（光学专业论文）基于纯相位型液晶空间光调制器的相息图三维显示的研究.pdf

基于纯相位型液晶空间光调制器的相息图 三维显示的研究 摘要 长期以来，人们为实现三维立体显示做了不懈的努力，在实现三维立体显示的方 法和系统等方面进行了大量的研究，使得各种三维立体显示技术得到了长足的发展。 目前，有多种途径可以实现三维立体显示，但只有全息技术能够存贮并再现真正意义 上的三维信息。然而，传统的全息技术，处理过程费时，复杂，且不可重复。即便是 在计算机制全息技术出现后的很长一段时间内，仍然需要使用绘图仪或激光光束扫描 记录装置等设备将计算结果制作成全息图进行再现，且无法做到实时显示。近年来得 到快速发展的半导体光电技术、计算全息技术、空间光调制器及数字光处理技术 ( d l p ) 为实现真三维立体显示奠定了良好的基础。 本研究将空间光调制器和全息技术相结合，利用空间光调制器作为全息图的载 体，提出了一种级联两个液晶空间光调制器实现相息图三维显示的方法。该方法以液 晶空间光调制器( l c s l m ) 为核心器件，将物体的相息图加载到纯相位型l c s l m 上，对应的振幅图加载到振幅型l c s l m 上，平行光经过相息图和振幅图的调制后 通过衍射进行三维像的重构。 本论文共五章分为三个部分。第一部分主要回顾三维立体显示技术的概况，发展 历史以及基于空间光调制器的三维立体显示的国内外研究现状，介绍了相息图记录和 再现原理。第二部分包括第二、三章，主要分析了l c s l m 的原理和应用，特别是 纯相位型l c s l m 的重要性能相位调制特性，通过实验测量了该器件的相位响 应曲线，详细分析了l c s l m 的各参数与相息图显示的信息量、再现像分辨率等之间 制约关系，并给出了表达式。第三部分包括第四、五章，介绍了利用两个l c s l m 实 现相息图再现三维立体像的实验方法。利用计算机模拟三维物体，然后分别计算得到 该物体的相息图和振幅图，将其中的相息图输入到纯相位型l c s l m 上，对应的振 幅图则输入到振幅型l c s l m 上，两个l c s l m 之f h j 用成像透镜进行级联。当平行 光受到纯相位型l c s l m 上的相息图和振幅型l c s l m 的振幅图调制后，从透镜后 表面出射的光带有原物体的所有信息，最后衍射形成再现像。实验中，我们分别采用 “光”字和立方体框架作为物体，得到了较好的实验结果。为了能够显示比较复杂的 物体人像，我们利用纯相位l c s l m 实时显示的特点，采用分时复用技术，对 三维物体进行分组取样，并计算每一分组的相息图，形成分组相息图序列，再现时依 次将相息图输入到纯相位型l c s l m ，利用人眼的视觉残留效应以达到连续扫描三维 成像的目的。最后对实验结果进行了讨论和评价，并提出了改善的方法和建议。 关键词：三维显示；相息图；纯相位型液晶空间光调制器；相位调制 i i i 1 一 、 s t u d y0 nt h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a yf r o m k i n o f o 剐mb a s e do np h a s e o n l y l i q u i d c r y s t a ls p i 气t i a ll i g h tm o d u l a t o r a b s t r a c t o v e ral o n gt e r mg r e a te f f o r t sh a v e b e e nd e v o t e dt od e v e l o p i n gt h r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) d i s p l a y ag r e a td e a lo fr e s e a r c h e sh a v eb e e nc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h em e t h o d sa n d s y s t e m sf o r3 dd i s p l a y ，f o rt h i sr e a s o n ，r a p i dp r o g r e s sh a sb e e nm a d e i nt h i sa r e a h i t h e r t o t h e r ee x i s tm a n ya p p r o a c h e st oi m p l e m e n t3 dd i s p l a y a m o n gt h e m ，h o l o g r a p h yi st h e o n l y3 di m a g i n gt e c h n i q u ec a p a b l eo fr e c o r d i n ga n dr e c o n s t r u c t i n gg