论文总字数：19224字

摘 要

本文以全息显示为主要研究对象，首先介绍了以傅里叶光学为基础的全息显示的基础理论。之后重点研究了使用纯相位空间调制器(SLM)进行的复振幅调制，系统的分析和对比了现有的纯相位复振幅计算全息编码，和不同类型全息图的生成方法。其中主要利用MATLAB实现了Bessel方法和Double-phase方法的计算全息图的生成，并同时给出了相应的仿真结果与实验结果。

结果表明,这两种方法可以有效地减少重建的散斑图像，此外不会导致内部结构的重构像素。复振幅调制是基于纯相位全息图的原理，它不需要严格的像素对齐。

关键词：复振幅调制 全息三维显示 纯相位空间调制器

Augmented Reality Holographic Display Optical Design

Abstract

In this paper we introduce the Fourier optics theory which is the basis of the holographic 3D display. The objective of our study is to use phase-only spatial light modulator (SLM) to achieve complex amplitude modulation . We analysis and compare the performances of two existing complex amplitude modulation methods which is Bessel method and Double-phase method. We use MATLAB to calculate the CGHs of Bessel method and Double-phase method.The cor responding numerical representation and the experimental results are given in this paper..

The results indicate that these complex amplitude methods can reduce the speckle in reconstructed images effectively; furthermore, it will not cause the internal structure in the reconstructed pixels.

KEY WORDS:complex amplitude modulation holographic 3D display

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 研究历史 1

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 2

第二章 全息显示 3

2.1 光的衍射 3

2.2 傅里叶光学 3

2.3 全息显示原理 4

2.4 复振幅调制 5

第三章 BESSEL方法 6

3.1 原理 6

3.2 仿真 7

3.3 实验 8

第四章 DOUBLE-PHASE方法 11

4.1 原理 11

4.2 仿真 13

4.3 实验 14

第五章 全息显示应用 16

5.1 三维全息显示 16

5.2 三维显示实现 16

结论 18

致谢 19

参考文献（References） 20

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

3D全息显示技术在近期的发展十分迅速，实现计算全息所要求的物理环境远比实现光学全息宽松，因此用计算全息技术来制作全息图和实现再现成为了未来的发展趋势，并且各种3D显示技术层出不穷。能使用户看到如同身临其境的场景的3D全息显示器，已然成为了一个炙手可热的学科。全息技术是最接近实际观察时的情况的3D显示，因为这种技术能够记录物光波的振幅和位相的全部信息并且再现显示时能够产生包含物体振幅信息和相位的三维图像。计算全息能够将全息图数字化并用空间光调制器显示和处理，相比于以前的普通显示方法，计算全息具有对环境要求低、灵活性高、可重复性高等优点。

实现复振幅的空间光调制是相干光学的一个重要问题，越来越多重要的应用,比如自适应光学，高数值孔径聚焦以及全息数据存储都共同需求相位调制和振幅调制。这些应用需要完整的覆盖复数域的复振幅调制光场，复振幅调制是很难使用传统液晶显示器或可变形镜显示器等设备实现的，因为每个像素只有一个自由度来调节透射光。这种技术已然为全息显示的发展的重要方向并在近些年被国内外有关的学者进行了广泛的研究。

1.2 研究历史

全息术按其物理意义可称为波前的记录和重现，在1948年物理学家丹尼斯在英国提出的两步成像技术，之后为了提高电子显微镜的分辨率，盖伯就研究波前记录和重现技术，这种新的成像技术的发明，是受到了布拉格X射线衍射成像思想的启发。盖伯从理论和实验上证明，用一个参考光波和物体衍射光波干涉可以完全记录物光波的振幅和位相信息，并且由这样一张记录的干涉图，对照明光波的衍射，可以重现原来物体的像。

全息技术的初始发展阶段是从伽伯发明全息术一直到激光器的发明，利思和乌帕特尼克斯提出离轴全息图而把原始像和共辄像分离。之后由于激光记录后在用白光再现的全息术发展以及计算全息的研究和发展，同时由于有了高度相干性以及高强度的光源和非常稳定的光学系统。

直到近几年计算全息术才取得较快发展，这是因为计算机速度提高以及空间光调制器和激光技术的发展，我们可以将计算机编码后的计算全息图输出到空间光调制器上，使实现基于计算全息技术的3D显示成为可能。

1.3 本文的研究目的和主要研究内容

本文以全息3D显示为主要研究对象，首先介绍了傅里叶光学，因其是全息光学的基础理论。之后重点研究了使用纯相位空间调制器(SLM)进行的复振幅调制，系统的分析和对比了现有的纯相位复振幅计算全息编码，和不同类型全息图的生成方法。其中主要利用MATLAB实现了Bessel方法和Double-phase方法的计算全息图的生成，并同时给出了相应的MATLAB仿真结果与光学平台实验结果，结果表明这两种方法都可以比较好的实现复振幅调制。

第二章 全息显示

2.1 光的衍射

衍射是光传播过程中的一种基本现象，在几何光学时代人们认为光是沿直线传播的，而到了17世纪中叶时，科学家格力马第发现当光传播途径中遇到障碍物时，一部分光会绕过障碍物不再沿直线传播而射向阴影区域，使得障碍物的投影边缘出现亮暗条纹，这种现象被称为衍射。这种衍射现象无法用牛顿的微粒说来解释，我们从衍射现象的波动本质出发可将衍射定义为：光波在传播过程中由于受到限制时所发生的偏离直线传播规律的现象。

在光学中，近场衍射的菲涅耳衍射方程，是基尔霍夫-菲涅尔(Kirchhoff-Fresnel)衍射的近似，可以应用于近场波的传播。它用于计算衍射图样由波通过一个孔或物体周围,当从相对接近的对象。菲涅尔认识到子波和入射波频率相同，因而各个子波是相干光波。菲涅尔引入了干涉叠加原理，而抛弃了比较模糊的包络概念。所以菲涅尔原理实际是惠更斯的子波假设原理和干涉叠加原理结合的产物。

夫琅和费衍射方程用于模型时的衍射波的衍射模式在很长一段距离中的对象,以及当它在成像透镜的焦平面。相比之下，附近的衍射模式创建的对象，在近场区域而由菲涅耳衍射方程给出。

2.2 傅里叶光学

与电子系统相比较，光学系统最突出的优势在于它的二维并行运算能力。这个能力是因为光学系统所具有的傅里叶变换性质和成像性质而带来的，而透镜又是光学成像系统和光学处理系统中最重要的元件，所以研究透镜及光学系统的傅里叶变换性质和规律，就构成了傅里叶光学的一个十分重要的方面。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：19224字