3D全息成像精编版

1、数字全息三维成像数字全息三维成像 内容：内容： 数字全息数字全息3D技术背景知识技术背景知识 数字全息数字全息3维物场再现原理维物场再现原理 全息技术的应用前景全息技术的应用前景 全息技术的发展历程全息技术的发展历程 ? 1、（全息技术最早于） 1948年斯盖伯提出了波前重现。 ? 2、1962年，美国雷斯和阿帕特尼克斯（在基本全息术的基础上，将通信行业中“侧视雷达”理论应用在全息术上，）发明了离轴全息技术。 ? 3、1967年古德曼和劳伦斯提出了数字全息。（开创了精确全息技术的时代。到了90年代，人们开始用CCD等光敏电子元件代替传统的感光胶片或新型光敏等介质记录全息图，用数字方式通过电脑模

2、拟光学衍射来呈现影像，使得全息图的记录和再现真正实现了数字化。） ? 4、1969年，本顿发明了彩虹全息术，能在白炽灯光下观察到明亮的立体成像。（基本特征是，在适当的位置加入一个一定宽度的狭缝，限制再现光波以降低像的色模糊，根据人眼水平排列的特性，牺牲垂直方向物体信息，保留水平方向物体信息，从而降低对光源的要求。） 全息技术的发展历程全息技术的发展历程 ? 5、1994年第一张数字全息图诞生（U.Schnars和W.Juptner展示）。 ? 6、2001年德国国家实验室首创研发了全息膜技术，使三维图像的再现成为可能。 ? 7、2003年首次成功应用于全息投影技术中。 ? （经过7年的发展，全

3、息膜已经从第一代的1英寸栅格状网眼全息单元升级到了如今的第四代0.2毫米97%透光度全息膜。依靠这薄薄的透明膜，无论是T形台上的流光溢彩，还是舞台上虚幻影像，都可实现。全息膜的价格自然不菲，透光率为70%的全息膜市场价都达到1800-2200元/平米。） 全息技术的发展历程全息技术的发展历程 2006年丹麦公司ViZoo于研发的360度幻影成像是全息投影目前 最具魔幻效果的技术。 ? （方法：用全息膜搭建一个倒金字塔形的三角漏斗几何模型，由四台投影机投射的视频图像，在漏斗里经过一系列的光学衍射后汇合成为全息图像。这一系统还可以配加触摸屏，现场观众可通过各种手势和动作，操纵3D产品模型进行旋转，

4、或部件分解。广泛用于各种展览会和发布会上的新型广告载体，此外，该技术也用于博物馆，可再现一些珍贵的文物，防止失窃。） ? 2008年，美国亚利桑那州大学打造了展现大脑的可更新的 3D全息显示屏。 ? （这是世界上首批3D全息显示屏之一。最初的全息显示屏尺寸为4英寸乘4英寸（约合10厘米乘10厘米）。） 全息技术的发展历程全息技术的发展历程 日本广播公司（NHK）决心在2020年之前推出第一台Holo-TV。 ? （现已拨款28亿英镑用于该项目。日本人相信他们能够向全世界提供全息广播节目，并将这项服务作为申办2022年世界杯举办权的一个重要砝码。Holo-TV播放的每一场比赛画面将由200台高清

5、晰摄像机360度拍摄，而后以3D影像的方式播放。麦克风将被安装在球场下方，用于记录下所有声音，其中包括球员踢球的声音以及裁判的哨声，用来创造超现实版的数字音效。） ? （据索尼工程师透露，Holo-TV外形好似在地板上摊开的一本大书。激光器负责投射一个“图像云”，好似飘浮在房间中央。观众可以在不佩戴3D眼镜情况下从每一个角度欣赏立体影像。） 全息技术的发展历程全息技术的发展历程 数字全息术 全息术 计算机技术 实现数字全息图的记录和再现 光电成像技术 缩短了再现周期（省去了定影、显影、漂白等化学湿处理过程） 优点 计算机加入了数学处理方法：消除相差、噪声，避免了干板的非线性。 制作成本低，成像

6、速度快，记录和再现灵活， CCD像素远不及银盐干板的像素 缺点 CCD靶面有限（影响被记录物体的大小，再现像景深，像的清晰度。) 数字全息系统三维物场的再现原理数字全息系统三维物场的再现原理 传统光学全息（同轴）： 同轴全息图的记录 同轴全息图的再现 数字全息系统三维物场的再现原理数字全息系统三维物场的再现原理 ? 传统光学全息（离轴）：离轴全息图不仅可以消除同轴全息图中共轭像的干扰,还能使成像光波不与零级衍射光波重叠。 离轴全息图的记录 离轴全息图的再现 数字全息系统三维物场的再现原理数字全息系统三维物场的再现原理 激光 物体 物光波前衍射波 干涉(光强度信息) CCD采集量化 计算机存储为

