全息成像安徽大学 1 1 韦穗汇报提纲一

全息成像安徽大学 1 1 韦穗

汇报提纲一全息成像技术二全息视频显示的挑战三液晶和硅基液晶（LCOS）四 LCOS建模与开发（全息视频显示） 2 2

全息成像技术众所周知，光的波阵面场的振荡接近，现有的光传感装置没有一个能直接记录光波场的振幅和相位。在传统的照相术中，光的强度被获取而有关光的相位信息被丢弃，而在全息术中，振幅和相位都能被记录，即使记录的材料仅能响应光的强度。 3 3

全息成像技术 Gabor证明此干涉条纹携带了有关原始物体的所有信息，并且可以从干涉条纹中重构原始物体的整个图像。正是这些概念使得 Gabor被授予1971年的诺贝尔物理奖。 4 4

全息成像技术全息术能从一个 2 D屏幕产生一个复3 D 1964年 11月，一个杂志记者困惑物体，即同时包含源的振幅和相位的复波阵面。地报道了在Boston旅馆的一个包厢中的场景：数十位通常庄重的科学家和程师在玩一个玩具火车头、景中还出现一个列车售票员和其他的物体。此火车实际上完全不在那里。但如果你站在一个正确的位置并从一个装置向内看，你将看到它，与真实的一样。 5 5

全息成像技术彩虹全息图。步骤（a）与通常光全息一样。（b）主全息图被一个窄缝掩膜。在转移中，此产生一个，其中垂直信息被由和之间的干涉形成的一个衍射光栅所替代。 6 6

全息成像技术首枚中国全息邮票防伪标识及包装首次出现在人民币上的全息图 7 7

全息成像技术基于彩色全息图的超真实图像：上一个冰川时代(大约 13, 500 年前) 的马的颌骨。 [ISDH 2009] 用全息术制作的钟 Zebra Imaging 用光聚合物胶片产生 3 D全息地图苏大维格 8 8

全息成像技术全息立体视图：(实时彩色)3 D 肖像显示以及本人，由深圳泛溢彩技术有限公司制作。屏幕的尺寸为 1. 8× 1. 3 ，有大视场的观看感知并产生连续自然的3 D图像。 9 9

全息成像技术 Holo. Vizio 成像与 2 D比较全息立体视图： 3 D景物获取和显示的示意图 10 10

自主双眼立体显示 Yasuhiro Takaki 修正 2 D排列远心聚焦成像系统： 2 D显示阵列，透镜阵列，孔径阵列，透镜，垂直扩散屏。 11 11

自主双眼立体显示 Yasuhiro Takaki 64方向的QVGA显示 12 12

自主双眼立体显示有人声称此是一种类似全息的显示技术；台湾业技术研究院展出了一台使用小透镜和LCD相结合的装置，它能在空中形成一个大约 4寸白色的龙。装置配有红外位置感知，可以感知人的手指动作而使龙旋转。 13 13

全息成像技术在 80年代后期 Benton等明发运行的全息实际了一个统系视频 (holovideo)，能、实提够水时供它差视平 (horizontal-parallax-only (HPO))的全息示显， MIT电全息子的统示基本思想是采用声显系 -光制调器 (acoustic-optical modulation (AOM))作动态显示的手段并通为像图制调来形成一个描器的过扫示显窗大的口。原理上一种称是为 S c o p h o n y系翻版。的统 14 14

全息成像技术全息视频显示——MIT Mark I, Stephen A. Benton把全息术从胶片时代带入数字时代。 15 15

全息成像技术全息视频系统的核心器件空间光调制器SLM，通过计算机控制实现对光的波阵面在空间和时间上编程调制，通过改变波阵面的振幅、相位、偏振达到绘制和重构3 D景物。 16 16

