彩色全息顯示方法與系統概述

彩色全息顯示方法與系統概述

? ? ? ? ?摘要:彩色全息顯示是全息視頻顯示技術發展的重要目標。概述了基于空間光調制器實現彩色全息顯示的方法與系統構建問題。首先，介紹了彩色全息顯示中三個單色全息像疊加生成彩色全息再現像的基本原理。分析了全息圖生成的方法，比較了光全息圖、數字全息圖、計算機生成全息圖的不同。其次，討論了彩色全息顯示系統構建時空間光調制器的選擇以及多波長照明下的相位調制特性問題。在實際系統中，紅、綠、藍三色激光或者發光二極管都可以用作系統照明光源。然后，描述了基于時分復用、空間復用、空間劃分、空間疊加方法構建的彩色全息顯示系統架構，指出彩色全息重構結果受到空間光調制器像素結構和色差等問題的影響。最后，展望了彩色全息顯示技術的發展方向。

關鍵詞:全息術,彩色全息顯示,計算機生成全息圖,空間光調制器

1 引言

? ? ? ?隨著現代傳感器、通訊、存儲和計算技術的高速發展，人們對醫學成像、地質勘探、娛樂、軍事等方面的顯示技術提出了更高的要求。這些要求遠遠超出當前二維(2D)顯示的范疇，因此，真彩色三維(3D)顯示已成為現代信息社會的一種必然需求。彩色全息顯示作為一種具有前景的真三維顯示技術，不僅能夠提供幾乎接近于真實世界的3D 圖像，還能提供所有視點上、所有距離上的3D 視覺，是最具吸引力的真彩色3D 表現形式之一[1-3]。光全息術誕生于1948 年，主要分為波陣面記錄與重現是兩個獨立過程[4]。徐大雄[5-6]在激光全息方面開展了諸多開創性的工作，提出和研制了多種高衍射效率、高分辨率全息新記錄介質。盡管光全息術能夠提供逼真的彩色3D 體驗，但是無法滿足動態、實時的需求。1993 年，美國麻省理工學院(MIT)媒體實驗室摒棄了機械地模擬光全息物理過程的做法，根據全息圖重構時衍射成像的要求來計算全息圖，并且用動態空間光調制器(SLM)-聲光調制器（AOM）實現了世界上第一臺視頻全息顯示系統，實現了小尺寸彩色3D 物體的顯示[7]。由此，全息術由膠片時代發展到數字時代。因為視頻全息顯示技術在動態、實時顯示方面具有巨大的優勢，所以國內外的眾多研究者對視頻全息顯示的理論、算法和系統實現進行了大量的相關論證研究[8-18]。

? ? ? ?人可以辨別幾千種顏色色調和亮度，相比之下只能辨別幾十種灰度層次，因此，顏色是信息描述的一種重要載體。彩色全息顯示作為一種近乎完美的成像技術，其重構的景象幾乎與原始的景物一樣，人眼分辨不出有什么區別。然而，彩色的匹配記錄和顯示對所有的媒體都是一個挑戰，而全息術比大多數其它媒體還要困難。因此，彩色全息顯示的實現方法是視頻全息顯示的一個重要研究目標。彩色全息顯示需要解決的關鍵問題是帶給觀察者3D 體驗的同時提供色彩體驗。目前，基于SLM 構建的彩色全息顯示驗證系統，大多數采用三基色光源照明全息圖，通過控制三基色光源的強度比和強度空間分布實現彩色全息顯示[19- 22]。

? ? ? ?本文主要介紹基于空間光調制器實現彩色全息顯示的基本原理，進一步探討在構建系統的過程中涉及到的生成全息圖、選擇空間光調制器、設置照明光源以及系統架構等問題。根據全息顯示利用衍射成像的原理，分析討論了彩色全息顯示面臨的重構尺寸、視角以及由于不同波長照明光源引起的色差等問題。在總結彩色全息顯示發展現狀的同時，對其進一步的發展方向進行了展望。

