液晶空間光調(diào)制器和計算全息技術(shù)結(jié)合的合成全息顯示技術(shù)介紹

1 引 言

Gabor于1948年提出的全息技術(shù) ，能夠記錄和再現(xiàn)三維物體，已經(jīng)在光學(xué)計量、微光學(xué)、立體顯示等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。合成全息術(shù)是將專門制作的一組帶有視差信息的二維圖片，綜合成為能顯示三維圖像的全息術(shù)，尤其在記錄室外大場景和人物肖像等方面有著自己獨特的優(yōu)勢 。計算全息術(shù)將全息原理與計算機技術(shù)相結(jié)合，使全息圖的制作更加靈活方便 J，合成全息圖同樣可以利用計算機圖形處理能力和計算全息技術(shù)制作得到。高分辨率電尋址的液晶空間光調(diào)制器目前已經(jīng)商用化，并在光學(xué)信息處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時也對合成全息技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持，利用其與計算機的良好接口，作為二維圖片發(fā)生器參與合成全息圖的拍攝，極大地提高了合成全息圖拍攝的靈活性和可靠性。但計算機輔助的只在拍攝環(huán)節(jié)，合成全息的記錄和顯示以及觀察合成全息動感仍然是通過空間面積分割來實現(xiàn)的。目前高分辨率電尋址液晶空間光調(diào)制器的像素尺寸達到了微米量級，已經(jīng)可以直接用于數(shù)字全息圖的實時光電再現(xiàn)。本文正是基于計算全息技術(shù)和數(shù)字全息圖的實時光電再現(xiàn)技術(shù)，提出了一種實現(xiàn)合成全息顯示的新方法，由計算機制作三維物體模型并得到體視圖陣列，計算每一視角二維體視圖的全息圖，再現(xiàn)時利用兩個液晶空間光調(diào)制器同時對一對體視圖的兩幅全息圖進行實時光電再現(xiàn)，同時使再現(xiàn)像符合人眼雙目視覺需要以達到立體顯示效果，計算機控制全息圖陣列按一定頻率輸出，代替?zhèn)鹘y(tǒng)合成全息中的空間面積分割，從而實現(xiàn)合成全息的顯示效果，同時可以方便的觀察合成全息動感。本文分析了計算原理和實驗系統(tǒng)設(shè)計，并給出了實驗結(jié)果。

2 二維視圖對應(yīng)全息圖的計算原理

根據(jù)體視圖原理，如圖1所示，選取合適的角度攝取一對體視對圖片，并有 a=arctan(B／2l)，B為人眼一般瞳距62mm，l取明視距離300mm，則可計算得 a=5．9度。計算全息術(shù)根據(jù)光學(xué)全息的原理，利用計算機計算得到物光波在全息平面上的分布，并對光場的分布進行編碼，得到數(shù)字化的全息圖。對二維光場分布，計算全息的記錄原理如圖2所示，設(shè)二維物光場分布為f(x。，y。)， Zo滿足菲涅耳衍射條件，則全息面 xh一yh 上的物光波分布為 ：

式中:

Zo是物平面到全息面的距離，為常數(shù)。略去常數(shù)項exp(jkz。)／jAZo后，式(1)可以表示成：

式中:

則全息面上的物光分布可以通過 f(X。，Y。)P( X。，Y。)的傅里葉變換得到，變換頻率 在計算全息中物光波是離散化的，三維物體由計算機設(shè)計并得到相應(yīng)不同視角視圖的數(shù)字圖像，因而可用快速傅里葉變換(FFTr)計算菲涅耳衍射。用博奇編碼法制作得到1024×768像素的離軸菲涅耳計算全息圖。對體視對中的兩個圖像分別計算得到兩幅全息圖。為實現(xiàn)合成全息顯示效果，將三維物體不同側(cè)面對應(yīng)體視圖計算并處理得到的系列全息圖按順序存儲。

3 合成全息顯示系統(tǒng)設(shè)計

目前高分辨率電尋址液晶空間光調(diào)制器的像素尺寸達到了微米量級，已經(jīng)能用于對數(shù)字全息圖光學(xué)再現(xiàn)得到二維圖像J，再現(xiàn)系統(tǒng)光路原理圖如圖3所示，全息圖通過計算機視頻接口輸出至SLM，平行激光光束垂直照射SLM，透射光經(jīng)L，會聚在焦面處得到全息再現(xiàn)像，再現(xiàn)像的大小與空間光調(diào)制器像素尺寸、L，的焦距和再現(xiàn)光的波長有關(guān)。由于SLM的周期性像素化結(jié)構(gòu)，再現(xiàn)像有多組±1級衍射像出現(xiàn)，同時伴有零級衍射光，在L焦面處加光闌F選取一組合適的再現(xiàn)像，同時消除零級衍射光的影響。