e n u i n e3 di m a g e h o w e v e r ，c o n v e n t i o n a lo p t i c a lh o l o g r a p h yi sc o n s i d e r a b l y 己o m p l e x ，t i m e c o n s u m i n g ，a n d i r r e v e r s i b l e e v e na r e rt h er e a l i z a t i o no fc o m p u t e rg e n e r a t e dh o l o g r a p h y ( c g h ) ，w es t i l l t n e e dp l o t t e ro rl a s e rb e a ms c a n n i n gr e c o r d i n gd e v i c et om a k eh o l o g r a mw i t ht h er e s u l t s c a l c u l a t e df r o mc g h ，a n dr e c o n s t r u c t3 di m a g e i na d d i t i o n ，r e a l - t i m ed i s p l a yh a sn o t 。1 0 e e na c c o m p l i s h e dy e tf o ral o n gp e r i o d i f o rt h e p a s tf e wy e a r s 。w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fs e m i c o n d u c t o ro p t o e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , c o m p u t e rg e n e r a t e dh o l o g r a p h i ct e c h n i q u e ，s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ( s l m ) a n d d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ( d l p ) ，g e n u i n e3 dd i s p l a yb e c o m e sf e a s i b l e b yc o m b i n i n gs l m a n dt h eh o l o g r a p h i ct e c h n o l o g y ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hp r o p o s e sa m e t h o df o rr e c o n s t r u c t i n g3 di m a g ef r o mk i n o f o r mw i t ht h eu s eo ft w oc a s c a d i n gl i q u i d c r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r s ( l c - s l m ) ，o n eo f w h i c hi sp h a s e o n l yt y p ea n dt h eo t h e ri s a m p l i t u d et y p e t h ep h a s e o n l yl c s l mi su s e df o rd i s p l a y i n gt h ek i n o f o r ma n dt h e a m p l i t u d el c - s l mi sf o ra m p l i t u d ei n f o r m a t i o no ft h eo b je c t i nt h i sw a y , 3 di m a g e r e c o n s t r u c t i o ni sa c h i e v e db yd i f f r a c t i n gt h ec o l l i m a t e dl i g h tf r o mt h et w ol c s l m s c a s c a d e d t h i st h e s i si sc o m p o s e do ft h r e ep a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，t h eh i s t o r ya n dt h em a i n d e v e l o p m e n t so ft h e3 dd i s p l a yt e c h n i q u e sw e r er e v