陳靜

摘 要： 本文對(duì)三維全息成像最新技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，首先從傳統(tǒng)三維全息成像出發(fā)，簡(jiǎn)述了傳統(tǒng)三維全息成像過程，并對(duì)其原理進(jìn)行了簡(jiǎn)述、分析其成像原理。其次引入新興技術(shù)--電子全息顯示，基于電子全息顯示過程的三個(gè)部分，闡述了其與傳統(tǒng)全息成像的區(qū)別，同時(shí)本文介紹了電子全息顯示中的重要器件--液晶空間光調(diào)制器，簡(jiǎn)談了其原理。然后對(duì)目前三維全息成像技術(shù)的彩色顯示、調(diào)制方式兩大難題進(jìn)行分析，最后，本文肯定了三維全息成像技術(shù)的未來市場(chǎng)和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞： 三維全息成像；電子全息顯示；液晶空間調(diào)制器

1 引言[1-2]

無論是在娛樂還是科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域上，人們對(duì)顯示的要求越來越來，如今已經(jīng)從二維成像的研究擴(kuò)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(xiàn)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(shù)與光電子技術(shù)息息相關(guān)。

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(shù)，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(xué)全息成像需要穩(wěn)定的光學(xué)平臺(tái)來記錄和重現(xiàn)，并且只能在既定的光路上進(jìn)行重現(xiàn)。這樣的全息成像條件要求苛刻，難以廣泛的應(yīng)用，更別說是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的全息。所以三維全息成像技術(shù)的研發(fā)還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，本文將淺談三維全息成像截止目前的技術(shù)發(fā)展。

2 傳統(tǒng)三維全息

2.1全息記錄過程[3]

根據(jù)信息光學(xué)的知識(shí)，可以分析傳統(tǒng)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(zhì)上面，這束光成為參考光R光；另外一束光照射到物體上，經(jīng)過投射、反射，產(chǎn)生的光稱作物光波O光。最終，兩束光產(chǎn)生干涉，記錄在介質(zhì)上形成干涉條紋，通常情況下介質(zhì)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(fù)物體的信息需要通過光路進(jìn)行再現(xiàn)。

2.2傳統(tǒng)全息計(jì)算[4]

通過光學(xué)的知識(shí)用數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)全息過程進(jìn)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(xiàng)表示物光、參考光的強(qiáng)度分布，后面一項(xiàng)是干涉項(xiàng)，記錄了相位分布。上述過程就簡(jiǎn)單的闡述了傳統(tǒng)全息過程，這樣就能用全息干板準(zhǔn)確的記錄被照射物體的全部信息。

3 電子全息顯示

3.1數(shù)字全息

電子全息按字面意思理解就是通過計(jì)算機(jī)，將全息成像過程與電子設(shè)備聯(lián)系起來，不再使用參考光和物光的干涉來產(chǎn)生全息圖，而是在計(jì)算機(jī)中模擬進(jìn)行再現(xiàn)。本文首先介紹數(shù)字全息的三個(gè)基本過程[5]：

（1） 記錄過程。用CCD相機(jī)記錄參考光和物光的干涉條紋，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息記錄并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上。

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

（3） 全息圖再現(xiàn)過程。這個(gè)過程分為兩種，一種是直接再計(jì)算機(jī)中再現(xiàn)；另一種是在空間中再現(xiàn)物體的三維圖像，但是這和傳統(tǒng)全息成像再現(xiàn)過程不同，可以使用空間光調(diào)制器來進(jìn)行全息再現(xiàn)。

3.2 液晶空間光調(diào)制器[6-7]

電子全息和傳統(tǒng)全息的最大差別就是全息再現(xiàn)過程中使用空間光調(diào)制器，此處分析液晶空間光調(diào)制器?？臻g光調(diào)制器能夠通過某個(gè)信號(hào)，控制一維或者二維空間上光強(qiáng)度、相位或者偏振態(tài)的分布。液晶光調(diào)制器由于液晶分子有電控雙折射效應(yīng)，所以對(duì)于入射光同時(shí)有著振幅和相位的調(diào)制，一般的結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)的液晶分子，液晶層的下層玻璃層表面鍍有像素結(jié)構(gòu)的電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)像素的調(diào)控，再下方是集成電路，最后是基底。入射光經(jīng)過玻璃層和液晶層后被下層的玻璃反射，然后經(jīng)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(jìn)入電場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)注入的液晶類型和下方加的電場(chǎng)可以按要求實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制或者相位調(diào)制。

4 全息成像面臨的問題

目前來說，全息成像已經(jīng)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(yīng)用有很大的優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(xiàn)的物體沒有色彩信息。而由光學(xué)知識(shí)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(shí)現(xiàn)彩色顯示，至少需要GRB三色波長(zhǎng)的光，而單個(gè)空間調(diào)制器在某個(gè)時(shí)刻只能對(duì)單色光進(jìn)行調(diào)制，所以目前還對(duì)于這類問題還需要處理。

（2） 調(diào)制方式[9]。由于液晶空間調(diào)制器不能獨(dú)立調(diào)控振幅和相位，所以對(duì)于實(shí)現(xiàn)特定復(fù)振幅需要特別的設(shè)計(jì)，這也是目前全息成像所面臨的一大難題。

5 結(jié)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(gòu)原物體在空間中的光波信息。 本文從傳統(tǒng)全息到電子全息，概述了三維全息成像這一光電顯示技術(shù)。三維顯示是將顯示的或者虛擬的三維物體在人腦中重現(xiàn)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(qiáng)、容易產(chǎn)生視覺疲勞等問題，可以知道三維全息成像是具有市場(chǎng)力的一個(gè)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧征標(biāo).計(jì)算全息三維顯示系統(tǒng)中相關(guān)問題的研究和實(shí)現(xiàn)[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2016.

[2]辜蘇.計(jì)算全息用于三維立體顯示的方法研究[D].昆明理工大學(xué)，2016.

[3]王瑞娜.全息三維顯示技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（21）：19-20.

[4]萬芮.計(jì)算全息中的相位計(jì)算問題研究[D].安徽工程大學(xué)，2016.

[5]張鐵男.毫米波三維全息成像圖像重構(gòu)算法研究[D].南京理工大學(xué)，2016.

[6]周皓.數(shù)字全息成像技術(shù)應(yīng)用研究[D].蘇州大學(xué)，2015.

[7]胡鑫，閆鵬，黃勇，戴雯.一種局部三維全息成像算法[J].制導(dǎo)與引信，2016，37（01）：30-34.

[8]潘哲朗.微小生物體的數(shù)字全息顯微層析成像技術(shù)研究[D].暨南大學(xué)，2016.

[9]萬力超.無透鏡數(shù)字全息顯微圖像增強(qiáng)方法及其應(yīng)用研究[D].深圳大學(xué)，2017.

[10]朱五鳳，石俠，郭茂田，梁二軍，馬鳳英.基于非相干數(shù)字全息的多光譜成像技術(shù)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2017，49（01）：58-62.

[11]桑新柱，于迅博，陳鐸，高鑫，王鵬，邢樹軍，余重秀.三維光顯示技術(shù)研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2017，54（05）：78-89.