基于发光二极管与数字微镜器件的全息三维再现效果增强

Aiming at the low brightness, low quality holographic reconstructed image illuminated by LED, this proposal will develop the relationship model between the illumination configuration based on LED and the holographic image quality, on the basis of weak coherent light model of LED, and the scalar diffraction theory. A simply experimental platform will be built according to the simulation result. Using the design method of high light utility efficiency illumination system in pico projectors, an LED illumination system suitable for holographic display will be designed. This proposal will also investigate the effect of the high refresh rate characteristic of DMD on improving the dynamic range of DMD using as hologram loader, and establish a novel optical configuration and control structure with better image quality using time multiplexing. It will deeply analyze the existing CGH generation methods and the redundancy in the hologram video, and then improve the methods by approximate calculation and interpolation. It will develop the segmental calculation method of the CGH generation, and transplant the segmental method into the specialized parallel processing hardware circuits, and finally build the colored dynamic holographic display experimental platform. The research achievements of this proposal will provide a kind of high performance and low cost illumination system and a novel system configuration scheme, therefore push the holographic display technique closer to reality.

本项目针对LED照明的全息再现像的亮度低、像质差的问题，根据LED弱相干光的照明模型、标量衍射理论建立基于LED的照明光路结构与全息像质的关系的数学模型，根据模型的仿真计算结果，搭建简单的实验平台，并借鉴微型投影中的高光能利用率的照明系统设计方法，设计适用于全息显示的LED照明系统；探索DMD的高刷新率的特性在扩展DMD用于全息图承载的动态范围上的作用，构建并验证利用时分复用增强像质的再现光路与控制结构；对现有CGH生成算法、全息视频帧内与帧间的冗余数据量进行深入分析，通过近似计算、插值的方法进一步优化CGH生成算法；开发CGH生成算法的分部计算方法，将算法移植于专用的并行处理的集成化硬件电路上，搭建全息三维动态显示实验平台并对以上研究内容进行分析与验证。本项目的研究成果将为未来全息显示系统提供高性能、低成本的照明系统与新的系统结构方案，促进全息显示技术的实用化。

全息三维显示技术是对人类观察真实物体的最直接的模拟与再现，是公认的未来的显示技术。本项目针对LED作为光源所面临的对再现像质的影响机理不明确，光能利用率低的问题，针对提高全息再现像质和降低CGH生成算法计算量的需求，开展了相关研究，搭建了彩色3D LED显示系统。本项目的具体研究内容与成果如下：.分析了LED光源的弱相干性对显示效果的影响，发现相当于在激光全息的基础上加了一个低通滤波器。丢失高频信号使散斑噪声得到了抑制，但降低了像的分辨率。通过在LED投影光源中增加滤色片和针孔，提高照明光的相干性，得到了优于激光照明的显示效果。最终设计了LED自由曲面照明系统，能量利用率、均匀性均超过了90%，发散角小于1.5°，并保证了相干性。.在全息曲面投影的应用背景中，用三次位相板调制全息图，提高了再现像的焦深，保证了曲面投影的可行性。理论和仿真分析了照明系统特性（波长宽度和入射角范围）对基于DMD的全息显示系统成像效果的影响，实验结果证明了理论结果。.提出了一种归类算法，将点云模型中的点按照规则归类为面片，采用FFT算法计算每个面片的衍射光场并进行累加。归类法的速度提升了百倍以上；在使用并行加速时，计算效率提高了数千倍。基于层析法进一步提出了一种“空间划分法”，从二维归类提升到三维空间划分，通过分析各参数对全息重建过程的影响，获得了优化的参数组合，使空间划分法的效率相比层析法提高了30%以上。.基于CUDA平台的特性，提出了“block-pixel”的GPU加速CGH生成算法，包含多GPU加速、数学运算优化和常量内存使用和block-pixel线程划分三种优化策略。相比传统的thread-pixel算法，效率提高30%以上，且GPU的数量越多，加速效率越高。选择时分复用方案搭建了彩色全息显示系统，通过预补偿消除了横向像差和倍率色差，通过空间滤波消除了中心亮斑，最终搭建了实验系统，实现了彩色3D场景的再现。.本项目的研究成果将为未来全息显示系统提供高性能、低成本的照明系统与新的系统结构方案，促进全息显示技术的实用化。