i e w e d ，a n dt h e nt h ep r e s e n ts t a t u so f 3 dd i s p l a yw i t hs p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rw a si n t r o d u c e d ，a sw e l la st h eb a s i ct h e o r yo ft h e k i n o f o n n i nt h es e c o n dp a r t ，i n c l u d i n g c h a p t e r s2a n d3 ，w ei n t r o d u c e dp r i n c i p l e sa n d a p p l i c a t i o n so fl c s l m ，e s p e c i a l l y ，m ec h a r a c t e r i s t i c so fp h a s e - o n l yl c - s l m a r e rt h a t ， w em e a s u r e di t sp h a s er e s p o n s ec u r v e f u r t h e r m o r e ，w ea n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n 1 i i t h e p a r a m e t e r so fl c - s l m ，i n f o r m a t i o nq u a n t i t yo fk i n o f o r m ，a n dt h er e s o l u t i o no f r e c o n s t r u c t e di m a g e h lm et h i r dp a r t ，i n c l u d i n gc h a p t e r s4a n d5 ，w ep r e s e n t e dt h e e x p e r i m e n tf o r r e c o n s t r u c t i n g3 di m a g ef r o mk i n o f o r mw i t ht w ol c s l m s 3 do b j e c t ss u c ha sc h i n e s e c h a r a c t e r “光”a n dc u b i cf r a m e w o r kw e r es i m u l a t e dw i t ht h eu s eo fc o m p u t e rs o f t w a r e t h ec o r r e s p o n d i n gk i n o f o r ma n dt h e a m p l i t u d ei m a g eo fo b j e c t sw e r ec a l c u l a t e d ， r e s p e c t i v e l y t h ek i n o f o r m ( p h a s ei n f o r m a t i o n ) w a sw r i t t e nt op h a s e o n l yl c s l m l ，t h e a m p l i t u d ei m a g e ( a m p l i t u d ei n f o r m a t i o n ) w a sw r i t t e nt oa n o t h e rl c s l m 2o p e r a t e di n a m p l i t u d em o d u l a t i o nm o d e ，a n dt h ek i n o f o r mw a si m a g e do nl c s l m 2b yt h ei m a g e l e n s w h e ng r a y s c a l ek i n o f o r ma n da m p l i t u d ei m a g eo f3 do b j e c tw e r ei l l u m i n a t e db ya p a r a l l e ll i g h t ，t h ei m a g eo ft h eo r i g i n a l3 do b j e c tc o u l db er e c o n s t r u c t e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h ep r o p o s e dt e c h n i q u ew a sf e a s i b l e t a k i n gt h e a d v a n t a g eo ft h e c h a r a c t e r i s t i co fr e a l t i m ed i s p