全息三維顯示技術的研究現(xiàn)狀

摘 要：隨著現(xiàn)代科技的進步，以及人類生活水平的提升，二維顯示技術已經(jīng)不能夠滿足人類的生活需求，并且我們開始逐步向還原真實的三維場景所靠攏。文章圍繞三維顯示技術中的全息顯示技術，詳細介紹了其的研究現(xiàn)狀，并對未來發(fā)展趨勢做出了展望。

關鍵詞：全息；三維顯示技術；研究；現(xiàn)狀

引言

早期的三維顯示技術中是利用人眼雙目視差原理，左眼與右眼之間瞳距約為10CM，左右眼所呈現(xiàn)出不同視角的圖像，經(jīng)過大腦的融合，從而產(chǎn)生三維立體感。但是這種方法只有心里景深，沒有物理景深，進而缺乏真實的3D感。現(xiàn)有的三維顯示技術除了利用視差原理的偽三維顯示技術之外，還包括具有深度信息的真三維顯示技術，如全息式、集成成像式、體顯式。其中，全息式因能夠記錄光波的完整信息而成為實現(xiàn)真三維顯示的最佳途徑[1]。日本[2]、土耳其[3]等國家都在對全息顯示技術方面進行大量的研究，并取得了豐碩的成果。目前，根據(jù)全息顯示技術原理的不同，可將其分為傳統(tǒng)的光學全息和電子全息兩類。

1 傳統(tǒng)光學全息

傳統(tǒng)光學全息采用鹵化銀、明膠、光聚合物等來記錄全息圖，這些記錄材料具有空間高分辨率、高衍射率和視場角大的特點，能夠記錄每個細節(jié)信息，但他的實驗條件很嚴格，后期的處理過程復雜，因此制約了光學全息技術的發(fā)展[4]。隨著光電轉換技術的發(fā)展，光電器件逐漸出現(xiàn)并運行于全息技術，如空間逛調制器。根據(jù)光電器件在傳統(tǒng)光學的作用不同可以將傳統(tǒng)光學三維顯示技術分為可更新顯示的全息顯示技術，掃描式全息技術，多光源式彩色全息顯示技術。

1.1 可更新顯示的全息顯示技術

可更新顯示的全息顯示技術，也是可重復顯示的全息顯示技術。利用記錄材料可以在特定波長光線的照射下，改變其自身的透明或有色狀態(tài)的特性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和擦除[5]，長春光機所、西安光機所和中科院等均研究了SA/PMMA材料的反復擦寫功能[6]。可重復擦寫的能力因其環(huán)保、應用型廣泛等原因被國內外的科研團隊廣泛關注，2008年亞利桑那大學和日東電工技術公司合作將可更新特性用于光折變聚合物記錄材料，使得光學全息技術克服了一次性光學記錄的缺點。物光由SLM產(chǎn)生，每當移動記錄裝置的位置時，記錄材料上也會記錄下相應的全息圖，等待記錄全部完成，根據(jù)衍射理論，用再現(xiàn)光照射全息圖將會顯示原物體的立體像。

1.2 掃描式全息技術

掃描式全息技術需對物體的水平與豎直方向均進行掃描，人眼對于水平視差要比垂直誤差敏感[7]。因此，在掃描物體時，需要在保證圖像不失真的情況下，對水平、豎直方向信息合理的放大，這樣可以克服原先受限的觀察窗口，生成一副比光學全息大很多的全息圖。再利用空間光調制器輸入具有不同深度的光波信息，最終再現(xiàn)三維立體物體。日本東京大學研制出掃描式全息技術的示意圖[8]，實驗需空間光調制器的刷新頻率要與掃描鏡的掃描頻率相互匹配。

1.3 多光源式彩色全息顯示技術及合成全息三維顯示技術

傳統(tǒng)的光學全息技術多采用的是紅、綠、藍三色光源，由SLM記錄三種不同波長的信息且儲存到電腦，因而將三種不同顏色的全息圖合成，進行再現(xiàn)，得到彩色全息圖，這就是所謂的多光源式彩色全息顯示技術。

