基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法

隋晓萌; 何泽浩; 曹良才; 金国藩

doi:10.37188/CJLCD.2022-0047

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基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法

全息3D显示 | 更新时间：2022-06-22

- 基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法
- Wave-front encoding method of computer-generated holography based on liquid-crystal spatial light modulator
- 液晶与显示 2022年37卷第5期页码：613-624
- 作者机构：
  
  清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，精密仪器系，北京 100084
- 作者简介：
  
  [ "隋晓萌（1996—），女，山东青岛人，博士，2018年于清华大学获得学士学位，主要从事计算全息与三维显示方面的研究。 E-mail： suixm18@mails.tsinghua.edu.cn" ]
  [ "曹良才（1977—），男，湖北公安人，博士，教授，2005年于清华大学获得博士学位，主要从事全息光学方面的研究。E-mail： clc@tsinghua.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(62035003)
- DOI：10.37188/CJLCD.2022-0047
  中图分类号： O753⁺.2
- 收稿日期：2022-02-07，
  
  修回日期：2022-03-04，
  
  纸质出版日期：2022-05-05
- 稿件说明：
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隋晓萌, 何泽浩, 曹良才, 等. 基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法[J]. 液晶与显示, 2022,37(5):613-624.

Xiao-meng SUI, Ze-hao HE, Liang-cai CAO, et al. Wave-front encoding method of computer-generated holography based on liquid-crystal spatial light modulator[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(5): 613-624.
隋晓萌, 何泽浩, 曹良才, 等. 基于液晶空间光调制器的计算全息波前编码方法[J]. 液晶与显示, 2022,37(5):613-624. DOI： 10.37188/CJLCD.2022-0047.

Xiao-meng SUI, Ze-hao HE, Liang-cai CAO, et al. Wave-front encoding method of computer-generated holography based on liquid-crystal spatial light modulator[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(5): 613-624. DOI： 10.37188/CJLCD.2022-0047.

摘要

波前编码过程将计算全息所得的复振幅波前变换为与显示器件匹配的调制函数，是计算全息显示的关键技术之一。现有的计算全息显示器件大多只能实现单一振幅或单一相位调制，因此需要将复振幅波前编码为相应的振幅型或相位型全息图。本文围绕基于液晶空间光调制器的计算全息显示，综述了相位优化编码与复振幅转化编码的基本原理与算法步骤，分析了常见的波前编码方案框架，针对不同编码方法的适用范围进行讨论，为计算全息图波前编码提供方法选择参考。

Abstract

Wavefront encoding is a crucial step in computer-generated holography， which converts the complex-amplitude wavefront on the hologram plane into a holographic modulating function. Since the digital element for complex-amplitude modulation is not yet available， current implementations of holographic wavefront modulation are carried out by phase-type or amplitude-type elements. The holograms are relatively converted to amplitude-only or phase-only forms. Herein， the phase optimization encoding and complex-amplitude converting methods of computer-generated holography based on liquid crystal spatial light modulators are introduced. The basic principle， range of applications， and algorithm flows are discussed， providing feasible strategies for various holographic implementations.

关键词

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references

何泽浩，隋晓萌，赵燕，等．基于全息光学的虚拟现实与增强现实技术进展［J］．科技导报， 2018 ， 36 （ 9 ）： 8 - 17 ． doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2018.09.001 http://dx.doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2018.09.001

HE Z Z ， SUI X M ， ZHAO Y ， et al . The development trend of virtual reality and augmented reality technology based on holographic optics ［J］. Science & Technology Review ， 2018 ， 36 （ 9 ）： 8 - 17 . （in Chinese） . doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2018.09.001 http://dx.doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2018.09.001

BLANCHE P A . Holography， and the future of 3D display ［J］. Light： Advanced Manufacturing ， 2021 ， 2 （ 4 ）： 28 . doi: 10.37188/lam.2021.028 http://dx.doi.org/10.37188/lam.2021.028

GABOR D . A new microscopic principle ［J］. Nature ， 1948 ， 161 （ 4098 ）： 777 - 778 . doi: 10.1038/161777a0 http://dx.doi.org/10.1038/161777a0

FRATZ M ， SEYLER T ， BERTZ A ， et al . Digital holography in production： an overview ［J］. Light： Advanced Manufacturing ， 2021 ， 2 （ 3 ）： 283 - 295 . doi: 10.37188/lam.2021.015 http://dx.doi.org/10.37188/lam.2021.015

