3D全息成像

数字全息三维成像数字全息3D技术背景知识数字全息3维物场再现原理全息技术的应用前景内容：•1、（全息技术最早于）1948年斯盖伯提出了波前重现。•2、1962年，美国雷斯和阿帕特尼克斯（在基本全息术的基础上，将通信行业中“侧视雷达”理论应用在全息术上，）发明了离轴全息技术。•3、1967年古德曼和劳伦斯提出了数字全息。（开创了精确全息技术的时代。到了90年代，人们开始用CCD等光敏电子元件代替传统的感光胶片或新型光敏等介质记录全息图，用数字方式通过电脑模拟光学衍射来呈现影像，使得全息图的记录和再现真正实现了数字化。）•4、1969年，本顿发明了彩虹全息术，能在白炽灯光下观察到明亮的立体成像。（基本特征是，在适当的位置加入一个一定宽度的狭缝，限制再现光波以降低像的色模糊，根据人眼水平排列的特性，牺牲垂直方向物体信息，保留水平方向物体信息，从而降低对光源的要求。）全息技术的发展历程•5、1994年第一张数字全息图诞生（U.Schnars和W.Juptner展示）。•6、2001年德国国家实验室首创研发了全息膜技术，使三维图像的再现成为可能。•7、2003年首次成功应用于全息投影技术中。•（经过7年的发展，全息膜已经从第一代的1英寸栅格状网眼全息单元升级到了如今的第四代0.2毫米97%透光度全息膜。依靠这薄薄的透明膜，无论是T形台上的流光溢彩，还是舞台上虚幻影像，都可实现。全息膜的价格自然不菲，透光率为70%的全息膜市场价都达到1800-2200元/平米。）全息技术的发展历程2006年丹麦公司ViZoo于研发的360度幻影成像是全息投影目前最具魔幻效果的技术。•（方法：用全息膜搭建一个倒金字塔形的三角漏斗几何模型，由四台投影机投射的视频图像，在漏斗里经过一系列的光学衍射后汇合成为全息图像。这一系统还可以配加触摸屏，现场观众可通过各种手势和动作，操纵3D产品模型进行旋转，或部件分解。广泛用于各种展览会和发布会上的新型广告载体，此外，该技术也用于博物馆，可再现一些珍贵的文物，防止失窃。）•2008年，美国亚利桑那州大学打造了展现大脑的可更新的3D全息显示屏。•（这是世界上首批3D全息显示屏之一。最初的全息显示屏尺寸为4英寸乘4英寸（约合10厘米乘10厘米）。）全息技术的发展历程日本广播公司（NHK）决心在2020年之前推出第一台Holo-TV。•（现已拨款28亿英镑用于该项目。日本人相信他们能够向全世界提供全息广播节目，并将这项服务作为申办2022年世界杯举办权的一个重要砝码。Holo-TV播放的每一场比赛画面将由200台高清晰摄像机360度拍摄，而后以3D影像的方式播放。麦克风将被安装在球场下方，用于记录下所有声音，其中包括球员踢球的声音以及裁判的哨声，用来创造超现实版的数字音效。）•（据索尼工程师透露，Holo-TV外形好似在地板上摊开的一本大书。激光器负责投射一个“图像云”，好似飘浮在房间中央。观众可以在不佩戴3D眼镜情况下从每一个角度欣赏立体影像。）全息技术的发展历程数字全息术全息术计算机技术实现数字全息图的记录和再现光电成像技术缩短了再现周期（省去了定影、显影、漂白等化学湿处理过程）优点计算机加入了数学处理方法：消除相差、噪声，避免了干板的非线性。制作成本低，成像速度快，记录和再现灵活，CCD像素远不及银盐干板的像素缺点CCD靶面有限（影响被记录物体的大小，再现像景深，像的清晰度。)全息技术的发展历程传统光学全息（同轴）：同轴全息图的记录同轴全息图的再现数字全息系统三维物场的再现原理•传统光学全息（离轴）：离轴全息图不仅可以消除同轴全息图中共轭像的干扰,还能使成像光波不与零级衍射光波重叠。离轴全息图的记录离轴全息图的再现数字全息系统三维物场的再现原理激光物体物光波前衍射波干涉(光强度信息)CCD采集量化计算机存储为数值矩阵参考光波(1)再现照明光波数字全息图物光波：参考光波：(2)计算机模拟再现再现照明光波：总光强：物光波、参考光波光强干涉项（振幅、相位）数字全息系统三维物场的再现原理),(0Oexp),(),(OyxjyxOyx),(0Rexp),(R),(Ryxjyxyx),(0Cexp),(C),(Cyxjyxyx)cos(),(),(2),(),(),(),(O),(I00202022ROyxRyxOyxRyxOyxRyxyx发生衍射利用菲涅尔衍射公式或傅里叶变换获得光场复振幅分布，用计算机显示强度分布和相位分布物体再现像数字全息3D显示原理框图1、用检流计扫描扩展视场在相干照明系统中，物方空间光强度分布：I(x,y)=|F{H(u,v)}|2H(u,v)=A(u,v)expjφ(u,v),H(u,v)为物方光强复振幅分布。