衍射光学元件已广泛应用于光学传感、光通信、计算成像、激光光束整形、生物医学、光学数据存储等领域。首先，总结归纳了基于标量衍射理论衍射光学元件在各个阶段的发展脉络，衍射光学元件的发展可分为菲涅耳波带片、全息图及相息图、二元光学元件及衍射光学元件四个阶段，针对各阶段衍射元件分别分析其设计原理、结构特点、加工难度、衍射效率及在现实中应用可能性。其次，对基于矢量衍射理论衍射光学元件进行概述。最后，对当前衍射光学元件在传统和新型成像系统及非成像系统中的应用进行总结，整理出当前衍射光学元件发展中存在问题并根据对应问题给出未来发展趋势的预测，能够对今后衍射光学元件的研究有一定指导意义。

提出了一种全息三维(3D)显示光学系统滤波窗的优化设计方法。首先,基于标量衍射理论,用复振幅编码方法获得相息图,研究了相息图再现光场在光学系统焦平面上的频谱分布。然后,导出了重建物光场在光学系统焦平面上的频谱中心位置和频率分布公式,并进行了实验验证。最后,提出了一种基于纯相位型空间光调制器全息显示系统滤波窗的优化设计方法。理论仿真及光学实验结果表明,该优化方法可获得优化编码的相息图,且能设计高质量的全息3D显示系统,从而获得高质量的全息再现像。

利用Gerchberg-Saxton算法生成任意的二维光晶格阵列的全息图,并且将全息图加载到液晶型空间光调制器上,然后将850 nm的激光照射到空间光调制器的液晶屏上,利用透镜的傅里叶变换特性,成功地显示或构建任意形状的二维光晶格阵列。将该系统应用到87Rb的冷原子实验中,成功俘获冷原子,这为接下来的单原子多量子位的量子模拟实验奠定了基础。

介绍了一种基于相息图原理的用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法, 并在此基础上, 以雪花图形和分划板图形为例, 完成了全息元件实验样件的制作及全息再现实验, 这种实时再现的图像可以用于智能显示。在已知记录介质折射率的情况下, 通过控制纯相位型计算全息图记录介质表面微结构的宽度和高度来调制光波, 得到所需图像。采用逐步迭代的傅里叶变换算法来获取纯相位型计算全息图的相位结构, 为了降低相位型计算全息图的制作难度, 提出量化数学模型, 并对所设计的相位结构进行量化处理, 给出了纯相位型计算全息图的4台阶浮雕型相位结构。全息元件的尺寸设定为6 mm×6 mm, 工作波长为650 nm, 衍射结构的最小特征尺寸为8 μm。理论计算和模拟再现像的结果表明, 在未考虑加工误差的条件下, 所提供的这种用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法是可行的。此方法可推广用于其它任意特定图案的纯相位型计算全息图的设计, 也可用于设计具有光束整形功能的衍射光学元件, 如离轴照明的光束的整形匀光器件等。用于智能显示时, 用平行光照射制作的实验样件, 只得到的单一的衍射图像, 不存在其他衍射级次的图像, 在考虑采用台阶量化结构和存在加工误差的情况下, 衍射效率仍然很高。若改变设计的全息图相位的正负, 并用平行光以特定的角度照射制作此相位型计算全息图, 可用于全息瞄准。

提出一种基于一维光栅函数进行纯相位编码的方法,该方法以双相位全息编码技术为基础,将复振幅图像编码成纯相位图,并将编码得到的相位图直接加载到相位型空间光调制器上进行光学重建。在重建过程中,用一个有低通滤波器的4-f系统选择衍射级次,并选用一级衍射分量进行重建。一维光栅函数编码可以提高一级衍射分量所能获得的能量。因为没有相位元件零级信息的影响,重建图像的质量得到了提升。数值模拟和实验结果证明,该方法可以有效重构编码复杂物体的振幅和相位,该方法得到的一级衍射能量比二维棋盘格函数编码得到的一级衍射能量高。

本文采用反射式纯相位液晶空间光调制器产生了实验需要的高阶拉盖尔高斯光束.理论上详细计算了生成高阶拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian)光束的最优参数选择,用MATLAB编写程序,制作产生高阶LG光束的相息图.通过CCD采集图像数据,观测了以平面波入射生成拉盖尔高斯光束的强度分布,并利用干涉法验证了产生高阶拉盖尔高斯光束的螺旋相位分布.在此基础上,对实验测得一维强度轮廓进行拟合分析并估算了实验产生LG光束的纯度.

针对目前三维物体计算全息算法数据量大、计算速度慢及共轭像影响再现效果问题, 提出一种全息体视图计算方法。根据人眼双目视差立体视觉原理, 由摄像机获取三维物体不同角度的二维序列视差图像, 通过计算全息算法得到多视角全息图, 合成三维物体全息体视图。在迭代傅里叶变换算法的基础上, 采用预设初始相位并增加反馈因子的方法, 提高相息图的计算效率。基于液晶空间光调制器构建光学系统, 对计算的全息体视图进行了光学再现。结果表明: 该方法有效地排除了共轭像的干扰, 相息图的迭代计算效率提高30%以上, 再现图像与目标图像的结构相似度大于0.85。

在传统迭代傅里叶变换算法的基础上, 提出了一种计算三维物体相息图的新方法.基于层析法将三维物体的多个分层物面作为衍射再现图像, 在一个输入面(相息图)和多个输出面(再现像)之间进行迭代.通过在傅里叶迭代运算中引入距离相位因子, 表示物体不同物面的深度, 体现了物体的三维特征.实验结果证明了本文算法良好的收敛特性和再现性能.最后, 分析了物面数量和间距对全息再现质量的影响, 利用液晶空间光调制器采用时分复用的方法还原了三维物体的多个物面.

We propose a computational method for generating sequential kinoforms of real-existing full-color threedimensional (3D) objects and realizing high-quality 3D imaging. The depth map and color information are obtained using non-contact full-color 3D measurement system based on binocular vision. The obtained full-color 3D data are decomposed into multiple slices with RGB channels. Sequential kinoforms of each channel are calculated and reconstructed using a Fresnel-diffraction-based algorithm called the dynamicpseudorandom-phase tomographic computer holography (DPP-TCH). Color dispersion introduced by different wavelengths is well compensated by zero-padding operation in the red and green channels of object slices. Numerical reconstruction results show that the speckle noise and color-dispersion are well suppressed and that high-quality full-color holographic 3D imaging is feasible. The method is useful for improving the 3D image quality in holographic displays with pixelated phase-type spatial light modulators (SLMs).

提出一种基于纯位相液晶空间光调制器(LC-SLM)实现变焦透镜的方法。根据液晶空间光调制器的位相调制原理, 以相息图控制LC-SLM来调制入射光波, 并衍射产生透镜波面, 改变相息图的衍射距离, 可实现变焦位相菲涅耳透镜的功能。分析衍射孔径、衍射距离、相息图位相阶数等参数对变焦位相菲涅耳透镜的影响, 并以点光源相息图为例对该方法的可行性进行了实验验证。实验结果表明：通过改变计算衍射距离, 提出的方法可得到焦距不同的透镜, 且易于控制, 为三维扫描显示的实现提供了可行性依据。