面向空间光调制器的三维全息编码方法.doc

面向空间光调制器的三维全息编码方法 1 王大鹏,韦穗,章权兵 安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥(230039 E-mail :; ; 摘 要:文章探讨了面向空间光调制器 (SLM 的三维全息编码方法, 以数字微镜器件 (DMD 为空间光调制器, 利用截面叠加合成全息图的方法, 分析了成像距离与会聚透镜焦距等参数 之间的关系,根据成像距离、 SLM 像素结构和 Fresnel 衍射条件,设计了全息抽样、计算和 编码方法。 实验证明, 该方法得出的全息图能够在不同空间位置实现多幅聚焦 “ 切片 ” 图像的 立体重构。文章的研究可为三维全息编码研究提供理论、算法和系统实现等方面的借鉴。 关键词:信息光学,全息编码,三维显示,数字微镜器件 中图分类号:O438 1. 引言 全息显示是最具优势的三维显示技术, 能提供人眼所有的立体视觉刺激, 随着激光器的 问世和计算机技术的发展,科学家们提出了利用计算机产生全息图(Computer Generated Hologram , CGH 的途径。 1966年, B. R. Brown和 A. W. Lohmann把抽样定理应用到空间 滤波器的计算机合成中,做出了世界上第一张 CGH [1]。然而,模拟光全息原理的编码,计 算数据量大,难以成为主流的显示技术。 1989年,麻省理工大学(MIT 媒体实验室的 M. Lucente 博士研制了基于衍射的视频全息显示系统,在 18路声光调制器(Acousto-Optic Modulator , AOM 上加载 6MB 数据量的计算全息图来调制相干参考光,达到了实时三维 全息显示的能力(以 2.5帧每秒的帧率在 36度的视角内生成了 150mm×75mm×150mm的三 维全息图像,重要的是他用全息素(Holographic element, Hogel编码的方法将全息图映 射到空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM ,使世界上第一台动态三维全息显示系 统得以实现 [2]。 2003年, M. L. Huebschman等人将数字微镜器件 (Digital Micro mirror Device, DMD 作为承载全息图的 SLM [3],提出 DMD 可作为相位调制器件用于动态全息显示,并 计划研制实时、 彩色的视频全息显示系统, 然而 DMD 周期性的离散微镜结构和像素间调制 干扰使得该系统全息重构衍射级较多,光能未集中利用,像质有待改进。 上述研究揭示了三维全息重构及编码研究所面临的挑战, 包括全息图信息冗余, 编码算 法复杂, 空间光调制器的物理结构及其光调制性质对编码和物光波重构存在影响等。 目前可 使用的动态 SLM (如 AOM , DMD 和液晶器件等 多存在像素结构离散、 空间带宽积 (SBWP , 或分辨率有限以及像素间调制干扰等问题。遗憾的是,据我们所知,依据空间光调制器的 结构及其相干光调制性质设计全息编码方法的研究并不多。 本文开展了面向 SLM 的三维全息编码研究,依据 SLM 的结构、性能和特点,采用立 体截面叠加合成全息图的方法,根据成像距离和 Fresnel 衍射条件,考虑了 “ 切片 ” 平面物光 场的抽样问题,合成计算三维全息图。利用美国 TEXAS 仪器公司的 DMD 建立全息显示系 统,结合理论和实验,研究了全息图的抽样、计算和编码,以充分利用 SLM 的空间带宽, 实现了多层平面图像的立体重构。 1本课题得到国家自然科学基金(批准号资助。 2. 三维全息编码与显示 2.1 数字微镜器件概述 数字微镜器件是美国 TEXAS 仪器公司微电子机械系统技术的核心产品,其由 800×600至 1280×1024个镶嵌于其下对角铰链上的可偏转微小铝镜片排列组成。加载偏转信号 DMD 的显微照片如图 1(a 所示,微镜中心间隔 17μm,镜片长宽均为 16μm,微镜沿其对角铰 链产生 10?度或 +10度的倾斜态(目前有产品微镜间隔 11μm,长宽均为 10μm,可产生 9±度或 12±度的倾斜。与吸收大部分光能的透射型液晶器件(LCD 相比, DMD 具有高光 通量、 高衍射效率和高响应速度等优点, 其作为全息衍射器件的研究正被全息学、 波谱学领 域的科学家关注 [4][5][6]。 DMD 目前已广泛应用于光显电视机和 DLP 投影仪, 是通过独立控制从每个微镜的反射 光来形成图像,其在非相干光应用系统中能够提供高质量的二维显示效果 [4]。 DMD 在相干 光系统中的应用也开始起步,包括干涉形变测量 [6]、深度测量 [7]和全息存储等 [8]。 DMD 高性能使得其成为三维全息显示技术中良好的空间光调制器件,加载全息条纹的 DMD 对入