LESEM L B ， HIRSCH P M ， JORDAN J A . The kinoform： a new wavefront reconstruction device ［J］. IBM Journal of Research and Development ， 1969 ， 13 （ 2 ）： 150 - 155 . doi: 10.1147/rd.132.0150 http://dx.doi.org/10.1147/rd.132.0150

BROWN B R ， LOHMANN A W . Computer-generated binary holograms ［J］. IBM Journal of Research and Development ， 1969 ， 13 （ 2 ）： 160 - 168 . doi: 10.1147/rd.132.0160 http://dx.doi.org/10.1147/rd.132.0160

曹良才，何泽浩，刘珂瑄，等．元宇宙中的动态全息三维显示：发展与挑战［J］．红外与激光工程， 2022 ， 51 （ 1 ）： 20210935 ．

CAO L C ， HE Z H ， LIU K X ， et al . Progress and challenges in dynamic holographic 3D display for the metaverse ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2022 ， 51 （ 1 ）： 20210935 . （in Chinese）

段俊毅，刘娟．基于空间部分相干光相干度分布的全息图计算方法［J］．光学技术， 2019 ， 45 （ 4 ）： 463 - 468 ． doi: 10.1117/12.2539933 http://dx.doi.org/10.1117/12.2539933

DUAN J Y ， LIU J . A new design method for computer-generated holograms based on coherence degree of spatially partially coherent light ［J］. Optical Technique ， 2019 ， 45 （ 4 ）： 463 - 468 . （in Chinese） . doi: 10.1117/12.2539933 http://dx.doi.org/10.1117/12.2539933

杨飞跃，黄子强，彭逸葳．空间光调制器用于多光束二维偏转的算法研究［J］．液晶与显示， 2020 ， 35 （ 6 ）： 537 - 546 ． doi: 10.3788/YJYXS20203506.0537 http://dx.doi.org/10.3788/YJYXS20203506.0537

YANG F Y ， HUANG Z Q ， PENG Y W . Algorithm research of spatial light modulator for multi-beam two-dimensional deflection ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 537 - 546 . （in Chinese） . doi: 10.3788/YJYXS20203506.0537 http://dx.doi.org/10.3788/YJYXS20203506.0537

CURTIS J E ， GRIER D G . Structure of optical vortices ［J］. Physical Review Letters ， 2003 ， 90 （ 13 ）： 133901 . doi: 10.1103/physrevlett.90.133901 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.90.133901

KORDA P T ， TAYLOR M B ， GRIER D G . Kinetically locked-in colloidal transport in an array of optical tweezers ［J］. Physical Review Letters ， 2002 ， 89 （ 12 ）： 128301 . doi: 10.1103/physrevlett.89.128301 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.89.128301

VOLOCH-BLOCH N ， LEREAH Y ， LILACH Y ， et al . Generation of electron Airy beams ［J］. Nature ， 2013 ， 494 （ 7437 ）： 331 - 335 . doi: 10.1038/nature11840 http://dx.doi.org/10.1038/nature11840

FANG X Y ， REN H R ， GU M . Orbital angular momentum holography for high-security encryption ［J］. Nature Photonics ， 2020 ， 14 （ 2 ）： 102 - 108 . doi: 10.1038/s41566-019-0560-x http://dx.doi.org/10.1038/s41566-019-0560-x

KIM I ， JANG J ， KIM G ， et al . Pixelated bifunctional metasurface-driven dynamic vectorial holographic color prints for photonic security platform ［J］. Nature Communications ， 2021 ， 12 （ 1 ）： 3614 . doi: 10.1038/s41467-021-23814-5 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-23814-5

黄玲玲，魏群烁，王涌天．新型功能超颖表面波前调制技术的发展与应用［J］．红外与激光工程， 2019 ， 48 （ 10 ）： 1002001 ． doi: 10.3788/irla201948.1002001 http://dx.doi.org/10.3788/irla201948.1002001

HUANG L L ， WEI Q S ， WANG Y T . Development and applications of wavefront modulation technology based on new functional metasurfaces ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2019 ， 48 （ 10 ）： 1002001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla201948.1002001 http://dx.doi.org/10.3788/irla201948.1002001

WANG Z P ， JIANG L ， LI X W ， et al . Thermally reconfigurable hologram fabricated by spatially modulated femtosecond pulses on a heat-shrinkable shape memory polymer for holographic multiplexing ［J］. ACS Applied Materials & Interfaces ， 2021 ， 13 （ 43 ）： 51736 - 51745 . doi: 10.1021/acsami.1c15012 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.1c15012