2 彩色全息顯示的實現

人眼具有色相加處理功能，其中的六七百萬錐狀細胞中可分為3 個主要的感覺類別，分別對應紅、綠、藍(R,G,B)。國際照明委員會在1931 年設計了特定波長值的單色光為主原色，分別為紅700 nm，綠546.1 nm，藍435.8 nm。當原色相加時可以產生二次色：紅藍相加時為深紅色，綠藍相加時為青色，紅綠相加時為黃色。彩色全息顯示也是基于顏色疊加匹配的原理，構建相應的顯示系統，一般通過控制三基色光源的強度比和強度空間分布，重構顯示彩色物體。以二維圖像為例，給出相應的模擬實驗證明色彩疊加原理的可行性。如圖1 所示，原始彩色圖像內容為四種顏色的字母，依次為紅色A，綠色H，藍色U，白色W。首先將其這幅彩色圖像分成RGB 三基色部分，然后采Gerchberg-Saxton(GS)算法[23]分別計算RGB 三色分量圖像對應的相位全息圖。緊接著模擬每個相位全息圖的全息再現結果，最后將三色全息再現結果通過時序疊加或是空間疊加的方式組合成彩色圖像，完成對原始彩色圖像的全息再現。

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圖1 彩色全息顯示數值模擬示意圖

2.1 全息圖的生成

? ? ? 為了實現彩色全息顯示，首先要生成全息圖。經典的光全息術采用干涉的方法獲得全息圖。在全息圖的記錄過程中對于全息干板（或膠片）以及物體的穩定性提出了比較苛刻的要求，而且，受到激光照明的限制，光全息圖僅可能獲取到中、小尺寸的物體，無法獲取到遠處的物體和景物背景。光傳感器的迅速發展已經使得用數字的方法來實現全息圖的獲取成為可能。數字全息術是一種相干成像的技術，其中全息圖被實時地用數字方法記錄，采用的是數字電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS），然后用計算機進行數值重構或是采用光學方法重構[24-26]。數字記錄得到全息圖的方法具有實時測量的潛力，在許多情況下具有優勢，因此數字全息術成為一個備受關注的研究課題，諸多學者開展了光學系統、減少散斑噪聲以及波前重構算法等方面的研究[27-31]。需要指出的是，數字全息術的最大局限在于CCD（或CMOS）的分辨率是有限的，而且該類電子裝置記錄的是正實數的2D 陣列，而光波場是由復值表示的3D 場。

? ? ? 計算機產生全息圖(CGH)最早由Lohmann 等[32] 提出。他們引入了一種純數字實現的全息圖方法并稱之為迂回相位方法，此方法可以歸屬于基于單元（相對基于點像素）的全息圖。計算機產生全息圖巧妙地將計算與光學結合起來，以規避光全息術中記錄階段的相干光照明、化學處理方法以及記錄物體尺寸的限制。國內，20 世紀80 年代出版了專著《計算機制全息圖》[33]，并且作者開創性地將CGH 技術用于制作凹面全息光柵及合成孔徑雷達信號光學處理等方面。當然，CGH 不但可以通過模擬光全息物理過程的獲得，也可以根據全息圖重構時衍射成像的要求采取一種面向衍射的計算方法。MIT 多媒體實驗室的工作正是這種在自由空間用逆傳播來求解光波場的方法，可以得到更快的速率和更小的帶寬[34]。CGH 作為復波場的一種數值表示方法發展到今天可以實現相當廣泛的波陣面變換。例如，根據傳播域可以分為菲涅耳和傅里葉型等；根據透射約束，有灰度值、二值、相位和振幅型等；同時，根據記錄的手段，它們也可以分為基于點像素或基于單元的全息圖。CGH 的研究熱點在于如何在保證重構質量的情況下減少運算量、提高計算速度，目前已經從算法改進、優化以及硬件提升等方面開展了很多相應的研究[35-41]。近期，Tsang 等[39]提出了一種基于插值波前記錄平面技術的菲涅耳全息圖快速生成算法，通過采用圖形處理單元（GPU），可以達到4 × 106 個對象點40 frame/s 的計算速度。在特定情況下這已經可以滿足動態實時的全息圖計算需求，因此計算機產生全息圖的方法將是彩色全息顯示編碼的一種重要途徑。此外，計算彩色彩虹全息術顏色復現機理[41]以及彩色計算全息顏色的匹配問題的研究[42]對于彩色全息顯示有很好的借鑒作用。壓縮全息技術結合了全息術和壓縮感知理論[43-44]，可以從2D 全息測量數據中重建3D 層析對象，也是彩色全息顯示值得關注的一個研究方向。

