全息显示技术研究进展.docx

全息显示技术研究进展.docx

《全息显示技术研究进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全息显示技术研究进展.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

全息显示技术研究进展

武汉工业学院

毕业论文

论文题目：

全息显示技术研究进展

姓名余忠晟

学号071203217

院系数理科学系

专业电子信息科学与技术

指导教师李鸣

2011年6月9日

目录

摘要…………………………………………………………………………………1

Abstract……………………………………………………………………………2

第一章本课题的研究内容及意义…………………………………3

1.1研究内容……………………………………………………………………3

1.2研究意义……………………………………………………………………5

第二章全息术的基本原理……………………………………………6

2.1全息图的记录……………………………………………………………6

2.2物光波的再现……………………………………………………………7

第三章全息术发展简介…………………………………………………9

3.1同轴全息术………………………………………………………………9

3.2离轴全息术………………………………………………………………9

3.3白光再现全息术…………………………………………………………10

3.4白光全息术……………………………………………………………10

第四章基于全息技术的3D显示……………………………………11

4.1透射式全息显示图像……………………………………………………11

4.2反射式全息显示图像……………………………………………………11

4.3全像式全息显示图像……………………………………………………11

4.4体积式全息显示图像……………………………………………………12

4.5国家863科研项目………………………………………………………12

4.63DTV发展的困境…………………………………………………………12

4.73D显示奔赴“嘉年华”……………………………………………………13

总结………………………………………………………………………………15

谢辞………………………………………………………………………………16

参考文献………………………………………………………………………17

摘要

全息术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的一种技术。

其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，此即拍摄过程：

被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。

记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片。

其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，这是成像过程：

全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个像，即原始像（又称初始像）和共轭像。

再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。

全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。

全息术的发展大约可分为4个阶段：

同轴全息术、离轴全息术、白光再现全息术和白光全息术。

近几年基于全息技术的3D显示也有所发展。

关键词：

全息术,记录,再现,3D显示

Abstract

Holographyisatechologywhichmemorizesandrepresentswavefronttakingadvantageofinterferenceanddiffraction.Firstly,itmemorizesthelightwaveinformationoftheobjectthatisscreencourse.Itformsdiffusinglightbeambytheobjectinthelaser;theanotherlaserasareferencelightbeamcomestoaholographyfilmandproducesuperpositionwiththeobjectlightbeamtoforminterference.Ittransformsthephaseandamplitudeofeverypointsontheobjectlightwavetothechangingintesityonthespace.Thus,itmemorizestheallinformationoftheobjectlightwavemakinguseofcontrastandintervalamongtheinterferencefringe.Thefilmwhichmemorizestheinterferencefringecanbecomeaholographthroughdeveloping,fixingandtheotherprocessingprograms.

Sencondly,itrepresentsthelightwaveinformationoftheobjectthatisimagingcourse.Theholographislikeacomplexgrating.Thediffractionwavecangivetwoimageswhicharetheoriginalimageandconjugateimage.Thepresentingimagehasastrongthirddimensionandownsatruevisionsense.Everypartsofholographmemorizeslightimformationofeverypointsontheobject,soeverypartscanrepresentthewholeimageoforiginalobjectintheprinciple.Itcanmemorizemanydiferentpicturesinthesamefilmthroughmanyexposuresandcanshowpictureswithoutinterference.

Thedevelopmentofholographycanbedividedintofourstages:

thecoxialholography,theoff-axisholography,thepresentingwhitelightholographyandthewhitelightholography.The3Ddisplaybasedonholographictechnologyalsobeginstomoveinrecentyears.

