全息显示技术研究进展.doc

全系显示技术研究进展专业班级：应用物理11级1班 姓 名： 王晴轩 指导教师： 刘大军 物理系摘 要三维全息显示能够表现出与真实物体一样的深度和视差，是一种理想的三维显示方法。本文在全息图的制作方面给出了传统光学全息图和计算机制全息图的制作方法；在调制器的选择上给出了数字微镜DMD和空间光调制器两种建议；在全系系统的构建方面给出了动态彩色全息三维视频显示系统、新纪录材料的全息三维显示系统、单片SLM系统最新的三种构建系统的方法。综合了全系显示各个方面的最新研究进展，最后分析了未来全息显示的发展方向。关键词：全息显示；调制器；进展目 录一、制作全息图1（一）传统光学全息图1（二）计算机制全息图11.计算全息制作方法12.计算全息实现方法2二、 调制器3（一） 数字微镜DMD对全息图的调制3（二） 空间光调制器对全息图的调制3三、 全息系统的构建4（一） 动态彩色全息三维视频显示系统4（二） 新记录材料的全息三维显示系统5（三） 单片SLM系统6四、 全息显示的未来发展方向6（一）数字三维物体全息图数据压缩6（二）高分辨率大视场视频级动态三维全息显示7（三）全息远程再现7参 考 文 献8全息显示技术研究进展 随着科技的迅速发展，三维立体显示技术备受人们的青睐。与此同时，三维立体显示技术发展迅速，种类颇多。全系显示能够表现出与真实物体一样的深度和视差，在空间显示真实的3D影像。全息是一种不同于普通照相的光学技术，利用了光的干涉和衍射原理，制作全息图和再现真三维立体图像，可以给人身临其境的逼真感。一、制作全息图全息图的制作可分为两种，一种是传统光学全息图和计算机制全息图。（一）传统光学全息图在传统全息术中，采用化学感光材料制成的全息干板来记录全息图，每记录一次都对干板进行显影、定影、烘干等后续处理，过程十分繁琐，而且许多材料不能重复使用。随着图像传感器技术和空间光调制器技术的发展，研究者提出了一种对传统全息术改进方案即数字全息术，在传统全息记录光路中采用数字电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体来记录干涉形成的全息图，然后用计算机进行数值重构或是采用光学方法重构。数字记录得到全息图的方法具有实时测量的潜力，在许多情况下具有优势，因此数字全息术成为一个备受关注的研究课题，诸多学者开展了光学系统、减少散斑噪声以及波前重构算法等方面的研究。（二）计算机制全息图计算全息图不需要实际搭建光路而是在计算机中模拟物体的物光波和参考光波的干涉全息过程来生成数字化的全息图。根据计算全息图制作时不同的编码技术，计算全息图大致可分为迂回位相型计算全息图，修正离轴参考光计算全息图，相息图和计算全息干涉图等。要实现数字全息三维显示，则需要得到三维物体的计算全息图。1.计算全息制作方法计算全息制作主要包括以下三个步骤：场景的绘制、抽样、编码、计算和再现。傅里叶变换是一种经典的数学变换，在光学中，光经过傅里叶透镜的结果就相当于做一次傅里叶变换，因此采用菲涅耳快速傅里叶变换的方式制作全息图是最常见的方法。 计算全息的物体不是实际物体，可以是电脑绘制的虚拟场景或者图像信息。常使用Matlab编程绘制简单图形进行数值计算，对物光取样时，需满足 Whittaker-Shannon采样定律。绘制“128128”像素大小的字母“F”，设定好“128128”大小的零矩阵O，用函数读入到零矩阵O中。由于需要做离散快速傅里叶变换，处理结果动态变化范围较大，会影响最终的全息图效果。因此需要对读入的光波信息附加一个随机相位，即用值在0到1之间与O数组等大的随机函数矩阵乘以光波函数，结果为：，此步骤相当于在做光学全息拍照时加上一块毛玻璃，使物光均匀散射照在干板底片上。编码是将物光的复函数变为非负实数在物理介质中记录下来。常见的编码方式有两种：博奇型编码法和罗曼型编码法。 再现方式包括光学再现和计算机仿真再现。以博奇型编码方式获得全息图后，对其用fftshift(fft2()函数实现傅里叶逆变换，模拟再现全息图像。2.计算全息实现方法采用物点散射法实现计算全息，能完全真实的再现三维图像。将三维物体看作由有限个物点组成的集合，每个物点看成一个点光源，计算机模拟点光源在有限方向上的光学传播，得到该点在全息面上的复振幅分布，叠加所有物点的复振幅即可得到物体的波面在全息面上的信息分布，通过编码即可得3D全息图。将三维物体看作由许多物点组成，一个物点对应的全息图可以用菲涅尔波带表示，先由O点和P点的坐标求出O点到P点的距离r，再由r计算出O点光波到达P点波带时波前的位相。 ， （1） ， （2）图一：计算机生成三维茶壶模型 图二：全息图再现2、 调制器（1） 数字微镜DMD对全息图的调制DMD由成千上万个可倾斜的铝合金微镜组成，每个镜片均由数字电压信号控制，输入信号经过处理后作用于DMD芯片，从而控制镜片在-100与+100之间自由偏转实现光学功能。