2.2 空間光調制器

? ? ? 彩色全息顯示的核心器件是實現全息視頻系統的核心器件空間光調制器，通過計算機控制實現對光的波陣面在空間和時間上的編程調制，通過改變波陣面的振幅、相位、偏振實現對3D 景物的繪制和重構。如今正處在SLM 技術百花齊放的時代，常見的全息顯示系統分別基于聲光調制器、微機電系統(MEMS)或是液晶SLM(LC-SLM)建立。

? ? ? MIT 的研究者先后建立了Mark-I,II,III,三代全息顯示系統，其基本思想是采用AOM 作為動態顯示的手段并通過掃描調制器的圖像來形成一個大的顯示窗口。AOM 系統需要通過聲光交互將計算得到的數字條紋轉換成高頻模擬信號，在系統的構造過程中會面臨一些問題。2013 年基于AOM 的全息視頻顯示系統取得了重要進展，Smalley 等[11]將各向異性漏模態調制器用于全息視頻顯示，并給出了單個通道各向異性波導得到的全息立體效果圖，尺寸為35 mm×20 mm。

? ? ? 數字微鏡器件(DMD)是基于MEMS 工藝器件的典型代表，美國德克薩斯州西南大學醫學中心采用DMD 器件建立了全息動態顯示系統[8]。不少研究者在此基礎上開展了關于DMD 對全息圖的調制機理與衍射原理的研究，并將DMD 分辨力、微鏡尺寸、間隔、旋轉角度、參考光入射角以及衍射條件等因素結合到計算全息編碼等方面[45-46]，這些工作對利用具有離散像素結構的動態SLM 進行全息編碼的理論、算法和系統實現都是一種參考。DMD 由3D 微刻蝕技術制造，可以制造相當復雜的光學系統，可是從全息顯示的觀點來看，它的像素尺寸難以變小、刷新頻率不足。針對以上問題，2012 年，比利時校際微電子研究中心(IMEC)報道了基于MEMS 工藝制作模塊化亞波長衍射光調制器用于高清晰度的全息顯示[47]，該器件中的小反射鏡單元上下快速運動，使全息圖以動態形式呈現，如果預期顯示目標得以實現將是一個令人振奮的突破。

? ? ? 液晶技術具有驚人的資源和多功能特性。大多數液晶SLM 采用電尋址方式，可以用于形成透射或反射裝置。作為液晶SLM 的一種，硅基液晶（LCOS）在基于強度調制的2D 顯示應用領域，與液晶顯示器（LCD）相比沒有突出的優勢。但是在全息顯示、自適應光學、光束偏轉、激光材料加工的應用中，LCOS 具有廣泛的應用前景[48]。LCOS 工作在光反射的狀態，將平板顯示技術與硅微電子技術嫁接起來，該技術具有物理尺寸小、高分辨率、高填充率等諸多優勢，而且反射式結構使光兩次通過調制器得到雙倍的效應，使得調制器變得更??；結果使LCOS 得到快4 倍的響應速度。

? ? ? ?采用不同調制類型的可編程空間光調制器顯示CGH 已成為全息顯示系統的一個普遍選擇。如上文所述，光波場是由復值表示的3D 場，全息術能夠通過調制光束的振幅和相位來合成一個光的波陣面。因此實現復調制是彩色全息顯示中的一個重要任務。然而，在SLM 平面上實現對整個復光場區域的完全控制是困難的，因為目前SLM 僅能表示有限的復數值集合，其振幅調制和相位調制一般是耦合的，不可以同時獨立地調節入射光的相位和振幅。針對這一問題，已經有一些解決方法?？梢赃x擇純振幅調制器[49]或是純相位調制器[50]實現復調制，也可以在顯示系統中通過分光棱鏡級聯兩片SLM 的配置方案，主要方法[51- 54]有：兩個SLM 分別顯示全息圖實部和虛部；兩個SLM 分別用于調幅和調相。當然為了減少系統中使用SLM 的數量，也可以在單片SLM 上劃分不同的區域[55]實現以上調制。能在整個復平面上編碼實現復調制是一種理想的情況，而近期，從簡化彩色全息顯示系統的角度考慮，需要犧牲一定的復調制能力?；谙辔徽{制SLM 建立系統是實現彩色全息顯示的優先發展方向。雖然，失去振幅或是相位的變化都會使重構質量下降，但與振幅系統相比，相位系統能夠提供更好的性能，其中一致的透射率（或反射率）可使光能的利用率最大化。