合成全息圖實現(xiàn)立體顯示要求左右視圖對應(yīng)的全息圖同時再現(xiàn)，并且再現(xiàn)像滿足雙目觀察要求。

因而我們設(shè)計了用兩個液晶空間光調(diào)制器同時進行光電再現(xiàn)的實驗系統(tǒng)，如圖4所示。實驗系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是如何將左右視圖的全息圖同時分別輸出到兩個SLM，這里我們采用杭州三花科特光電公司的TLE09X一02Fd3一b型液晶背投影光學(xué)引擎系統(tǒng)，光學(xué)引擎中三個SLM是EPSON產(chǎn)的r胛一LCD，性能參數(shù)如表1所示。光學(xué)引擎系統(tǒng)的驅(qū)動電路能夠?qū)⒂嬎銠C輸出VGA信號的RGB信號處理后同時分別驅(qū)動三個LCD。背投影光學(xué)引擎是用于非相干光學(xué)信息處理的，用于全息光電再現(xiàn)時必須進行改造，選用其中的R和B對應(yīng)的LCD，把它們從光學(xué)引擎上取下后重新固定，并按圖4所示組成實驗系統(tǒng)，再現(xiàn)像通過一雙孔光闌觀察，光闌的雙孔距離符合人眼一般瞳距取62mm。

采用光學(xué)引擎系統(tǒng)的主要出發(fā)點是利用其能將彩色圖像通過RGB三個通道，將三基色圖像分別顯示于三個LCD，用于合成全息顯示時，則需要對全息圖作一定的處理，處理方法如圖5所示，將左右視圖的全息圖分別作為RGB圖像的R和B分量，G分量可以任意，進而把RGB三個分量用Matlab圖像處理的方法處理合成一幅1024×768的RGB彩色圖像，這樣當(dāng)一幅RGB圖像通過計算機視頻接口輸出時，就同時輸出了一對體視全息圖到再現(xiàn)光路系統(tǒng)中，通過實時光電再現(xiàn)，使人眼觀察到立體像。

4 實驗結(jié)果及分析

在實驗中，三維物體由軟件3D Max 5．0制作，為一小桌子，其下空間有一球，三維物體繞z軸轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過6。取得一幅數(shù)字圖像。根據(jù)菲涅耳全息的基本原理用Matlab語言編寫了計算全息程序，對所得到的數(shù)字圖像序列，計算得到相應(yīng)的全息圖陣列，其中物光和參考光波長選用514．8nm，物面與全息面距離為300mm。對所得的全息圖陣列每相鄰兩幅全息圖按圖5所示用Matlab圖像處理方法得到RGB圖像陣列。用Visual Basic6．0編寫了控制程序，控制RGB圖像液晶空間光調(diào)制器輸出，再現(xiàn)光波長為510nm，L。焦距300mm，同時控制程序可以控制計算機以一定頻率輸出RGB格式的全息圖序列，且輸出頻率可調(diào)，輸出最大頻率為60Hz。利用人眼視覺殘留效應(yīng)，可以觀察到連續(xù)動感的再現(xiàn)立體像。實驗中同時也發(fā)現(xiàn)，由于激光功率、液晶空間光調(diào)制器開口率和透過率以及全息圖本身的衍射效率的影響，再現(xiàn)圖像的亮度受到了一定的限制。其次，由于液晶空間光調(diào)制器像元尺寸的限制，再現(xiàn)像的大小有限。

5 結(jié)論

結(jié)合計算全息技術(shù)和液晶空間光調(diào)制器，系統(tǒng)研究了合成全息圖的計算機生成和實時光電再現(xiàn)技術(shù)，利用經(jīng)過改造的液晶背投影光學(xué)引擎系統(tǒng)，設(shè)計了相應(yīng)的實驗系統(tǒng)，得到了實驗結(jié)果。相比于傳統(tǒng)合成全息顯示技術(shù)，該方法中從體視圖的獲取、全息圖的計算到實時光電再現(xiàn)都是由計算機控制完成，提高了全息制作和顯示的可靠性和實時性，對促進合成全息顯示技術(shù)的發(fā)展和實用化提供了一個有效的途徑。