CARMI I ， DE BATTISTA M ， MADDALENA L ， et al . Holographic two-photon activation for synthetic optogenetics ［J］. Nature Protocols ， 2019 ， 14 （ 3 ）： 864 - 900 . doi: 10.1038/s41596-018-0118-2 http://dx.doi.org/10.1038/s41596-018-0118-2

XIONG J H ， WU S T . Planar liquid crystal polarization optics for augmented reality and virtual reality： from fundamentals to applications ［J］. eLight ， 2021 ， 1 （ 1 ）： 3 . doi: 10.1186/s43593-021-00003-x http://dx.doi.org/10.1186/s43593-021-00003-x

AN J ， WON K ， KIM Y ， et al . Slim-panel holographic video display ［J］. Nature Communications ， 2020 ， 11 （ 1 ）： 5568 . doi: 10.1038/s41467-020-19298-4 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-19298-4

TAKAKI Y ， YOKOUCHI M . Speckle-free and grayscale hologram reconstruction using time-multiplexing technique ［J］. Optics Express ， 2011 ， 19 （ 8 ）： 7567 - 7579 . doi: 10.1364/oe.19.007567 http://dx.doi.org/10.1364/oe.19.007567

LI J ， SMITHWICK Q ， CHU D P . Full bandwidth dynamic coarse integral holographic displays with large field of view using a large resonant scanner and a galvanometer scanner ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 13 ）： 17459 - 17476 . doi: 10.1364/oe.26.017459 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.017459

CHU D C ， FIENUP J R ， GOODMAN J W . Multiemulsion on-axis computer generated hologram ［J］. Applied Optics ， 1973 ， 12 （ 7 ）： 1386 - 1388 . doi: 10.1364/ao.12.001386 http://dx.doi.org/10.1364/ao.12.001386

BRYNGDAHL O ， LOHMANN A . Single-sideband holography ［J］. Journal of the Optical Society of America ， 1968 ， 58 （ 5 ）： 620 - 624 . doi: 10.1364/josa.58.000620 http://dx.doi.org/10.1364/josa.58.000620

MISHINA T ， OKANO F ， YUYAMA I . Time-alternating method based on single-sideband holography with half-zone-plate processing for the enlargement of viewing zones ［J］. Applied Optics ， 1999 ， 38 （ 17 ）： 3703 - 3713 . doi: 10.1364/ao.38.003703 http://dx.doi.org/10.1364/ao.38.003703

曹良才，何泽浩，赵燕，等．面向层结构的角谱传播计算全息算法［J］．红外与激光工程， 2018 ， 47 （ 6 ）： 603001 ． doi: 10.3788/irla201847.0603001 http://dx.doi.org/10.3788/irla201847.0603001

CAO L C ， HE Z H ， ZHAO Y ， et al . Computer-generated holographic algorithm based on layer structure using angular spectrum propagation theory ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2018 ， 47 （ 6 ）： 603001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla201847.0603001 http://dx.doi.org/10.3788/irla201847.0603001

何泽浩，隋晓萌，曹良才，等．基于参数空间遍历的空间光调制器量化取值优化［J］．中国激光， 2021 ， 48 （ 12 ）： 1209002 ．

HE Z H ， SUI X M ， CAO L C ， et al . Optimization of quantization value for spatial light modulators based on parameter space traversal ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2021 ， 48 （ 12 ）： 1209002 . （in Chinese）

卜浩祯，焦述铭．纯相位全息图优化算法［J］．液晶与显示， 2021 ， 36 （ 6 ）： 810 - 826 ． doi: 10.37188/CJLCD.2021-0035 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0035

BU H Z ， JIAO S M . Review of computer-generated phase-only hologram optimization algorithm ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 810 - 826 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0035 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0035

隋晓萌，何泽浩，曹良才，等．基于液晶空间光调制器的复振幅全息显示进展［J］．液晶与显示， 2021 ， 36 （ 6 ）： 797 - 809 ． doi: 10.37188/CJLCD.2021-0049 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0049

SUI X M ， HE Z H ， CAO L C ， et al . Recent progress in complex-modulated holographic display based on liquid crystal spatial light modulators ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 797 - 809 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0049 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0049

BRÄUER R ， WYROWSKI F ， BRYNGDAHL O . Diffusers in digital holography ［J］. Journal of the Optical Society of America A ， 1991 ， 8 （ 3 ）： 572 - 578 . doi: 10.1364/josaa.8.000572 http://dx.doi.org/10.1364/josaa.8.000572