在SLM的N×N个像素上进行0到2π的相位调制，SLM视场被像素数量限制。传统的全息图照明系统的SLM的视场：光学视场包含相机视场，最后是空间光调制器视场。用时分复位方法，横向展开slm视场，在不同时间照明不同区域,在共轭光瞳平面的镜式检流计按时间次序扫描slm全息图横向拼贴的九个视场。总的相位调制为SLM与检流计相位调制之和。利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号),;,u,,uΔx,ΔySLMΔyΔxvvuvSLM共轭，实现横向位移（检流扫描反射镜与检流2、依次照明SLM视场来增大双光子信号（时分复用方法）(1)在双光子激发过程中，信号速率取决于S取决于激光平均功率P的平方，T为总的曝光时间。(2)把激光激发分成n等份，且通过物镜之后激发的焦点区域不变，n等份的平均时间信号S表达为：(3)选取n个激发点中的m个时，平均时间信号S表示为：利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号TPS22slm22slm2mntP-mnTPt-mTnPmnSTnPnPn22TS•为使平均信号S最大化，得出选n个激发点中子集数m与总曝光时间和slm转换时间的关系。解二次方程，令S=0，解得S在处取最大值利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号2slm22slm2mntP-mnTPt-mTnPmnSslmt2TMmmSM•（1）n等份激发点平均信号：•（2）n等份中的子集m份平均信号：为所以，时，双光子信号最大。利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号TnPnPn22TSslm2t-mTnPmnS)1(),(Ttmmtmzslmslmslmt2Tm122mZslmt2Tm•3、关于体内神经元荧光染色成像的实验设置用920nm波长的飞秒激光（170fs的脉冲）零阶光束slm调制光线扩束普克尔盒检流计反射镜扫描透镜管状透镜光电倍增管管状透镜发射滤光片短传分色镜光场显微镜物镜焦点立方体利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号4、通过实验确定视场的扩展和信号的增益，运用双光子显微镜对活体神经元钙离子的三维成像像素：N×N(N=256),SLM视场(2xmax×2ymax)：xmax=ymax=相机参数:NA=0.8,放大率:16×,波长λ=920nm,2xmax=140um,将9个slm视场用检流计定位9次，实验测得视场增大至380um，扩大7.4倍。在神经元钙离子成像实验中，把老鼠(清醒)头骨与感光板粘合固定，用飞秒激光经过调制后激发在体神经元钙离子的荧光染料，最后被双光子显微镜接收并记录荧光强度，再现神经元的活动状态，用不同颜色标注神经元活动，利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号NAN4如图为双光子信号与选取子集的实验与理论数据，SLM的相位转换时间经实验有97%是7.5ms，估计最大的转换时间是10ms，保证普克尔盒疲敝光的时间，荧光强度最大时，曝光时间T=100ms，实验m值为7和5，而理论上在t(slm)为7.5ms和10ms时，m值是6.7和5。对应不同的slm转换时间。经理论与实验，slm转换时间变短，信号增加更大。利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号•总结：•用时分复用方法横向扩展SLM视场，对应轴向扩展可结合可调透镜和变形反射镜来延伸轴向视场。•通过激发点的子集选取来确定双光子信号最大值的各部分数据（slm转换时间，子集数量，总曝光时间）。•神经元钙离子成像，其中飞秒激光对于荧光染料的激发以及透过分色镜被光电倍增管放大信号从而观察到荧光强度反应神经元活动。•利用时分复用三维全息照明扩展视场、增大信号