而合成全息三維顯示技術本身利用全息技術還可以實現(xiàn)體視三維顯示，這一技術稱為合成全息。合成全息是三維全息技術的基礎，他的基本原理是將一系列從不同角度拍攝的二維全息圖記錄在一張干板上，制作出能夠用白光再現(xiàn)的基于視差原理的三維顯示，與傳統(tǒng)光學全息相比，他操作靈活，易于控制。

2 電子全息顯示

伴隨著計算機的廣泛普及，全息技術也在高速發(fā)展，特別是計算全息和數(shù)字全息技術的出現(xiàn)，為實現(xiàn)真三維顯示注入新的活力。

2.1 數(shù)字全息

隨著光電傳感器件（如CCD或CMOS）的不斷更新?lián)Q代，數(shù)字全息3D立體顯示技術取得了長足的發(fā)展。他是利用CCD代替記錄干板，將記錄的全息圖存入計算機，用計算機模擬光學再現(xiàn)。與傳統(tǒng)光學全息相比較，數(shù)字全息的制作成本低，成像速度快，記錄和再現(xiàn)靈活。2008年，U.Gopinathan等人利用CCD和空間光調制器構造了三維物體的全息投影顯示系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的記錄光路采用馬赫澤德干涉儀搭建，對周圍環(huán)境的要求較高，且記錄光路的寬度以及視場受限導致，只適用于記錄和顯示小的三維物體。因此，現(xiàn)如今數(shù)字全息還在發(fā)展階段，對于圖像顏色的記錄，以及實現(xiàn)大視場角再現(xiàn)就是研究的熱點問題。國內蘇州大學、上海交通大學、天津大學[9][10]等都在實現(xiàn)大視場角再現(xiàn)方面做出了相關研究。

2.2 計算全息

作為現(xiàn)代光學一個重要分支的計算全息，該技術利用計算機編碼，模擬光學記錄過程，得到三維物體的全息干涉。和傳統(tǒng)的光學全息圖相比較，他同樣可以記錄物光波的振幅和位相，而且具有靈活性大、低噪聲、重復性高、可模擬光學現(xiàn)象等獨特的優(yōu)點。該技術主要依靠編程模擬，因此其算法的要求體現(xiàn)在運算速度以及視場角方面。

2.2.1 提高計算速度的技術

國外很早就開始了對三維物體計算全息的方法研究，擴展到的領域也較為廣泛，已經(jīng)形成了比較完善的知識體系。2000年，Matsushima[11]利用遞歸的方法來計算點到全息面的距離，用加減法來替代計算中的開方、平方等耗時的運算，提高了計算速度。2009年，新加坡國立大學提出了新的分立查表（S-LUT）算法用來制作計算全息圖，降低了對內存以及存儲空間的要求，同時提高了計算速度。同年，日本北海道大學也提出一種制作計算全息圖的斑塊模型（Patch Model）方法[12]，提高了計算速度，降低了生成全息圖需要的計算數(shù)據(jù)量。2010年日本宇都宮大學的B. J. Jackin和T.Yatagai等人將Hankel變換應用到圓柱計算全息的算法中，提高了計算速度。

2.2.2 增大計算全息三維顯示視場角和再現(xiàn)像尺寸的技術

獲得大視場角和大尺寸再現(xiàn)像的方法主要是增大的像素數(shù)，目前可利用多屏拼接來再現(xiàn)三維圖像。土耳其研究小組研制了一種弧形全息視頻顯示系統(tǒng)[13]，該系統(tǒng)使用多傾斜拼接方法，利用半透半反鏡消除間的縫隙，擴大了再現(xiàn)三維像的視場角；上海大學曾震湘和鄭華東課題組提出利用平面反射鏡、分光鏡和兩片透射式的多片空間光調制器拼接拓展視角系統(tǒng)[14]，實現(xiàn)了空間光調制器的總視角從1.7°增大到3.2°，即拓展到約1.9倍全息三維圖像的無縫拼接；英國劍橋大學Chen[15]等利用反射鏡組搭建時分復用的系統(tǒng)，將多個全息圖按時序拼接擬合再現(xiàn)，達到增大視角的目的；中山大學[16]提出利用2片空間光調制器擴大再現(xiàn)像視場角的辦法；英國M.Stanley[17]采用基于SLM多通道組合技術的Active Tiling TM全息3D立體顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用電尋址空間光調制器分時地將各個全息圖投射到光尋址SLM上，從而獲取大尺寸、大視角的再現(xiàn)三維圖像；Takaki[18]等提出利用4f系統(tǒng)來擴大視場角的方法，增大了全息圖的橫向分辨率，但也隨之減小了垂直方向的視場角。

