CN115793424A - 一种光学柱面全息显示的放大与质量提升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光学柱面全息显示的放大与质量提升方法。该方法包括改进光学柱面全息显示方案，随机梯度下降优化傅里叶全息图和全息图重建三个部分。该方法的生成过程中，首先在光学柱面全息显示的平面衍射过程中增加傅里叶透镜并取消柱面衍射过程再利用本发明提出的随机梯度下降优化傅里叶算法，将随机初始化的全息图进行重建，并计算与目标图像之间的损失值，再得到其梯度，根据反向传播公式，对全息图进行更新，将更新的全息图重复上述操作，满足设定的阈值，得到优化之后的全息图；最后加载全息图进行重建；相比改进前光学柱面全息显示方法，本发明方法获得全息图可以重建更高质量尺寸更大的柱面图像，能够在柱面360°显示中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种全息显示技术，特别是光学可实现柱面全息显示的放大和质量提升方法。
背景技术
全息显示作为一种最理想的真三维显示技术，一直受到极大的关注。然而，当前平面型全息图受限于空间光调制器过大的像素尺寸，无法重建出足够大的视场角，观看者只能在一个狭小的角度范围内观看全息再现图像。为了能够让观看者在不同方向上看到全息再现图像，柱面全息图因其360°的视场区域而受到广泛的研究。然而，当前光学柱面全息显示的大小和质量都不利于观看。相比平面型全息图中已有的大量放大与质量提升方法，光学柱面全息显示的放大与质量提升方法并未广泛研究。因此，针对光学柱面全息显示的放大与质量提升问题，仍有很大的研究潜力。
发明内容
本方法针对上述光学柱面全息显示质量低下和尺寸受限的问题，提出了一种光学柱面全息显示的放大与质量提升方法。所提出的方法将傅里叶变换过程取代平面衍射过程，取消了柱面传播过程，并利用随机梯度下降进行全息图优化。相比已有的光学柱面全息显示方案，该方法得到的光学柱面全息显示全息图，能够重建出尺寸更大质量更高的图像。
所述的光学柱面全息显示的放大与质量提升方法如图1和图2所示。改进光学柱面全息显示方案具体描述为：在光学柱面全息显示的平面衍射过程中增加傅里叶透镜，并取消柱面衍射过程；利用随机梯度下降进行全息图优化过程具体分为六个步骤：①初始化一个随机相位作为傅里叶全息图Ho，②将该初始化的傅里叶全息图Ho利用逆傅里叶算法进行重建，获得再现图像Ur，③将再现图像Ur与目标平面图像Ue代入损失函数计算损失值，④计算的损失值的梯度，并进行反向传播，更新全息图的相位，⑤将更新后的全息图Hi再一次重建，重复③-④操作，进行优化，⑥满足设定优化次数或者得到满意的重建质量时，获得最终的全息图；重建过程分为三个步骤，①加载全息图，②采用底角为45°的锥面镜将重建的平面图像转换到柱面，③接收全息柱面重建图像。
所述的在光学柱面全息显示的平面衍射过程中增加傅里叶透镜，并取消柱面衍射过程是指取代原有柱面全息显示的角谱衍射过程取消并采用傅里叶变换代替，即将原来最终生成的角谱全息图替换为傅里叶全息图，并取消改进前光学柱面全息显示方案中的柱面衍射过程。
所述的初始化一个随机相位作为傅里叶全息图Ho是指利用随机函数生成一个随机的0-2π范围内的相位分布，作为初始的傅里叶全息图Ho。
所述的将该初始化的傅里叶全息图Ho利用逆傅里叶算法进行重建，获得再现图像Ur是指将傅里叶全息图Ho利用逆傅里叶变换进行重建，表示为Ur(x,y)＝IFFT[FFT(Us(x,y)]，Us为源场复振幅，Ur为衍射场复振幅。
所述的将再现图像Ur与目标图像Uo进行损失函数的计算是指将重建的复振幅图像与目标图像代入损失函数中，进行计算，得到损失值Loss，如图2所示。
所述的将计算的损失进行梯度的计算，并进行反向传播，更新全息图的相位是指将计算的loss值对全息图Ho的相位进行梯度的计算，得到其梯度