Keywords:

Holography,Memorizes,Represents,3Ddisplay

第一章本课题的研究内容及意义

1.1研究内容

传统的光学成像系统，是由某些光学组件以及连续的几个透镜组成的，如照相机、显微镜、望远镜、投影透镜等，这些透镜的作用是改变光场，使图像面的场分布适应于系统的函数要求。

传统的照相图像的目的是使一个三维物体投影到一个二维的接收器平面上（如感光电影或数字样品平面），在投影几何学原则上，使二维图像在几何上相似于原始的三维物体。

许多光学系统成像虽具有三维立体性，却是适时“器件”，而在实物不存在时不能显示出与实物一样的三维立体图像不能将实物发出的物光波的全部信息。

冻结”其上．传统的光学系统最突出的特征是物体被散焦时，直接影响到第三维空间坐标即信息深度的描述。

在经典光学中，无论选用哪种类型的光学仪器，一个被散焦的物体会形成一模糊不清的图像，虽然模糊度很大程度上依赖于所选用的光学器械。

在成像过程中，第三维的深度信息被丢失了，通过单一的照相图像的数字后加工只能被部分还原。

普通照相术，包括电影和电视技术，都是沿用光线的概念，纯粹依据几何光学的成像原理，借助于透镜系统，使立体的景物成像于感光底片或屏幕上，然后在照相纸或屏幕上再现出原景物的平面像。

现有的记录介质，如照相乳剂，只对光强（黑白照片）或某些频率（彩色照片）有响应，而对波的位相却完全不敏感。

所以，普通照相所记录下来的物体光波（称信号光波）信息，只有振幅信息或者还有频率信息，根本反映不出物体光波的位相信息，因而，再现出的物体影像只能是强度（明暗）变化的平面图像，而没有立体感。

然而，人们长期以来，已经习惯地去观看被压缩在一个平面上的三维空间内的实物图像。

电影演员、电视上人物的影像虽然生动优美地呈现在屏幕上，但在任一瞬时，这些影像与一张普通照片没有任何区别。

现在各种类型的所谓。

立体摄影”，如立体电影也没有超过这个范围，它们只不过是在一张（或两张）照相底片上摄制立体景物的某几个方向的平面像，再通过用柱面透镜或偏振片做成的体视镜进行观察，利用双眼体视效应，而看到只有立体感的景物影像。

总之，普通照相术，包括黑白摄影、彩色摄影、电影和电视，记录和再现的物体光波只是振幅或部分频率的信息，而对位相信息毫无反映。

人类获得的信息约80%来自视觉，人对物质世界中的对象的感知是三维的。

遗憾的是，目前主流的视频显示技术采用的是二维屏幕，只能显示一幅透视二维图像，但当被处理的数据变得越来越复杂后，人们对标准的2D显示系统的不满意度越来越强烈，不管绘制软件输出的图像变得如何快或和照片一样真实，只要结果只能在平的屏幕上观看，就没能充分利用人的视觉系统的能力。

为了满足这种需要，大批的研究者都致力发展3D显示系统。

许多基于不同方法的显示设备己经可以商业使用，但是研究工作一直还在改进和发展这些3D显示新技术。

全息术即全息照相术，是记录波动（包括机械波、电磁波和光波）干扰的振幅和位相分布，以及使之再现的专门技术．它广泛地用作三维光学的成像，也可用于声波（声全息）和射频波。

“全息”意思是全部的信息，即不仅是振幅信息，还包含位相信息在内。

1948年英藉匈牙利物理学家盖伯为了提高电子显微镜的分辨本领提出了全息术的最初设想。

随后，他采用汞灯作光源，首次拍摄了第一张全息照片（即全息图），并获得了相应的再现像，从而创立了全息术（为此，他在1971年得到了诺贝尔物理学奖）。

可是在五十年代里，这方面的工作进展相当缓慢。

直到六十年代出现激光这一相干强光源之后，离轴全息和反射全息的相继被发现，全息术才得以迅速发展，成为现代光学中十分活跃的分支。

在全息照相中正是巧妙地利用了波的干涉原理达到了同时记录包括光波位相和振幅在内的全部信息的目的。

盖伯最初提出全息照相设想时，就在题为“全波前再现的干涉显微镜”的文章中指出：

虽然感光底片和其它光接收器一样都不能记录光的位相，但是，利用双光干涉原理，令物光和另一个与物光相干的光束（参考光束）产生干涉图样却可以把位相“合并”上去，从而用感光底片能同时记录下位相和振幅。

