢复算法(PGSGA)。该方法思路是对多个初值进行并行运算,不断"筛"出最优结果来对GS算法进行加速。仿真实验证明,该算法在收敛速率和恢复的灰阶图像质量等方面具有优越性。

激光刻写三维全息图产生涡旋倍频的实验和理论研究

涡旋光通常需借助外部光学元件或结构将高斯光束整形来产生。激光引发的光致折变结构可以将光束整形功能直写到材料内部,具有便于集成和稳定性好等优点,但这种线性衍射通常无法获得高效的倍频涡旋输出。为解决该问题,首先实验研究了铌酸锂中激光直写参量对光致折变结构分辨率和最大深度的影响,并刻写三维全息图将高斯基频光转换为十字形涡旋倍频;之后理论证明了利用基频的布拉格衍射,可在1.074~3.716μm范围产生相位匹配的涡旋倍频输出。

相全息图产生任意阶无衍射光束阵列的理论和实验

无衍射光束由于其中心光斑尺寸小、传播中无衍射等特性被广泛关注。提出了一种相位全息图产生任意阶次和位置的无衍射光束阵列的方法。设计具有相同特征值的相全息图阵列,即阵列中每幅相全息图在频谱面上产生相同半径的亮环,并把相全息图阵列写入空间光调制器,由于傅里叶变换平移不变性,相全息图阵列在频谱面上仍产生唯一能量集中的亮环,通过环形滤波器将其滤出,再次进行傅里叶变换,便得到无衍射光束阵列,并且每个无衍射光束的位置和阶次都可以任意设置。理论分析和实验均证明了该方法的可行性。

面向纯相位型全息显示的自适应混合约束迭代算法

纯相位型计算全息图舍弃全息面上的振幅信息,降低了全息显示的图像质量.迭代法通过多次正、逆向的波前传播计算,优化了纯相位型计算全息图的相位轮廓,提升了全息再现的图像质量.然而,传统迭代法可能存在迭代发散、收敛速度偏慢以及再现质量受限等问题.本文提出了一种基于角谱传播模型的自适应混合约束迭代算法,通过在迭代中加入自适应的反馈机制和频带约束策略,增加了迭代优化的自由度,提升了迭代的收敛性和全息再现的图像质量.仿真和实验结果表明,提出的算法能够在较短的计算时间内获得更高重建质量的纯相位型计算全息图,对于高质量的全息显示具有重要应用价值.

基于相位全息法的高阶和分数阶涡旋光产生方法及性能研究

为了进一步探索高阶和分数阶涡旋光的高效产生方法,利用相关计算程序模拟了涡旋光相位全息图,搭建了相位全息法产生涡旋光的光路,研究了整数和分数阶涡旋光的光场分布特点。实验结果表明:当产生轨道角动量拓扑荷数l=1~200整数阶的涡旋光时,涡旋光束图的中心暗斑在一定范围内会随拓扑荷数的增大而增大,超过一定数值范围后,受限于仪器参数的涡旋光质量会降低;当产生l=8.1、8.4、8.8分数阶的涡旋光时,涡旋光相位出现分数分布,径向缺口随分数阶拓扑荷数增大而逐渐向整数阶演化。

层状火焰的计算全息

通过研究燃烧器中预混空气－乙炔气体燃烧气流形成层状结构，将其分界面看作轴对称的旋转二次曲面，根据合理近似处理最接近的球冠，并建立其模似曲面方程；通过对燃烧气流的光透射率和厚度灵敏因子的测量，对所设计的膜系结构的各个膜层的厚度进行修正；最后计算了平行光透过火焰膜层到像平面之间的光程差，并计算了这个光程差所导致的相位变化对激光相让全息图影响；通过计算获得激光相位全息图的有关参数，在实验中能灵活调整相关的距离，可得到极佳的激光相位全息图．

基于时分复用方法的真彩色全息显示

提出了一种改进的时分复用方法,采用同步控制电路控制两段式彩色滤光轮的转动速度与全息图的切换速度一致,通过两次切换全息图,即可实现傅里叶计算全息图的真彩色显示。该方法通过缩放处理来消除再现像的色差,并采用迭代傅里叶算法制作了两幅包含有彩色信息的合成相位全息图,使记录着单一颜色场景信息的全息图再现时只占用空间光调制器(SLM)的1/2区域。此方法实现了白光LED真彩色全息显示,减少了传统时分复用方法加载全息图的次数,对SLM刷新率的要求也降低了1/3。实验验证了此方法的可行性。

单透镜菲涅尔计算全息显示系统中多级像和零级光的去除

为了消除多级像和零级光的干扰,提出了一种单透镜结构的系统,获得了单一无扰的再现像。使用Gerchberg-Saxton(GS)算法获得菲涅尔全息图,预先叠加倾斜平面波相位至菲涅尔全息图上,使再现像移至中央位置。用成像透镜将空间光调制器(SLM)后方的虚像成像至前方,同时在成像透镜后方放置空间滤波器,滤去多级像和零级光。调整透镜与SLM的位置可方便调整再现像的大小和位置,缩短了光学系统的长度.利用虚像的方法为基于液晶SLM的计算全息显示提供了新的思路。

基于深度学习和分层角谱的三维纯相位全息显示

传统的纯相位全息成像方法,大多数依赖于高强度的迭代,耗费时间长,成像质量不高,针对此问题,提出了一种深度学习与分层角谱结合的纯相位全息图生成算法,在快速生成全息图的同时提高了全息图再现质量。通过LeNet网络结构预测三维物体的复振幅信息,降低了计算量,采用精确的角谱算法生成三维物体的高质量纯相位全息图。通过仿真实验证明该算法的可行性,并有效提高了重建图像的质量。