AAGEDAL H ， SCHMID M ， BETH T ， et al . Theory of speckles in diffractive optics and its application to beam shaping ［J］. Journal of Modern Optics ， 1996 ， 43 （ 7 ）： 1409 - 1421 . doi: 10.1080/09500349608232814 http://dx.doi.org/10.1080/09500349608232814

GERCHBERG R W ， SAXTON W O . A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures ［J］. Optik ， 1972 ， 35 （ 2 ）： 237 - 246 . doi: doi:http://dx.doi.org/ http://dx.doi.org/doi:http://dx.doi.org/

FIENUP J R . Reconstruction of an object from the modulus of its Fourier transform ［J］. Optics Letters ， 1978 ， 3 （ 1 ）： 27 - 29 . doi: 10.1364/ol.3.000027 http://dx.doi.org/10.1364/ol.3.000027

KUZMENKO A V . Weighting iterative Fourier transform algorithm of the kinoform synthesis ［J］. Optics Letters ， 2008 ， 33 （ 10 ）： 1147 - 1149 . doi: 10.1364/ol.33.001147 http://dx.doi.org/10.1364/ol.33.001147

WYROWSKI F ， BRYNGDAHL O . Iterative Fourier-transform algorithm applied to computer holography ［J］. Journal of the Optical Society of America A ， 1988 ， 5 （ 7 ）： 1058 - 1065 . doi: 10.1364/josaa.5.001058 http://dx.doi.org/10.1364/josaa.5.001058

SHIMOBABA T ， ITO T . Random phase-free computer-generated hologram ［J］. Optics Express ， 2015 ， 23 （ 7 ）： 9549 - 9554 . doi: 10.1364/oe.23.009549 http://dx.doi.org/10.1364/oe.23.009549

SHIMOBABA T ， KAKUE T ， ENDO Y ， et al . Random phase-free kinoform for large objects ［J］. Optics Express ， 2015 ， 23 （ 13 ）： 17269 - 17274 . doi: 10.1364/oe.23.017269 http://dx.doi.org/10.1364/oe.23.017269

PIESTUN R ， SPEKTOR B ， SHAMIR J . Wave fields in three dimensions： analysis and synthesis ［J］. Journal of the Optical Society of America A ， 1996 ， 13 （ 9 ）： 1837 - 1848 . doi: 10.1364/josaa.13.001837 http://dx.doi.org/10.1364/josaa.13.001837

VELEZ-ZEA A ， BARRERA-RAMIREZ J F ， TORROBA R . Alternative constraints for improved multiplane hologram generation ［J］. Applied Optics ， 2022 ， 61 （ 5 ）： B8 - B16 . doi: 10.1364/ao.439708 http://dx.doi.org/10.1364/ao.439708

REUTSKY-GEFEN I ， GOLAN L ， FARAH N ， et al . Holographic optogenetic stimulation of patterned neuronal activity for vision restoration ［J］. Nature Communications ， 2013 ， 4 （ 1 ）： 1509 . doi: 10.1038/ncomms2500 http://dx.doi.org/10.1038/ncomms2500

MAKOWSKI M ， SYPEK M ， KOLODZIEJCZYK A ， et al . Iterative design of multiplane holograms： experiments and applications ［J］. Optical Engineering ， 2007 ， 46 （ 4 ）： 045802 . doi: 10.1117/1.2727379 http://dx.doi.org/10.1117/1.2727379

ZHANG J Z ， PÉGARD N ， ZHONG J S ， et al . 3D computer-generated holography by non-convex optimization ［J］. Optica ， 2017 ， 4 （ 10 ）： 1306 - 1313 . doi: 10.1364/optica.4.001306 http://dx.doi.org/10.1364/optica.4.001306

CURTIS F E ， QUE X C . A quasi-Newton algorithm for nonconvex， nonsmooth optimization with global convergence guarantees ［J］. Mathematical Programming Computation ， 2015 ， 7 （ 4 ）： 399 - 428 . doi: 10.1007/s12532-015-0086-2 http://dx.doi.org/10.1007/s12532-015-0086-2

KUO G ， WALLER L ， NG R ， et al . High resolution étendue expansion for holographic displays ［J］. ACM Transactions on Graphics ， 2020 ， 39 （ 4 ）： 66 . doi: 10.1145/3386569.3392414 http://dx.doi.org/10.1145/3386569.3392414

CHAKRAVARTHULA P ， PENG Y F ， KOLLIN J ， et al . Wirtinger holography for near-eye displays ［J］. ACM Transactions on Graphics ， 2019 ， 38 （ 6 ）： 213 . doi: 10.1145/3355089.3356539 http://dx.doi.org/10.1145/3355089.3356539

