平面全息电视的物理建模初探
[摘要]主要介绍了一种以位相全息原理、蝇眼微透镜阵列为核心技术的全息电视实现方案。该方案包含高精度CCD采集，光纤通信，计算机处理，光电材料以及全息再现等各个领域的不同技术，并进一步对全息电视的物理化模型进行了各个方面的改进，以背透式衍射来提高像的亮度达到立体显示效果的新一代显示技术。
[关键词]全息 视差 位相 蝇眼微透镜阵列 光纤技术 电光折射晶体
中图分类号：O438.1文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1010035－02
一、引言
自从Gabor于1948年发明全息照相术以来，全息技术已成为光学的一个重要领域，并在多个领域得到了成功的应用。随着电视技术的不断发展，全息电视已经成为成像技术发展的重要方向，在医疗，军事，地理，娱乐等各个领域将有着广泛的用途。
二、全息电视的原理
（一）“全息”的含义
全息电视之所谓“全息”，它是用显示器将物体的图像、色彩、景深的全部信息传递给观众，观众便能通过电视屏幕看到立体全真的效果。
根据人眼成像的双目视差原理，左右眼看到的两个不同角度的像在视网膜成像后，送到大脑皮层的视觉中枢进行合成，从而得到三维的视觉效果。而传统的平面显示器由于采用荧光屏发光成像的方式显示，只能达到二维的效果。因此，要获得立体视觉效果，必须使双眼获得一个双目视差，这样我们看到它的还原光如同是来自原来的物体。另外由于全息电视具有“全息”的性质，从每一块晶体碎片中都可以看到原来的整幅图像。
（二）获得立体视觉效果的途径
获得这一效果的途径有多种：其一，直接利用双目视差原理，通过多种途径实现全息显示。由于人双目视轴间距[1]（约65mm），左眼和右眼在看一定距离的物体时，所看到的像是不同的，而大脑通过眼球的运动、调整，综合双眼图像的信息产生立体感。
利用此原理的技术有偏光式成像法、时分式成像法[2]等。其中，偏光式成像需要借助于偏光镜，长时间配戴偏光镜观看电视容易产生视觉疲劳。时分式成像法则是在传统的显示技术上加以改进，在屏幕上交替放映两个不同角度的像，在特定的刷新方式和足够高的刷新频率下，利用人的错觉，左右眼会从不同的角度注视屏幕，在大脑中就会形成一个三维的效果。以上两种方式均已得到实现，并投入应用。但其不足之处在于只能实现双眼式立体显示，无论从哪一个角度看，只能看到一个固定位置的立体像，不是真正意义上的全息。以上两种形式的“全息电视”，称之为双通道立体电视STV（stereo TV）[3]。此外，还有专家利用像的合成来达到三维立体的可视化效果，例如，用快速旋转体发光，分层投影等，但由于空间局限等原因，其景深效果也大受限制。
三、全息电视的发展
在全息电视的研制中，人们尝试过各种方案，直接利用全息成像原理，并将其运用于全息图像的动态显示是其中一条途径。已有日本学者尝试过用电子学的方法记录和重现全息像[4]，但这个方案存在着一个重要问题：首先，全息像所包含的信息量非常大，用普通摄像机所采用的CCD难以记录，如何动态记录与储存这些信息，将是全息显示必须解决的一个问题。
四、全息电视物理建模的实现设计
（一）全息电视所要解决的问题
要实现全息电视的设计，首先要解决的就是全息电视信息源的获取，全息电视所反映的是三维图像，其信息可通过多种方式来获取，但由于现阶段通用数字合成技术难以达到真实再现的效果，实现起来非常困难。
要达到真正意义上的全息电视，就必须尽可能地模拟现实世界的视场即各个方向不同强度的漫反射光。要真实地再现三维场景，就要尽可能地还原所记录的图像，即要还原原视场中各个位置不同角度的所有光线。但是，要记录它所需要的信息量远大于传统视频所包含的信息量，普通方法难以解决。
（二）全息电视的设计实现
在此，提出一种平面全息电视的实现方案，将实物的影像直接通过光学方法摄取或通过对原像不同角度拍摄后用计算机建模的方法进行合成，对所得到的像经过数字全息处理后再生成显示所需的全息像，对于像的显示则采用位相全息[5]技术实现。
（图二）全息电视的总体结构图
对于全息像的获取有多种路径可选，一种方式是利用基于全息干涉的原理进行图像的采集。考虑到直接采集的方式对于振动的干扰以及其他影响较为敏感，对技术的要求较高，因此借鉴高速摄影的原理，采用缩短曝光时间的方式，来减少振动等干扰的影响。对于光源则要求有较高的相干性，考虑用激光作为相干光源。对于干涉部分为确保有较高的效率我们采用在光纤中进行干涉，并将干涉像通过高分辨率CCD进行光电转换，再由计算机进行处理。
由于前一种方案对条件的要求较高，从可实现性的角度考虑，又从苍蝇复眼成像的原理得到启发，我们用大规模蝇眼微透镜阵列[6]来采集在各个角度所拍摄的物像，并用所摄得的像来记录被摄物体的全部图像信息。
（图三）蝇眼微透镜阵列成像
用大规模蝇眼微透镜阵列实现，其原理类似于蝇眼的成像系统，对于实际的具有一定景深的三维图像，可用一个或多个大规模蝇微透镜眼阵列对其进行投影成像。由于透镜尺度较小，入射光可近似为平行光，对于入射的每个物点，会在对应的焦平面上留下一个像点，大量这样的微透镜，便记录下了从各个角度观察物体所成的像。