根据反向传播公式Hi＝Ho-lr*Grad，得到更新后的全息图相位Hi，其中lr为学习率。
所述的将更新后的全息图Hi再一次重建，重复④-⑤操作，进行优化是指将更新后傅里叶全息图取代原傅里叶全息图，并继续前两步操作，计算损失值loss和梯度，并进行反向传播，不断地优化全息图相位。
所述的满足设定优化次数或者得到满意的重建质量时，获得最终的全息图是指优化的次数满足设定的次数，或者重建质量达到设定的阈值时，停止优化过程，保留上一次迭代的全息图，作为最终优化好的全息图。
所述的加载全息图是指将全息图加载到平面相位型空间光调制器上。
所述的采用底角为45°的锥面镜将重建的平面图像转换到柱面是指重建的平面图像经过底角为45°的锥面反射镜转换为柱面图像。
所述的接收全息重建图像是指在柱面接收重建的柱面图像。
本发明极大的的改善了光学柱面全息显示的显示效果。改进后的光学柱面全息显示方案显示的重建图像尺寸显著增大，重建图像的质量也得到显著提升。
附图说明
附图1为提出方法的实现模型。
附图2为提出的优化方法。
附图3为提出方法的优化迭代次数与重建质量的关系。
附图4为提出方法的与改进前方法模拟重建结果，(b)、(e)、(h)为改进前光学柱面全息显示模拟重建结果，(c)、(f)、(i)为本发明改进后的模拟重建结果。
附图5为提出方法的与改进前方法光学重建结果，(a)、(d)为改进前光学柱面全息显示光学重建结果，(b)、(c)、(e)、(f)为本发明改进后光学柱面全息显示光学重建结果。
附图6为提出方法的与改进前方法光学重建详细结果。
注：上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
下面详细说明本发明一种光学柱面全息显示的放大与质量提升方法的一个典型实施例，对该方法进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于该方法做进一步的说明，不能理解为对该方法保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述该方法内容对该方法做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明提出一种光学柱面全息显示的放大与质量提升方法，该方法包括改进光学柱面全息显示方案，随机梯度下降优化傅里叶全息图和全息图重建三个部分。
所述的光学柱面全息显示的放大与质量提升方法如图1和图2所示。改进光学柱面全息显示方案具体描述为：在光学柱面全息显示的平面衍射过程中增加傅里叶透镜，并取消柱面衍射过程；利用随机梯度下降进行全息图优化过程具体分为六个步骤：①初始化一个随机相位作为傅里叶全息图Ho，②将该初始化的傅里叶全息图Ho利用逆傅里叶算法进行重建，获得再现图像Ur，③将再现图像Ur与目标平面图像Ue代入损失函数计算损失值，④计算的损失值的梯度，并进行反向传播，更新全息图的相位，⑤将更新后的全息图Hi再一次重建，重复③-④操作，进行优化，⑥满足设定优化次数或者得到满意的重建质量时，获得最终的全息图。重建过程分为三个步骤，①加载全息图，②采用底角为45°的锥面镜将重建的平面图像转换到柱面，③接收全息柱面重建图像。
所述的在光学柱面全息显示的平面衍射过程中增加傅里叶透镜，并取消柱面衍射过程是指取代原有柱面全息显示的角谱衍射过程取消并采用傅里叶变换代替，即将原来最终生成的角谱全息图替换为傅里叶全息图，并取消改进前光学柱面全息显示方案中的柱面衍射过程。
所述的初始化一个随机相位作为傅里叶全息图Ho是指利用随机函数生成一个随机的0-2π范围内的相位分布，作为初始的傅里叶全息图Ho。
所述的将该初始化的傅里叶全息图Ho利用逆傅里叶算法进行重建，获得再现图像Ur是指将傅里叶全息图Ho利用逆傅里叶变换进行重建，表示为Ur(x,y)＝IFFT[FFT(Us(x,y)]，Us为源场复振幅，Ur为衍射场复振幅。
