一种基于光频梳的全息显示系统及方法
文献发布时间：2023-06-19 15:47:50
技术领域
本发明涉及全息显示技术领域，特别是涉及一种基于光频梳的全息显示系统及方法。
背景技术
全息显示技术是一种能够重建三维场景复振幅光场的技术，也因此被认为是最理想的下一代立体显示技术。随着计算机技术和液晶显示技术的不断发展，只要一个三维场景能够在数学上被描述出来，我们就可以摆脱传统全息中复杂的干涉记录过程，不必使用高相干度光源系统的记录干板，而在计算机中数值计算全息图来重建真实存在或后期合成的场景。
由于在计算机中对全息图进行计算时涉及到的传播模型和干涉过程都基于相干光源，但是相干光源的强相干性会在成像平面引入散斑噪声，从而降低了全息显示的成像质量。如果采用非相干光源作为全息显示系统的光源，虽然不会带来散斑噪声的问题，但是其传播过程与相干性的计算模型不符，从而导致在目标平面接收到的重建图像不清晰。
光学频率梳，简称光频梳，是激光技术领域的一大突破。光频梳的实现方法主要由两大类：一是基于锁模激光器的光频梳；二是基于微谐振腔和半导体激光器等技术实现的片上光频梳。上述两种光频梳都可以将某单一频率的相干光转变为包含大量频率等间隔的宽带光频梳，即在频域上表现为等间隔频率的光谱，在时域上则表现为周期性的激光脉冲串。光频梳的应用广泛，不仅可以用于高精度测量、分子检测、现代通信以及频率合成以及测量等方面，而且因为其可将高相干性的光源频谱展宽，在消除全息成像中的相干噪声，提高成像质量方面也有很好的应用前景，具备良好的发展潜力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光频梳的全息显示系统及方法，通过光频梳将单一频率的相干光光源进行展宽，作为全息显示系统的光源。同时选用多种全息图计算方法计算全息图，并通过全息图生成单元输出光波，经过与所选用全息图计算方法对应的中继光学系统，最终在预设的成像平面接收到重建目标图像。
本发明利用光频梳对单一频率的相干光源进行展开，展宽的频带中的各个波长之间存在频率差，从而减弱重建目标图像中因相干光源带来的散斑噪声，同时展开频带宽度的有限性也令重建目标图像的清晰度保持与单一波长的相干光源基本一致。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光频梳的全息显示系统，所述全息显示系统包括依次设置且设置在一条直线上的全息图生成单元、中继光学系统和接收屏，所述全息显示系统还包括计算机、相干光源和光频梳，其中，
所述相干光源，其用于发出单色光；
所述光频梳，其与所述相干光源相连接，其将所述相干光源进行展宽之后，投射至所述中继光学系统，所述中继光学系统再将光频梳传递的单色光投射至所述全息图生成单元中；
所述计算机，其用于计算待重建结果的全息图；
所述全息图生成单元，其与所述计算机连接，接收所述计算机计算得到的全息图，并且接收经过光学中继系统投射的单色光，该全息图生成单元加载所述全息图，再将全息图依次传入所述中继光学系统中。
进一步的，所述相干光源为激光二极管、单频激光器、光纤耦合激光光源、氦氖激光器、飞秒激光器、纳秒脉冲激光器中的一种。
进一步的，所述全息图生成单元为相位型线性光调制器或者振幅型线性光调制器。
进一步的，所述中继光学系统为图像缩放系统或者滤波系统。
进一步的，当所述中继光学系统为滤波系统时，该中继光学系统包括两个透镜和和一个光阑；
定义其中一个透镜为第一透镜，其对应的焦距为f
进一步的，当所述中继光学系统为图像缩放系统时，该中继光学系统包括两个透镜；
定义其中一个透镜为第三透镜，其对应的焦距为f
一种基于光频梳的全息显示方法，所述全息显示方法包括如下步骤：
步骤S1、将将单一波长的相干光源与光频梳进行连接，并设置展宽频带大小；
步骤S2、采用计算机计算与待重建结果相对应的全息图；
步骤S3、将步骤S2中计算得到的全息图加载至全息图生成单元中，并且该全息图生成单元的光源采用光频梳的输出光；
步骤S4、在全息图生成单元，其输出光的传播光路上依次设置中继光学系统和接收屏，在该接收屏上重建目标结果。
进一步的，所述步骤S2，其具体包括：
首先建立全息图生成单元和目标平面之间的传播模型，确定目标平面的复振幅分布，其中，该传播模型为角谱传播模型；
所述目标平面的复振幅分布具体表示为：
|g(φ)|
其中，
公式(1)-(3)中，λ是波长，k
然后，根据确定的目标平面的复振幅分布，来构建公式(4)，其具体表示为：
公式(4)中，s为限制能量的归一化比例系数，A
最后，求解该公式(4)，得到的φ即为加载到全息图生成单元上的相位信息。
进一步的，采用随机梯度下降法来求解公式(4)。
本发明的有益效果是：
本发明大幅提高重建目标图像的质量，降低散斑噪声，同时保证图像清晰度。利用本发明得到的全息显示内容的散斑噪声相较于传统的全息显示系统有大幅降低，并且还保证了重建全息显示内容的高清晰度，极大程度上克服了现有相干光全息显示的弊端，实现了高质量全息显示，大幅提升了用户观测全息图的视觉体验。
