全息显示即利用全息原理实现的真实的立体显示。可看到立体显示的全部特征，并有视差效应。在不同的位置上进行观察时，物体有显著的位移。

全息显示是利用干涉原理,将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,使物光波前的全部信息都存储在记录介质,故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。当用光波照射全息图时,由于衍射原理能重现出原始物光波,从而形成原物体逼真的三维像。

中文名

全息显示

外文名

holographic display

领    域应    用

全息投影、虚拟现实

创始人

Dennis Gabor

相关名词

全息图

全息显示简介

编辑

语音

全息显示是利用干涉原理,将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,使物光波前的全部信息都存储在记录介质,故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。当用光波照射全息图时,由于衍射原理能重现出原始物光波,从而形成原物体逼真的三维像，可看到立体显示的全部特征，并有视差效应。在不同的位置上进行观察时，物体有显著的位移。[1]

把光全息显示技术用于图像重现通常需要两个步骤：

一步是波前记录,这一过程是利用光的干涉原理,将物体发出的光波以干涉条纹记录成全息图；

另一步是波前重现,就是用光波照射全息图,通过光的衍射,能够从全息图中再现出原始物体的光波,从而形成与原物体逼真的三维图像。

全息显示传统的计算全息显示

编辑

语音

经典的计算机制全息图实际上就是根据描述物光波与参考光波干涉原理的数学函数式,利用计算机算出干涉条纹的分布图。一般来说,传统的计算全息图的产生和再现可以分为四个过程数据获取及处理编码产生全息图函数全息图的记录全息图的重现。下面简单说明这几个步骤：

(1)数据的获取及处理：对于实际存在的物体,可利用扫描仪或数字摄像机进行数据采集而对于实际不存在的物体,可将其函数形式直接输入计算机。获取数据的处理涉及到对物波信息的处理光波从物体出发到全息图,必然经过一个传播过程,因而到达全息图的光场复振幅函数对应与物波函数的某种变换,因此这里的物波信息的处理就是用指计算机完成物波函数的各种变换,不同的变换将产生不同的全息图。

(2)编码产生全息图：到达全息图的物波呈现复数形式,通常包括振幅和相位信息。全息图的编码技术,主要讨论如何把复波阵面编码转化为实的非负值函数,以便记录。主要编码技术有下列几种：

一种常用的方法是对光全息术的计算机仿真,即借助参考光波与物光波的干涉来编码,这种方式称为干涉型编码；方式另一种编码方式是罗曼提出的迂回相位法；还有一种典型的方法是提出的反向求取条纹的衍射型编码方式；最后一种基于序列图像的编码方式。

(3)全息图的记录：由于计算全息图通常都用光学方法实现波前再现,因而全息图的记录方式必须与之相适应。传统的记录方法是用计算机绘图仪将计算机处理的结果直接画在纸上,然后用照像机排制在照相底片上,适当的放大和缩小到合适的尺寸,制成实用的全息图。对于用迂回编码法和干涉编码法形成的振幅型全息图,都可以用这种方法。空间光调制器是一种可编程控制的信息输入和实时显示器件,无论是输入函数、全息图函数、还是再现函数,都可以通过空间光调制器对激光束的空间调制而实时的显示出来,它的应用,改变了通过计算机控制的绘图仪和照相缩放制作计算全息图的传统方法。将计算机产生的全息图用空间光调制器的点阵单元结构进行重采样,使得计算全息图的信息存储到中用于再现。

全息显示基于衍射的计算全息显示

编辑

语音

不同于传统的计算全息显示原理,空间成像小组的工作者提出了一种建立在归一化的标量衍射基础上的面向衍射的光栅编、解码方法,避免了机械模拟光全息的物理过程,衍射的计算仅基于发生在全息图像重构时的衍射,采用逆向方法求解光栅条纹。归一化衍射的条纹不再是机械地模拟物理过程而是通过更清晰地了解衍射目的或采用合成的方法产生全息图。[2]

在具体的系统实现中,为了减少计算量,采用了水平视差全息显示,即只考虑水平方向的视差而忽略垂直方向视差。假设全息图由全息行构成,全息行由全息素、构成,每个全息素中又有不同的条纹模式。三维空间的点的光线来自于全息行中相邻的全息素衍射的光,即三维物体可以表示成空间不同方向传播的平面波的迭加。全息素之间的间隔为全息图的空间采样间隔。空间采样间隔越小,越能反映空间图像的细节变化,但间隔太小,则会增加数据量,加大计算复杂度。全息平面上衍射的光波可分解成一系列传播方向不同的平面波,而这些平面波的迭加就可形成具有深度感的一图像。如下图1示：

图1

括来说,基于衍射的计算全息图方法可以分为两步:

第一步是由空间景物的三维描述计算得到全息素矢量列;