全息成像技术基于数字微镜器件（DMD）和硅基液晶（LCOS）的全息视频显示和重构的概念性验证系统和结果 17 17

汽车围绕纵轴旋转 360° 6幅光重构的图像 18 18

全息成像技术彩色全息图数值模拟的重构结果彩色全息显示装置 19 19

全息成像技术 Aurora ASI-6001 垂直排列向列液晶 LCOS ，在可见光区域内仅有π相位调制 20 20

汇报提纲一全息成像技术二全息视频显示的挑战三液晶和硅基液晶（LCOS）四 LCOS建模与开发（全息视频显示） 21 21

全息视频显示的挑战《Holographic Imaging》最后准备出版时（2007），照相术在商业和消费上已经几乎完成了从基于化学的处理到数字、电子技术的令人瞩目的迅速变迁。此变迁能够发生的先决条件是必须有便宜和高质量的电子图像获取，数字图像处理，“软复制”显示和“硬复制”打印等技术的存在。全息术才刚刚开始这样的转换。因为，如我们将会在书中看到，一个景物的全息获取需要记录光线的方向不仅仅是它的强度和颜色，比普通的照片涉及的信息要多许多，然而用电子的手段来获取并处理如此多信息的系统目前还没有完全开发出来。 Stephen A. Benton and V. Michael Bove, Jr. , “Holographic Imaging”，John Wiley & Sons, Inc. ，2008 22 22

全息视频显示的挑战 Stanley 认为全息视频显示要有足够高的空间带宽积来满足图像大小和视角的要求。为得到 30度的衍射，根据薄光栅方程，像素分辨率： M. Stanley et al. , “ 3 D Electronic Holography Display System Using a 100 Megapixel Spatial Light Modulator, ” Proc. SPIE, vol. 5249, SPIE—Int’l Soc. for Optical Eng. , 2003, pp. 297 -308. 23 23

全息视频显示的挑战 A. Michalkiewicz 报告在液晶装置中的小像素空间所引起的条纹场是一个不可忽视的问题。表中给出衍射效率相对像素间距的关系。 A. Michalkiewicz, M. Kujawinska, T. Kozacki, etal. “Holographic threedimensional displays with liquidcrystal on silicon spatial light modulator”, Proceedings of the SPIE, Volume 5531, pp. 85 -94 (2004). 24 24

全息视频显示的挑战 Steve Benton 下了十分否定的结论（Holographic Imaging第二十一章全息电视）：关于这样一种平板显示是否能得到一个有用的全息图的一个最突出的问题是它能显示多大的衍射角。根据光栅方程一个典型的高质量的直观视角 LCD面板的像素间距（ pitch）为 0. 25 mm左右，转化为 4000像素/米，正弦信号最高的空间频率可以显示 2像素/周期（其中一个在正弦信号的波峰，一个在波谷），空间频率为 2000周期/米。如果我们采用常用的633 nm激光器照射面板（设入射角为零），最大衍射角为 0. 0725°。一个MIT新生惊奇地发现“这将是一百万台TV屏”。 Stephen A. Benton and V. Michael Bove, Jr. , “Holographic Imaging”， John Wiley & Sons, Inc. ，2008 25 25

全息视频显示的挑战在技术上已经看到了可能性： 1 µm间距、全填充因子等 26 26 3 D液晶技术

全息视频显示的挑战 Qineti. Q 主动铺砖的功能图 Onural 用 9个SLM 得到 24°衍射视场 27 27 See. Real 只重构眼睛所在位置上的波阵面

全息视频显示的挑战 Real 3 D 28 28

全息视频 Boris Apter 的实验中，指形交叉电极 2 µm宽，间距 1µm 。操作在动态、反射 3 µm间距的演示光栅。他证明当适当选择的 LC 盒厚 (小于 2 µm), LC 材料为 (Merck’s BL 006 )高双折性混合体和适当的驱动条件，装置能得到相对高的衍射效率 (60%) ，证明 3 µm像素的 LC SLM的可行性。电极阵列的示意图 Boris Apter, Yizhak David, Itzhak Baal-Zedaka. “Experimental study of an ultrasmall pixel, one-D liquid-crystal device” [J]. applied optics, Vol. 47, No. 33, 6315 -6324, 2008. 29 29

全息视频显示的挑战 T I的 DMD和LCOS都采用一个单独寻址的矩阵来控制像素对光进行调制。 DMD由 3 D微刻蚀技术制造，可以制造相当复杂的光学系统，从全息显示的观点来看，它尺寸难以变小、高复杂的知识产权；因为它是内部开发或是在国防项目中开发的知识产权。而 LCOS把平板显示技术与硅芯片技术嫁接起来，由此得到的产品能够同时从两种技术中获得益处。 30 30