盖伯的这一原则思想是不难理解的。

因为干涉条纹的光强分布和形状与两个相干光束的振幅和位相是密切相关的。

普通照相是采用一步成像方法，即将被物体表面反射、散射或辐射出的光通过透镜（照相机镜头）一次成像于感光胶片上，经过显影、定影等冲洗工序处理后便直接获得物体的像。

而全息照相则不然，它采取一种全新的“无透镜”的两步成像技术。

第一步是全息记录过程，即拍摄和制备全息照片（亦称全息图）；第二步是全息再现过程，即重现物像。

在传统的摄影术中，只能记录物体的光场强度．因此，通常利用非相干光对物体成像。

相反的，在全息术中，通过另外一束参考光，将光波的振幅与相位同时记录。

因此，物体不需要成像，然而，为了建立参考光和物光之间的相位差的关系，在全息术中则要求相干光，类似于杨氏干涉实验，相位被编码于相干图样中，即相干条纹的各个位置上，从相干图样中再现三维物体像：

仅用记录时的参考光辐照全息图，即可再现所记录的三维物像

。

激光全息技术的研究已有40多年的历史，应用激光全息摄影技术拍摄成的全息图，它在普通室内漫射光照射下并不呈现明显图像，但用定向白光照明（多媒体投影机灯泡发出的白光）后可在空间再现出的三维图像，可看到的物体不同侧面和不同深度（左、右、上、下、内面等）。

犹如看到原物一样。

物像的后半部以虚像形式呈现在图版之后方，其前半部以实像形式呈现在图版前方空间之中．虚像和实像都是看得见摸不到的，实际上是由全息图版再现出来的一束光波所形成。

1.2研究意义

虚像是由发散的光束形成，实像是由聚焦在图版前方空间的光束形成，这图像光束是原来物体散射出来的光束逼真的再现，给观察者带来了强烈的立体感和真实感。

激光全息技术在工业、经济、生活等方面已具有多种应用，如三维文物显示、无损检验、人像摄影、模压印刷、证件防伪、产品防伪、钱币防伪、全息集邮等，但其发展还是缓慢的，全息图的彩色难以调节，全息电影、全息摄像机、全息放映机等等仍旧停留在人们设想之中。

这主要是因为传统的全息摄影技术本质上还停留在模拟的非实时性的光学处理技术之上，操作步骤繁琐复杂，还要使用昂贵的大功率激光器等等，限制了它迸一步的发展。

传统的光学全息干涉术可以对三维物场及其变化进行高灵敏度测量，但全息图片处理过程的非实时性却大大限制了其实际应用。

近年来兴起的数字信息处理技术及其有关器件设备（计算机、数码摄像机、CCD器件、新型液晶显示屏、空间光调制器、因特网等）和自动化控制技术不断冲击传统的全息摄影技术，一些全息公司（如美国斑马图像公司等）推出了数字激光全息图像处理技术，使它有了新的发展，由数码相机采集输入计算机的一系列图像是数字化图像，其像质和彩色等可以方便的进行处理，并且整个记录过程可以应用计算机进行自动化控制

。

近年来，国内外采用数字全息三维成像方法，数字全息术以光学全息理论为基础，用ccD为记录材料，对所记录的全息图数字化，输入计算机，用模拟参考光进行物光再现，并结合图像处理技术，可以获得高质量的三维图像。

激光扫描成像系统也可用于物体的三维成像、大型物体某一侧面的浮雕式图像及地貌图的制作等，它克服了传统电子扫描摄像系统无法采集三维空间信息的缺陷，为计算机进行三维图像处理提供了必要的条件。

利用Nd：

YAG激光器作为发射源，用二维全息扫描的方式对目标进行数据采集，经透射变换后在计算机屏幕上形成三维立体图像。

近年来，全息记录介质研究的一个突破性进展是已经研制成了商用光聚合物记录介质，其化学处理（显影、定影）可以被紫外线曝光和加热代替，实现了制作全息图的实时化。

第二章全息术的基本原理

1948年在英国Thomson-Houston公司工作的盖伯（D.Gaber）提出了全息术的原理，他的最初的目的是为了提高电子显微镜的分辨率。

盖伯提出了两步无透镜成像过程，第一步，用照相方法记录从一个物体散射来的光和来自同一光源的相干的参考波相互作用后产生的干涉图，他称这个图为全息图（hologram），图中同时记录了波的振幅和相位。