第二步就是将全息素矢量转换为全息素,也就是全息条纹图。

基于衍射的成像方法虽然在实现动态显示方面有较大突破,但我们也看到,成像条件是必须形式化地描述物体的三维数据,对于无法进行形式化描述的复杂场景的三维显示仍有局限。

全息显示数字全息显示

编辑

语音

面提到的全息显示方法物体中波阵面的重现都必须由空间光调制器实现,这样当然限制了全息技术的应用和推广。近年来,又出现了另一种非真三维显示的全息显示的重现方法一一数字全息重现。数字全息最早由顾德门提出,数字全息重构的一般方法是利用电荷祸合器件获得干涉全息图后,模拟生成参考光,利用计算机技术和相关算法对全息图进行处理,恢复物体的振幅和相位信息,然后在计算机上重建物体的三维模型,而无须相干光解调。其记录光路经典的光全息完全相同,不同的是利用电荷祸合器件代替普通照相干板来记录物光波与参考光波的干涉条纹,并将所记录的信息存入计算机,然后用数字计算的方法对物光波的复振幅进行重构,以研究重现光波场的振幅相位性质。[3]

由于以上特点,数字全息重构可为不具备光学设备的其他领域所接受,并能离开光学实验室看到记录的物体的三维信息。数字全息重构可以直接得到被记录物体再现像的复振幅分布,从而获得被记录物体的表面亮度和形貌分布另外,数字全息中用光敏电子元件如摄像机来作为记录介质,比传统的银盐干板记录所需的曝光时间短,且目前数字全息系统可以达到小于微米的横向分辨率和纳米量级的纵向分辨率,因此能够用来清晰的记录运动物体的瞬时状态,而且没有化学处理过程,记录和再现过程都比经典光全息方法更快捷,具有较广泛的应用前景。

数字全息显示一般分为两步,首先从全息图中恢复物波波阵面,然后再利用计算机计算传播后的光场分布,重构原始三维物体。由于波阵面的记录仍主要是通过干涉方法获取,因而从干涉全息图中恢复波阵面,重构三维物体具有普遍意义。

全息显示全息显示的新方法

编辑

语音

经典的光学生成全息图方法由于其固有的局限性无法满足动态全息显示要求,在全息图的获取方面希望由计算机来处理全息图,此方法比较方便、灵活并且能借助先进的光电技术。于是研究者们开始致力于计算全息图的研究,近几十年来出现许多全息图计算方法的研究。[4]

全息显示傅里叶全息术

在研究和实践中,最广泛使用的计算机产生全息图方法来自傅里叶全息术。该领域采用各种近似来把全息图平面上接受到的光波表示成物体发射的光波的傅里叶变换,这样表示使得计算能用快速傅里叶变换来执行,减少计算时间。傅里叶全息术中主要包括菲涅耳全息图和夫琅和费全息图傅里叶变换全息图。

图2最早的计算机产生全息图是夫琅和费全息图,夫琅和费全息图是将物体放在离全息胶片非常远的距离上产生的。具体说,假定我们的景物是由与轴垂直的单个平面物体组成,如下图2所示：

对于典型的菲涅耳全息图,要求至少米。这个值虽然也相当大,但比夫琅和费全息图需要两公里就大大减小了。对于不同深度的若干物体,可以把景物划分为不同深度上的若干平面,把菲涅耳近似计算公式应用于每一个这样的平面,并把结果叠加起来得到完整的全息图。

全息显示分数傅里叶全息术

分数傅里叶变换全息图是物体任意分数阶傅里叶频谱与平面参考光波在其公共区域内进行相位比较的结果,在分数傅里叶变换域上用全息的方法记录下的物光波的分数傅里叶变换分布,分数傅里叶全息图是目前全息术发展的又一个重要方向。采取双透镜装置记录分数傅里叶变换全息图。下图给出了分数傅里叶变换全息图的记录和重现光路。

全息显示基于图像的全息图计算方法

在全息干涉编码算法中,我们利用参考光将物波的相位信息保存到记录材料中并重现出来,而在没有参考光干涉的条件下,通过摄像机在白光下获得的投影得到一系列离散的透视图像,经过一些计算处理合成全息条纹图的方法也是目前研究的热点问题。[5]

这种基于图像的全息图生成方法,把一个景物的连续的维表面信息转换为相对少量的维图像信息,其结果就是把一个连续的波阵面问题多视点问题变成一个多视图问题,这样不仅极大地减少了计算量,还可以充分利用计算机视觉和图形学中的多视图几何原理及基于图像的绘制方法,降低计算的复杂性并实现复杂景物的维描述和显示。这种基于图像的全息图技术能够用相对少量的图像来逼近连续的信息。

词条图册

更多图册

参考资料

1.

王之江,沃敏政,马永华,王能鹤. 一种全息显示方法[J]. 激光,1979,(10):26-27. [2017-09-14].

2.

熊秉衡,杨齐民,郭定昆. 国外全息显示技术的新进展[J]. 云南工学院学报,1993,(02):16-23. [2017-09-14].

3.

熊秉衡,杨齐民,郭定君. 国外全息显示技术的某些进展[J]. 激光与光电子学进展,1993,(05):1-6. [2017-09-14].

4.

景敏. 全息显示技术发展及现状[J]. 科技广场,2008,(07):232-234. [2017-09-14].

5.

郑华东,于瀛洁,代林茂,王涛. 彩色全息显示中液晶空间光调制器位相调制偏差的矫正方法[J]. 物理学报,2010,59(09):6145-6151. [2017-09-14].