全息顯示技術(shù)研究進(jìn)展

1、全系顯示技術(shù)研究進(jìn)展專業(yè)班級(jí)：應(yīng)用物理11級(jí)1班 姓 名： 王晴軒 指導(dǎo)教師： 劉大軍 物理系摘 要三維全息顯示能夠表現(xiàn)出與真實(shí)物體一樣的深度和視差，是一種理想的三維顯示方法。本文在全息圖的制作方面給出了傳統(tǒng)光學(xué)全息圖和計(jì)算機(jī)制全息圖的制作方法；在調(diào)制器的選擇上給出了數(shù)字微鏡DMD和空間光調(diào)制器兩種建議；在全系系統(tǒng)的構(gòu)建方面給出了動(dòng)態(tài)彩色全息三維視頻顯示系統(tǒng)、新紀(jì)錄材料的全息三維顯示系統(tǒng)、單片SLM系統(tǒng)最新的三種構(gòu)建系統(tǒng)的方法。綜合了全系顯示各個(gè)方面的最新研究進(jìn)展，最后分析了未來全息顯示的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：全息顯示；調(diào)制器；進(jìn)展目 錄一、制作全息圖1（一）傳統(tǒng)光學(xué)全息圖1（二）計(jì)算機(jī)制全息圖1

2、1.計(jì)算全息制作方法12.計(jì)算全息實(shí)現(xiàn)方法2二、 調(diào)制器3（一） 數(shù)字微鏡DMD對(duì)全息圖的調(diào)制3（二） 空間光調(diào)制器對(duì)全息圖的調(diào)制3三、 全息系統(tǒng)的構(gòu)建4（一） 動(dòng)態(tài)彩色全息三維視頻顯示系統(tǒng)4（二） 新記錄材料的全息三維顯示系統(tǒng)5（三） 單片SLM系統(tǒng)6四、 全息顯示的未來發(fā)展方向6（一）數(shù)字三維物體全息圖數(shù)據(jù)壓縮6（二）高分辨率大視場(chǎng)視頻級(jí)動(dòng)態(tài)三維全息顯示7（三）全息遠(yuǎn)程再現(xiàn)7參 考 文 獻(xiàn)8全息顯示技術(shù)研究進(jìn)展 隨著科技的迅速發(fā)展，三維立體顯示技術(shù)備受人們的青睞。與此同時(shí)，三維立體顯示技術(shù)發(fā)展迅速，種類頗多。全系顯示能夠表現(xiàn)出與真實(shí)物體一樣的深度和視差，在空間顯示真實(shí)的3D影像。全息是一種

3、不同于普通照相的光學(xué)技術(shù)，利用了光的干涉和衍射原理，制作全息圖和再現(xiàn)真三維立體圖像，可以給人身臨其境的逼真感。一、制作全息圖全息圖的制作可分為兩種，一種是傳統(tǒng)光學(xué)全息圖和計(jì)算機(jī)制全息圖。（一）傳統(tǒng)光學(xué)全息圖在傳統(tǒng)全息術(shù)中，采用化學(xué)感光材料制成的全息干板來記錄全息圖，每記錄一次都對(duì)干板進(jìn)行顯影、定影、烘干等后續(xù)處理，過程十分繁瑣，而且許多材料不能重復(fù)使用。隨著圖像傳感器技術(shù)和空間光調(diào)制器技術(shù)的發(fā)展，研究者提出了一種對(duì)傳統(tǒng)全息術(shù)改進(jìn)方案即數(shù)字全息術(shù)，在傳統(tǒng)全息記錄光路中采用數(shù)字電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體來記錄干涉形成的全息圖，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值重構(gòu)或是采用光學(xué)方法重構(gòu)。數(shù)字記錄