第二步，用适当的光波照射所得的底片，得到物的再现像。

在此以后的约十五年的时间中，盖伯的思想几乎被人们忘却了，直到1962年美国密执安大学雷达实验室的利思（E.N.leith）和乌帕特尼克斯（J.Upatnieks）发现了盖伯的波前重现法与他们所研究的综合孔径天线问题相类似，并提出了改进盖伯原始技术的方案，从而改善了成像方法，并大大扩充了它的应用范围。

高相干性激光光源的运用不仅获得了高质量三维像，而且使全息术的应用范围远远超出了三维成像这一个方面。

因为在这一领域中的贡献，盖伯获得了1971年的诺贝尔物理奖

。

下面我们仅介绍全息照相的记录和再现原理。

图1（a）全息图的记录；（b）用与参考波相同的波进行再现；（c）用参考波的共轭波进行再现

2.1全息图的记录

图1a所示为实验室中拍摄全息图的简单装置，物体上的散射波和参考波均来自同一相干光源，因而是相干的，它们的复振幅

、

表示，在照相底片上物光波和参考光波迭加后的场为

（2-1）

其中复振幅

、

中分别包含物光波和参考光波的振幅和相位信息。

（2-2）

（2-3）

照相底片上相对光强分布为

（2-4）上式结果中头两项仅仅取决于两个波的强度，第三项取决于两个波的振幅和相对相位。

在光强分布中包含了物光波的振幅和相位信息。

通常使用照相干板或胶片作为记录介质，我们假定记录介质把曝光时的入射光强线性地变换为显影后底片的振幅透射率

（2-5）

其中

是由参考波产生的一项均匀的“偏置”透射率，

是一个与曝光时间及记录介质特性有关的常数，对于正片

＞0，对于负片

＜0.

2.2物光波的再现

如图1b所示，设图中的再现波就是a中的参考波，设它是一个波矢位于xz平面中的平面波，表达式为

（2-6）

式中

为振幅，θ为波矢方向与z轴夹角的大小，当用再现波照明记录底片以后透过底片的光的复振幅为

（2-7）

上式中最后一个等式后的三项表示在空间上互相分离的三个光波。

第一项对应于沿着参考方向传播且有振幅畸变的波，它不携带物光波的信息。

第二项与物光波O（x,y）成正比，因此观察这个波的效应和观察物体本身的效应是一样的，即物体所有的基本特征，如深度等都能得到再现，只是振幅与原物光波相差一个常数因子

。

由于在底片后面可以观察到与物体位于底片前面相同的光波，因此它是一个虚像。

第三项与

成正比，

是物光波的共轭波，乘以因子

以后表示一个位于全息图另一边的实像（图1b），但是附加的相位项

不仅使波倾斜，而且也导致像的畸变。

若用参考光波的共轭波

作为再现波就得到图1c所示的结果。

用式子来表示就是

（2-8）

这时虚像发生畸变，而由

所形成的实像不存在畸变。

下面以一个点物的记录和再现为例，来说明上述的两步成像过程。

由平面参考波

与

点发出的球面波干涉，在

上记录点物

的全息图。

按图示的几何关系，物光波为发散球面波，表示为

（2-9）

当采用照明光波

再现时，因此衍射的第三项

，这是一个从虚像点

发出的发散球面波，人眼接收到该衍射波，就可以通过全息图观察到位于

的虚像。

当采用照明光波

，因此衍射的第四项表示为

（2-10）

这是一个向

点的镜像点

会聚的会聚球面波，因此，在

处可以探测到一个实像点。

对于复杂物体，应用点基元分析方法，将物体看做是大量具有不同振幅和初位相的电源的线性叠加，每个点物都形成各自的点基元全息图，按照记录过程的线性性质，每个基元全息图都按照上述原理再现各自的虚像或实像，最后综合出完整的再现像。

第三章全息术发展简介

全息技术是一门正在蓬勃发展的光学分支，主要运用了光学原理，是一种不用透镜，而用相干光干涉得到物体全部信息的二部成像技术。

如果说全息技术在照相方面的应用与普通照相技术的最大区别，那就是全息技术能够利用激光的相干性原理，将物体对光的振幅和相位反射（或透射）同时记录在感光板上，也就是把物体反射光的所有信息全部记录下来，并能够再现出立体的三维图像。

