3D全息成像課件

數(shù)字全息三維成像數(shù)字全息三維成像

數(shù)字全息3D技術(shù)背景知識(shí)數(shù)字全息3維物場(chǎng)再現(xiàn)原理全息技術(shù)的應(yīng)用前景內(nèi)容：內(nèi)容：1、（全息技術(shù)最早于）1948年斯蓋伯提出了波前重現(xiàn)。2、1962年，美國(guó)雷斯和阿帕特尼克斯（在基本全息術(shù)的基礎(chǔ)上，將通信行業(yè)中“側(cè)視雷達(dá)”理論應(yīng)用在全息術(shù)上，）發(fā)明了離軸全息技術(shù)。3、1967年古德曼和勞倫斯提出了數(shù)字全息。（開創(chuàng)了精確全息技術(shù)的時(shí)代。到了90年代，人們開始用CCD等光敏電子元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的感光膠片或新型光敏等介質(zhì)記錄全息圖，用數(shù)字方式通過(guò)電腦模擬光學(xué)衍射來(lái)呈現(xiàn)影像，使得全息圖的記錄和再現(xiàn)真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。）4、1969年，本頓發(fā)明了彩虹全息術(shù)，能在白熾燈光下觀察到明亮的立體成像。（基本特征是，在適當(dāng)?shù)奈恢眉尤胍粋€(gè)一定寬度的狹縫，限制再現(xiàn)光波以降低像的色模糊，根據(jù)人眼水平排列的特性，犧牲垂直方向物體信息，保留水平方向物體信息，從而降低對(duì)光源的要求。）

全息技術(shù)的發(fā)展歷程1、（全息技術(shù)最早于）1948年斯蓋伯提出了波前重現(xiàn)。全息技5、1994年第一張數(shù)字全息圖誕生（U.Schnars和W.Juptner展示）。6、2001年德國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首創(chuàng)研發(fā)了全息膜技術(shù)，使三維圖像的再現(xiàn)成為可能。7、2003年首次成功應(yīng)用于全息投影技術(shù)中。

（經(jīng)過(guò)7年的發(fā)展，全息膜已經(jīng)從第一代的1英寸柵格狀網(wǎng)眼全息單元升級(jí)到了如今的第四代0.2毫米97%透光度全息膜。依靠這薄薄的透明膜，無(wú)論是T形臺(tái)上的流光溢彩，還是舞臺(tái)上虛幻影像，都可實(shí)現(xiàn)。全息膜的價(jià)格自然不菲，透光率為70%的全息膜市場(chǎng)價(jià)都達(dá)到1800-2200元/平米。）全息技術(shù)的發(fā)展歷程5、1994年第一張數(shù)字全息圖誕生（U.Schnars和W.

2006年丹麥公司ViZoo于研發(fā)的360度幻影成像是全息投影目前最具魔幻效果的技術(shù)。（方法：用全息膜搭建一個(gè)倒金字塔形的三角漏斗幾何模型，由四臺(tái)投影機(jī)投射的視頻圖像，在漏斗里經(jīng)過(guò)一系列的光學(xué)衍射后匯合成為全息圖像。這一系統(tǒng)還可以配加觸摸屏，現(xiàn)場(chǎng)觀眾可通過(guò)各種手勢(shì)和動(dòng)作，操縱3D產(chǎn)品模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，或部件分解。廣泛用于各種展覽會(huì)和發(fā)布會(huì)上的新型廣告載體，此外，該技術(shù)也用于博物館，可再現(xiàn)一些珍貴的文物，防止失竊。）

2008年，美國(guó)亞利桑那州大學(xué)打造了展現(xiàn)大腦的可更新的3D全息顯示屏。（這是世界上首批3D全息顯示屏之一。最初的全息顯示屏尺寸為4英寸乘4英寸（約合10厘米乘10厘米）。）全息技術(shù)的發(fā)展歷程

2006年丹麥公司ViZoo于研發(fā)的360度日本廣播公司（NHK）決心在2020年之前推出第一臺(tái)Holo-TV。（現(xiàn)已撥款28億英鎊用于該項(xiàng)目。日本人相信他們能夠向全世界提供全息廣播節(jié)目，并將這項(xiàng)服務(wù)作為申辦2022年世界杯舉辦權(quán)的一個(gè)重要砝碼。Holo-TV播放的每一場(chǎng)比賽畫面將由200臺(tái)高清晰攝像機(jī)360度拍攝，而后以3D影像的方式播放。麥克風(fēng)將被安裝在球場(chǎng)下方，用于記錄下所有聲音，其中包括球員踢球的聲音以及裁判的哨聲，用來(lái)創(chuàng)造超現(xiàn)實(shí)版的數(shù)字音效。）