4、得到全息圖的方法具有實(shí)時(shí)測(cè)量的潛力，在許多情況下具有優(yōu)勢(shì)，因此數(shù)字全息術(shù)成為一個(gè)備受關(guān)注的研究課題，諸多學(xué)者開展了光學(xué)系統(tǒng)、減少散斑噪聲以及波前重構(gòu)算法等方面的研究。（二）計(jì)算機(jī)制全息圖計(jì)算全息圖不需要實(shí)際搭建光路而是在計(jì)算機(jī)中模擬物體的物光波和參考光波的干涉全息過程來生成數(shù)字化的全息圖。根據(jù)計(jì)算全息圖制作時(shí)不同的編碼技術(shù)，計(jì)算全息圖大致可分為迂回位相型計(jì)算全息圖，修正離軸參考光計(jì)算全息圖，相息圖和計(jì)算全息干涉圖等。要實(shí)現(xiàn)數(shù)字全息三維顯示，則需要得到三維物體的計(jì)算全息圖。1.計(jì)算全息制作方法計(jì)算全息制作主要包括以下三個(gè)步驟：場(chǎng)景的繪制、抽樣、編碼、計(jì)算和再現(xiàn)。傅里葉變換是一種經(jīng)典的數(shù)學(xué)變換，在

5、光學(xué)中，光經(jīng)過傅里葉透鏡的結(jié)果就相當(dāng)于做一次傅里葉變換，因此采用菲涅耳快速傅里葉變換的方式制作全息圖是最常見的方法。 計(jì)算全息的物體不是實(shí)際物體，可以是電腦繪制的虛擬場(chǎng)景或者圖像信息。常使用Matlab編程繪制簡(jiǎn)單圖形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)物光取樣時(shí)，需滿足 Whittaker-Shannon采樣定律。繪制“128×128”像素大小的字母“F”，設(shè)定好“128×128”大小的零矩陣O，用函數(shù)讀入到零矩陣O中。由于需要做離散快速傅里葉變換，處理結(jié)果動(dòng)態(tài)變化范圍較大，會(huì)影響最終的全息圖效果。因此需要對(duì)讀入的光波信息附加一個(gè)隨機(jī)相位，即用值在0到1之間與O數(shù)組等大的隨機(jī)函數(shù)矩陣乘以光波

6、函數(shù)，結(jié)果為：，此步驟相當(dāng)于在做光學(xué)全息拍照時(shí)加上一塊毛玻璃，使物光均勻散射照在干板底片上。編碼是將物光的復(fù)函數(shù)變?yōu)榉秦?fù)實(shí)數(shù)在物理介質(zhì)中記錄下來。常見的編碼方式有兩種：博奇型編碼法和羅曼型編碼法。 再現(xiàn)方式包括光學(xué)再現(xiàn)和計(jì)算機(jī)仿真再現(xiàn)。以博奇型編碼方式獲得全息圖后，對(duì)其用fftshift(fft2()函數(shù)實(shí)現(xiàn)傅里葉逆變換，模擬再現(xiàn)全息圖像。2.計(jì)算全息實(shí)現(xiàn)方法采用物點(diǎn)散射法實(shí)現(xiàn)計(jì)算全息，能完全真實(shí)的再現(xiàn)三維圖像。將三維物體看作由有限個(gè)物點(diǎn)組成的集合，每個(gè)物點(diǎn)看成一個(gè)點(diǎn)光源，計(jì)算機(jī)模擬點(diǎn)光源在有限方向上的光學(xué)傳播，得到該點(diǎn)在全息面上的復(fù)振幅分布，疊加所有物點(diǎn)的復(fù)振幅即可得到物體的波面在全息面上的

