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全息成像熱點技術發展現狀

供稿人:田豐;殷媛媛  供稿時間:2013-2-25   關鍵字:全息成像  裸眼3D  
全息成像技術是利用干涉和衍射原理記錄並再現物體真實三維圖像的技術。隨著鐳射技術的發展,全息技術又重新獲得了關注。
熱點技術:數字全息
數字全息技術用電子光學器件記錄光波並重建,具有極大的應用潛力。最初,數字全息意味著使用一台電腦完成的全息圖重建。目前,這個術語被廣泛用於表示在記錄或重建時使用電子設備或電腦的全息​​技術。隨著計算能力的增加,電腦生成的全息技術有望提供所有數字全息內容。
 
數字全息用電-光器件來實現記錄和重建。由於大多數的電-光器件具有矩形採樣晶格,通過它們測得或檢索到的信號從根本上遵從香農採樣定理。採樣空間和其頻寬被稱為空間-頻寬乘積(SBP)。當光信號用數字全息方法被重建時,此波的SBP是有限的數,而該值等於用於檢索波的電-光裝置的採樣點數目。也就是說,如果光學系統中的採樣點數目固定,空間-頻寬乘積(SBP)也被定為是相同的數。例如,空間光調製器(SLM)具有有限數量的像素,此數字表示其空間-頻寬乘積(SBP)。對於一個給定的空間光調製器(SLM)來說,增強重建圖像的大小而不增加其頻寬是不可能的。
 
在全息技術中,複雜調製技術已被研究,空間光調製器(SLM)主要應用於重構期望波的振幅或相位。特別是在傅立葉變換中,信號的相位比其振幅資訊具有更重要的意義。在實踐中,由於準直參考自相關集中在一個點上並且它很容易被過濾掉,故用傅婺倩傽奕]計一個顯示系統是非常有效的。在傅婺倩傽咫丑A當高階衍射項之間重疊,空間光調製器(SLM)重建的視圖被圈界為一個楔形,如圖1所示。規定無混疊的信號頻寬為奈奎斯特頻率,其複製陣列被佈置成矩形點陣。因此,高階項確定了在3D空間中的視圖體,在視圖體堶情A衍射波由它的副本無衝突地顯示。
圖1 基於SLM的數字全息系統
 
瑞典皇家技術研究所在全息記錄方面擁有領先的技術,他們用短相干鐳射和長脈衝進行全息記錄。連續的無邊框影像可以顯示出鏡面反射的光和透鏡聚焦的光的波前端(即脈衝前沿),用這種方法讓光通過干涉儀對光進行動態觀察。將一薄片的光與三維物體間的相交截面記錄下來,用來展示物體的輪廓。
 
忠北國立大學在合成全息圖方面擁有領先的技術,他們提出了從一個三維物體的多個正交投影視圖中合成全息圖的新方法。用相干白光捕捉運動的物體得到正交投影視圖,將此正交投影視圖乘以相應的相位項,整合成傅婺酋峈拑嶍I爾全息圖。通過簡單的投影操作,可以沿著重建空間中的三軸任意移動三維物體,也可以根據給定深度平面反轉其深度。
 
日本千葉大學電子機械系在數字全息實時生成上擁有領先的技術,他們實現了每面100萬像素3D影像的實時生成。
 
上海大學、哈爾濱工業大學等高校多年研究全息技術,在數字全息領域也緊跟世界一流技術。
熱點技術:百萬像素全息技術
美國國防部下屬的研究機構——國防高級研究規劃局目前正資助研究一種用於作戰計劃指定的全係沙盤技術,能夠產生360度的3D圖形。該技術被稱為“城市光學沙盤顯示系統”,用標準設計軟體或者光線偵測和測距設備創建高精度的3D渲染模型,隨後利用安裝在普通電腦上的專有軟體插件將3D圖轉換成支援全息圖的文件。顯示器內部的處理器和圖形處理單元處理這些數據後,通過光調製器和一系列鏡頭產生由數百萬個全息元素(即3D圖像像素)組成的圖像。百萬像素全息顯示技術正是當前全息技術中的熱點。
 
百萬像素全息顯示技術是一個記錄最大像素數量的全息系統。系統由四個通道組成,其中每個通道具有一個電尋址(EA)的SLM(空間光調製器)和對應光尋址(OA)的SLM(空間光調製器)。一個EA空間光調製器擁有100萬像素,並把其資訊按順序分佈到25個OASLM(空間光調製器)上去。因此,一個通道重構一個25萬像素的光區域,最終使整個系統具有100百萬像素。這個系統可顯示140mm×70mm的全息影像,其水準視角為5.3°。
 
另一種增加像素的熱點技術是形成一個視圖窗口。此方法並不是去擴大視角而是改變使用視圖窗口的方法,視角的擴大會伴隨著圖像尺寸減小,視圖窗口法會在觀眾眼睛周圍產生小窗口。由於3D圖像的每個點只在一個狹窄角度範圍內被重建,所以對空間光調製器頻寬要求大大減少。雖然視圖窗口法會減少有效數值孔徑數並導致3D圖像解析度損失,但減少的數值孔徑仍然大於觀察者眼睛的孔徑,解析度損失還不能被觀眾者感知。基於視圖窗口法的百萬像素全息技術的缺點是在視圖窗口產生的地方觀眾位置不能變動。
 
圖2展示了視圖窗口的發生原理。對大約幾十微米可用像素間距的空間光調製器來說,最大衍射角在1°或2°以下。如圖2(a)所示,當準直的鐳射從法線方向照射在空間光調製器上,每個空間光調製器上的點都從法線方向在此角度範圍內衍射入射光。通過用會聚的鐳射束照亮空間光調製器,衍射光會聚起來,生成一個新視圖窗口。如圖2(b)所示,視圖窗口的大小由θ與d近似地給出。其中θ是衍射角,d是視圖窗口的距離或聚光照明的透鏡焦距,λ是光的波長,p是空間光調製器的像素間距。若d=750毫米,λ=532奈米,p=30微米,視圖窗口的大小是13.3毫米(可以覆蓋觀眾的一隻眼)。當觀眾將眼睛注視在此窗口中,可以在整個空間光調製器區域看到一張大尺寸的3D圖像。因此,視圖窗口的方法擴大了3D圖像的尺寸,但是以給定空間光調製器頻寬作為犧牲。同樣的,觀看角度的限制可以通過觀眾跟蹤系統緩解。

圖2 視圖窗口的發生原理(a)衍射光發散;(b)衍射光匯聚到視窗
 
在一個普通的全息圖中,每個3D圖像點的元全息覆蓋了整個空間光調製區域。然而,在視圖窗口方法中,每個圖像點的元全息圖對應空間光調製器區域都是有限的。這種類型的全息圖被稱為子全息圖。如圖3(b)所示,不同於通常所說的全息圖,一個子全息圖的範圍被限制在對應于視圖窗口的區域。視圖窗口的方法有一個優點,即當前的空間光調製器顯示可以顯示一個大尺寸的3D圖像。

圖3(a)普通全息圖中整個SLM區重建每個3D圖像點;
(b)在基於視圖窗口的子全息圖中只有對應區域的視圖窗口重建3D圖像點
參考文獻
1、L. Onural.Digital holographic threedimensional video displays. Proceedings of the IEEE.2011
2、R. Haussler.Large real-time holographic displays: from prototypes to a consumer product. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, v 7237, 2009
3、Stephan Reichelt.Holographic 3-D displays-Electro-holography within the grasp of Commercialization.Advances in lasers and electro optics.pp.838.2010

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