所述的将再现图像Ur与目标图像Uo进行损失函数的计算是指将重建的复振幅图像与目标图像代入损失函数中，进行计算，得到损失值Loss，如图2所示。
所述的将计算的损失进行梯度的计算，并进行反向传播，更新全息图的相位是指将计算的loss值对全息图Ho的相位进行梯度的计算，得到其梯度
根据反向传播公式Hi＝Ho-lr*Grad，得到更新后的全息图相位Hi，其中lr为学习率。
所述的将更新后的全息图Hi再一次重建，重复④-⑤操作，进行优化是指将更新后傅里叶全息图取代原傅里叶全息图，并继续前两步操作，计算损失值loss和梯度，并进行反向传播，不断地优化全息图相位。
所述的满足设定优化次数或者得到满意的重建质量时，获得最终的全息图是指优化的次数满足设定的次数，或者重建质量达到设定的阈值时，停止优化过程，保留上一次迭代的全息图，作为最终优化好的全息图。
所述的加载全息图是指将全息图加载到平面相位型空间光调制器上。
所述的采用底角为45°的锥面镜将重建的平面图像转换到柱面是指重建的平面图像经过底角为45°的锥面反射镜转换为柱面图像。
所述的接收全息重建图像是指在柱面接收重建的柱面图像。
在本发明的实例中，利用图2示意的随机梯度下降优化傅里叶全息图方法生成分辨率为1080×1080的傅里叶全息图。
将上述的生成的全息图应用在图1所示优化后的光学柱面全息显示中。从图3体现的重建柱面图像随迭代次数变化的关系可以看出，随着跌代的进行重建图像质量快速上升并收敛。本发明实现的柱面显示的模拟结果如图4所示。(b),(e)，(f)为改进前光学柱面全息显示的模拟结果，(c)，(h)，(i)本发明改进后的光学柱面全息显示模拟结果。所有优化次数均为500次。从(b)和(c)，(e)和(f)，(h)和(i)对比来看，本发明取得了突出的质量提升效果。
图5为本发明实现光学柱面全息显示的光学实验结果，分别使用焦距为250mm和300mm的傅里叶透镜。(a)行,(d)行为改进前光学柱面全息显示的光学实验结果，(b)行，(e)行为本发明改进后的采用250mm傅里叶透镜的光学柱面全息显示实验结果，(c)行，(f)行为本发明改进后的采用300mm傅里叶透镜的光学柱面全息显示实验结果。图6(h),(i),(j)突出显示了实验图片的细节。图6(i)(j)分别为本发明改进后采用焦距分别为250mm和300mm的实验结果。可以看到本发明改进后的光学柱面全息显示取得了显著的质量提升与放大效果。放大效果随傅里叶透镜焦距增大而增大。
Claims (1)
1.一种光学柱面全息显示的放大与质量提升方法，其特征在于，该方法包括改进光学柱面全息显示方案，随机梯度下降优化傅里叶全息图和全息图重建三个部分；所述的改进光学柱面全息显示方案具体描述为：在光学柱面全息显示的平面衍射过程中增加傅里叶透镜，并取消柱面衍射过程；所述的随机梯度下降优化傅里叶全息图具体描述为：步骤一，初始化一个随机相位作为傅里叶全息图Ho；步骤二，将该初始化的傅里叶全息图Ho利用逆傅里叶算法进行重建，获得再现图像Ur；步骤三，将再现图像Ur与目标平面图像Ue代入损失函数计算损失值；步骤四，计算的损失值的梯度，并进行反向传播，更新全息图的相位；步骤五，将更新后的全息图Hi再一次重建，重复步骤三、步骤四操作，进行优化；步骤六，满足设定优化次数或者得到满意的重建质量时，获得最终的全息图；所述的全息图重建具体描述为：步骤一，加载全息图，步骤二，采用底角为45°的锥面镜将重建的平面图像转换到柱面，步骤三，接收全息柱面重建图像。
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2022
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