当微镜偏转-100时，微镜显示为“暗态”，当镜片偏转+100时，则微镜显示为“亮态”。因此通过二进制时间脉宽调制的方式，即可得到加载图像相应的灰度等级。脉冲宽度越大，则微镜所在位置反射的时间就越长，表示该处的灰度值越大；脉冲宽度越小，则微镜所在位置反射的时间越短，表示该处的灰度值越小，从而完成对信号各点灰度的调制。设一幅灰度图像的灰阶数为M，则每幅灰度图像在DMD显示时都可以分为 个比特位时间段。这样灰度图像就转化成m幅二值图像: (3)（2） 空间光调制器对全息图的调制液晶空间光调制器（LCSLM）是一种基于液晶分子电致双折射效应的有源波面变换器件，具有位相调制功能。近年来，高分辨率电寻址的液晶空间光调制器已经实用化，可以替代传统的全息干板!实现全息图的实时写入与光电再现。如图所示，计算机通过视频接口与液晶空间光调制器相连，将计算的三维物体全息体视图加载到空间光调制器中，半导体激光器发射的激光经过准直、扩束后，照射到空间光调制器面板上，光束被全息图调制后!衍射光通过透镜成像供人眼观察。图三：基于空间光调制器的全息体式图再现系统在体视全息图中，10幅序列视差相息图按照从左到右、从上到下的顺序排列。利用构建的光学系统对计算的全息体视图再现，再现像的大小与再现光的波长、空间光调制器的尺寸和像素间距、再现距离以及成像透镜的焦距相关。3、 全息系统的构建（1） 动态彩色全息三维视频显示系统实时动态全息显示实验光路如图所示，其是典型的全息实验系统，波长为532nm的YAD激光作为记录光，被分为两束：一束作为参考光；另一束经空间光滤波器扩束滤波，再经过计算机驱动的空间光调制器，就可将计算机上呈现的视频加载到该光束上，最后用透镜将其聚焦到液晶薄膜处作为信号光。参考光和信号光在液晶薄膜处相交干涉在液晶薄膜中记录全息图。波长为491、532、633nm的二极管抽运固态（DPSS）激光（蓝色）、Nd：YAG激光（绿色）和氦氖（He-Ne）激光（红色）分别作为读出光实时再现液晶薄膜中记录的全息图，从而可以获得实时动态全息视频。图四：实时动态全息显示实验系统（2） 新记录材料的全息三维显示系统2008年，美国亚利桑那州立大学的P.A.Blanche等人制作了一种光折变晶体并构造了一套可半实时更新的全息显示系统，如图所示。图五：三维显示系统原理图制作出的光折变晶体具有可反复擦出和记录的优点，三维物体基元图像的全息图按序加载到SLM上，SLM调制后的光波和参考光波形成基元全息图依次被光折变晶体记录，直到一块晶体记录完毕将之移至光学再现的位置，然后由红光再现三维像。该系统能够在几分钟之内擦除和更新图像，但仍有不足之处。首先是系统中同时有记录光路，擦除光路和再现光路，结构比较复杂，难于搭建，稳定性也不高，其次是刷新频率还达不到视频显示的要求。（3） 单片SLM系统空间划分的方法仅使用单片高分辨率的SLM，但是将SLM划分成三块子区域，每块子区域加载对应的红、绿、蓝三色全息图，最终利用衍射特性，在重构平面形成彩色全息再现像。空间划分的方法和时分复用的方法一样使用了较少的 SLM器件，然而损失了红、绿、蓝三色全息图的分辨率性能指标，如果采用更高分辨率的SLM，可以减少对全息重构质量的影响。2010年，Makowski等基于空间划分的方法建立了彩色全息显示系统，系统原理如图所示，分别采用 He-Ne激光器、二极管抽运固态激光器以及氩激光器提供红、绿、蓝三色激光光源，三色激光束经过扩束后同时照射一片空间光调制器三块子区域，最终得到的三色全息再现像在投影屏上进行合成。图六：单片SLM系统装置示意图4、 全息显示的未来发展方向（一）数字三维物体全息图数据压缩由于三维物体的空间结构复杂难以用具体数学函数描述其物光波的分布，且三维信息量大使得三维计算全息难于计算，如何压缩全息图的数据量、简化全息图的计算一直都是一个重点核心的研究方向。从数据压缩角度而言，减少三维物体的数据采集量也是一种研究方向。（二）高分辨率大视场视频级动态三维全息显示全息三维显示作为一种理论上理想的三维显示技术，能够实现如真实三维世界一样的高分辨率大视场视频级动态三维全息显示是研究者的主要目的。（三）全息远程再现将经过数据压缩的三维全息图通过网络传输，在另一位置实时三维再现也是一个重要的发展方向，这一研究将实现真三维显示视频连线。参 考 文 献1赵凯华新概念物理教程：光学M北京：高等教育出版社，20052郑华东数字全息三维立体显示关键技术研究D上海：上海大学，20093韩超，韦穗，刘凯峰分数傅里叶分块算法全息图的编码与动态显示J光学学报，2009，29（12）4许富洋，李勇，金洪震等三维场景相息图的白光再现研究J光学学报，2010，39(2)5周庭阳，张红岩电网络理论与综合M浙江大学出版社，20076黄永峰,孙欣傅里叶计算全息术及光学再现J青岛大学学报，2006，19（4）7郑阿奇Matlab 实用教程J电子工业版社，2004