显示专题 | 带宽受限双相位计算全息实现图像锐度提升 (OSA OE)

带宽受限双相位计算全息实现图像锐度提升Band-limited Double-phase Method for Enhancing Image Sharpness in Complex Modulated Computer-generated Holograms

本期导读

计算全息(CGH)算法一直是光学和图形学界的研究热点，经过数十年的发展，已经涌现诸多经典算法。其中，双相位全息图(Double-phase hologram)于1978年被提出，可通过两个纯相位分量的像素排布与相干叠加恢复复振幅光场。随着数字化调控器件的革新与发展，相位调制的分辨率与调制精度得到了突破性的提升，由此产生了将双相位全息图编码到空间光调制器上的复振幅全息调控方案。双相位全息图因其运算效率高、能够保留复振幅、重建质量高，成为计算全息波前编码的重要方法之一。影响双相位全息图重建质量的主要因素为双相位分量在全息图中空间排布错位，无法完全相干叠加，重建时引入噪声。因此，双相位全息图重建时需依靠空间滤波，以消除错位噪声较高的空间频率成分，空间带宽积因此受限，其图像细节与空间分辨率较复振幅场重建存在很大程度受损。常用抑制错位噪声的方案包括权重因子调整、时空复用等，但现有研究工作对双相位全息图的带宽范围与错位噪声的强度分布规律的探究尚不明确，无法定向消除错位噪声。针对这个问题，清华大学与剑桥大学的研究人员提出了带宽受限的双相位全息图，核心工作以论文发表于美国光学学会(OSA)核心期刊《Optics Express》。

技术路线

  该研究的技术核心在于，依据错位双相位分量在傅里叶变换后产生固定线性相位因子，将重建的双相位全息图在频域分离出信号项与噪声项。通过对信号项与噪声项包络函数的推导得出其强度分布函数(图1)，其强度分布证实了信号项的外包络函数将信号项限制在近轴低频区域，噪声项的外包络函数将噪声分散在信号的四周。

图1 信号项与噪声项包络函数强度分布（a）信号项（b）噪声项。

根据信号与噪声包络函数对不同空间频率的相对强度，定义带宽限制函数(图2)。频域带宽的截断边界为信号与噪声包络函数的比值，从而确保低噪声空间频率被保留、高噪声空间频率被截断，并通过比值系数调整截断边界。

图2 带宽限制函数及截断边界。

双相位全息图的衍射计算过程中，在全息图的复振幅频谱图频域引入带宽限制函数，预先修正双相位全息图频谱分布。并由此在双相位全息图的光学重建中，放宽空间滤波系统的带宽限制，降低光学空间滤波对双相位全息图高频成分的损失。在光学重建的对比结果中，原有双相位全息与带宽受限的双相位全息图均可通过小孔径空间滤波抑制部分错位噪声(图3左列)，但其高频损失严重，图像受滤波平滑效果明显。扩展空间滤波的孔径后(图3右列)，原有双相位全息图受到较强的错位噪声影响。简而言之，带宽受限的双相位全息图可有效降低错位噪声，同时通过光学滤波孔径的扩展保留更多全息图高频成分，从而使得图像边缘锐度获得提升。

图3 原有双相位全息图与带宽受限的双相位全息图在不同滤波条件下的重建结果 

论文信息：

• Xiaomeng Sui, Zehao He, Guofan Jin, Daping Chu, and Liangcai Cao, "Band-limited double-phase method for enhancing image sharpness in complex modulated computer-generated holograms," Optics Express 29, 2597-2612 (2021).

• X. M. Sui, Z. H. He, H. Zhang, L. C. Cao, D. P. Chu, and G. F. Jin. “Spatiotemporal double-phase hologram for complex-amplitude holographic displays,” Chin. Opt. Lett. 18(10), 100901 (2020).

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* 主要文字由论文作者 Xiaomeng Sui 撰写，所有图片素材均来源于作者原始论文及网络公开资料，该技术分享不做任何商业用途。

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