l a yo fp h a s e o n l yl c s l m ，ac o m p l e xo b j e c t s p o r t r a i tw a s r e c o n s t r u c t e d b yt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t h eo b j e c tw a sd e c o m p o s e da l o n gt h e l o n g i t u d i n a ld i r e c t i o ni n t os e v e r a ls a m p l i n gg r o u p s j l l ek i n o f o r m so ft h ep a c k e ds a m p l i n g w e r ec a l c u l a t e da n dt h e ni n p u t t e dt op h a s e o n l yl c s l mi ns e q u e n c e d u et ot h et i m e r e s i d u a le f f e c t so fh u m a ne y e s ，t h ec o r r e s p o n d i n gi m a g ef r o mt h ek i n o f o r m sc o u l db e r e c o n s t r u c t e db yt h ed i f f r a c t i o n a c c o r d i n g l y , t h e3 di m a g ec o u l db es e e ni nf r e es p a c e 。 j f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a ! y z e d ，a n dt h e nt h ep r o b l e m sa p p e a r i n gi n e x p e r i m e n tw e r ep o i n t e do u t i nf u r t h e r , w ep r o p o s e das c h e m eo nh o wt oi m p r o v et h e e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a ld ，i s p l a y ；k i n o f o r m ；p h a s e o n l yl i q u i d c r y s t a l s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ；p h a s em o d u l a t i o n l ， i v 、 目录 摘要”i a b s t r a c t i i i 目勇乏”“” 1 绪论1 1 1 选题背景1 1 2 三维显示概况2 1 2 1 三维显示的发展2 1 2 2 基于空间光调制器的三维显示的研究3 1 3 相息图基本原理4 1 4 本论文的研究意义、主要内容和创新点7 1 4 1 本论文的研究意义7 1 4 2 本论文研究的主要内容和创新点7 2 液晶空间光调制器的原理和应用9 2 1 液晶及液晶的特性9 2 1 1 液晶的物态和分类9 2 1 2 液晶的电光效应特性1 0 2 1 3 液晶的相位调制特性1 4 2 2 液晶空间光调制器的发展1 5 2 2 1 液晶空间光调制器的定义和分类1 6 2 2 2 液晶空间光调制器的应用1 6 2 3 纯相位型液晶空间光调制器相位调制特性的测量1 7 2 3 1 相位调制特性的测量原理1 7 2 3 2 已有的测量方法1 7 2 3 3 纯相位液晶空间光调制器相位调制特性测量的实验结果与分析2 1 2 4 本章小结2 4 3 基于纯相位型液晶空间光调制器显示相息图的理论与设计2 5 3 1 相息图制作中三维模型的建立2 5 3 2 三维物体采样间隔的确定2 6 3 3 相息面上采样频率的确定2 7 3 4 相息图可记录的最多采样点数的确定2 9 3 5 本章小结3 0 v l p r 4基于纯相位型液晶空间光调制器相息图的三维显示3 1 4 1 基于纯相位型液晶空间光调制器的相息图三维显示实验结果与分析3 1 4 2 联级液晶空间光调制器的三维显示的实验结果与分析3 4 4 3 本章小结3 7 5 总结与展望3 9 5 1 本文主要工作成果3 9 5 2 存在的问题4 0 5 3 今后工作展望o 4 l 参考文献4 2 在攻读硕士学位期间发表的论文4 8 致谢4 9 浙江师范大学学位论文独创性声明5o 学位论文使用授权声明5 0 浙江师范大学学位论文诚信承诺5 l v i 一 i 1 绪论 1 1 选题背景 长期以来，人们为实现三维显示做了不懈的努力，并在三维显示方法和系 统实现等方面做了不少的研究【l 羽，使得各种三维显示技术得到了长足的发展。 