针对目前集成成像3D显示系统存在视场角范围小以及重构图像分辨率低的问题,设计一种适用于曲面集成成像3D显示且具有不同数值孔径的柔性微透镜阵列结构,并成功搭建基于曲面屏的集成成像3D显示系统。采用Trace Pro光学仿真软件建立曲面集成成像3D显示系统模型,研究微透镜的数值孔径对曲面集成成像3D显示系统重构性能的影响规律。结果表明:当微透镜尺寸和厚度一定时,数值孔径越大,重构图像的质量越好,且视场角越大;当柔性微透镜阵列的数值孔径为0.376时,重构图像具有较高的分辨率,当视场角达到60°时,重构图像依然清晰。为了验证仿真,制备具有不同数值孔径的柔性微透镜阵列并搭建曲面集成成像系统样机,得到的实验结果与仿真结果基本一致。

在数字全息显微术中, 为了获得非重叠、高质量再现像, 需要设置合理的记录距离。本文结合再现条件与记录条件进行较全面地分析设计, 即在考虑采样定理、频谱分离条件之外, 还研究了光学传递函数离散条件和再现像与放大像之间的尺寸关系, 进而更精确地得到了预放大数字全息系统记录距离的设置方法。以USAF1951分辨率板为样本, 分别以记录距离为50.50, 134.20和140.30 mm进行实验, 结果表明, 当记录距离不考虑放大像与再现像之间尺寸关系时, 利用菲涅尔衍射法获得的再现像模糊; 当记录距离考虑光学传递函数离散条件时, 利用卷积法再现能获得清晰再现像; 当记录距离同时满足再现条件和记录条件时, 数值再现能获得高质量的再现像, 且能分辨分辨率板的7.6组条纹, 即横向分辨力达到2.19 μm, 进一步论证了所提需要考虑再现像与放大像之间的尺寸关系和光学传递函数离散条件来设计记录距离的方法更精确。通过理论推导和实验验证了所提的设计记录距离的方法较全面、给出的记录距离范围较合理, 为数字全息显微术获得高质量的再现像提供了保障。

在物体原始计算全息图基础上, 基于Gerchberg-Saxton迭代算法, 给出了一种全息图的再现像放缩算法。该算法利用物像关系原理, 通过设定恰当的参数, 在指定再现位置处实现再现像任意比例的放缩, 能有效避免放大比例过大导致的照明不均匀等问题。在MATLAB平台进行数值模拟, 搭建基于硅基液晶纯相位空间光调制器的全息再现光路对算法进行验证, 在特定衍射位置处得到一张二值化图片在缩放比例分别取0.5、2和3时的再现像。对一张灰度图像放大再现, 分析该算法对再现像成像效果的影响。实验结果证明, 算法实现了预期的再现像放大缩小, 并且有效地提升了再现像的成像质量。

在分析白光菲涅耳非相干数字全息记录和再现的基础上，详细讨论了再现像分辨率与记录参数的关系。分别对空间光调制器(SLM)上加载一个平面波和一个球面波相位，以及加载两个球面波相位情况下，实现白光菲涅耳非相干数字全息记录和再现进行了模拟和实验研究，定量分析了成像质量与记录参数的关系。研究结果表明，基于SLM的白光菲涅耳非相干数字全息能够以单通道、无运动的方式实现三维物体的快速记录和再现。理论上，无论SLM上加载一个平面波和一个球面波相位，还是加载两个球面波相位的白光菲涅耳非相干数字全息系统，其再现像分辨率都可以达到相同的最大分辨率。但在实验研究中，由于对光源的带宽和CCD尺寸的要求不同，加载两个球面波相位时对记录条件的要求比加载一个平面波和一个球面波相位的情况大大降低。在相同的实验条件下，前者再现像的分辨率远远大于后者。