（據(jù)索尼工程師透露，Holo-TV外形好似在地板上攤開的一本大書。激光器負(fù)責(zé)投射一個(gè)“圖像云”，好似飄浮在房間中央。觀眾可以在不佩戴3D眼鏡情況下從每一個(gè)角度欣賞立體影像。）全息技術(shù)的發(fā)展歷程

全息技術(shù)的發(fā)展歷程

數(shù)字全息術(shù)

全息術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字全息圖的記錄和再現(xiàn)光電成像技術(shù)

縮短了再現(xiàn)周期（省去了定影、顯影、漂白等化學(xué)濕處理過(guò)程）優(yōu)點(diǎn)計(jì)算機(jī)加入了數(shù)學(xué)處理方法：消除相差、噪聲，避免了干板的非線性。

制作成本低，成像速度快，記錄和再現(xiàn)靈活，

CCD像素遠(yuǎn)不及銀鹽干板的像素缺點(diǎn)CCD靶面有限（影響被記錄物體的大小，再現(xiàn)像景深，像的清晰度。)

全息技術(shù)的發(fā)展歷程

全息技術(shù)的發(fā)展歷程

傳統(tǒng)光學(xué)全息（同軸）：同軸全息圖的記錄同軸全息圖的再現(xiàn)數(shù)字全息系統(tǒng)三維物場(chǎng)的再現(xiàn)原理傳統(tǒng)光學(xué)全息（同軸）：數(shù)字全息系統(tǒng)三維物場(chǎng)的再現(xiàn)原理傳統(tǒng)光學(xué)全息（離軸）：離軸全息圖不僅可以消除同軸全息圖中共軛像的干擾,還能使成像光波不與零級(jí)衍射光波重疊。離軸全息圖的記錄離軸全息圖的再現(xiàn)數(shù)字全息系統(tǒng)三維物場(chǎng)的再現(xiàn)原理傳統(tǒng)光學(xué)全息（離軸）：離軸全息圖不僅可以消除同軸全息圖中共軛激光物體物光波前衍射波干涉(光強(qiáng)度信息)

CCD采集量化計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)為數(shù)值矩陣參考光波

(1)再現(xiàn)照明光波數(shù)字全息圖

物光波：參考光波：(2)計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)再現(xiàn)照明光波：總光強(qiáng)：

物光波、參考光波光強(qiáng)干涉項(xiàng)（振幅、相位）數(shù)字全息系統(tǒng)三維物場(chǎng)的再現(xiàn)原理發(fā)生衍射利用菲涅爾衍射公式或傅里葉變換獲得光場(chǎng)復(fù)振幅分布，用計(jì)算機(jī)顯示強(qiáng)度分布和相位分布物體再現(xiàn)像數(shù)字全息系統(tǒng)三維物場(chǎng)的再現(xiàn)原理發(fā)生衍射利用菲涅爾衍射公式或傅數(shù)字全息3D顯示原理框圖數(shù)字全息3D顯示原理框圖1、用檢流計(jì)掃描擴(kuò)展視場(chǎng)在相干照明系統(tǒng)中，物方空間光強(qiáng)度分布：I(x,y)=|F{H(u,v)}|2H(u,v)=A(u,v)expjφ(u,v),H(u,v)為物方光強(qiáng)復(fù)振幅分布。在SLM的N×N個(gè)像素上進(jìn)行0到2π的相位調(diào)制，SLM視場(chǎng)被像素?cái)?shù)量限制。傳統(tǒng)的全息圖照明系統(tǒng)的SLM的視場(chǎng)：光學(xué)視場(chǎng)包含相機(jī)視場(chǎng)，最后是空間光調(diào)制器視場(chǎng)。用時(shí)分復(fù)位方法，橫向展開slm視場(chǎng)，在不同時(shí)間照明不同區(qū)域,在共軛光瞳平面的鏡式檢流計(jì)按時(shí)間次序掃描slm