其中全息术被公认是最理想、最具前景的三维显示技术，学者们做了大量的研究 工作1 7 - 1 0 1 。 全息术是1 9 4 7 年由英国科学家d e n n i sg a b o r 1 1 】提出。早期的光学全息采用 卤化银、重铬酸盐明胶和光致抗蚀剂等制成感光胶片来记录全息图，由于后续的 处理烦琐而费时，从而限制了全息技术的实际应用。 近些年来，随着计算机技术和光电技术的飞速发展，全息显示的研究开始与 计算机技术、光电子技术紧密结合，进入了“数字化全息”时代。1 9 6 5 年罗曼 ( a w l o h m a n n ) 将全息技术与计算机相结合，成功地绘制出了第一个计算全 息副12 1 ，随后人们对计算全息的研究和应用不断深入扩展i m l 刀。 相息图【1 8 l 是计算全息图的一种类型，仅编码了物光波的相位信息，具有很高 的衍射效率，是一种理想的光波重构元件。作为一种波前记录和再现技术，相息 图应该在三维显示方面有所作为。但是，到目前为止，关于这方面的工作报道很 少。事实上，相息图难以用于三维显示的主要原因在于相息图的制作，尽管有很 多方法制作相息图，但过程都是很复杂的【1 9 。2 2 1 。 近年来，随着半导体光电技术、计算全息技术、数字光处理技术( d l p ) 及 空间光调制器( s l m ) 的快速发展，特别是微像素尺寸、高分辨率的液晶空间光 调制器【2 3 l 的出现，计算全息图或数字全息图可以通过液晶空间光调制器 ( l c s l m ) 和计算机控制实现光电再现，为全息图的实时三维( 立体) 显示提 供了新的技术基础【2 4 2 钔。 本论文主要研究内容是基于纯相位型液晶空间光调制器对相息图进行三维 显示的理论分析与技术实现。 l 绪论 1 2 三维显示概况 1 2 1 三维显示的发展 自然界是一个三维立体空间，大至宇宙星系，小至基本粒子都存在三维尺度 和空间位置关系。人类一直在寻找有效的方式，记录和重现客观世界的三维信息 来表达纷繁复杂的现实和内心世界。在人类历史的长河中，人们基于时代、宗教、 技术背景发展了不同的信息记录和再现技术。 三维显示技术需预先对三维成像作一定义性解释1 2 9 1 。三维成像技术可以分 为：双眼体视成像和三维空间成像( 自动体视术) 。除了在深度感觉的生理和精 神两方面内容之外，体视( 或立体) 和三维两者彼此是有所区别的。这两种成像 方法的基本差别主要在于记录图片所需信息的数量上面。体视显示所需要的信息 量一般为平面像的若干倍，最少是两倍，例如现今的所谓3 d 电影。而一个真正 的空间像所需要的信息量则是巨大而惊人的，真正的三维显示可以看成是连续的 体视显示，所以也称之为自动体视( 立体) 显示。 三维成像的最初实验是由g i o v a n n ib a t t i s t ad e l l ap o r t a - 于1 6 0 0 年左右完成，他 提出体视绘图技术，是对一个物体由两个不同方向绘制两张精密图画的一种技 术。十九世纪早期，照相术的发明使这类技术失去了其重要性并加速了体视镜的 发展。先后出现了惠特斯通型体视镜、布鲁斯特型体视镜和霍姆斯型体视镜。它 们都是以相同的原理为基础，都强调了深度感是由双眼视差和会聚所产生的。二 十世纪初人们想到可以从自由方向来观察三维象的可能性，出现了各种方案，大 致可分为两个方向，一种是采用视差挡板，另一种是采用集成照相。在1 9 3 0 年左 右又出现了投影式三维显示。上述这些技术只提供全部深度感中的一种或几种， 而不是真正的三维显示技术。真正的三维显示技术应该提供所有的深度感，全息 技术就是这样一种技术。它是由英国科学d e n n i sg a b o r 在1 9 4 8 年发明的。当时由 于缺少足够强的相干光源，人们对光学全息研究未取得重大进展。激光出现以后， 1 9 6 2 年l e i t h e h e 和u p a t n i e k s 提出离轴全息的新方法后全息技术有了较快的发展。 1 9 6 5 年出现的计算机生成全息图的技术( c g h ) ，利用计算机编码代替了传统全 息术的激光记录过程，实现了全息图的制作。早期的计算机全息图主要用于制作 全息光学元件，随着计算机技术的发展，近几年计算全息在三维显示中显示出了 独特的优点1 3 们。我们同时也发现，传统的三维显示技术通过改造一直伴随着新的 三维显示技术的发展。可以预测，三维成像技术的未来发展最有希望的方向还是 2 _ 1 绪论 在于各种新老技术的综合利用。 1 2 2 基于空间光调制器的三维显示的研究 在全息技术的长期发展中，人们通常利用全息干板记录全息干涉图样。通常 要经过曝光、显影、定影等化学处理，过程费时且复杂，最大的缺陷是干板的不 可重复性，一块干板无法实现多幅图像的转换显示。即便是在计算机制全息术出 现后的很长一段时间内，也需要用绘图仪或激光光束扫描记录装置等设备将计算 结果制作成全息图进行再现，同样存在难以实时显示的缺陷。