? ? ? ?對于彩色全息顯示中SLM 的相位調制，理想的情況下它應該能夠對所用的多波長都能得到2π 線性相位調制能力。實際上，通常采用的液晶SLM 的相位調制能力取決于入射光波長、入射角度、偏振態等因素。彩色全息顯示系統需要采用多基色光源，入射光的波長發生改變，液晶SLM 的調制特性曲線也不盡相同，因此，準確測量多波長情況下的相位調制特性曲線是實現彩色全息顯示的前提條件。目前，相位調制特性曲線的測量方法主要包括泰曼格林干涉儀法、雙縫干涉測量法以及徑向剪切干涉法等[56-57]，也可以通過橢偏儀法測量相位調制的色散特性[58]。近期出現的利用全息干涉計量原理和數字全息變焦系統進行測量的方法也是一個有益的探索[59]。在獲得相位調制特性曲線后，調整驅動電壓、對光學器件進行優化配置、通過查表法調整相位偏差等對于改善全息重構質量都能夠提供幫助[21,60]。

2.3 照明光源

? ? ? ?激光作為光源，具有亮度高、單色性好、方向性好等諸多優勢。目前已有以紅、綠、藍三基色（或多基色）激光為光源的激光顯示技術，可以提供高清、全色的顯示效果。同時，激光作為一種相干性光源，被廣泛應用于目前的全息顯示系統，同樣彩色全息顯示可以采用多基色的激光作為光源實現。通常，彩色全息系統中的激光光源在經過擴束、濾波后，產生均勻的準直光束用于照明SLM。但是，彩色全息顯示并不限于采用準直光束照明。近期，為了減少傅里葉全息投影系統中透鏡的數量，Buckley[61]采用光纖耦合激光器作為光源提供球面波照明，通過編碼等效透鏡至菲涅耳全息圖，最終的系統僅僅采用單一透鏡。Makowski 等[22]采用三色的光纖耦合激光作為系統的光源，類似于三色發散球面波照明空間光調制器，實現了彩色全息顯示。Chuan 等[62]分析了會聚球面波照明條件下的全息投影技術，分別消除了菲涅耳全息投影和傅里葉全息投影中的零級衍射光的干擾。李俊昌等[63]分析了數字全息中球面波照明下消除零級光干擾的方法。

? ? ? ? ?選擇多基色的激光作為光源實現彩色全息顯示也存在一定的問題。首先，在相干光學的處理中，重構圖像面臨散斑噪聲的影響。已經存在多種消除激光散斑噪聲影響的研究[64-67]，但是相對來說，它們都是比較復雜的。其次，當觀察者直視時，激光作為光源會面臨一定的安全問題，所以對于激光的功率有著嚴格的限制。為了解決以上問題，很多研究者基于發光二極管（LED）建立彩色全息顯示系統[68-70]。與激光器相比，LED 的成本低且易于操作。單色發光二極管具有部分相干性，可以提供一定的時間相干性和空間相干性[71-72]，其輻射光可以用作全息圖的照明。劉翠萍等[73]從色度上分析研究了發光二極管用于彩色全息圖照明的可行性,并開展了相應的色度測量與評價實驗。此外LED 安全性良好，可以有效地滿足人眼直視觀察的需求。盡管由于其低相干性，全息重建質量可能會降低，但是選擇多色的LED 作為光源實現彩色全息顯示仍然是一種有效的途徑。

3 系統構建

3.1 時分復用

? ? ? ? 實現彩色全息顯示的時分復用方法一般采用三基色光源（以激光為例）分時照明單片空間光調制進行

光學重構。系統原理圖如圖2 所示（為了方便說明，示意圖中采用透射型SLM）。

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圖2 基于時分復用的彩色全息顯示

? ? ? ?時分復用方法通常將單位時間段T 等分成三個子時間段t1 ，t2 ，t3 ，則t1 = t2 = t3 = T 3 ，在每個子時間段t1 內，只有紅色光源照明空間光調制器，此時加載紅色分量全息圖到SLM 上。在每個子時間段t2 內，只有綠色光源照明空間光調制器，此時加載綠色分量全息圖到SLM 上。在每個子時間段t3 內，只有藍色光源照明空間光調制器，此時加載藍色分量全息圖到SLM 上。時序工作示意圖如圖3 所示，依此類推，在每個單位時間段T 內都完成了紅、綠、藍三個單色全息再現像的顯示，當單位時間T 足夠小時，即三色全息圖切換的頻率足夠高時，利用人眼的視覺暫留效應，可以實現觀察到彩色全息再現像。