汇报提纲一全息成像技术二全息视频显示的挑战三液晶和硅基液晶（LCOS）四 LCOS建模与开发（全息视频显示） 31 31

液晶和硅基液晶（LCOS） 1888年奧地利植物学家F. Reinitz发现液晶。1968 年美国 Dr. Heilmeiert 发现液晶的电光效应, 在外电场作用下，液晶的折射率(介电)会变化。美国 RCA 公司, 首先实现了液晶的商品化 ( 电子表)。LC技术具有令人惊异的资源和多功能特性。如最近的显示屏能够解决宽视角、快速响应、斜视下颜色漂移、阳光可读、运动模糊等问题。 32 32

许多显示模式被开发 FFS 33 33

液晶和硅基液晶（LCOS） LCOS单元的示意图和LCOS的驱动电路结构用一个柔软、轻量的连接电缆与它的接口电路或称驱动电路分开。 34 34

液晶和硅基液晶（LCOS） LCOS 与透射式LCD的思想类似，但作在光反射的状态。该技术具有诸多优势。如，反射式结构使光两次通过调制器得到双倍的效应，使得调制器变得更薄；结果是 LCOS得到快 4倍的响应时间；又如物理尺寸小、高分辨率、高填充率等。传统的LCOS应用主要基于强度调制的电光效应，例如背投（天津科技张宝龙）和目镜式微显示（南开代永平），但近期可编程相位元件的应用的开发活跃。（液晶的光子应用南京大学陆延青）。 35 35

液晶和硅基液晶（LCOS） • LCOS 面板中因为高解析度的需求，而衍生出来的在显示应用中的2个问题：边缘场和衍射问题，目前被利用构造有用的新装置。例如上面提到的用于宽视场的边缘场模式。边缘场可在液晶内诱导向错（拓扑缺陷——软凝聚态物理研究）用在双稳显示，功耗是传统的1/1000。 • 全息技术（“光栅鬼影”）和衍射光栅是同类的—— 在技术层面是它们是相同的。 • LCOS是一种非常有用的装置。 36 36

信号中相位信息比振幅信息更重要 (a)2幅原始图像 GC 和GZ (b)振幅|F[GC]|和 |F[GZ]| 被称为Fourier 谱 (c)相位{FT[GC]} 和相位{FT[GZ]}是相位角 (d) 交换相位角而保持谱不变后的重构结构 37 37

液晶和硅基液晶（LCOS）右图：全息光镊，中国科技大学物理系, 合肥微尺度物质科学国家实验室李银妹等：Holoeye PLUTO 纯相位调制 1920 x 1080 ，8µm的像素间距左图：David G. Grier, A revolution in optical manipulation, Nature, vol 424, 14 August, 2003. 38 38

液晶和硅基液晶（LCOS）电子科技大学：液晶移相器研究是中电集团 27所承担的国防项目“激光雷达液晶相控阵技术”的一部分。 39 39

Laser Radar 40 40

Big Dog 41 41

Laser Internet 42 42

光学变焦系统主动的光学变焦系统，使用DM ( 形变镜)作为主动光学元件，以达到非机械变焦的目的。其焦距控制原理是通过调节光程差来实现相位调制，即通过元件二阶相位变化的加/减来实现变焦。 Ty Martinez, Freddie Santiago， “Active Optical Zoom for Tracking”， 2008. 43 43 合成变焦系统，系统的核心部件为两片Sony公司的LCD面板。给出一个形变变焦系统，建立在液晶显示之上，这个系统能非常迅速地缩放一幅图像，并且没有移动机械部件和保持输出平面静止。 C. Iemmi, J. Campos, ”Anamorphic zoom system based on liquid crystal displays”, Journal of the Europear Optical Society – RP, 2009, pp. 1 -4.

基于LCOS的主动光学变焦系统改变系统焦距和放大率是研究变焦系统的两个重要目标。传统的机械变焦系统是通过调节透镜组之间的距离来改变变焦系统的焦距和放大率。但它需求透镜组之间的移动要非常精确。基于LCOS的主动光学变焦系统通过编程生成不同焦距的相位图并加载到LCOS上，这时LCOS相当于焦距可变的数字透镜。整个系统是不需要移动任何器件就能实现变焦和改变系统放大率。 44 44

液晶和硅基液晶（LCOS）以相干性很好的激光作为光源的实验装置及其结果 45 45

液晶和硅基液晶（LCOS）以部分相干的LED作为光源的实验装置及结果 46 46

液晶和硅基液晶（LCOS）美国国防先进研究计划署资助的生物光学合成系统（BOSS）研究项目目标是开发一个所谓的中心凹光学系统（FOS）中以得到一个非常宽的视场角。资助项目的主要研究任务是设计和合成具有更高双折性向列型 LC，开发第二代FOS样机，这项作由佛罗里达大学的光子和显示组与美国圣地亚哥国家实验室（SNL）合成研制仿生视觉系统，此系统所演示的性能大大超过标准的光学成像系统，并具有更小的尺寸和复杂度。 47 47