由于几何位置的问题，相邻成像孔所成像之间可能发生重叠，这就大大影响了所成像的质量，利用光纤技术则可以解决这一问题。用大量光纤独立地传送蝇眼微透镜阵列的每个成像孔采集的光信号送至后方处理，这样更有利于各种技术优势的发挥。
对于所采集到的像，采用光电转换的方式，由高分辨率数字式CCD转化为电信号，由硬件对信号进行滤波压缩后，将信号传输至处理终端，传输通道可采用高速光纤，传送至预先设置的信号处理终端，在终端上通过数字芯片或计算机处理后，转化为扫描信号，通过扫描，在M屏上显示出位相全息图。M屏由布满电极的电光折射晶体[7]制成，对该材料施加电场后，可导致其晶格的微小形变，引起其介电系数的变化，从而改变折射率。因而可通过调节屏幕各点上的电场强度来控制其折射率的分布，从而在整个屏上形成位相全息图，还原光C与参考光相对应，经过M屏发生衍射后产生重现像，其成像过程运用位相全息图的原理。
位相全息是一种效率较高的衍射方式。
在振幅型全息图中，全息图的振幅透过率和全息条纹的强度成正比，在位相型全息图中，其位相透过率即位相差与全息条纹强度成正比，用表示平面全息图复振幅透过系数，则有：
（1）
其振幅透过率为1。
在进行位相全息记录时，为简化计算，考虑一维的情况，设物光与参考光分别为
（2）
干涉后曝光的强度分别为：
（4）
其中k为比例系数。忽略常数因子，则透射系数为：
对上式中贝塞尔函数展开，并运用欧拉公式，则有：
上式中振幅及位相因子可看作常数，物体光波是唯一的变量。由于采用位相调制，其衍射效率一般比振幅型衍射要高，故可用它来实现全息图像的显示。
（三）结构的完善与发展
考虑到M屏全息图纹间距在工艺上难以达到理想尺寸，以及精度等因素的影响，我们对其做了如下改进：允许M屏上全息条纹间距比原先所要求的有所增大。相应地，采用波长稍长的C光对像进行重现。这样，将获得一个比实际尺寸较小的重现像。
为提高光透过率，在M处可采用微透镜阵列技术[8]。这种透镜阵列是一种与二维激光器阵列耦合的微透镜模块，它接收激光阵列发出的光。微透镜阵列模块的透明基底有一接收表面和光发射表面，透镜阵列在基底的接收表面，每一个微透镜对应一个激光器阵列中一个激光光源。而在基底的光发射一侧安放发射透镜，以便使在给定焦距的接收微透镜聚焦接收的光。
随后再对像进行光学处理，在电光折射晶体的全息成像屏前放置一个薄透镜组，该薄透镜组由一个长焦凹面镜O靠近M放置，以及靠近屏幕的凸面镜组成。该透镜组起到对M屏所成虚像进行光学放大，并且加深其景深作用。
这是一种全新的实现全息显示的方法，利用现今的液晶显示技术可实现位相全息图的再现，采用位相全息技术具有较高的衍射效率，从而提高图像的亮度，考虑到现今技术的不足，利用透镜组加以改进。
五、结论
本文主要探讨了实现平面全息电视所需的条件与所需要解决的问题，并提出了一种实现方案。对全息电视的具体实现，由于现阶段技术的制约，虽有学者已制出样品，但效果仍然不是十分理想。相关研究人员试图以多视点立体电视来暂时填补这方面的空白（多视点立体电视是对双通道立体电视的一种改进），但其可视范围仍是一个问题。真正实用的全息显示将会伴随着光电子技术与纳米材料技术的发展而不断成熟，相信在不远的将来，全息电视一定会走进千家万户。
参考文献：
[1]谭军、陆波、余桂丰，立体电视技术的发展概况及基本原理[J].中国有线电视，2004，(12):25-27.
[2]杨延宁、张威虎、董小友等，立体电视技术进展[J].中国有线电视，2004，(12):23-25.
[3]白杉、子荫，立体电视技术的发展趋势[J].影像技术，2006.(03):3-7.
[4]全息立体动态图像显示和信息压缩[J].光机电信息,2000.17(1):24-27.
[5]于美文，光学全息及信息处理[M].北京: 国防工业出版社，1984.
[6]伍胜男、伍春洪，全景图像技术及其应用[J].科技通报，2005，21(06):714-717.
[7]Keats，Jonathan. Holographic design of a two-dimensional photonic crystal of square lattice with large complete band gap[J].Popular Science，2005，266(6): 60-61.
[8]董小春、杜春雷，微透镜阵列显示技术研究[J].微纳电子技术，2003，(06):29-32.
作者简介：
余金珂，男，汉族，浙江绍兴人，河海大学本科在读，主要研究方向为光电控制、数字图像处理等。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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