WANG D ， LI N N ， LI Y L ， et al . Curved hologram generation method for speckle noise suppression based on the stochastic gradient descent algorithm ［J］. Optics Express ， 2021 ， 29 （ 26 ）： 42650 - 42662 . doi: 10.1364/oe.444321 http://dx.doi.org/10.1364/oe.444321

CHEN L Z ， ZHANG H ， CAO L C ， et al . Non-iterative phase hologram generation with optimized phase modulation ［J］. Optics Express ， 2020 ， 28 （ 8 ）： 11380 - 11392 . doi: 10.1364/oe.391518 http://dx.doi.org/10.1364/oe.391518

ZEA A V ， RAMIREZ J F B ， TORROBA R . Optimized random phase only holograms ［J］. Optics Letters ， 2018 ， 43 （ 4 ）： 731 - 734 . doi: 10.1364/ol.43.000731 http://dx.doi.org/10.1364/ol.43.000731

VELEZ-ZEA A ， TORROBA R . Optimized random phase tiles for non-iterative hologram generation ［J］. Applied Optics ， 2019 ， 58 （ 32 ）： 9013 - 9019 . doi: 10.1364/ao.58.009013 http://dx.doi.org/10.1364/ao.58.009013

PANG H ， WANG J Z ， ZHANG M ， et al . Non-iterative phase-only Fourier hologram generation with high image quality ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 13 ）： 14323 - 14333 . doi: 10.1364/oe.25.014323 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.014323

HSUEH C K ， SAWCHUK A A . Computer-generated double-phase holograms ［J］. Applied Optics ， 1978 ， 17 （ 24 ）： 3874 - 3883 . doi: 10.1364/ao.17.003874 http://dx.doi.org/10.1364/ao.17.003874

ARRIZÓN V ， SÁNCHEZ-DE-LA-LLAVE D . Double-phase holograms implemented with phase-only spatial light modulators： performance evaluation and improvement ［J］. Applied Optics ， 2002 ， 41 （ 17 ）： 3436 - 3447 . doi: 10.1364/ao.41.003436 http://dx.doi.org/10.1364/ao.41.003436

MENDOZA-YERO O ， MÍNGUEZ-VEGA G ， LANCIS J . Encoding complex fields by using a phase-only optical element ［J］. Optics Letters ， 2014 ， 39 （ 7 ）： 1740 - 1743 . doi: 10.1364/ol.39.001740 http://dx.doi.org/10.1364/ol.39.001740

SUI X M ， HE Z H ， JIN G F ， et al . Band-limited double-phase method for enhancing image sharpness in complex modulated computer-generated holograms ［J］. Optics Express ， 2021 ， 29 （ 2 ）： 2597 - 2612 . doi: 10.1364/oe.414299 http://dx.doi.org/10.1364/oe.414299

SUI X M ， HE Z H ， ZHANG H ， et al . Spatiotemporal double-phase hologram for complex-amplitude holographic displays ［J］. Chinese Optics Letters ， 2020 ， 18 （ 10 ）： 100901 . doi: 10.3788/col202018.100901 http://dx.doi.org/10.3788/col202018.100901

HAUCK R ， BRYNGDAHL O . Computer-generated holograms with pulse-density modulation ［J］. Journal of the Optical Society of America A ， 1984 ， 1 （ 1 ）： 5 - 10 . doi: 10.1364/josaa.1.000005 http://dx.doi.org/10.1364/josaa.1.000005

LIU K X ， HE Z H ， CAO L C . Pattern-adaptive error diffusion algorithm for improved phase-only hologram generation ［J］. Chinese Optics Letters ， 2021 ， 19 （ 5 ）： 050501 . doi: 10.3788/col202119.050501 http://dx.doi.org/10.3788/col202119.050501

YANG G ， JIAO S M ， LIU J P ， et al . Error diffusion method with optimized weighting coefficients for binary hologram generation ［J］. Applied Optics ， 2019 ， 58 （ 20 ）： 5547 - 5555 . doi: 10.1364/ao.58.005547 http://dx.doi.org/10.1364/ao.58.005547

TSANG P W M ， POON T C . Novel method for converting digital Fresnel hologram to phase-only hologram based on bidirectional error diffusion ［J］. Optics Express ， 2013 ， 21 （ 20 ）： 23680 - 23686 . doi: 10.1364/oe.21.023680 http://dx.doi.org/10.1364/oe.21.023680

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