基于高精度波前变换的近眼计算全息三维显示技术研究

Three-dimensional (3D) display technique can provide more depth information for human eyes, which has great value in both industry and research fields. 3D display is one of the hottest research areas in display technology and also has broad prospects in military, medical, entertainment, and manufacturing applications. Holographic 3D display can provide all the depth cues that human vision system can perceive, which is a promising technique to realize true 3D display. This project focuses on the space-bandwidth product limitations of the current computer-generated holographic 3D display systems, and plans to build a near-eye computer-generated holographic 3D display system based on accurate wavefront transformation. Wavefront printing system is introduced to produce the holographic optical element for wavefront transformation according to near-eye 3D display requirements. By efficient coupling from the reconstructed 3D wavefront to human eyes, visual parameters and space-bandwidth product of the system can be optimized, and quality near-eye 3D wavefront in accordance with human visual habits can be reconstructed. Visual parameters and qualities of the computer-generated 3D display system can be improved with the implementation of this project, which would promote the practicality of computer-generated holographic 3D display techniques.

三维显示技术可以为人眼提供丰富的深度信息，有巨大的市场应用价值与科学研究价值，是显示领域的研究热点，并在军事、医疗、娱乐、制造等领域有着广阔的应用前景。全息三维显示技术可以提供人眼视觉系统所需的全部深度感，是实现真三维显示的有效技术方案。本项目针对现有全息三维显示系统的空间带宽积受限问题，拟研究基于高精度波前变换的近眼计算全息三维显示技术，利用波前打印系统制作全息光学元件以实现适合于近眼三维显示需求的高精度波前变换，通过计算全息重建三维波前到人眼的高效耦合，优化系统的视觉参数以及空间带宽积利用率，实现符合人眼视觉习惯的高质量近眼三维波前重建。项目的研究将有效地提高现有计算全息三维显示系统的视觉参数以及视觉效果，并进一步促进计算全息三维显示技术的实用化。

本项目针对近眼计算全息三维显示技术展开研究工作，围绕高精度波前衍射计算方法、低噪声计算全息算法、近眼计算全息显示系统优化进行了系统深入的研究，在基础理论、核心算法以及系统集成与优化三个方面取得了系列研究成果：.在高精度波前衍射计算方面，针对现有衍射计算方法存在的问题，基于相空间理论建立了统一的衍射计算框架，提出了衍射计算的空域和频域采样策略和解决方案，突破了传统衍射计算中固有的空频域采样限制，有效提升了现有衍射计算方法的计算精度与计算效率，将传统衍射算法的适用距离提升了两个数量级并实现了空间带宽积的100%利用；建立了衍射场多参数采样理论，揭示了不同参数衍射场随传播距离的带宽演化特性，为多参数衍射场的计算采样提供了理论支撑；进一步，建立了基于相空间分析的逆衍射计算模型，从衍射场信息相空间演化过程的逆向分析揭示了逆衍射计算的规律。.在低噪声计算全息算法方面，提出了基于分权重约束的计算全息图优化算法，拓展了计算全息算法的优化空间并加快了收敛速度；提出了基于优化相位调制的全息图非迭代散斑抑制算法，通过一步计算即可得到全息图，该方法可实现低噪声全息图的快速计算；提出了基于带宽约束的计算全息优化算法，该方法系统地解决了计算全息光学重建的散斑噪声难题，有效提升全息图的光学重建质量；进一步将带宽约束优化算法用于设计无振铃伪影的菲涅尔全息图，实现了高像质的无透镜计算全息投影；提出了基于频域分割的三维计算全息算法，可以实现大深度范围三维场景的准确重建。.在近眼计算全息显示系统优化方面，根据人眼视觉系统特性提出了近眼计算全息显示系统的衍射场采样分析方法，通过衍射波前从空间光调制器到人眼视觉系统的传播过程空频域综合分析，建立了近眼全息显示系统空间带宽积优化策略；提出了近眼计算全息显示系统的光学反馈优化方法，通过数学物理联合优化框架实现了全息光学重建系统的噪声抑制与像差自适应矫正，有效提升了近眼计算全息显示系统的光学重建质量。