基于定量振幅-相位成像(QAPI)技术表征复杂折射率的横向分布特征

《Optics and Lasers in Engineering》:Characterizing lateral distribution of complex refractive index based on quantitative amplitude-phase imaging (QAPI)

【字体: 时间:2025年07月18日 来源:Optics and Lasers in Engineering 3.7

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  本研究提出一种集成角对齐透镜阵列(AALA)、电动态微束偏转器(μBD)和自适应眼追踪模块(AET)的高级光场显示系统。通过根据观察者侧视位置实时调整光线投射到AALA的相应段,系统显著扩展了水平视场角,同时保持高三维图像保真度和深度准确性。

  

摘要

我们提出了一种先进的光场显示系统,该系统通过集成角度对齐的透镜阵列(AALA)、紧凑型电驱动微光束偏转器(μBD)和基于深度学习的自适应眼动追踪(AET)模块,动态扩展了有效观看区域。该系统根据观察者的位置将光线引导至AALA中选定的部分,从而显著拓宽了水平视场(FoV),同时保持了高三维(3D)图像保真度。为实现这一功能,专门设计了一种微型μBD用于实时光束偏转,而AET模块则针对快速准确的横向眼动追踪进行了优化。当观察者横向移动时,系统会自动将预先生成的元素图像阵列(EIA)导向相应的AALA部分,从而在扩展的FoV范围内实现连续且无缝的3D可视化。所提出系统的观看区域经过精心设计,以防止相邻区域重建的图像重叠。特别是在动态切换视角的状态下,系统能够有效抑制由于μBD的光束偏转效率限制而在侧视区域产生的非衍射光噪声。实验结果表明,这种架构为克服传统光场显示的固有FoV限制提供了一种可扩展且有效的解决方案。

引言

光场三维(3D)成像日益被视为下一代沉浸式系统的核心技术,能够提供真实和虚拟场景的全视差和自然视角可视化[[1], [2], [3], [4]]。在各种实现方法中,积分成像因其在光学配置上的相对简单性以及通过元素图像阵列(EIAs)重建体积场景的能力而受到广泛关注[[3], [4], [5], [6]]。尽管具有这些优势,传统的积分成像系统在视场(FoV)、景深和空间分辨率方面仍存在固有局限,这些限制主要由透镜阵列和系统架构的参数决定。
为了解决这些问题,人们探索了一系列光学和计算策略,包括透镜移动、空间复用、图像插值以及基于深度学习的重建算法[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。然而,虽然这些方法可以提高分辨率和深度保真度,但扩展FoV通常需要对光学系统进行物理修改[[17], [18], [19], [20], [21]]。传统方法(如增大元件透镜尺寸或缩短焦距)往往会降低分辨率并减弱深度感知[5,6],这凸显了寻找能够在不牺牲关键视觉特性的前提下扩展FoV的替代策略的迫切需求。例如,计算机生成积分成像中的广角编码和基于正交视图的重建技术虽然在提高FoV方面具有潜力,但由于其复杂性和相关的性能权衡,在实际应用中并不实用[22,23]。
一些研究提出了使用曲率型透镜阵列来物理扩展FoV的方法。实验表明,在高折射率环境中,当使用曲面透镜阵列与平面或曲面屏幕结合时,观看角度几乎可以翻倍[[24], [25], [26], [27], [28], [29]]。还引入了一种具有可调曲率的多层透镜阵列(Adaptive),以实现传统模式和广角模式之间的切换[30]。尽管这种设计带来了明显的改进,但在不同曲率状态下生成合适的EIAs并保持精确的光学对准仍面临挑战。其他策略则涉及将观看区域划分为多个部分,从而在不改变核心光学配置的情况下扩展3D可视化的空间范围[[31], [32], [33], [34], [35]]。
与此同时,场切换式液晶(LC)技术的发展实现了新的动态光学控制形式[[36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]]。例如,基于快速变焦响应和大光圈能力的液晶透镜的全息图像采集和重建系统已被证明非常有效,可用于捕获和重建来自真实物体的3D全息数据[39,40]。通过利用空间场图案化的LC相位轮廓,LC透镜阵列现在支持无需机械驱动即可实现电调透镜移动[[41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48]],而基于LC的光束偏转装置(BSDs)提供了适合薄型轻量光学模块的紧凑型电压控制棱镜功能[[49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]]。这些BSDs通过图案化电极场在有效折射率中创建空间梯度,实现了灵活的光束偏转,同时保持了可扩展和紧凑的形态。
在此背景下,我们介绍了一种积分成像显示系统,该系统集成了角度对齐的透镜阵列(AALA)、定制设计的电驱动微光束偏转器(μBD)和实时自适应眼动追踪(AET)模块。μBD根据AET模块提供的实时眼动位置数据,动态地将入射光束引导至AALA的选定部分。这种同步协调显著扩展了有效水平FoV,同时保持了图像保真度、准确的深度线索和一致的视差。实验结果证实,所提出的系统为克服传统光场显示的长期FoV限制提供了一种实用且可扩展的解决方案。

系统概述

提出的系统

图1展示了所提出的积分成像显示系统的光学配置,该系统通过协调的光束偏转和自适应视图选择来扩展有效观看区域。系统包括一个显示面板、一对配置为4f中继系统的准直透镜、一个紧凑型电驱动μBD、一个AALA以及一个集成在相机中的AET模块。显示面板位于第一个准直透镜(f.sub.Cl1)的焦平面上,而μBD则位于...

实验结果

图5展示了所提出的积分成像显示系统的实验原型。光学装置包括一个分辨率为1920 × 1080像素、像素间距约为4.4 μm的DLP迷你投影仪,作为图像源。投影光束通过一个双透镜4f准直模块,该模块由两个焦距分别为f.sub.Cl1 = 50 mm和f.sub.Cl2 = 70 mm的平凸透镜组成。AALA被划分为三个部分:左侧、中间和右侧...

结论

在这项研究中,我们提出了一种适应FoV的积分成像3D显示系统,解决了传统架构的固有FoV限制。通过集成AALA、定制设计的电驱动μBD和实时AET模块,该系统根据观察者的横向视线位置动态地将入射光引导至AALA的适当角度部分。这种配置显著扩展了水平观看区域,同时保持了高保真度...

作者贡献声明

Munkh-Uchral Erdenebat:撰写——原始草案、可视化、软件实现、形式分析、数据管理、概念构思。Erkhembaatar Dashdavaa:撰写——审阅与编辑、形式分析、概念构思。Tuvshinjargal Amgalan:软件实现、概念构思。Nam Kim:撰写——审阅与编辑、验证、调查。Jin-Hyeok Seo:调查、形式分析。Min-Seok Kim:形式分析、数据管理。Jun Do:撰写——审阅与编辑、资源协调。Anar Khuderchuluun:撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了韩国政府(MSIT)资助的韩国国家研究基金会(NRF)(项目编号:RS-2024-00416272)的支持。此外,该研究还得到了韩国政府国防采购计划管理局和贸易、工业及能源部资助的民用军事技术合作研究所(项目编号:UM22203RD2)的财务支持。
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