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圖3 激光工作和SLM 加載全息圖的時序示意圖

? ? ? ?基于時分復用方法的彩色全息顯示系統結構簡單，使用器件較少，特別是僅需要一個空間光調制器。但是它需要精確地保證單色光源的工作時間與加載對應顏色分量全息圖時間的同步性。對于單色分量來說在時間軸上有一定的能量損失。同時，因為需要高速切換三個單色全息圖合成彩色全息重構像，系統對于空間光調制器的響應時間也提出了較高的要求。鐵電液晶可以提供非?？斓那袚Q頻率，是一個通用的選擇。但是鐵電液晶一般只能實現二進制調制，相位分階數不足，會對衍射效率以及全息重構質量產生不利的影響。2009 年，Martínez 等[74]利用投影機中的色輪和鐵電液晶實現了彩色全息顯示系統，系統通過步進電機控制彩色濾光輪旋轉實現三色激光的時序工作控制。2011 年，王濤等[75]構建的時分復用的彩色全息顯示系統中采用了單一的半導體RGB 激光器作為光源，減少了分光棱鏡的使用。激光控制器控制分時照明，光路比較簡潔。最終通過CCD 采集全息光電再現像，實現彩色全息再現像。

3.2 空分復用

? ? ? ?實現彩色全息顯示的空分復用方法一般采用三基色光源（以激光為例）分別照明三個空間光調制器進行光學重構，并在重構平面實現三個單色全息再現像的合成。如圖4 所示，具體的原理為：全息再現時，將計算得到的三個單色全息圖同時加載到對應的空間光調制器上，驅動電路同時驅動三個空間光調制器工作，三色光源分別入射三個空間光調制器，最終的RGB 三色全息再現像在空間進行配準合成，得到彩色全息再現像。2012 年，王岳等[76]建立的空分復用彩色全息顯示系統借鑒了商業投影儀的結構，三個LCOS 呈U 形排布，通過分光棱鏡，X 棱鏡的共同作用，實現彩色全息顯示。

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圖4 基于空分復用的彩色全息顯示

? ? ? ?基于空分復用方法實現的系統具有更高的光學效率，并在色彩還原和分辨率等方面具有諸多優勢，是彩色全息顯示發展的一個重要方向。但需要指出的是這種方法構建的系統結構較復雜，采用的器件較多，如三個SLM。而且系統存在三個單色全息再現像空間合成的精確配準問題。

3.3 空間劃分

? ? ? ?空間劃分的方法僅使用單片高分辨率的SLM，但是將SLM 劃分成三塊子區域，每塊子區域加載對應的紅、綠、藍三色全息圖，最終利用衍射特性，在重構平面形成彩色全息再現像?？臻g劃分的方法和時分復用的方法一樣使用了較少的SLM 器件，然而損失了紅、綠、藍三色全息圖的分辨率性能指標，如果采用更高分辨率的SLM，可以減少對全息重構質量的影響。2010 年，Makowski 等[77]基于空間劃分的方法建立了彩色全息顯示系統，系統原理如圖5 所示，分別采用He-Ne 激光器、二極管抽運固態激光器以及氬激光器提供紅、綠、藍三色激光光源，三色激光束經過擴束后同時照射一片空間光調制器三塊子區域，最終得到的三色全息再現像在投影屏上進行合成。其中，系統采用的空間光調制器為Holoeye 公司的PLutoVIS，SLM 的分辨率為1920 pixel×1080 pixel，像素間距為8 mm。單片SLM 等分成三片區域，如圖5（a）所示，計算得到三色分量全息圖分別加載到對應的1/3 區域。系統示意圖如圖5（b）所示，利用光闌的作用，使全息再現時每束激光僅僅照射SLM 的1/3。后續改進的系統中[22]，在SLM 前方的位置水平地放置三色的光纖耦合激光作為系統的光源，對應SLM 上的三個子區域，類似于三色發散球面波照明空間光調制器，最終實現了較好的彩色全息顯示效果，構建的系統結構更加緊湊且易于實現。此外，為了實現彩色雙眼立體顯示的效果，Choi 等[78]采用空間劃分的方法建立的系統中將SLM 分為了六塊子區域，分別對應左右眼視覺，這又進一步降低了全息圖的分辨率。

3.4 空間疊加

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圖5 基于空間劃分的彩色全息顯示。(a)單片SLM 劃分示意圖;(b) 系統裝置示意圖