3 結束語

隨著計算機技術近些年來的迅猛發(fā)展，帶動著全息三維顯示技術逐漸走向多元化，成為一種理想的三維立體顯示技術。全息技術目前已被運用于電影，軍事，醫(yī)療行業(yè)，但是由于其自身的發(fā)展還未成熟，并沒有普及人們的生活。目前，對全息技術研究的熱點問題包括大尺寸大視角的全息顯示，由于大視角大尺寸全息肯定會伴隨著更多的信息量需要處理，因此，壓縮全息的計算數(shù)據(jù)量也是研究的熱點。在未來，全息顯示會朝著大尺寸、彩色、實時動態(tài)、高分辨率、快捷方便的方向不斷進展，造福于人類生活。

參考文獻

[1]楊桂娟，梅妍，白亞鄉(xiāng).全息術及其應用[J].應用光學，2006，27（2）：96-100.

[2]Hiroshi Yoshikawa. Fast computation of fresnel holograms employing difference[J].OPTICAL REVIEW，Vol.8， No. 5. 2001：331-335.

[3]Fahri Yaras， Hoonjong Kang， Levent Onural.Real-time color holographic video display system[J].2009.IEEE.

[4]鄭華東，于瀛潔，程維明.三維立體顯示技術研究新進展[J].光學技術，Vol.34，No.3，May 2008：426-434.

[5]王英利，姚保利，陳國夫.光致變色俘精酸酐用于可擦寫全息圖像存儲的研究[J].中國激光，Vol.31.No.4.Apr.2004.

[6]陸子鳳，王廣安，趙立竹.SA/PMMA的可擦除光存儲特性研究[J].發(fā)光學報，Vol.23. No.1.Feb，2002.

[7]A. Schwerdtner， R. H■ussler， and N. Leister. A New Approach to Electro-Holographic Displays for LargeObject Reconstructions [J]. OSA，2007.

[8]Yasuhiro Takaki， Naoya Okada. Hologram generation by horizontal scanning of a high-speed spatial lightmodulator[J]. APPLIED OPTICS，Vol. 48，No.17.10 June，2009.

[9]馬建設，夏飛鵬，蘇萍，等.數(shù)字全息三維顯示關鍵技術與系統(tǒng)綜述[A].光學精密工程，2012，5（20）：1142-1149.

[10]鄭華東.數(shù)字全息三維立體顯示關鍵技術研究[D].上海大學，2009.

[11]Kyoji Mateushima，Masahiro Takai. Recurrence formulas for fast creation of synthetic three-dimensional holograms[J].Appl.Opt，2000，39（35）：6587659.

[12]H. Sakata， and Y. Sakamoto. Fast computation method for a Fresnel hologram using three-dimensional affine transformations in real space [J]. Appl. Opt.，2009，48（34）：212-221.

[13]Fahri Yaras， Hoonjong Kang， Levent Onural. Circular holographic video display system[J]. Opt. Express，2011，19（10）：9147-9156.

[14]曾震湘，鄭華東，盧小仟，等.空間光調制器曲面拼接實現(xiàn)全息三維顯示視角拓展[J].中國光學，2015，4.

[15]Rick H.-Y. Chen， Timothy D. Wilkinson. Field of view expansion for 3-D holographic display using a single spatial light modulator with scanning reconstruction light[C]. IEEE 3DTV confrerence， 2009，14.

[16]TENG D D， LIU L L，ZHANG Y L. Spatiotemporal multiplexing for holographic display with multiple lanar aligned spatial-light-modulators[J].Opt. Express，2014，22（13）：15791-15803.

[17]STANLEY M， SMITH M A G， SMITH A P. 3D electronic holography display using a 100-megapixel spatial light modulator[J]. Proc. SPIE，2004，5249：297-308.

[18]TAKAKI Y， HAYASHI Y. Modified resolution redistribution system for frameless hologram display[J]. Opt. Express， 2011，19（18）：17621-17631.