此时，空间光调制 器引起了全息研究者的关注。 空间光调制器是由s p a t i a ll i g h tm e d u l a t o r 直译而来，是指能对光波的空间分 布进行调制的一类器件。这类器件可以在随时间、空间变化信号的控制下，改变 空间上光分布的振幅、相位、偏振态甚至波长，或实现非相干光到相干光的转换 等。由于空间光调制器具有体积小、空间分辨率高、功耗低、光能损耗小和可编 程控制等优点，尤其是对光波方向和空间分布的控制表现出独有的优势，因此在 光互联、光计算、光存储、光学计量、激光光镊、可编程控制透镜和自适应光学 等方面具有极大的应用价值，更是实时光学信息处理、实时全息三维显示等系统 的关键器件。与传统缩微全息底片再现方式相比，利用空间光调制器进行全息三 维再现具有灵活性、实时性等优点，是一种理想的三维显示技术。 从上个世纪末开始，研究者们开始探索将各种空间光调制器运用到全息显示 中。1 9 9 2 年，p i e r r es t h i l a i r e 等人【3 l 】在美国麻省理工( m i t ) 媒体实验室利用 多通道的声光调制器( a o m ) 成功实现了三维全息显示。2 0 0 0 年，m a u r i e es t a n l e y 等人【3 2 】研发了一套计算全息的三维全息显示系统，实现了全视差彩色全息像，但 该系统同时利用了电寻址空间光调制器( e a s l m ) 和光寻址空间光调制器 ( o a s l m ) ，可见对硬件的要求和技术等都比较高。2 0 0 3 年，美国得克萨斯州 西南大学医学中心m i e h a e ll h u e b s e m a n 等人【3 3 j 利用t i 公司生成的数字微反射 镜( d m d ) 芯片，采用投影技术实现全息显示。数字微反射镜对再现光进行相 位调制，全息像通过投影至琼脂凝胶中，用肉眼观察。该显示系统虽然可以通过 显示不同深度上的二维图像来体现三维效果，但是其记录对象仍然是二维的。 基于空间光调制器的全息显示中，电寻址方式的液晶空间光调制器 ( l c s l m ) 受到普遍的关注。它以液晶的电控向列扭曲效应和电控双折射效应 为主要工作原理，具有响应速度快、驱动电压低、易控制、功耗小、抗干扰能力 3 1 绪论 强、价格便宜、体积小等优点。众所周知，实现三维显示的关键技术是能够再现 三维物体的相位信息，因为相位信息反映了物体的全部深度。因此人们对 l c s l m 的研究开始从对入射光的振幅兼相位调制转向纯相位调制。1 9 8 8 年， k o n f o r t in a i m 等人提出了利用扭曲液晶空间光调制器( t n l c ) 实现纯相位调制 【3 4 】，k a n g h u al u 等人又研究了扭曲液晶空间光调制器在何种条件下能达到最佳的 纯相位调制【3 5 。3 7 】。在国内，北京理工大学的研究者【3 8 1 和浙江大学的研究者例也 对t n l c 的纯相位调制的研究做出了一定的贡献。这一技术的研究为三维显示技 术开辟了一个新的方向。 o s a m um a t o b a 等人采用先对数字全息图提取光场中的相位信息，再利用电 寻址纯相位型l c s l m 实现实时三维物体的再现。在该技术中，由于丢失振幅 信息而引起的噪声影响了三维再现像的质量【4 0 1 。a l e x a n d e rj e s a c h e r 利用纯相位 型l c s l m 实现了无噪声的全息投影以实现三维显示。该方法中，作者采用迭 代优化算法创建了相位函数。作为其振幅信息，该相位函数o 和光场的相位信息 可同时输入到一个纯相位l c s l m t 4 1 1 。 1 3 相息图基本原理 相息图是由计算机产生的波前再现元件，它是假设在整个记录平面内光波振 幅为常数，仅记录波前相位信息的元件。再现时只给出物波的相位信息，丢失了 物波的振幅信息。严格地讲，相息图并不是全息图，因为它没有保存物波的全部 信息。但后来扩展的相息图也能保存振幅信息，成为一种新型的全息图。相息图 是将光波的相位信息以浮雕形式记录在胶片上，再现时通过改变光学厚度来调制 照射光波的相位分布，从而再现出原始物光波。因此相息图可看成是一块由计算 机制作的复杂透镜，其最大优点是衍射效率特别高。 由于相息图的制作不引入参考光，相息图平面上的复振幅分布也就是物光波 到达相息面上的分布。如图1 - l 所示，从物体上各个点发出的光经传播一段距离 后，其光波在( x ，n 平面上复振幅分布可以表示成： nn 材( x ，j ，) = c e 口。e x p ( j k r + t i p ) = c x a ne x p ( j q ，。) ( 1 1 ) 式中厶是第刀个物点到( x ，j ，) 平面的距离，a n ，分别是物点刀衍射光波的振幅 和随机相位，是物点总数。 