液晶和硅基液晶（LCOS）新的成像系统左图：使用LCOS装置的可编程孔径摄像机样机。右上角是LCOS；左上角是 Nikon F/1. 4 25 mm C口透镜。右图：光学示意图。 Hajime Nagahara，“Programmable Aperture Camera Using LCo. S” 48 48

液晶和硅基液晶（LCOS）基于全息术的显示：Fraunhofer 衍射形成非常紧凑的投影设备。英国LBO、中科院微电子所、南京 49 49

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LCOS建模与开发　　液晶装置的数值模拟主要包含指向矢模拟和光学特性模拟两个部分。　　LCD数值模拟有若干商业化的软件包：例如德国 Autronic-Melchers 公司的DIMOS；日本 SHINTECH公司的LCD-Master, 韩国 SANAYI 系统有限公司的 Tech. Wiz-LCD等，并且LCD的数值模拟已经成为业上的一个标准过程。 51 51

LCOS建模与开发指向矢在空间是非均匀分布，数值模拟时， LCD（包括LCOS）在 Z方向上被划分成N层。分层数足够大时，每层的指向矢被看做是均匀的。 52 52

LCOS建模与开发在宏观尺度上，主要采用基于指向矢的 Frank-Oseen 连续体弹性形变理论或基于 Q 张量的 Landau-de Gennes 理论来描述液晶系统的静力学、动力学或流体动力学响应，并利用有限差分法、有限元法或无网格方法进行数值计算。 53 53

LCOS建模与开发指向矢计算的理论：（1）弹性自由能密度（2）介电自由能密度（3）挠曲电效应引起的自由能密度液晶总的自由能密度（Gibbs free energy）应用变分原理, 由欧拉方程得到 3个关于电压、倾斜角和扭曲角的偏微分方程组, 解之即得液晶指向矢关于空间Z位置的分布情况。 54 54

LCOS建模与开发我们知道导致LC显示的分辨率限制或SLM衍射效率的损失的主要因素是相邻电极（像素）之间侧向或条纹场效应。Lanlan Gu提出一种用于高空间频率液晶相位光栅的新结构。主要的思想是克服条纹场效应，此通过使用双边结构，其中条状电极被布置在上下边实现。 (a)传统的单边结构，(b)新型的双边结构, (c)新型的双边结构，与(b)不同是相同边带有交叉电极 55 55

LCOS建模与开发使用LCD master对二维电场下液晶光栅进行指向矢的模拟，结果如下： 1 V 3 V (a)传统单边结构 56 56 9 V

1 V 3 V (b)新型的双边电极 1 V 5 V (c)新型的双边电极 57 57 9 V 10 V

LCOS建模与开发 Lanlan Gu研究的这种基于LC高分辨率可开关光栅，通过使用一种特殊的偏置配置，垂直电场被产生并适当地约束在相对的条状电极之间。计算机模拟显示：在他们的新结构中，最大的相位调整深度为 4. 15弧度（在 1. 55µm波长的情况下），在正弦相位光栅的情况下，最大 1阶衍射的相位移是 1. 17π。实验上，第 1阶衍射的衍射角达到 14. 5°以及衍射效率接近 33%，此效率接近一个正弦相位光栅的理论最高值 33. 8%。 Lanlan Gu, Xiaonan Chen, Wei Jiang, Brie Howley, and Ray T. Ch, “Fringing-field minimization in liquid-crystal-based high-resolution switchable gratings”, APPLIED PHYSICS LETTERS 87, 201106 , 2005. ] 58 58

• 先前的研究是克服边缘场效应，但是以色列的研究者采用实验验证了其在LC光束偏转的操作中扮演了一个主要的、积极的作用。 • 如前面提到的可以采用交叉指形电极的边缘场形成高分辨率液晶相位光栅。 • 而LCOS建模的作中，同样利用边缘场效应达到预期的目的。 B. Apter, E. Bahat-Treidel and U. Efron，“Electrooptical Wide-Angle Beam Deflector Based on Fringing-Field-Induced Refractive Inhomogeneity in a Liquid Crystal Layer”，Electrical and Electronics Engineers in Israel, Proceedings, 240 -243, 2004. 59 59

