李春琦 1,2,3,4黄启泰 1,2,3,4,*任建锋 1,2,3,4
1 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 苏州大学苏州纳米科技协同创新中心，江苏 苏州 215006
3 苏州大学江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
4 苏州大学教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
利用计算全息图（CGH）能够实现对非球面面形的高精度检测。为了提高CGH的编码效率，提出一种以圆弧为基元对刻线条纹进行分段描述的编码方法，该方法将编码过程分为二值化编码和曲线描述两个步骤。二值化编码采用牛顿迭代法将相位等高分界线离散化；曲线描述结合二分法及残余误差均方根最小准则，利用圆弧对条纹离散点进行编码计算，从而得到刻线条纹。针对一离轴非球面，进行了CGH的设计、编码与制作，在编码精度优于λ/1000的前提下，运算时间仅需3 h，编码文件仅为39 MB，刻蚀时长仅需40 min，证明所提方法相对于传统编码方法能够大幅度提高编码效率，且误差分析表明CGH的波前root-sum square（RSS）误差仅为0.00255λ，证明所提编码方法高效可行。
计算全息图 编码计算 圆弧 刻线条纹 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0809002
1 安徽工程大学电气工程学院，安徽 芜湖 241000
2 安徽工程大学高端装备先进感知与智能控制教育部重点实验室，安徽 芜湖 241000
以双向误差扩散算法为基础，通过分析图像振幅分布与生成全息图的关系，建立了全息图误差补偿模型，提出了一种新的纯相位全息图生成方法。首先通过误差扩散模型，计算出复振幅全息图与振幅置1的纯相位全息图的误差，通过对该误差进行误差扩散生成新的纯相位全息图。利用新的纯相位全息图与复振幅全息图计算新的误差，进行第二次的误差扩散，得到最终的纯相位全息图。采用定性和定量的指标来评价仿真成像质量，仿真及光学实验结果表明，改进后的方法能够有效提升再现像的质量，为纯相位全息图制作提供一种新的方法。
全息 全息显示 误差扩散 纯相位全息图
1 昆明理工大学理学院，云南 昆明 650500
2 昆明理工大学云南省高校现代信息光学重点实验室，云南 昆明 650500
针对较大尺寸物体彩色全息图重建操作复杂、色彩融合不准确、重建时受零级影响等问题，提出一种基于深度学习的彩色全息图重建方法。采用改进的U-Net模型作为网络结构，使用混合实际拍摄和模拟生成的彩色离轴菲涅耳全息图频谱作为训练样本，实现对彩色全息图的准确重建。对模拟全息图和实际拍摄的数字全息图进行重建实验，结果表明，所提方法相较于传统方法，能够在保持重建图像高分辨率和颜色准确性的同时，具有更好的重建效果。研究结果可应用于大尺寸检测场彩色全息图的重建，为彩色全息检测及深度学习在光学成像领域中的应用提供有益的参考。
数字全息 深度学习 彩色全息重建 全息频谱 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0809001
苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009
视觉诱导晕动症是虚拟现实技术应用中较为严重的问题，沉浸在虚拟现实环境中的使用者普遍会存在头晕、恶心等症状。立体影像采集失真导致人眼感知的虚拟空间畸变，可能是诱发和增强视觉诱导晕动症的重要因素之一。为了研究立体影像采集失真对视觉诱导晕动症的影响，基于立体影像采集理论构建了虚拟空间畸变模型，针对具有三种焦距参数的镜头获取不同等级的立体空间畸变影像。通过视觉感知实验，对不同空间畸变下的视觉诱导晕动症进行主观和客观的评价。结果表明，当立体影像采集的相机视场角与人眼视场角不匹配时，立体影像失真对视觉诱导晕动症有显著性影响，立体影像采集失真会导致更为强烈的视觉诱导晕动症状。首次用系统性实验的方法验证采集参数与感知参数不匹配导致的虚拟空间畸变增强了视觉诱导晕动症的结论，研究结果对提出切实可行的缓解方法有重要意义。
视觉感知 虚拟现实 视觉诱导晕动症 立体影像采集 立体影像失真 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0409001
1 上海大学机电工程与自动化学院，上海 200444
2 新型显示技术及应用集成教育部重点实验室，上海 200072
深度分割复用（DDM）是一种常用的生成彩色纯相位全息图的方法，在重建单个彩色图像时能够取得良好的效果，但是在重建多平面彩色图像时，会不可避免地出现再现质量差和串扰的现象。提出一种基于时分复用生成多平面彩色纯相位全息图的迭代方法，该方法基于Gerchberg-Saxton（GS）算法，在记录全息图时，对每个通道平面施加幅度约束，重复此过程，彩色图像的红（R）、绿（G）和蓝色（B）通道信息被分别记录在三个纯相位全息图中。在再现时，RGB三色通道在相同的距离处重合，重建出目标彩色图像。展示了1幅、3幅和5幅彩色图像的重建结果，与DDM方法相比，所提方法明显提高了重建彩色图像的质量水平，有效避免了不同通道平面之间的串扰。数值模拟和光电再现均证明了所提方法的有效性。
深度分割复用 纯相位全息图 Gerchberg-Saxton算法 时分复用
1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 电磁空间安全全国重点实验室，天津 300308