4 1 绪论 图1 1 计算三维物体波面的光路图 上式可以表述成： 一_ u ( x ，y ) = 彳( x ，y ) e x p t p ( x ，y ) j ( 1 - 2 ) 式中，a ( x ，y ) 和妒( x ，y ) 分别表示整个物体的物光波在( x ，】，) 平面上的振幅和相位 分布。相息图只记录了上式中相位函数妒( x ，y ) 信息。 早期制作相息图的方法依赖于对胶片的显影和漂白处理。通过对相位函数采 样，以多灰阶将相位函数进行编码，并用一种精密阴极射线示波器将相位的变化 以光强的形式记录在感光胶片上，然后将曝光后的胶片进行显影和漂白处理，就 可以得到相息图。由于制作相息图时依靠改变胶片的光学厚度来调制物光波相 位，所以对曝光量控制、显影和漂白过程均有严格要求，而且处理后的胶片对入 射光波的相位调制与物光波的相位要求匹配。一些相位型记录材料，如光导热塑 材料、重铬酸明胶，计算机控制电子束、离子束刻蚀技术等，都可产生高质量的 相息图。需要说明的是，到目前为止，还尚未发现哪种物质是对光波的相位产生 响应，所以相息图目前还只能由计算机控制产生，不能用光学方法直接记录。 在具体计算物光波的相位分布时，由于相位的周期性，因而相位编码只需考 虑0 2 万之间的相位变化。所以实际得到的值是： 妒i ( 石，y ) = m o d 2 7 r t p ( x ，y ) j ( 1 3 ) 式中吼( x ，y ) 是妒( x ，y ) 取模数2 丌后的余数。然后把余数值归一量化至某一动态范 围( 比如0 - 2 5 5 ) ，即可得到一幅相息图的灰度图。 相息图最大的优点是衍射效率高，在照明相息图后仅产生单一的波面，得到 单一的衍射级，没有共轭像或多余的衍射级次。以下为相息图再现原理的证明。 1 绪论 相息图的透射率可以表示为： r ( x ，j ，) = e x p p ( x ，j ，) 】 ( 1 4 ) 根据相位角定义，可知： s i n ( ) 留妒= 昔一 ( 1 5 ) c o s ( 妒。) 令彳。= c o s ( 妒。) ，a j ，= 口。s i n ( q ) ，a 2 = a ，2 + 彳y 2 ，则相息图的透过率为： m 一挑川】：e x p 加留c 石a y ) 6 ， 考虑一束振幅为1 的平行光入射到相息图上，出射光的复振幅分布可表示 纵训一x p 卜c 纠 7 ， 式q 一盼叫南卜n 枞材b 川一卜s 卜断埘n 卜 ：垒+ ，鱼 。 = 忐降c o s c 咖扣n c ) 8 ， 2 志莓删p ( ，吼) 由( 1 8 ) 式与( 1 1 ) 式比较可知，“( x ，y ) 除去1 d ( x ，j ，) 一项，正是原物 光分布。a ( x ，y ) 实际上是物点光波在( x ，n 平面上的随机散斑振幅。可以看出， 当一束平行光被( 1 4 ) 式调制后，其衍射光将包含着原物点的全部信息( 振幅 和相位) 。但由于1 a ( x ，们的存在，将使得再现像出现噪音。 6 l 绪论 1 4 本论文的研究意义，主要内容和创新点 1 4 1 本论文的研究意义 基于空间光调制器实现全息显示并非是一个全新的研究领域，从上文的介绍 可以知道国内外研究者己经尝试开发了各种不同种类空间光调制器的全息显示 系统，各类系统的显示特性也不尽相同，但是将衍射效率高的相息图与纯相位型 空间光调制器两者结合进行三维显示的研究还比较少，而且在目前己有的研究工 作中，仍然存在不少有待解决的问题，主要有： 纯相位型液晶空间光调制器的特性及其适用性 纯相位型l c s l m 仅对入射光波的相位进行调制。目前，国内尚没有自主 研发出纯相位l c s l m ，一般为外国进口，尽管成品纯相位型l c s l m 都给出了 灰度转化表，即所谓的客户查找表，但其特性对相息图再现效果的影响尚未见到 相关报道。在实际应用中，必须对纯相位l c s l m 的特性进行严格的测量，并 根据相息图的再现要求对调制器进行精密的校正。这是基于纯相位型l c s l m 实 现相息图三维显示的研究中最为重要的基础工作。 器件的参数与相息图的关系 对液晶空间光调制器用于相息图再现的研究，目前的报道还集中在实现方式 的探索，而对核心显示器件l c s l m 的参数与相息图的参数、成像质量评价的 关系等还没有见到相关的详细报道。实际上，显示器件的参数与相息图的设计有 着密切的联系。因此我们通过研究纯相位型l c s l m 相息图显示的原理，详细 分析了l c s l m 的参数与相息图制作参数的关系。这在理论上为基于空间光调 制器的三维立体显示研究提供了一定的参考依据。 1 4 2 本论文研究的主要内容和创新点 本论文主要基于纯相位型l c s l m 的相息图三维显示进行研究。在实验系 统中，我们利用了两个l c s l m ，一个是纯相位型l c s l m i ，一个是振幅型 l c s l m 2 。将记录物光波相位信息的相息图输入到纯相位型l c s l m l ，对应的 振幅信息制作成振幅图加载到振幅型l c s l m 2 。两个l c s l m 之间利用透镜进 行级联，最后再现物体的三维像。