为了实现彩色真实物体的全彩色3维显示, 研究了基于计算合成全息技术的全彩色3维显示技术。通过计算机获取彩色3维物体的坐标、亮度、颜色等信息, 用计算机模拟物光波和参考光波, 在计算程序中进行参量设置, 计算对应于红、绿、蓝三色光波的3幅菲涅耳计算全息图。根据全息物像关系控制3幅菲涅耳计算全息图的位置, 用单波长激光同时再现3幅计算全息图, 将3幅菲涅耳计算全息图合成为彩色彩虹全息图。在白光下获得3维立体图像, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 利用计算合成全息技术可以实现彩色真实物体的全彩色3维显示。

为了有效抑制数字全息再现像的散斑噪声，进一步改善再现像的像质，提出了一种基于双树复小波变换(DT-CWT)和各向异性扩散的数字全息再现像散斑噪声抑制方法。将再现像进行双树复小波分解，对低频分量和6个方向的高频分量分别采用改进的P_Laplace扩散和拉普拉斯金字塔非线性扩散(LPND)，通过双树复小波逆变换(IDT-CWT)重构再现像。给出了实验结果，并与小波阈值收缩和全变差(TV)扩散方法、拉普拉斯金字塔非线性扩散的方法、Contourlet结合TV扩散和自适应对比度扩散的方法进行了主观视觉比较，同时依据峰值信噪比(PSNR)、相关系数(COR)及运行时间等进行了客观定量评价。结果表明，本方法对散斑噪声抑制能力更强，并能更好地保留再现像的细节纹理特征。

随着数字全息术的应用日渐广泛，如何得到高质量的再现像质已成了数字全息研究和应用中非常重要的问题。由于散斑噪声的统计特性较差，因而散斑噪声被认为是相干成像中最难解决的问题之一。在研究数字全息术再现像散斑形成原因的基础上，利用激光散斑的统计特性，提出了降低再现像散斑的方法。先提取全息图再现像频谱中能量相对较小的频谱作为近似散斑频谱，并在该频谱段内进行数据随机替换，获取带有不同独立散斑的再现像, 在进行独立再现像散斑迭代叠加的同时逐步减少散斑能量，从而大幅减小散斑噪声，提高了再现像的像质。理论与实验均证明了其有效性,为数字全息图散斑噪声的消除提供了一种崭新的思路与方法。

为了完全消除CCD背景噪声和杂散背景光对数字全息再现像质量的影响, 在全息图强度分别减去参考光波和物光波强度相减法和全息图强度分别减去参考光波和物光波强度及CCD背景噪声相减法的基础上, 提出了改善数字全息再现像质量的背景强度补偿法。介绍了背景强度补偿法的原理, 并实验对比了全息图的直接再现像及应用背景强度补偿法对不同背景强度下获得的全息图处理后的再现像。结果表明, 背景强度补偿法显著地改善了再现像质量, 降低了对数字全息图记录环境的要求。

基于纯相位空间光调制器的计算全息显示系统的大尺寸再现，可从理论算法和实验光路两方面实现。在分析了计算全息成像原理的基础上，提出了利用傅里叶变换的相似性定理扩大再现像尺寸的方法，从理论上实现了再现物体频域到空域的可调节再现像尺寸的计算全息再现，并搭建了基于空间光调制器的实验平台，验证了再现像尺寸在原基础上扩大2.7倍后亦可清晰再现。在此基础上，利用相移原理，一定程度上实现了中央零级光斑的抑制。实验结果表明，该理论可有效实现计算全息再现像的放大，并在相移原理的辅助下得到不受中央零级影响的清晰再现像。

针对离轴数字全息图受记录器件像元尺寸的限制而在数字再现时存在再现像受零级项串扰的问题, 提出了一种抑制离轴数字全息零级项的方法。根据图像灰度可由图像照度及表面反射率共同决定的原理, 将全息图看作入射分量和反射分量的乘积, 利用入射分量变化缓慢且集中在低频段, 反射分量反映图像细节并集中在高频段的特性, 用同态滤波方法处理数字全息图。设计了同态滤波器, 其上下限分别为0.001和1, 直径为300 pixel。用该方法实现了对衍射距离为34 cm的菲涅尔数字全息图的零级项抑制, 并对重构出的物光对比度以及物体的细节信息进行了增强。