在多平面全息图的设计过程中，为了减小各平面之间的相互串扰，本文提出了一种改进的加权迭代多平面全息图生成方法，使用权值约束来减少各平面之间的相互影响，从而提高多平面全息显示的质量。通过对全息图的约束控制，可以使各平面的目标强度分布更均匀，并且在不降低计算速度的前提下，该方法相比于未进行约束控制时相当或具有更高的重建质量。为了验证结果，使用了相同和不同的目标图像，对6个离散平面的多平面全息图进行了数值模拟与实验验证。本文为高质量的多平面全息显示提供了一种新方法。
计算全息 多平面全息 三维显示 加权迭代 全息显示 光学学报
2023, 43(23): 2309001
1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 电磁空间安全全国重点实验室，天津 300308
针对液晶空间光调制器（LC-SLM）全息再现结果受零级衍射光斑和本身黑栅效应影响，导致再现像光能利用率低和均匀性较差的问题，本文提出一种利用数字闪耀光栅对再现像进行偏离并结合全息再现域模型的相位补偿法，有效提高了再现像的均匀性。其主要原理为：在设计的相位全息图上加载一定周期的数字闪耀光栅后，根据再现区域的光强分布情况反推出补偿量，并将其和原物光波进行合成，重新计算相位全息图实现对再现结果的调整，在避免了零级衍射光斑影响的同时，提高了全息像的再现效果。通过对相位补偿量进行优化计算和仿真验证，并搭建全息再现光路，将补偿计算后的相位加载到空间光调制器（SLM）上进行再现实验验证和测试，实验结果表明，补偿后的再现像均匀性提高为原来的2倍，且光能利用率也有一定的提高。研究结果表明，本文所提出的再现域模型相位补偿法能有效提高SLM全息再现像的均匀性和光能利用率。因此该方法对基于SLM的全息再现或光场调控质量的提高具有一定的应用价值。
全息 液晶空间光调制器 全息再现 再现域 相位补偿 光学学报
2023, 43(19): 1909001
1 浙江师范大学物理与电子信息工程学院浙江省光信息检测与显示技术研究重点实验室，浙江 金华 321004
2 义乌工商职业技术学院，浙江 金华 322000
Lommel光束是由Lommel函数描述的一种结构复杂的无衍射光束，其光学形态可由阶数、不对称度、旋转角度等3个参数调控，三参数Lommel光束结构复杂，实验上较难产生。引入了一种复振幅调制技术来产生Lommel光束，利用罗曼型迂回相位编码法，对复杂波前的振幅和相位进行编码，构造出能够产生Lommel光束的二元计算全息图，然后使用全息直写打印系统，将由计算机构建的二元计算全息图加工成实振幅掩模板，实验制备了像素数高达35000 pixel×35000 pixel的掩模板，最终方便地产生了高质量的Lommel光束，该研究方法也为产生其他具有复杂结构的无衍射光束提供了思路。
无衍射光束 计算全息 罗曼型迂回相位编码法 全息直写打印系统 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1909001
1 运城学院 物理与电子工程系，山西 运城 044000
2 河北工程大学 数理科学与工程学院，河北 邯郸 056038
3 联想（北京）信息技术有限公司，北京 100095
4 南开大学现代光学研究所，天津 300350
5 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
提出了一种基于轨道角动量全息(Orbital Angular Momentum, OAM)和频移的大容量光学信息加密方法。该方法实现了对多个图像信息的并行加密。首先，对多幅原始图像进行采样，采样阵列的采样间隔取决于具有不同拓扑荷数的螺旋相位的空间频率。然后，多个采样图像信息经过随机相位调制、傅里叶变换和频移相位调制后相干叠加构成轨道角动量保留全息图。最后，将不同拓扑荷的螺旋相位分别编码到轨道角动量保留全息图中，得到轨道角动量选择全息图，进行相干叠加后构成最终的单个加密全息图。解密时，轨道角动量复合选择全息图被加载到空间光调制器上，用包含特定拓扑荷数的涡旋光束照射，并经过傅里叶变换获得多个解密信息。该加密系统具有极高的加密灵活性和极大的加密容量，不仅可以在同一拓扑荷下，设计不同的频移因子来并行加密一组多个图像信息，还可以利用不同拓扑荷对多组图像信息进行加密。该方法将涡旋光束的模式设定为一个新的光学密钥，极大地提高了光学加密系统的安全性。此外，该光学加密方法中，待加密图像信息的尺寸不受空间光调制器的像元数量限制，极大地提高了光学实现信息加密的可行性和有效性。仿真实验结果表明该方法具有较高的安全性、抗噪性和抗剪切能力。
光学信息加密 轨道角动量 全息 频移 optical information encryption OAM holography frequency shift 红外与激光工程
2023, 52(7): 20230313
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
针对目前双面微器件加工方法步骤繁琐、效率低的问题，提出基于改进Gerchberg-Saxton（GS）算法的全息双面光刻方法，使用单个光源在玻璃基底的上下表面同时曝光，进行双面图形的制作。该方法通过计算不同轴向位置图案对应的组合全息图，并将其加载到空间光调制器（LCOS-SLM）上，对入射光场进行调制，从而在目标空间内实现双面图形重现。采用改进GS算法对距离焦面2 mm处的图案A与距离焦面4.06 mm处的图案B进行全息图计算与仿真重建。搭建实验装置，对3 mm厚透明石英玻璃基底的上下表面同时曝光，且对光场生成过程中的散斑、杂散光及串扰问题做出分析并提出解决方案，最终实现60 μm线宽双层图案曝光，验证了所提方法进行双面光刻的可行性。所提方法使用单张全息图和单个光源，通过单次曝光即可在目标体积内生成多层任意图形，极大地简化了双面图形制作的步骤。
计算全息 微纳制造 双面光刻 光场调控 全息算法 激光与光电子学进展
2023, 60(16): 1609001