全息圖橫向拼貼的九個(gè)視

場(chǎng)?？偟南辔徽{(diào)制為SLM

與檢流計(jì)相位調(diào)制之和。利用時(shí)分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場(chǎng)、增大信號(hào)1、用檢流計(jì)掃描擴(kuò)展視場(chǎng)利用時(shí)分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場(chǎng)、增2、依次照明SLM視場(chǎng)來(lái)增大雙光子信號(hào)（時(shí)分復(fù)用方法）

(1)在雙光子激發(fā)過(guò)程中，信號(hào)速率取決于S取決于激光平均功率P的平方，T為總的曝光時(shí)間。

(2)把激光激發(fā)分成n等份，且通過(guò)物鏡之后激發(fā)的焦點(diǎn)區(qū)域不變，n等份的平均時(shí)間信號(hào)S表達(dá)為：

(3)選取n個(gè)激發(fā)點(diǎn)中的m個(gè)時(shí)，平均時(shí)間信號(hào)S表示為：利用時(shí)分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場(chǎng)、增大信號(hào)2、依次照明SLM視場(chǎng)來(lái)增大雙光子信號(hào)（時(shí)分復(fù)用方法）利用時(shí)為使平均信號(hào)S最大化，得出選n個(gè)激發(fā)點(diǎn)中子集數(shù)m與總曝光時(shí)間和slm轉(zhuǎn)換時(shí)間的關(guān)系。解二次方程，令S=0，解得S在處取最大值利用時(shí)分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場(chǎng)、增大信號(hào)為使平均信號(hào)S最大化，得出選n個(gè)激發(fā)點(diǎn)中子集數(shù)m與總曝光時(shí)間3D全息成像課件3、關(guān)于體內(nèi)神經(jīng)元熒光染色成像的實(shí)驗(yàn)設(shè)置用920nm波長(zhǎng)的飛秒激光（170fs的脈沖）

零階光束

slm調(diào)制

光線擴(kuò)束

普克爾盒檢流計(jì)反射鏡掃描透鏡管狀透鏡光電倍增管管狀透鏡發(fā)射濾光片短傳分色鏡光場(chǎng)顯微鏡物鏡

焦點(diǎn)立方體利用時(shí)分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場(chǎng)、增大信號(hào)3、關(guān)于體內(nèi)神經(jīng)元熒光染色成像的實(shí)驗(yàn)設(shè)置利用時(shí)分復(fù)用三維全息4、通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定視場(chǎng)的擴(kuò)展和信號(hào)的增益，運(yùn)用雙光子顯微鏡對(duì)活體神經(jīng)元鈣離子的三維成像

像素：N×N(N=256),SLM視場(chǎng)(2xmax×2ymax)：xmax=ymax=相機(jī)參數(shù):NA=0.8,放大率:16×,波長(zhǎng)λ=920nm,2xmax=140um,將9個(gè)slm視場(chǎng)用檢流計(jì)定位9次，實(shí)驗(yàn)測(cè)得視場(chǎng)增大至380um，擴(kuò)大7.4倍。在神經(jīng)元鈣離子成像實(shí)驗(yàn)中，把老鼠(清醒)頭骨與感光板粘合固定，用飛秒激光經(jīng)過(guò)調(diào)制后激發(fā)在體神經(jīng)元鈣離子的熒光染料，最后被雙光子顯微鏡接收并記錄熒光強(qiáng)度，再現(xiàn)神經(jīng)元的活動(dòng)狀態(tài)，用不同顏色標(biāo)注神經(jīng)元活動(dòng)，

利用時(shí)分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場(chǎng)、增大信號(hào)4、通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定視場(chǎng)的擴(kuò)展和信號(hào)的增益，運(yùn)用雙光子顯微鏡對(duì)活

如圖為雙光子信號(hào)與選取子集的實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)據(jù)，SLM的相位轉(zhuǎn)換時(shí)間經(jīng)實(shí)驗(yàn)有97%是7.5ms，估計(jì)最大的轉(zhuǎn)換時(shí)間是10ms，保證普克爾盒疲敝光的時(shí)間，熒光強(qiáng)度最大時(shí)，曝光時(shí)間T=100ms，實(shí)驗(yàn)m值為7和5，而理論上在t(slm)為7.5ms和10ms時(shí)，m值是6.7和5。對(duì)應(yīng)不同的slm轉(zhuǎn)換時(shí)間。經(jīng)理論與實(shí)驗(yàn)，slm轉(zhuǎn)換時(shí)間變短，信號(hào)增加更大。利用時(shí)分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場(chǎng)、增大信號(hào)如圖為雙光子信