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用于3D显示和传感的数字全息

发布时间：2023-12-07 20:00:05 阅读数： 205

数字全息技术是一种干涉成像技术，利用光波对三维（3D）结构、定量相位和动态等多维信息进行成像。这项技术彻底改变了物体的三维视觉呈现。本研究概述了数字全息技术及其应用。

图片来源：L i g h t p o e t/Shutterstock.com

什么是数字全息技术？

当用相干光源照射全息图时，它会重建三维物体的视觉图像，并将其记录为光学全息图。与其他使用透镜的三维成像技术不同，光学全息技术不会导致适应--收敛冲突，这种现象会导致少数人头痛和视觉疲劳。

尽管光学全息技术具有诸多优势，但由于其对环境的严格要求，如在暗室中使用无振动的光学工作台，因此其商业应用受到了限制。然而，随着数字技术的融入，光学全息技术的模式发生了转变，被称为 "数字全息技术"。

数字全息技术使用数字传感器阵列来获取和处理全息图。这种技术有助于测量光学相位数据，并提供三维表面或光学厚度图像，而这是数字摄影无法实现的。

数字全息技术的发展

虽然早在 20 世纪 40 年代初就有人提出了对物体的波面成像并进行数字重建的设想，但直到 1967 年才有了首次实际演示的报道，其目的是通过模拟物体的数字光栅衍射来取代物体的记录。

1971 年，著名计算机科学家 T.S. Huang 对光学波面进行了计算机分析，并提出了 "数字全息 "这一术语。因此，传统的矩阵银材料以全息图的形式印刷离散值，现已被其数字版本所取代。

然而，直到 20 世纪 90 年代，这项技术才达到足够成熟的程度，实现了数字全息记录和重建，并推出了基于阵列探测器的数字全息技术。与此同时，降低像素和提高微处理器性能的关键概念也处于萌芽阶段，而这些概念的进步对于制作高效的数字全息图来说是必不可少的。

数字全息技术--原理与概念

数字全息技术需要两个波来生成全息图，并同时获得振幅和相位图像。数字全息有两种代表性的配置：离轴和移相。

在离轴数字全息技术中，一束激光通过分束器被分成两束。其中一束成为对象波，另一束则作为参考波。对象波和参考波的交点在图像传感器上产生干涉图案。两者之间的角度差以单个离轴全息图的形式记录下来，从而产生精细的条纹图案。

然而，在移相数字全息技术中，照明波来自同一方向，从而改变了参考波的相位，并记录下多幅同轴全息图。全息图中物体的波信息与不需要的成分之间的图像重构过程是通过二维（2D）傅立叶变换方法进行的。

虽然这种技术会牺牲一些空间特性，如视场和分辨率，以从全息图中获得具有良好强度的物体相位图像，但它可以捕捉到非常精确的全息图像。

数字全息技术的应用

三维显示

数字全息技术是一种以数字数据格式（即全息图）获取物体三维轮廓的便捷方法，通过重构全息图可获得自然的空间效果。它可以直接获取振幅和波长，为研究对象提供详细的定量信息。

数字全息三维显示屏可显示精确的深度，广泛应用于医疗保健、娱乐和教育（增强现实/虚拟现实）显示。这种成像方式使用电荷耦合器件（CCD）/互补金属氧化物半导体（CMOS）等传感器快速捕捉全息图像，并通过计算机辅助操作帮助实时获得三维图像，这些图像可在空间光调制器（SLM）或数字微镜设备（DMD）上显示。

显微镜

数字全息显微镜（DHM）是一种利用复杂全息图数据创建图像的著名技术。DHM 装置由光源、传感器、显微工具和计算机组成。

成像过程包括混合来自样品和参考光束的光，参考光束的放大视图被记录在全息图中。记录的全息图经过数字重建和完善，以提高图像质量。

然后对记录的全息图进行数字重建，从而可以进行调整以改善图像并修复设备的任何问题。这种强大的技术可用于实验室和商业规模的各种应用。