7、信息分布，通過編碼即可得3D全息圖。將三維物體看作由許多物點(diǎn)組成，一個(gè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的全息圖可以用菲涅爾波帶表示，先由O點(diǎn)和P點(diǎn)的坐標(biāo)求出O點(diǎn)到P點(diǎn)的距離r，再由r計(jì)算出O點(diǎn)光波到達(dá)P點(diǎn)波帶時(shí)波前的位相。 ， （1） ， （2）圖一：計(jì)算機(jī)生成三維茶壺模型 圖二：全息圖再現(xiàn)2、 調(diào)制器（1） 數(shù)字微鏡DMD對(duì)全息圖的調(diào)制DMD由成千上萬個(gè)可傾斜的鋁合金微鏡組成，每個(gè)鏡片均由數(shù)字電壓信號(hào)控制，輸入信號(hào)經(jīng)過處理后作用于DMD芯片，從而控制鏡片在-100與+100之間自由偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光學(xué)功能。當(dāng)微鏡偏轉(zhuǎn)-100時(shí)，微鏡顯示為“暗態(tài)”，當(dāng)鏡片偏轉(zhuǎn)+100時(shí)，則微鏡顯示為“亮態(tài)”。因此通過二進(jìn)制時(shí)間脈寬調(diào)制的方式

8、，即可得到加載圖像相應(yīng)的灰度等級(jí)。脈沖寬度越大，則微鏡所在位置反射的時(shí)間就越長(zhǎng)，表示該處的灰度值越大；脈沖寬度越小，則微鏡所在位置反射的時(shí)間越短，表示該處的灰度值越小，從而完成對(duì)信號(hào)各點(diǎn)灰度的調(diào)制。設(shè)一幅灰度圖像的灰階數(shù)為M，則每幅灰度圖像在DMD顯示時(shí)都可以分為 個(gè)比特位時(shí)間段。這樣灰度圖像就轉(zhuǎn)化成m幅二值圖像: (3)（2） 空間光調(diào)制器對(duì)全息圖的調(diào)制液晶空間光調(diào)制器（LCSLM）是一種基于液晶分子電致雙折射效應(yīng)的有源波面變換器件，具有位相調(diào)制功能。近年來，高分辨率電尋址的液晶空間光調(diào)制器已經(jīng)實(shí)用化，可以替代傳統(tǒng)的全息干板!實(shí)現(xiàn)全息圖的實(shí)時(shí)寫入與光電再現(xiàn)。如圖所示，計(jì)算機(jī)通過視頻接口與液晶

9、空間光調(diào)制器相連，將計(jì)算的三維物體全息體視圖加載到空間光調(diào)制器中，半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直、擴(kuò)束后，照射到空間光調(diào)制器面板上，光束被全息圖調(diào)制后!衍射光通過透鏡成像供人眼觀察。圖三：基于空間光調(diào)制器的全息體式圖再現(xiàn)系統(tǒng)在體視全息圖中，10幅序列視差相息圖按照從左到右、從上到下的順序排列。利用構(gòu)建的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算的全息體視圖再現(xiàn)，再現(xiàn)像的大小與再現(xiàn)光的波長(zhǎng)、空間光調(diào)制器的尺寸和像素間距、再現(xiàn)距離以及成像透鏡的焦距相關(guān)。3、 全息系統(tǒng)的構(gòu)建（1） 動(dòng)態(tài)彩色全息三維視頻顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息顯示實(shí)驗(yàn)光路如圖所示，其是典型的全息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，波長(zhǎng)為532nm的YAD激光作為記錄光，被分為兩束：一束作為

10、參考光；另一束經(jīng)空間光濾波器擴(kuò)束濾波，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的空間光調(diào)制器，就可將計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)的視頻加載到該光束上，最后用透鏡將其聚焦到液晶薄膜處作為信號(hào)光。參考光和信號(hào)光在液晶薄膜處相交干涉"在液晶薄膜中記錄全息圖。波長(zhǎng)為491、532、633nm的二極管抽運(yùn)固態(tài)（DPSS）激光（藍(lán)色）、Nd：YAG激光（綠色）和氦氖（He-Ne）激光（紅色）分別作為讀出光實(shí)時(shí)再現(xiàn)液晶薄膜中記錄的全息圖，從而可以獲得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息視頻。圖四：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（2） 新記錄材料的全息三維顯示系統(tǒng)2008年，美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的等人制作了一種光折變晶體并構(gòu)造了一套可半實(shí)時(shí)更新的全息顯示系統(tǒng)，如圖所示