LCOS建模与开发需要指出的是， LCD-Master相对于我们之前使用过 Tech. Wiz-LCD，两者区别在于Tech. Wiz-LCD没有考虑挠曲电效应，LCD-Master可以考虑挠曲电效应。挠曲电效应即液晶中展曲或弯曲形变有可能引起液晶的极化，反过来电场也可能使液晶发生形变。 60 60

LCOS建模与开发 • 使用商业软件可以计算得到液晶在外加电场作用下指向矢的空间分布。采用空间方位角描述指向矢，则 • 目前使用商业软件得到指向矢的分布比较成熟。而仅仅得到指向矢的分布是不够的，还必须模拟光在液晶中的传播过程，即研究光与液晶的相互作用。 61 61

LCOS建模与开发商业软件的光学分析给出了显示用的参数：如等对比度轮廓、颜色轮廓、透射率等，而不直接给出由指向矢分布(2 D或 3 D) 计算液晶层中的衍射角（级）、衍射效率等。 LCOS日益复杂和更小的尺寸和可能的3 D几何形状的复杂电极模式，加上液晶对一个相对弱扰动（力、电、磁）能够触发一个明显的介观或甚至宏观响应包括拓扑缺陷。这些目前商业软件中似乎没有给出。有一种说法目前软件中广泛采用的2× 2 Jones 矩阵或Berreman 的4× 4 矩阵方法都无法用来分析衍射效率。 62 62

LCOS建模与开发 Kent State University的研究者在液晶光栅光学特性模拟方面做出了有益的尝试。他们在近场时采用FDTD方法计算，FDTD方法的核心是Maxwell方程的离散化。远场时采用 Helmholtz-Kirchhoff 积分求解。 X. Wang, B. Wang, P. J. Bos, et al. “Limitation of liquid crystal on silicon spatial light modulator for holographic three-dimensional displays, ” SID Tech. Digest , Paper Number 58 -1, 2004 63 63

LCOS建模与开发另外一些优秀的理论作，例如：清华长江学者李立峰(1997)“New formulation of the Fourier modal method for crossed surface-relief gratings”；华南师范大学数学科学学院“Workshop on the Mathematical Theory of Liquid Crystals and Related Topics 07 /2012” 河北业大学叶文江“向列相液晶在基板上锚泊的机理、检测及应用” 等等。英国伦敦学院的2009年的一篇博士论文“Three Dimensional Finite Element Modelling of Liquid Crystal Electro-Hydrodynamics”的将来展望中提到：建模的另一个应用包括通过在LCOS衬底使用子微米尺寸电极的缺陷的形成和控制。 64 64

LCOS建模与开发实际开发装置中最接近的是美国的ICVision计划和它的专利，用交叉指形电极实现 0. 8µm的间距，但目前得不到进一步的研究进展情况。 Jeffrey H. Kulick, John M. Jarem, Robert G. Lindquist, “Electrostatic and diffraction analysis of a liquid-crystal device utilizing fringing fields: applications to three-dimensional displays”, Vol. 34, No. 11 , APPLIED OPTICS, 1901 -1922，1995 65 65

LCOS建模与开发动态全息需要相当大的平板（~10 cm）具有特别小的像素大小（子微或微米级）。造成当前LC分辨率限制的主要原因是最大衍射角和光束装置衍射效率，同时会给寻址、驱动电路、封装等带来巨大的挑战。 66 66

另一个方面，眼睛在中心凹中的锥状细胞更小，直径大约在 3µm到 1. 5µm之间；在一个典型的观看条件下，如果一个观察者离显示器的距离大约是 600 mm，在此距离下，人眼可分辨的尺寸是 600 x 0. 000290 = 0. 175 mm。如果一个光源点的张角小于此尺寸，眼睛看上去等价与一个 0. 175 mm的点。两个点在一个小于0. 175 mm的范围内看上去就是一个点。 67 67

用数字媒体来替代全息胶片并仍然能得到高质量的3 D图像重构是一个很大的挑战。该新技术向材料化学、物理和程等领域提出了更高的要求，为了争取在LC和它们的应用上创造出一个新的大突破需要把这些领域结合起来共同应对这样一个挑战。 68 68

谢谢！ 69 69

全息成像 安徽大学 1 1 韦穗 汇报提纲 一

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