数字全息技术瓶颈及发展趋势

数字全息显示被视为最理想的3D显示技术,但仍有几个问题需要克服。
一、数字全息技术瓶颈
数据带宽巨大
数字全息显示技术中,3D视图跟随着空间-带宽乘积(SBP)被重建,同时图像的大小与视区相关。由于可见光的波长与人眼可分辨尺寸相比非常小,对于以合理维数重建数字全息视图体来说采用高分辨空间光调制器是必要的。例如,重建一个350×350毫米的视场角为20°的全视差全息图像,空间光调制器(SLM)中约需要六百亿像素,这个数字过于庞大无法实施。因此,在空间光调制器(SLM)中减少所需的像素数目是最重要的问题之一。许多研究采用非对称光学元件来放弃垂直视差,这些方法显著减少了所需的空间-带宽乘积(SBP)。因此,HPO全息被认为是在目前的技术中一种实用的解决方案。
斑点现象
从全息图中重建的图像通常具有“斑点”的现象,它表现为一个高对比度和精细尺度的颗粒图案。这种现象源于粗糙表面反射出的相干光的干扰。由于数字全息技术是基于光的相干性,它在本质上是不可避免的。对“斑点”来说,对比度自然地依赖于光的相干程度,而粒状图案的精度则依赖于系统的数值孔径。因此,为了减少这种“斑点”现象,研究人员曾试图减少光的相干性和复用多个有斑点的图像以获得他们平均的强度。
东京农业与科技大学工程研究所提出了用时分复用技术实现的无斑点灰度全息3D重建。重建图像是由物体上的点组成的,这些点被分成多组,构成稀疏物体点,而这些点组会按时间顺序呈现出来。稀疏方法和时间的叠加可以抑制斑点生成。物体的点组随后被分成多个位平面以此表示点组的灰度,从这些位平面模型中生成二进制全息图。该全息图要通过空间光调制器展示。
鬼点
鬼点被认为是数字全息中的不良现象。最初,这个词的意思是对象区域的一小段和整个对象区域之间的卷积图像。即使对象区域只有一部分被用来重建该全息图,整个对象区域仍来自卷积。然而,目前,鬼点经常用于指重建图像中看起来朦胧的噪声,有时它被用来描述信号的自相关或共轭对。这可通过提高光源、光学元件的质量和它们的排列来解决部分鬼点问题。
日本群马大学使用相移数字全息来减少全息图的空间频率,以此解决了CCD记录分辨率不足于传统摄影分辨率的问题。采用嵌入式安装,直接在CCD平面上进行复杂的振幅计算,减弱在离轴装置附近出现的共轭和零阶图像。
动态记录
数字全息的另一个实际问题是记录动态对象。在实际应用中,用一个焦平面阵列(FPA)记录真实对象区域是不容易的,因为当对象的运动与FPA的光波长和曝光时间相比相当大时,干扰的可见度会突然下降。由于曝光时间的减少是有限的,把脉冲激光用于短时记录被认为是比较合理的方式。此外,对象波通过空气产生的湍流也是记录过程中的一个问题,已经有许多研究旨在用一个优化算法纠正这种像差。与此同时,用计算机生成全息图的方法已被深入研究,并且计算时间也已明显减少了。
二、全息技术的发展趋势
通过用相干光照亮对象和用参考波干扰对象波,对象的全息图可以被记录下来。以色列本•古里安大学找到一种用相干白光照射真实三维物体生成多视角投影全息图的方法。此方法对光学系统的稳定性和激光的相干性要求不高。整个全息处理过程有两个阶段:第一阶段用简单的摄像机拍摄常规强度光照下的物体;第二阶段中,所拍摄的物体投影经过数字处理得到三维物体的复杂数字全息图,在这个过程中没有引入任何干扰。
韩国忠北国立大学在2009年提出了从一个三维物体的多个正交投影视图中合成全息图的新方法。用相干白光捕捉运动的物体得到正交投影视图,将此正交投影视图乘以相应的相位项,整合成傅里叶或者菲涅尔全息图。通过简单的投影操作,可以沿着重建空间中的三轴任意移动三维物体,也可以根据给定深度平面反转其深度。
使用CCD而不是全息胶片作为记录介质的数字全息技术到来之后,该技术使提取动态对象和应用数字处理成为可能。然而,这种方法需要一个受控良好的实验室环境来记录干涉条纹。因此,在实验室之外捕捉到普通三维场景的全息图是不可能的。这在全息三维显示的内容生成方面其实是一个特别严重的限制。
未来的集成成像全息合成技术
最近,减少这一限制的研究已经在韩国忠北国立大学电气与计算机工程系中进行。其使用普通非相干白光下拍摄的多视角图像来合成3D场景的全息图。用照相机阵列或一个移动摄像机系统从一些不同的视角拍摄一个给定的三维场景。处理被摄视角的方法是:用合适相位因子的相应射线方向合成场景的全息图。另一种方法则不使用一个复杂的系统捕获多视角,而是使用集成成像技术,该方法用集成成像原理通过透镜阵列捕获3D场景的一组元素图像,处理被捕获的元素图像来建立一些3D场景的子图像。需要注意的是子图像有一个正射投影的几何形状,在这个投影方向,投影线是平行的。根据这个平行投影的几何形状,处理所创建的子图像以合成捕获的3D场景的全息图。集成成像的单个捕获过程和平行投影线使全息图合成过程更高效、更精确。

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