全息三维显示技术的研究现状

摘 要：随着现代科技的进步，以及人类生活水平的提升，二维显示技术已经不能够满足人类的生活需求，并且我们开始逐步向还原真实的三维场景所靠拢。文章围绕三维显示技术中的全息显示技术，详细介绍了其的研究现状，并对未来发展趋势做出了展望。

关键词：全息；三维显示技术；研究；现状

引言

早期的三维显示技术中是利用人眼双目视差原理，左眼与右眼之间瞳距约为10CM，左右眼所呈现出不同视角的图像，经过大脑的融合，从而产生三维立体感。但是这种方法只有心里景深，没有物理景深，进而缺乏真实的3D感。现有的三维显示技术除了利用视差原理的伪三维显示技术之外，还包括具有深度信息的真三维显示技术，如全息式、集成成像式、体显式。其中，全息式因能够记录光波的完整信息而成为实现真三维显示的最佳途径[1]。日本[2]、土耳其[3]等国家都在对全息显示技术方面进行大量的研究，并取得了丰硕的成果。目前，根据全息显示技术原理的不同，可将其分为传统的光学全息和电子全息两类。

1 传统光学全息

传统光学全息采用卤化银、明胶、光聚合物等来记录全息图，这些记录材料具有空间高分辨率、高衍射率和视场角大的特点，能够记录每个细节信息，但他的实验条件很严格，后期的处理过程复杂，因此制约了光学全息技术的发展[4]。随着光电转换技术的发展，光电器件逐渐出现并运行于全息技术，如空间逛调制器。根据光电器件在传统光学的作用不同可以将传统光学三维显示技术分为可更新显示的全息显示技术，扫描式全息技术，多光源式彩色全息显示技术。

1.1 可更新显示的全息显示技术

可更新显示的全息显示技术，也是可重复显示的全息显示技术。利用记录材料可以在特定波长光线的照射下，改变其自身的透明或有色状态的特性，实现数据的记录和擦除[5]，长春光机所、西安光机所和中科院等均研究了SA/PMMA材料的反复擦写功能[6]。可重复擦写的能力因其环保、应用型广泛等原因被国内外的科研团队广泛关注，2008年亚利桑那大学和日东电工技术公司合作将可更新特性用于光折变聚合物记录材料，使得光学全息技术克服了一次性光学记录的缺点。物光由SLM产生，每当移动记录装置的位置时，记录材料上也会记录下相应的全息图，等待记录全部完成，根据衍射理论，用再现光照射全息图将会显示原物体的立体像。

1.2 扫描式全息技术

扫描式全息技术需对物体的水平与竖直方向均进行扫描，人眼对于水平视差要比垂直误差敏感[7]。因此，在扫描物体时，需要在保证图像不失真的情况下，对水平、竖直方向信息合理的放大，这样可以克服原先受限的观察窗口，生成一副比光学全息大很多的全息图。再利用空间光调制器输入具有不同深度的光波信息，最终再现三维立体物体。日本东京大学研制出扫描式全息技术的示意图[8]，实验需空间光调制器的刷新频率要与扫描镜的扫描频率相互匹配。

1.3 多光源式彩色全息显示技术及合成全息三维显示技术

传统的光学全息技术多采用的是红、绿、蓝三色光源，由SLM记录三种不同波长的信息且储存到电脑，因而将三种不同颜色的全息图合成，进行再现，得到彩色全息图，这就是所谓的多光源式彩色全息显示技术。

而合成全息三维显示技术本身利用全息技术还可以实现体视三维显示，这一技术称为合成全息。合成全息是三维全息技术的基础，他的基本原理是将一系列从不同角度拍摄的二维全息图记录在一张干板上，制作出能够用白光再现的基于视差原理的三维显示，与传统光学全息相比，他操作灵活，易于控制。

