計算全息技術(shù)原理概述第1.1節(jié)計算全息技術(shù)概要圖2-1圖2-1全息記錄原理原理如圖2-1所示，首先得到物光波傳播到全息面上的衍射分布，然后引入?yún)⒖脊馀c衍射光波進行干涉，就得到了全息圖。生成全息圖之后，再用相同的參考光照射全息圖就可以得到再現(xiàn)圖像，全息再現(xiàn)原理如圖2-2所示。計算全息技術(shù)可以在計算機上進行模擬再現(xiàn)，更有利于對再現(xiàn)像進行預(yù)觀測，也方便對成像的質(zhì)量進行分析研究。圖2-2圖2-2全息再現(xiàn)原理圖1）抽樣:物光波屬于連續(xù)的信息，首先需要對其進行抽樣，在滿足釆樣定理的條件下對物光波抽樣獲得離散點的值;2）計算:物光波傳播到達全息面后，利用相關(guān)算法來計算全息面上衍射光波的分布;3）編碼：通過編碼方法，得到全息面上光場分布的透過率變化;4）制圖:將編碼結(jié)果通過編程平臺繪圖功能寫出并保存;5）再現(xiàn)：分為模擬再現(xiàn)和光學(xué)再現(xiàn)，模擬再現(xiàn)利用全息圖再現(xiàn)原理，在計算機上就能實現(xiàn)。光學(xué)的再現(xiàn)需要通過SLM和光學(xué)儀器等來完成，計算機連接SLM，將全息圖傳輸?shù)絊LM上，再用參考光照射就可以觀察到原物體的光學(xué)再現(xiàn)像。第1.2節(jié)計算全息圖的生成與再現(xiàn)第1.1.1節(jié)計算全息圖的生成與再現(xiàn)基于菲涅爾衍射原理的全息圖和相息圖的制作原理，如果是二維平面分布的物光波，就可以直接利用以上原理計算其衍射光場進而得到全息圖。但是也僅在指定衍射距離的再現(xiàn)像是清晰的，對于三維顯示來說，重建再現(xiàn)ニ維平面物體的信息是不夠的。所以還需要結(jié)合三維物體全息圖的計算方法才能實現(xiàn)不同深度的三維顯示。然后計算三維物體的菲涅爾全息圖和相息圖并進行再現(xiàn)觀測。對于三維物體來說，在二維平面信息的基礎(chǔ)上又多了第三維的景深信息。不同于二維平面信息的直接計算，三維物體首先需要進行預(yù)處理，不同的全息圖計算方法結(jié)合不同的三維物體預(yù)處理方式，其再現(xiàn)效果有一定的差異。人們研究了幾種計算方法，包括點源法、層析法等。接下來對這兩種三維物體全息圖制作方法進行介紹：點源法點源法的思想是將三維物體看成一系列離散點的集合，首先對物面上每一個點都計算其傳播到全息面上的衍射光波，然后將所有點的衍射光波疊加起來，最后編碼得到三維物體的全息圖?？衫梅颇鶢柌◣Х▉磉M行快速計算，如圖2-3所示。由于離散點具有不同的深度，將同一深度的點放在一起計算其菲涅爾波帶，再將所有的菲涅爾波帶疊加起來就生成了三維物體計算全息圖假設(shè)物面上的點表示為u0(x0,y0,z其中，?ref圖2-3圖2-3點源法菲涅爾衍射示意圖層析法圖2-4層析法示意圖在某一個觀察視角下，三維物體對應(yīng)著這個視角呈現(xiàn)不同深度的景象。沿著觀察視角方向?qū)θS物體進行平面分層，得到若干張二維圖像，每一層都包含原物體的部分信息。其中每一個二維平面的光波都傳播到全息面上，每一層都和全息面有一定的衍射距離圖2-4層析法示意圖首先計算每層物光波傳播到全息面上的衍射光場分布，然后將所有的衍射光波分布進行疊加得到三維物體的衍射場，最后就可以用來計算其全息圖。不同的再現(xiàn)距離觀察到原物體再現(xiàn)像的清晰區(qū)域不同。第1.1.2節(jié)模擬計算全息圖的生成與再現(xiàn)基于菲涅爾衍射全息圖以及相息圖制作原理，再結(jié)合三維物體的計算全息圖生成方法就能得到三維物體全息圖。層析法將三維物體分為不同深度的平面信息，不僅能很好的保存三維物體外部輪廓信息，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也能在分層過程中展現(xiàn)出來，能比較完整地重建原三維物體。本節(jié)使用層析法來進行實驗，先將三維物體分層，然后對每層都分別計算菲涅爾全息圖和相息圖，將所有衍射距離的全息圖疊加起來就得到了三維將所有衍射距離的全息圖疊加起來就得到了三維物體菲涅爾全息圖和相息圖，最后進行不同深度的再現(xiàn)觀測。(a)立體圖 (b)正面視角 (a)立體圖 (b)正面視角 (c)背面視角圖2-5層析法地球儀模型(a)三維地球儀菲涅爾全息圖(b)三維地球儀相息圖圖2-6三雜地球儀菲涅爾全息圖和相息圖菲(a)三維地球儀菲涅爾全息圖(b)三維地球儀相息圖圖2-6三雜地球儀菲涅爾全息圖和相息圖全息圖制好之后，先在計算機上進行模擬再現(xiàn)，生成的菲涅爾全息圖過程中，參考光和物光波傳播方向有偏轉(zhuǎn)角度，屬于離軸全息圖[67-69]，其實像和虛像是分開的，兩者沒有互相干擾，成像會比同軸方法更加清晰。菲涅耳全息圖和相息圖在不同衍射距離處的計算機模擬再現(xiàn)像如圖2-6所示：(d)相息圖衍射距離650mm(e)相息圖衍射距離680mm(f)相息圖衍射距離710mm(a)菲涅爾衍射距離650mm(b)菲涅爾衍射距離680mm(c)菲涅爾衍射距離710mm模擬再現(xiàn)之后，再對全息圖進行光學(xué)再現(xiàn)。首先將制好的菲涅耳全息圖或者相息圖加載到數(shù)字微鏡器件DMD中，然后引入?yún)⒖脊?，實驗中采用的?32nm的綠色激光。激光通過準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)，照射到DMD上，在相應(yīng)再現(xiàn)距離處就可以觀察到再現(xiàn)像。最后利用CCD將不同衍射距離處的再現(xiàn)像拍攝下來并保存。菲涅耳全息圖和相息圖在不同衍射距離處的光學(xué)再現(xiàn)像如圖2-7所示，拍攝選取的再現(xiàn)距離與模擬再現(xiàn)相同。圖2-7菲涅爾全息圖和相息圖不同衍射距離光學(xué)再現(xiàn)像(d)相息圖衍射距離650mm(e)相息圖衍射距離680mm(d)相息圖衍射距離650mm(e)相息圖衍射距離680mm(f)相息圖衍射距離710mm(a)菲涅爾衍射距離650mm(b)菲涅爾衍射距離680mm(c)菲涅爾衍射距離710mm在圖2-6以及圖2-7中，(a)(b)(c)分別是三維地球儀菲涅爾衍射全息圖在衍射距離分別為650mm、680mm、710mm處的再現(xiàn)結(jié)果，(d)(e)(f)分別是三維地球儀相息圖在衍射距離分別為650mm、680mm、710mm處的再現(xiàn)結(jié)果。再現(xiàn)結(jié)果中不同的衍射距離觀察到的景深信息是不同的。兩種全息圖在衍射距離650mm處，正面對應(yīng)的亞洲和大洋洲部分大陸板塊