显示专题 | 利用动态补偿多平面迭代算法的全彩色相位计算全息 (Optica Applied Optics)

利用动态补偿多平面迭代算法的全彩色相位计算全息

Computer-generated full-color phase-only hologram using a multiplane iterative algorithm with dynamic compensation

本期导读

深度分割复用法（DDM）是一种常见的全彩色全息图生成方法。通过设定好的次序对彩色图像的红绿蓝三通道进行迭代优化。最终，三通道再现像质量都得到了提升。但是，这种方法会导致彩色图像在不同颜色通道上的再现质量水平参差不齐。这个问题与迭代时候的次序有关，最终导致彩色再现像出现严重的色差。 针对彩色再现像色差的问题，来自上海大学的研究人员提出了一种动态补偿的DDM方法。在迭代的过程中，将动态补偿因子添加到每个物体平面的振幅上，可以有效地平衡各个信道中的重建图像的质量水平。通过相关系数来衡量各个通道的再现像质量。最终，三个通道再现像的相关系数处于同一个值附近，提高了全彩色物体的图像质量。通过数值模拟和光学实验验证了该方法的可行性，该研究工作近期以论文形式发表于光学领域期刊《Applied Optics》上。

技术路线

技术实现上，如图1所示，在全息记录的过程中，使用波长为670nm的光波进行记录。将彩色图像的R、G、B三个通道图像放置在光轴上设定好的不同位置处。在一次迭代过程中，它的计算流程为：从全息图平面传递到平面B，再在B平面上振幅约束，传回到全息图平面；再对全息面上振幅约束，传递到平面G，在G平面上振幅约束，再一次传回到全息图平面；在全息图平面上进行振幅约束，再传递到平面R，进行振幅约束后传回到全息图平面，获取相位图。在迭代的同时，在R、G、B三个平面上振幅约束时添加了相应的动态补偿因子，补偿因子的值与再现像的质量相关联。

图1. 基于动态补偿DDM方法的全彩全息再现方案示意图

当使用不同波长的光波进行再现的时候，再现像的距离会发生纵向的位移且再现像的尺寸大小则保持不变。在图2中，当使用波长为670nm的光波进行再现时，R平面的再现距离为100mm；当使用波长为532nm的光波进行再现时，G平面的再现距离为从79.4mm变为100mm；当使用波长为473nm的光波进行再现时，B平面的再现距离为从70.6mm变为100mm。最终，在100mm处的位置得到了彩色全息再现像。

图2. 基于DDM方法的全彩全息重建示意

为了验证新方法的有效性，以图3（a）所示的彩色图像为例，进行了模拟再现。将进行了500次迭代之后得到的再现像（图3（c））与传统方法得到的再现像（图3（b））进行了对比。可以看出，使用传统方法得到的彩色再现像存在明显的色差。图4对比了两种方法对应的R、G、B三通道图像的相关系数。传统方法再现像的R、G、B三个通道图像的相关系数明显处于不同等级。而使用新方法得到的彩色再现像，其R、G、B三个通道图像的相关系数处于同一个值附近，三个通道图像的再现像质量水平相近，最终彩色再现像的质量也得到了提升。

图3. 模拟全息再现结果对比 （a）原图；（b）传统方法模拟再现像；（c）基于动态补偿DDM方法模拟再现像。

图4. 三通道模拟全息再现的相关系数对比 （a）传统方法；（b）基于动态补偿DDM方法。

为了进一步验证该方法的有效性，该研究搭建了如图5所示的实验装置进行了实验验证。不同波长的激光器同时经过扩束准直之后，通过分光棱镜照射到空间光调制器（SLM）上。经过调制之后通过CCD进行采集，其采集到的再现像如图6所示。

图5. 实验装置图

图6. 实验结果图
（左：原始图像；中：数字再现彩色图像；右：光学再现彩色图像。）

技术总结

该研究提出的方法有效地解决了在基于DDM的彩色全息再现过程中R、G和B三个通道的再现质量存在差异，最终导致彩色再现像存在色差的问题。该方法在振幅约束的过程中动态地添加了补偿因子，最终使得彩色再现像三个通道图像的相关系数处于一个稳定的值，进一步提高了彩色再现像的图像质量。该方法也适用于三维彩色物体的全息图计算。例如，在多平面迭代过程中，对一个2层平面构成的三维彩色图像，其R、G和B三个通道一共包含6个平面。有两个问题值得注意，首先，物面距离的设置需要防止成像串扰；其次，多平面迭代算法的缺点也比较明显，其计算时间很长，不利于实时计算和显示，这也是未来值得优化的重要方向。

论文信息：

• H. Zheng, C. Zhou, X. Shui, and Y. Yu, "Computer-generated full-color phase-only hologram using a multiplane iterative algorithm with dynamic compensation," Appl. Opt. 61, B262-B270 (2022)

技术详见：

https://doi.org/10.1364/AO.444756

*该技术分享所涉及文字及图片源于作者论文和网络公开素材,不做任何商业用途。

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