也就是全息技术所记录不是图像，而是光波。

全息技术近年来已渗透到社会生活的各个领域并被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中，特别是在现代测试、生物工程、医学、艺术、商业、保安及现代存储技术等方面已显示出特殊的优势。

随着全息技术的快速发展，全息技术的产品正越来越多地走向市场、应用于现代生活中

。

自1948年英国科学家丹尼斯·盖伯提出全息原理后，便有一些学者开始了全息术的研究工作，但由于当时没有好的相干光源，所以研究工作进展较慢，直到1960年激光器出现以后，全息术才得到迅速发展。

全息术的发展大约可分为4个阶段

：

3.1同轴全息术

同轴全息术是盖伯当时采用的技术，这一阶段主要是在1960年激光器出现以前。

这种技术获得的物体的再现像与照明光混在一起，不易观察。

1948年，盖伯为提高电子显微镜的分辨率，在布拉格的“X射线显微镜”、泽尼克的相衬原理的启示下，提出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法。

为了进一步证实其原理，他先后采用电子波与可见光进行了验证，并在可见光中得到了证实，同时制成了第1张全息图。

从那时起到20世纪50年代末期，全息图都是用汞灯作为光源，而且是参考光与物光共轴的共轴全息即同轴全息图。

它与±1级衍射波是分不开的，这是全息术的萌芽时期。

这个时期全息图存在2个严重问题，一个是再现的原始像与共轭像分不开；另一个是光源的相干性太差，因此在这10多年中，全息术进展缓慢。

3.2离轴全息术

离轴全息术是在激光器出现以后产生的用激光记录激光再现的全息术，其特点是获得的物体重现像与照明光分离，易于观察。

1960年激光的出现，提供了一种高相关度光源。

1962年，美国科学家利思和乌帕特尼克斯将通信理论中的载频概念推广到空域中，提出了离轴全息术，就是用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生3个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。

这样，同轴全息图的2大难题宣告解决，产生了激光记录、激光再现的全息图。

从而使全息术在沉睡了十几年之后得到了新生并进入了一个极为活跃的阶段。

此后，又相继出现了多种全息方法，如大景深全息照相法、激光记录与激光再现的彩色全息照相法等。

3.3白光再现全息术

白光再现全息术是用激光记录，白光照明再现的全息图制作技术，它在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩，这是目前应用最广的全息术。

由于激光再现的全息图失去了色调信息，科学家们开始致力于研究第3代全息图。

一个叫班顿的人发现了用激光记录，使用白光还原影像的方法，从而使这项技术逐渐走向实用阶段。

美国《国家地理杂志》第1次使用白色光全息片贴在封面时，销售量由1000万份增加到再版后的1600万份，这一技术后来由美国传到欧洲和其他国家，激光全息摄影技术也随之风靡全世界。

常见的有发射全息术、像全息术、彩虹全息术和合成全息术等。

反射全息利用体积全息图对波长的灵敏性，可以用激光记录，白光再现出单色像；也可以用3种波长的光（红、绿、蓝）记录，用白光照明再现产生物体的真彩色像，3种波长通常是用氦-氖激光器的红光（632.8nm）和氩离子激光器的绿光（514.5nm）及蓝光（476.5nm）。

3.4白光全息术

利用白光制作全息图，用激光或白光照明观察再现，这是全息术的最高阶段，至今虽有不少人做了一些初步工作，但尚未有突破性进展。

激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变。

这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。

于是，科学家们有回过头来继续探讨白光再现全息图的可能性。

它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。

第四章基于全息技术的3D显示

全息显示主要利用全息照相能重现物体三维立体图像的特点，因全息片能给出和原物大小一样、细节精美、形状逼真的三维图像，所以是极有发展前景的应用之一。

它可以用来复制历史文物艺术珍品、全息肖像、全息装饰品和全息风景画等也可用于超景深照相，使远距离到近距离的物体同时记录在一张全息底片上。

而从其再现像中逐次按不同距离分层观测，不受普通照相景深的限制。

全息显示常用的全息术有：

透射和反射全息、像面全息