《3D全息成像》課件

數(shù)字全息三維成像1精選課件

數(shù)字全息3D技術(shù)背景知識數(shù)字全息3維物場再現(xiàn)原理全息技術(shù)的應(yīng)用前景內(nèi)容：2精選課件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)字方式通過電腦模擬光學(xué)衍射來呈現(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€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，從而降低對光源的要求。）

全息技術(shù)的發(fā)展歷程3精選課件5、1994年第一張數(shù)字全息圖誕生（U.Schnars和W.Juptner展示）。6、2001年德國國家實(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，無論是T形臺上的流光溢彩，還是舞臺上虛幻影像，都可實(shí)現(xiàn)。全息膜的價格自然不菲，透光率為70%的全息膜市場價都達(dá)到1800-2200元/平米。）全息技術(shù)的發(fā)展歷程4精選課件

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：用全息膜搭建一個倒金字塔形的三角漏斗幾何模型，由四臺投影機(jī)投射的視頻圖像，在漏斗里經(jīng)過一系列的光學(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)場觀眾可通過各種手勢和動作，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和發(fā)布會上的新型廣告載體，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5精選課件日本廣播公司（NHK）決心在2020年之前推出第一臺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)的一個重要砝碼。Holo-TV播放的每一場比賽畫面將由200臺高清晰攝像機(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“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角度欣賞立體影像。）全息技術(shù)的發(fā)展歷程6精選課件

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7精選課件傳統(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)三維物場的再現(xiàn)原理8精選課件傳統(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)三維物場的再現(xiàn)原理9精選課件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10精選課件數(shù)字全息3D顯示原理框圖11精選課件1、用檢流計(jì)掃描擴(kuò)展視場在相干照明系統(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個像素上進(jìn)行0到2π的相位調(diào)制，SLM視場被像素?cái)?shù)量限制。傳統(tǒng)的全息圖照明系統(tǒng)的SLM的視場：光學(xué)視場包含相機(jī)視場，最后是空間光調(diào)制器視場。用時分復(fù)位方法，橫向展開slm視場，在不同時間照明不同區(qū)域,在共軛光瞳平面的鏡式檢流計(jì)按時間次序掃描slm

全息圖橫向拼貼的九個視

場?？偟南辔徽{(diào)制為SLM

與檢流計(jì)相位調(diào)制之和。利用時分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場、增大信號12精選課件2、依次照明SLM視場來增大雙光子信號（時分復(fù)用方法）

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

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

(3)選取n個激發(fā)點(diǎn)中的m個時，平均時間信號S表示為：利用時分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場、增大信號13精選課件為使平均信號S最大化，得出選n個激發(fā)點(diǎn)中子集數(shù)m與總曝光時間和slm轉(zhuǎn)換時間的關(guān)系。解二次方程，令S=0，解得S在處取最大值利用時分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場、增大信號14精選課件（1）n等份激發(fā)點(diǎn)平均信號：（2）n等份中的子集m份平均信號：

為

所以，時，雙光子信號最大。利用時分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場、增大信號15精選課件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顯微鏡物鏡

焦點(diǎn)立方體利用時分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場、增大信號16精選課件4、通過實(shí)驗(yàn)確定視場的擴(kuò)展和信號的增益，運(yùn)用雙光子顯微鏡對活體神經(jīng)元鈣離子的三維成像

像素：N×N(N=256),SLM視場(2xmax×2ymax)：xmax=ymax=相機(jī)參數(shù):NA=0.8,放大率:16×,波長λ=920nm,2xmax=140um,將9個slm視場用檢流計(jì)定位9次，實(shí)驗(yàn)測得視場增大至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)元的活動狀態(tài)，用不同顏色標(biāo)注神經(jīng)元活動，

利用時分復(fù)用三維全息照明擴(kuò)展視場、增大信號17精選課件

如圖為雙光子信號與選取子集的實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)據(jù)，SLM的相位轉(zhuǎn)換時間經(jīng)實(shí)驗(yàn)有97%是7.5ms，估計(jì)最大的轉(zhuǎn)換時間是10ms，保證普克爾盒疲敝光的時間，熒光強(qiáng)度最大時，曝光時間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，m值是6.7和5。對應(yīng)不同的slm轉(zhuǎn)換時間。經(jīng)理論與實(shí)驗(yàn)，slm轉(zhuǎn)換時間變短，信號增加更大。