增强现实全息显示中的遮挡处理技术：提升三维虚拟图像真实感的关键突破

这篇研究提出了一种创新的遮挡处理全息增强现实（AR）显示系统，通过将硬边缘遮挡光学（hard-edge occlusion）与主动傅里叶滤波（active Fourier filtering）整合到折叠4f系统中，解决了传统光学透视（OST）显示中虚拟图像因环境光干扰导致的对比度损失问题。系统采用数字微镜器件（DMD）和铁电液晶硅（FLCoS）实现时空复用，结合新型二值化计算机生成全息图（bCGH）算法，显著提升了稀疏虚拟内容的成像质量，并首次实现了虚拟物体在真实场景中的光学阴影投射，为高真实感AR显示提供了新范式。

　　

系统架构与工作原理
研究团队创新性地利用硬边缘遮挡光学与傅里叶滤波光学的结构相似性，设计出折叠式4f系统。该系统核心包含两个关键组件：作为全息显示的FLCoS（刷新率4500Hz）和兼具遮挡掩模与主动滤波功能的DMD（刷新率9800Hz）。当系统处于图像子帧（ISF）时，DMD作为主动滤波器选择性透射全息内容并抑制共轭噪声；在掩模子帧（MSF）则转换为实景遮挡器，通过精确匹配虚拟图像空间位置实现像素级光线阻断。实验证明，这种时空复用机制可将传统半透明全息图像转换为感知不透明的三维影像，同时将视场角（FoV）扩大至静态滤波系统的两倍。

基于主动滤波的二值化全息图合成算法
针对AR场景中稀疏虚拟内容的特点，研究提出了一种基于随机梯度下降（SGD）的优化算法。该算法突破性地将内容依赖性傅里叶滤波融入单边带（SSB）编码流程：首先通过可微分Sigmoid函数替代二值化阈值处理，保留梯度反传能力；随后在傅里叶域施加动态滤波约束，强制优化器仅关注目标区域。仿真数据显示，当虚拟内容占据比（occupancy）低于0.6时，算法峰值信噪比（PSNR）较传统方法提升11dB（33dB vs 22dB），特别适用于真实环境背景下的局部增强显示。

时空复用系统操作策略
为实现单光学系统多功能集成，研究设计了精密同步控制方案：每个33.3ms帧周期包含2次ISF-MSF循环，其中ISF（2.4ms）内FLCoS快速切换5幅bCGH实现散斑抑制，MSF（14.3ms）则切换为实景遮挡模式。通过Arduino同步控制器协调RGB激光器与SLM，系统在保持76.4%实测遮挡率的同时，支持全空间带宽积（SBP）利用。值得注意的是，通过将目标图像分割为上下半区并分时重建，系统在60Hz刷新率下实现了视场扩展，为后续轻量化设计奠定基础。

光学实验验证
在20m虚拟距离的AR场景测试中，遮挡支持使"海盗鸟"图像的对比度提升3.2倍。三维演示实验进一步验证了系统深度表达能力：3m处的"蝴蝶"与10m处的"马克杯"均呈现与实景匹配的硬边缘遮挡效果，而无限远位置的"瓷器"文字通过纯遮挡模式实现。最具突破性的是阴影投射实验——研究团队开发基于泊松分布的点扩散函数，通过脉宽调制（PWM）在DMD上生成8位灰度软阴影。当传统灯具虚拟影像叠加在白色背景上时，遮挡+阴影模式使其视觉真实感评分提升87%。

技术局限与改进方向
当前原型存在三方面限制：DMD斜置面板导致色散（如图中"UFO"边缘的彩虹效应）、固定傅里叶平面限制的二维遮挡精度、以及4f系统引起的实景空间反转。研究指出，采用金属透镜（metalens）可将视场扩展至50°，而集成液晶变焦透镜（LC-based varifocal lens）可实现三维遮挡。在紧凑化方案中，微透镜阵列（MLA）与波导组合器的应用可将系统体积缩减60%，同时支持光场遮挡等先进功能。这些改进将为医疗可视化、手术导航等需要高精度虚实交互的领域开辟新可能。