附图说明
图1为实施例1中提供的光频梳输出端信号频谱示意图；
图2为实施例1中提供的一种基于光频梳的全息显示系统的结构示意图；
图3为实施例1中提供的两个透镜和一个光阑组成的滤波系统的结构示意图；
图4为实施例1中提供的两个透镜组成的图像缩放系统的结构示意图；
附图中：
1-计算机、2-全息图生成单元、3-中继光学系统、301-第一透镜、302-光阑、303-第二透镜、304-第三透镜、305-第四透镜、4-接收屏、5-单色光源、6-光频梳。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图4，本实施例提供一种基于光频梳的全息显示方法，包括以下步骤：
步骤1：将单一波长的相干光源与光频梳进行连接，并设置合适的展宽频带大小；
具体的说，在本实施例中该步骤1具体包括：
将稳定、单一波长的相干光源连接至光频梳输入端，在输出端即可得到周期性的激光脉冲串。
上述激光脉冲串在频域上表现为等间隔频率的一根根谱线，其分布可以表示为：
其中
f
公式(1)-(3)中，k是谱线的数量，参数f
步骤2：利用计算机计算与重建结果相对应的全息图；
具体的说，在本实施例中该步骤2体包括：
首先建立全息图生成单元和目标平面之间的传播模型，此处选用角谱传播模型。值得提出的是，本实施例适用的传播模型不只这一种。
当系统选用的光源是单一波长的相干光源经过光频梳展宽之后的输出光时，可得目标平面的复振幅分布为：
|g(φ)|
其中，
在公式(4)-公式(6)中，λ是波长，k
然后通过求解式(7)来计算全息图：
在公式(7)中，s为限制能量的归一化比例系数，A
公式(7)的求解方式可以选用随机梯度下降等函数优化方式，具体采用何种优化方式在本实施中并不限定，最终求得的φ即为加载到全息图生成单元上的相位信息。
步骤3：将步骤2中得到的全息图通过计算机加载到全息图生成单元上，光源采用光频梳的输出光。
步骤4：搭建成像光学系统，通过系统传播到预设的成像距离，在目标平面观察到重建目标结果。搭建的成像光学系统如图2所示，其中具体包括：
计算机1，其通过数据线与全息图生成单元2连接，将计算得到的全息图加载到其上；
全息图生成单元2，其用于加载全息图；
中继光学系统3，从全息图生成单元2发出的光进入此系统进行传播。
具体的说，在本实施例中中继光学系统3可以为两个透镜和一个光阑组成的滤波系统，其结构具体如图3所示，其具体包括：
第一透镜301，其焦距为f
光阑302；
第二透镜303，其焦距为f
其中，光阑302置于第一透镜301右方f
具体的说，在本实施例中中继光学系统4还可以为两个透镜组成的图像缩放系统，其结构如图4所示，其具体包括：
第三透镜304，其焦距为f
第四透镜305，其焦距为f
其中，第四透镜305置于第三透镜304右方f
接收屏4，其置于预设的目标平面位置；
单色光源5，其波长计算全息图时预设的波长相同；
光频梳6，其重复频率和载波包络相移频率与计算全息图时预设的谱线分布相同；
布置显示系统时，装置1～4应处于一条直线上。
显示系统布置完成之后，通过计算机1将全息图加载到全息图生成单元2上，全息编码结果通过中继光学系统3后，在目标平面成像
具体的说，在本实施例中为了验证本发明的先进性和正确性，还进行了两组实验，具体为：
实验1
利用计算机计算全息图，并通过计算机将其加载到德国Holoeye公司生产的相位型空间光调制器Holoeye Pluto上，此相位型空间光调制器的规格为1920×1080像素，像素间距为8μm。单色光源选用单色激光器发出的波长为532nm的单色绿光。光频梳选用MenloSystems公司生产的SmartComb一体型光频梳，其重复频率f
空间光调制器发出的光线通过分光棱镜之后，再通过两个透镜和一个光阑组成的滤波系统，f
最终在接收屏上接收到目标复振幅分布。
实验2
利用计算机计算全息图，并通过计算机将其加载到德国Holoeye公司生产的相位型空间光调制器Holoeye Pluto上，此相位型空间光调制器的规格为1920×1080像素，像素间距为8μm。单色光源选用单色激光器发出的波长为532nm的单色绿光。光频梳选用MenloSystems公司生产的SmartComb一体型光频梳，其重复频率f
空间光调制器发出的光线通过分光棱镜之后，再通过两个透镜组成的图像缩放系统，f
最终在接收屏上接收到目标复振幅分布。
综上所述，本发明大幅提高重建目标图像的质量，降低散斑噪声，同时保证图像清晰度。利用本发明得到的全息显示内容的散斑噪声相较于传统的全息显示系统有大幅降低，并且还保证了重建全息显示内容的高清晰度，极大程度上克服了现有相干光全息显示的弊端，实现了高质量全息显示，大幅提升了用户观测全息图的视觉体验。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。