純相位空間光調(diào)制器的全息編碼研究.pdf

1、全息術(shù)發(fā)展史上有三個(gè)重要的里程碑:首先,在1948年英國(guó)科學(xué)家Dennis Gabor發(fā)明了“Holography”——全息術(shù),開辟了光學(xué)中的一個(gè)嶄新領(lǐng)域,他也因此獲得了1971年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。傳統(tǒng)的光全息術(shù)把物體衍射(被激光照射)的光波與另一相干參考光波相干涉,用光編碼的方式形成全息圖或全息照片。當(dāng)用原記錄參考光或其它合適的光波照射全息圖,再現(xiàn)的波陣面構(gòu)成原始物體的再現(xiàn)像。但是,這樣的波陣面編碼與重現(xiàn)方式是兩個(gè)獨(dú)立過程,無法滿足動(dòng)

2、態(tài)、實(shí)時(shí)顯示的需求,因此它一直沒有成為主流技術(shù)。其次,1966年,Brown和Lohmann等人提出用計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)計(jì)算代替干涉條紋的編碼,并使用計(jì)算機(jī)和繪圖儀制作了世界上第一張計(jì)算全息圖,奠定了計(jì)算全息編碼的理論基礎(chǔ),大大推動(dòng)了全息術(shù)的廣泛應(yīng)用。第三,1994年,MIT媒體實(shí)驗(yàn)室摒棄了機(jī)械地模擬光全息物理過程的做法,根據(jù)全息圖重構(gòu)時(shí)動(dòng)態(tài)空間光調(diào)制器——聲光調(diào)制器(Acoustic Optical Modulator，AOM)衍射成像的要

3、求來進(jìn)行全息圖的編碼,并且用實(shí)現(xiàn)了世界上第一臺(tái)動(dòng)態(tài)三維全息顯示系統(tǒng)。這些被稱為“計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖”的編碼方法相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)方法具有一定的優(yōu)勢(shì),它能夠根據(jù)目前迅速發(fā)展的空間光調(diào)制器(SLM)的特點(diǎn)來進(jìn)行編碼并實(shí)現(xiàn)全息圖的光電再現(xiàn)。
　　本文首先概括了多種典型計(jì)算全息圖的編碼制作技術(shù),其中包括羅曼型迂回相位編碼方法、修正型離軸參考光編碼方法、四階迂回相位編碼方法、相息圖編碼方法以及計(jì)算全息干涉圖編碼方法,這些全息圖都需要控制繪圖儀輸出

4、或陰極射線顯像管(CRT)顯示而制成。Mark Lucente博士發(fā)明了一種有效的基于衍射的計(jì)算全息方法,用全息素(hogel,holographic element)編碼的方法將全息圖映射到動(dòng)態(tài)空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator,SLM),才能使世界上第一臺(tái)動(dòng)態(tài)三維全息顯示系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。就目前而言,實(shí)現(xiàn)全息顯示所面臨的兩個(gè)重要技術(shù)要素就是計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和算法以及空間光調(diào)制器,因此無論在實(shí)現(xiàn)光電再現(xiàn)圖像上還是

5、編碼算法中,空間光調(diào)制器都起著至關(guān)重要的作用。安徽大學(xué)王大鵬博士依據(jù)空間光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)、性能和特點(diǎn),考慮物光場(chǎng)的抽樣、SLM像素互干擾、SLM工作模式等問題,開發(fā)了面向空間光調(diào)制器的全息編碼方法。
　　傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖重構(gòu)的3D圖像的體積和視場(chǎng)都比較小,離市場(chǎng)化的要求距離遠(yuǎn)。因此在目前的計(jì)算機(jī)硬件條件下,算法和顯示系統(tǒng)的研究仍有很大的空間。將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與全息技術(shù)結(jié)合起來,采用計(jì)算機(jī)對(duì)物波函數(shù)編碼生成計(jì)算全息圖,再由空間

6、光調(diào)制器生成衍射光柵,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光波的調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)全息顯示就是本論文的研究思路。
　　本文在研究液晶顯示器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,分析了液晶空間光調(diào)制器的振幅相位調(diào)制原理,尤其是其相位調(diào)制原理,并用Jones矩陣等數(shù)學(xué)理論論證了較薄液晶屏作為純相位空間光調(diào)制器在理論上的可行性。關(guān)于全息圖的編碼算法方面,根據(jù)液晶空間光調(diào)制器近似純相位調(diào)制的特點(diǎn),采用偽隨機(jī)純相位全息編碼方法。偽隨機(jī)編碼方法是一種用于設(shè)計(jì)傅里葉變換全息圖的統(tǒng)計(jì)方法,在不完全

7、復(fù)值的空間光調(diào)制器上實(shí)現(xiàn)理想的復(fù)值調(diào)制。其中由于偽隨機(jī)編碼設(shè)計(jì)的是求概率平均值,來自具有密度函數(shù)的隨機(jī)分布,而不是由自然的隨機(jī)過程產(chǎn)生,因此被命名為偽隨機(jī)編碼。偽隨機(jī)純相位編碼技術(shù),是將產(chǎn)生的相位依照統(tǒng)計(jì)學(xué)中的大數(shù)定律將某一復(fù)數(shù)的信息編碼到純相位復(fù)數(shù)中,將圖像的幅度信息和相位信息統(tǒng)一融合到相位信息中,從而完成了純相位編碼。
　　本文關(guān)于全息編碼方法的研究汲取了計(jì)算全息領(lǐng)域以往編碼方法中的經(jīng)驗(yàn),闡明了編碼方法應(yīng)該針對(duì)空間光調(diào)制器的調(diào)