三維全息成像最新技術發展分析

陳靜

摘 要： 本文對三維全息成像最新技術發展進行了簡單分析，首先從傳統三維全息成像出發，簡述了傳統三維全息成像過程，并對其原理進行了簡述、分析其成像原理。其次引入新興技術--電子全息顯示，基于電子全息顯示過程的三個部分，闡述了其與傳統全息成像的區別，同時本文介紹了電子全息顯示中的重要器件--液晶空間光調制器，簡談了其原理。然后對目前三維全息成像技術的彩色顯示、調制方式兩大難題進行分析，最后，本文肯定了三維全息成像技術的未來市場和發展前景。

關鍵詞： 三維全息成像；電子全息顯示；液晶空間調制器

1 引言[1-2]

無論是在娛樂還是科學、醫學研究領域上，人們對顯示的要求越來越來，如今已經從二維成像的研究擴展到了三維成像。三維成像接觸最多的3D電影，此類成像成為眼鏡式，現在還有裸眼式成像，如光柵式裸眼三維顯示，可見三維顯示技術與光電子技術息息相關。

三維成像中，三維全息成像無疑是極有潛力的一種成像技術，其保留物體原有的所有信息，得到一幅逼真的三維成像圖。但是普通的光學全息成像需要穩定的光學平臺來記錄和重現，并且只能在既定的光路上進行重現。這樣的全息成像條件要求苛刻，難以廣泛的應用，更別說是實現動態的全息。所以三維全息成像技術的研發還面臨著巨大的挑戰，本文將淺談三維全息成像截止目前的技術發展。

2 傳統三維全息

2.1全息記錄過程[3]

根據信息光學的知識，可以分析傳統的全息記錄過程。將激光輸出的激光束分為兩束，一束直接照射到記錄介質上面，這束光成為參考光R光；另外一束光照射到物體上，經過投射、反射，產生的光稱作物光波O光。最終，兩束光產生干涉，記錄在介質上形成干涉條紋，通常情況下介質一般為全息干板，如圖1所示。在全息干板上，有物體所有的信息，包括振幅大小和相位，只是它不像普通照片一樣，能夠直接從肉眼觀察到，通過肉眼只能看到灰蒙蒙的一片，想要恢復物體的信息需要通過光路進行再現。

2.2傳統全息計算[4]

通過光學的知識用數學表達式對全息過程進行表示，物光和參考光在全息干板平面的福振幅可以表示為：

式（4）中前兩項表示物光、參考光的強度分布，后面一項是干涉項，記錄了相位分布。上述過程就簡單的闡述了傳統全息過程，這樣就能用全息干板準確的記錄被照射物體的全部信息。

3 電子全息顯示

3.1數字全息

電子全息按字面意思理解就是通過計算機，將全息成像過程與電子設備聯系起來，不再使用參考光和物光的干涉來產生全息圖，而是在計算機中模擬進行再現。本文首先介紹數字全息的三個基本過程[5]：

（1） 記錄過程。用CCD相機記錄參考光和物光的干涉條紋，轉換成數字信息記錄并存儲在計算機上。

（2） 圖像的處理過程。在計算機上存儲的數字記錄信息，包括圖像校準、畸變消除、噪聲去除、圖像特征提取等過程。

（3） 全息圖再現過程。這個過程分為兩種，一種是直接再計算機中再現；另一種是在空間中再現物體的三維圖像，但是這和傳統全息成像再現過程不同，可以使用空間光調制器來進行全息再現。

3.2 液晶空間光調制器[6-7]

電子全息和傳統全息的最大差別就是全息再現過程中使用空間光調制器，此處分析液晶空間光調制器。空間光調制器能夠通過某個信號，控制一維或者二維空間上光強度、相位或者偏振態的分布。液晶光調制器由于液晶分子有電控雙折射效應，所以對于入射光同時有著振幅和相位的調制，一般的結構如圖2所示。

Fig 2. Schematic diagram of liquid crystal space modulator

最上層是最外層的玻璃層，在其下表面鍍上透明電極，它被用作公共電極，然后就是液晶層。液晶層夾在玻璃層中間，注有對應的液晶分子，液晶層的下層玻璃層表面鍍有像素結構的電路，以實現對單個像素的調控，再下方是集成電路，最后是基底。入射光經過玻璃層和液晶層后被下層的玻璃反射，然后經過液晶層和玻璃層后射出。在公共電極和下方電極施加電池，液晶分子進入電場發生偏轉，根據注入的液晶類型和下方加的電場可以按要求實現強度調制或者相位調制。

4 全息成像面臨的問題

目前來說，全息成像已經取得了一定的成功，從上文也可以知道全息成像在生活中應用有很大的優勢，但是至今為止全息成像沒有融入生活中，是由于全息成像仍然存在難題沒有被攻克，其主要存在兩個難題：

（1） 彩色顯示[8]。全息成像是由干涉形成的，但是全息成像所呈現的物體沒有色彩信息。而由光學知識基本可知，任何光都能有RGB三基色按照不同比例合成，因此要實現彩色顯示，至少需要GRB三色波長的光，而單個空間調制器在某個時刻只能對單色光進行調制，所以目前還對于這類問題還需要處理。

（2） 調制方式[9]。由于液晶空間調制器不能獨立調控振幅和相位，所以對于實現特定復振幅需要特別的設計，這也是目前全息成像所面臨的一大難題。

5 結束語[10-11]

三維全息成像能夠真正地做到在線原來物光波前的振幅和相位，重構原物體在空間中的光波信息。 本文從傳統全息到電子全息，概述了三維全息成像這一光電顯示技術。三維顯示是將顯示的或者虛擬的三維物體在人腦中重現的一種顯示方法，這和電影院中3D電影使用的雙目視差方法不同中，它沒有深度感不強、容易產生視覺疲勞等問題，可以知道三維全息成像是具有市場力的一個技術。

參考文獻

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