2 电子全息显示

伴随着计算机的广泛普及，全息技术也在高速发展，特别是计算全息和数字全息技术的出现，为实现真三维显示注入新的活力。

2.1 数字全息

随着光电传感器件（如CCD或CMOS）的不断更新换代，数字全息3D立体显示技术取得了长足的发展。他是利用CCD代替记录干板，将记录的全息图存入计算机，用计算机模拟光学再现。与传统光学全息相比较，数字全息的制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活。2008年，U.Gopinathan等人利用CCD和空间光调制器构造了三维物体的全息投影显示系统。这套系统的记录光路采用马赫泽德干涉仪搭建，对周围环境的要求较高，且记录光路的宽度以及视场受限导致，只适用于记录和显示小的三维物体。因此，现如今数字全息还在发展阶段，对于图像颜色的记录，以及实现大视场角再现就是研究的热点问题。国内苏州大学、上海交通大学、天津大学[9][10]等都在实现大视场角再现方面做出了相关研究。

2.2 计算全息

作为现代光学一个重要分支的计算全息，该技术利用计算机编码，模拟光学记录过程，得到三维物体的全息干涉。和传统的光学全息图相比较，他同样可以记录物光波的振幅和位相，而且具有灵活性大、低噪声、重复性高、可模拟光学现象等独特的优点。该技术主要依靠编程模拟，因此其算法的要求体现在运算速度以及视场角方面。

2.2.1 提高计算速度的技术

国外很早就开始了对三维物体计算全息的方法研究，扩展到的领域也较为广泛，已经形成了比较完善的知识体系。2000年，Matsushima[11]利用递归的方法来计算点到全息面的距离，用加减法来替代计算中的开方、平方等耗时的运算，提高了计算速度。2009年，新加坡国立大学提出了新的分立查表（S-LUT）算法用来制作计算全息图，降低了对内存以及存储空间的要求，同时提高了计算速度。同年，日本北海道大学也提出一种制作计算全息图的斑块模型（Patch Model）方法[12]，提高了计算速度，降低了生成全息图需要的计算数据量。2010年日本宇都宫大学的B. J. Jackin和T.Yatagai等人将Hankel变换应用到圆柱计算全息的算法中，提高了计算速度。

2.2.2 增大计算全息三维显示视场角和再现像尺寸的技术

获得大视场角和大尺寸再现像的方法主要是增大的像素数，目前可利用多屏拼接来再现三维图像。土耳其研究小组研制了一种弧形全息视频显示系统[13]，该系统使用多倾斜拼接方法，利用半透半反镜消除间的缝隙，扩大了再现三维像的视场角；上海大学曾震湘和郑华东课题组提出利用平面反射镜、分光镜和两片透射式的多片空间光调制器拼接拓展视角系统[14]，实现了空间光调制器的总视角从1.7°增大到3.2°，即拓展到约1.9倍全息三维图像的无缝拼接；英国剑桥大学Chen[15]等利用反射镜组搭建时分复用的系统，将多个全息图按时序拼接拟合再现，达到增大视角的目的；中山大学[16]提出利用2片空间光调制器扩大再现像视场角的办法；英国M.Stanley[17]采用基于SLM多通道组合技术的Active Tiling TM全息3D立体显示系统，该系统利用电寻址空间光调制器分时地将各个全息图投射到光寻址SLM上，从而获取大尺寸、大视角的再现三维图像；Takaki[18]等提出利用4f系统来扩大视场角的方法，增大了全息图的横向分辨率，但也随之减小了垂直方向的视场角。

3 结束语

随着计算机技术近些年来的迅猛发展，带动着全息三维显示技术逐渐走向多元化，成为一种理想的三维立体显示技术。全息技术目前已被运用于电影，军事，医疗行业，但是由于其自身的发展还未成熟，并没有普及人们的生活。目前，对全息技术研究的热点问题包括大尺寸大视角的全息显示，由于大视角大尺寸全息肯定会伴随着更多的信息量需要处理，因此，压缩全息的计算数据量也是研究的热点。在未来，全息显示会朝着大尺寸、彩色、实时动态、高分辨率、快捷方便的方向不断进展，造福于人类生活。

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