11、。圖五：三維顯示系統(tǒng)原理圖制作出的光折變晶體具有可反復(fù)擦出和記錄的優(yōu)點(diǎn)，三維物體基元圖像的全息圖按序加載到SLM上，SLM調(diào)制后的光波和參考光波形成基元全息圖依次被光折變晶體記錄，直到一塊晶體記錄完畢將之移至光學(xué)再現(xiàn)的位置，然后由紅光再現(xiàn)三維像。該系統(tǒng)能夠在幾分鐘之內(nèi)擦除和更新圖像，但仍有不足之處。首先是系統(tǒng)中同時(shí)有記錄光路，擦除光路和再現(xiàn)光路，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難于搭建，穩(wěn)定性也不高，其次是刷新頻率還達(dá)不到視頻顯示的要求。（3） 單片SLM系統(tǒng)空間劃分的方法僅使用單片高分辨率的SLM，但是將SLM劃分成三塊子區(qū)域，每塊子區(qū)域加載對(duì)應(yīng)的紅、綠、藍(lán)三色全息圖，最終利用衍射特性，在重構(gòu)平面形成彩色全息

12、再現(xiàn)像。空間劃分的方法和時(shí)分復(fù)用的方法一樣使用了較少的 SLM器件，然而損失了紅、綠、藍(lán)三色全息圖的分辨率性能指標(biāo)，如果采用更高分辨率的SLM，可以減少對(duì)全息重構(gòu)質(zhì)量的影響。2010年，Makowski等基于空間劃分的方法建立了彩色全息顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖所示，分別采用 He-Ne激光器、二極管抽運(yùn)固態(tài)激光器以及氬激光器提供紅、綠、藍(lán)三色激光光源，三色激光束經(jīng)過擴(kuò)束后同時(shí)照射一片空間光調(diào)制器三塊子區(qū)域，最終得到的三色全息再現(xiàn)像在投影屏上進(jìn)行合成。圖六：?jiǎn)纹琒LM系統(tǒng)裝置示意圖4、 全息顯示的未來發(fā)展方向（一）數(shù)字三維物體全息圖數(shù)據(jù)壓縮由于三維物體的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以用具體數(shù)學(xué)函數(shù)描述其物光波的

13、分布，且三維信息量大使得三維計(jì)算全息難于計(jì)算，如何壓縮全息圖的數(shù)據(jù)量、簡(jiǎn)化全息圖的計(jì)算一直都是一個(gè)重點(diǎn)核心的研究方向。從數(shù)據(jù)壓縮角度而言，減少三維物體的數(shù)據(jù)采集量也是一種研究方向。（二）高分辨率大視場(chǎng)視頻級(jí)動(dòng)態(tài)三維全息顯示全息三維顯示作為一種理論上理想的三維顯示技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)如真實(shí)三維世界一樣的高分辨率大視場(chǎng)視頻級(jí)動(dòng)態(tài)三維全息顯示是研究者的主要目的。（三）全息遠(yuǎn)程再現(xiàn)將經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮的三維全息圖通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，在另一位置實(shí)時(shí)三維再現(xiàn)也是一個(gè)重要的發(fā)展方向，這一研究將實(shí)現(xiàn)真三維顯示視頻連線。參 考 文 獻(xiàn)1趙凱華新概念物理教程：光學(xué)M北京：高等教育出版社，20052鄭華東數(shù)字全息三維立體顯示關(guān)鍵技術(shù)研究D上海：上海大學(xué)，20093韓超，韋穗，劉凱峰分?jǐn)?shù)傅里葉分塊算法全息圖的編碼與動(dòng)態(tài)顯示J光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（12）4許富洋，李勇，金洪震等三維場(chǎng)景相息圖的白光再現(xiàn)研究J光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(2)5周庭陽，張紅巖電網(wǎng)絡(luò)理論與綜合M浙江大學(xué)出版社，20076黃永峰,孫欣傅里葉計(jì)算全息術(shù)及光學(xué)再現(xiàn)J青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，19（4）7鄭阿奇Matlab 實(shí)用教程J電子工業(yè)版社，2004