7、 数值矩阵 参考光波 (1) 再现照明光波 数字全息图 发生衍射 物体再现像 物光波： O(x,y)?O(x,y)expj?O(x,y)0 利用菲涅尔衍射公式或傅里叶变j?R(x,y)参考光波： (2)计算机模拟再现 换获得光场复振幅分布，用计算R(x,y)?R0(x,y)exp机显示强度分布和相位分布 j?C(x,y)再现照明光波： C(x,y)?C0(x,y)exp 2222总光强：I (x,y)?O(x,y)?R(x,y)?O0(x,y)?R0(x,y )?2 O0(x,y)R0(x,y )cos(?O?R) 物光波、参考光波光强 干涉项（振幅、相位） 数字全息数字全息 3D 3D 显示

8、原理框图显示原理框图 利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号 1、用检流计扫描扩展视场 在相干照明系统中，物方空间光强度分布：I(x,y)=|FH(u,v)|2 H(u,v)=A(u,v)expj(u,v),H(u,v)为物方光强复振幅分布。 在SLM的NN个像素上进行0到2的相位调制，SLM视场被像素数量限制。传统的全息图照明系统的SLM的视场：光学视场包含相机视场，最后是空间光调 制器视场。用时分复位方 法，横向展开slm视场， 在不同时间照明不同区域, 在共轭光瞳平面的镜式检 流计按时间次序扫描slm 全息图横向拼贴的九个视 场。总的相位调制

9、为SLM 与检流计相位调制之和。 ?u,v?SLM?u,v?检流?u,v;x ,y?检流扫描反射镜与SLM 共轭，实现横向位移（x,y)利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号 2、依次照明SLM视场来增大双光子信号（时分复用方法） (1)在双光子激发过程中，信号速率取决于S取决于激光平均功率P的平方， 2T为总的曝光时间。 S?P T (2)把激光激发分成n等份，且通过物镜之后激发的焦点区域不变，n等份的平均时间信号S表达为： 22 (3)选取n个激发点中的m个时，平均时间信号S表示为： P?P?S?n?T?Tn?n?22P tslm2?Pm? ?

10、T?P TS?n?m-m? ?-tslm?nn?n? ?m?2利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号 ? 为使平均信号S最大化，得出选n个激发点中子集数m与总曝光时间和slm转换时间的关系。 222 2slm slm ?Pm? ?TS ?n? ?-t?n? ?mP t?P Tm-?nn?mTm?M?解二次方程，令S S=0， 解得S S在 处取最大值 2tslmSMm利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号 ? 3、关于体内神经元荧光染色成像的实验设置 用920nm波长的飞秒激光（170fs的脉冲） 零阶

11、光束 slm调制 光线扩束 普克尔盒 检流计反射镜 扫描透镜 管状透镜 光电倍增管 管状透镜 发射滤光片 短传分色镜 光场显微镜 物镜 焦点立方体 利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号 4、通过实验确定视场的扩展和信号的增益，运用双光子显微镜对活体神经元钙离子的三维成像 ?N 像素：NN(N=256),SLM视场(2xmax2ymax )：xmax=ymax = 4NA 相机参数:NA=0.8,放大率:16,波长=920nm,2xmax=140um,将9个slm视场用 检流计定位9次，实验测得视场增大至380um，扩大7.4倍。 在神经元钙离子成

12、像实验中，把老鼠(清醒)头骨与感光板粘合固定，用飞秒激光经过调制后激发在体神经元钙离子的荧光染料，最后被双光子显微镜接收并记录荧光强度，再现神经元的活动状态，用不同颜色标注神经元活动， 利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号 如图为双光子信号与选取子集的实验 与理论数据，SLM的相位转换时间经实验 有97%是7.5ms，估计最大的转换时间是 10ms，保证普克尔盒疲敝光的时间， 荧光强度最大时，曝光时间T=100ms，实 验m值为7和5，而理论上在t(slm)为7.5ms 和10ms时，m值是6.7和5。对应不同的 slm转换时间。经理论与实验， slm转换时间变短， 信号增加更大。 ? 利用时分复用三维全