为了能更有效地利用l c s t m 对相息图进行 三维显示，我们具体分析了l c s l m 的各参数与相息图、再现像等之间的关系。 为l c s l m 和相息图相结合的三维显示技术的进一步发展奠定了基础。本文的 7 1 绪论 研究内容主要包括以下几个方面： 对三维显示尤其是基于空间光调制器的全息显示技术进行了较为系统的论 述。介绍了全息技术在显示领域的特色优势：对空间光调制器的应用，尤其在三 维显示方面的应用发展历程进行了概述，介绍了l c s l m 的纯相位调制原理和 相息图三维成像原理；指出目前在该研究领域存在的不足之处，以此说明本论文 的研究意义。 论文第二章介绍了空间光调制器的原理和空间光调制器的种类，介绍了 l c s l m 主要工作原理。关于纯相位型l c s l m 的相位调制特性问题，我们进行 了实验测量，给出了实验结果，并对客户查找表进行了修正，获得了较为满意的 相位调制曲线。 论文第三章介绍了制作相息图的三维模型，并讨论了纯相位型l c s l m 的 各参数与相息图、三维成像间关系，确定了三维物体最小的采样间隔、相息图面 上的采样频率、最小的衍射距离，以及一个相息图最多可显示物点数的数量。 论文第四章研究了基于纯相位型l c s l m 的相息图三维显示的理论推导和 实验设计，给出了基于纯相位l c s l m 的相息图三维显示实验结果，分析了再 现像的影响因素。并利用纯相位型l c s l m 和振幅型l c s l m 进行联级的方法 进行相息图的三维显示，获得了较好的三维物体再现像，实现了噪音少、真正的 三维物体显示。 最后对论文完成的工作和存在的问题进行了总结，并对今后需要深入研究的 工作进行了展望。 本文的特色和创新之处主要有： 研究了纯相位型l c s l m 的相位调制特性，得到了灰度一相位响应曲线，并修 正了器件的客户查找表。 详细分析了l c s l m 的各参数与相息图显示的信息量、再现像分辨率等之间 的制约关系，并给出了表达式。提出了时分复用技术，以提高三维像的信息 量。 利用两个l c s l m 实现了相息图的显示，并获得了较好的三维物体再现像， 为液晶空间光调制器进行相息图三维显示的深入研究打下了坚实的基础。 8 2 液晶空间光调制器的原理和应用 液晶空间光调制器以液晶的电控向列扭曲效应和电控双折射效应为主要工 作原理。它具有响应速度快、驱动电压低、易控制、功耗小、抗干扰能力强、价 格便宜、体积小等优点，因而受到普遍的重视。所谓纯相位调制，就是传输光的 相位随控制信号而变化。本论文以纯相位型液晶空间光调制器作为核心器件，所 以需首先对器件的参数、相位调制特性等进行测试。 在本章中，首先简单介绍了液晶及液晶的特性，尤其是扭曲向列效应和相位 调制特性的原理。接着介绍了液晶空间光调制器的应用和发展，并对实验所采用 的纯相位型液晶空间光调制器进行了测试；得到了该器件的相位调制特性曲线， 并修正了器件本身所自带的客户查找表l u t 。 2 1 液晶及液晶的特性 2 1 1 液晶的物态和分类 1 8 8 8 年，奥地利植物学家f - r e i n i t z e 在测定有机物的熔点时，发现了某些有 机物熔化后会经历一个不透明的呈白色浑浊的液体状态，并发出美丽多彩的珍珠 光泽，将其继续加热至某一温度时，则变成了透明清亮的液体。第二年，德国物 理学家0 l e h m a n n 使用他亲自设计附有加热装置的偏光显微镜，对这些脂类化 合物进行观察。他发现，这类白而浑浊的物质外观上虽然属于液体，但却显示出 各向异性晶体所特有的双折射性质。于是将其命名为“液态晶体”，这也就是“液 晶名称的由来。 根据液晶分子排列的特点，液晶可以粗略地分成三类：( 1 ) 向列相( n e m a t i c p h a s e ) ，其分子的位置虽然不确定，但是从整体上看，分子长轴方向互相平行或 接近平行。最大的特点是在磁场、电场、表面力和机械力的影响下，分子排列一 律倾向同一方向。( 2 ) 近晶相( s m e e t i ep h a s e ) ，具有分子分层排列特点，层与 层之间可以滑动，每层内分子的长轴方向互相平行或接近平行。( 3 ) 胆甾相 ( c h o l e s t e r i cp h a s e ) ，其液晶分子分层排列，每层内的分子长轴方向基本一致， 且半行十分层面，但相邻层中分子长轴的平均方向逐渐转过一个角度，总体呈螺 旋结构。三种液晶其分子排列的特点如图2 1 所示【4 2 1 。 9 2 液品空间光凋制器的原理和应用 倘蹲 鳓啦 鳓蹲 图2 1 向列相、近晶相、胆甾相液晶分子排列示意图 液晶分子具有不对称的、有刚性的棒状条形结构，每一分子都具有各自的长 轴和短轴。当液晶分子整齐排列时，由于其长短轴方向的物理性质，如折射率 ( n ) 、介电常数( s ) 等各向异性，从而使得入射光在液晶层上会产生双折射 性、旋光性、二色性、光散射性等多种光学效应。如果液晶分子受外力如电场或 磁场的作用时，就会改变其空间排列状态，从而引起光、电