? ? ? ? 空間疊加的方法主要有兩種。一種是在xy 平面不同的位置形成三色全息再現像，感興趣的彩色全息再現像由三個單色全息再現像的重疊交集部分構成。典型的系統由日本學者Ito 等[19] 給出，系統如圖6（a）所示，采用了一個高分辨率的反射型LCD 作為空間光調制器，它的像素間距是10 μm ，分辨率是1400 pixel×1050 pixel。因為三色LED 放置在直角三角形的頂點上，三個單色全息再現像的位置相互不同，彩色全息再現像的有效部分僅為三色分量的中間合成區域。另一種是全息投影顯示二維圖像時，利用不同波長照明菲涅耳全息圖，三色全息再現像重構在距離SLM 不同z 處的平面，在特定的重合平面接收彩色全息再現像。典型的系統由Makowski 等[79] 構建，系統原理如圖6（b）所示，為了獲得彩色全息圖，圖像的紅、綠、藍三部分被編碼在距離全息圖不同的三個位置，當全息圖被不同波長的光照明時在不同的位置獲得三幅全息再現像，在距離全息圖100 mm 平面處獲取彩色全息再現像。

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圖6 基于空間疊加方法的彩色全息顯示示意圖。(a)同一平面;(b)不同平面

4 成像分析

4.1 像素結構問題

? ? ? ? ?LC-SLM 采用用一個單獨尋址的矩陣來控制像素對光進行調制。如圖7 所示，LC-SLM 的像素幾何結構由像素大小d 、像素間距Δd 所確定。像素大小與像素間距的相對比率的平方稱為填充因子。通常像素結構的SLM 具有有限大小的填充因子（即小于100%），當采用這類像素結構的空間光調制器進行全息顯示時，再現像的重構結果會受到像素結構的影響。

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圖7 SLM 像素結構圖

考慮遠場衍射特性，當采用準直光照明時，全息重構關系可表示為:

U(x,y) ≈ ?{t(u,v)} ,

式中t(u,v) 表示SLM的透射率（反射率）函數，?{ }表示傅里葉變換。

? ? ? ? 最終的衍射圖樣中心出現的一個亮斑，稱為零級光，是由像素之間非活動區域產生的光的反射或透射造成的。除此之外，最終的圖樣會產生顯著的衍射效應，即產生多級衍射現象[80]。像素結構造成全息圖傅里葉變換的諧波復制現象，即多級衍射全息再現像。多級衍射全息再現像的能量分布受到SLM 單個像素衍射因子的調制。零級光和多級衍射光的存在影響了全息重構的視覺感受并且降低了光能的利用率。Arrizon 等[81]分析了具有有限填充因子的SLM 的衍射效率問題。為了解決SLM 像素結構引起的零級光、多級衍射光和全息圖對應的多級衍射再現像對于全息重構的干擾，在全息投影應用中，目前大多數的研究立足于濾波的方法[82-83]，即采用加載等效透鏡相位到全息圖，達到分離重構圖像與零級光位置的目的，再利用濾波器進行濾除零級光。也可以通過設置4f 系統進行頻域濾波從而消除高級衍射光的影響[84]。此類濾波的方法與電尋址SLM 的可編程特性相結合，可以獲得簡單有效的結果，但是降低了光能利用率。而通過引入校正光束與零級光束相互干涉抑制零級光影響的方法提供了另一種思路[85]。近期，利用相位壓縮技術抑制零級光影響的研究工作也是在此方法的基礎上開展的[86]。此外，數字全息中也有諸多消除零級衍射的研究工作[63,87]。

? ? ? ? 全息圖用于3D 感知，為顯示一個有用的全息圖，觀察者的兩只眼睛都必須位于系統提供的視場范圍內。獲取大的衍射角以及高的衍射效率是彩色全息顯示的兩個主要問題，根據光柵方程，目前基于單片SLM 的全息顯示系統不足以提供良好3D 感知所需要的視場角。而根據液晶相位光柵的理論，隨著光柵周期的減小，衍射角度變大，但是1 級衍射光效率也變得越來越小[88]。全息再現主要利用1 級衍射實現，如果衍射效率很低將無法提供3D 重構所需要的能量?，F有的擴大全息顯示系統視角的方法主要是基于多片SLM拼接的方法。其中多片SLM 的拼接方式多種多樣，可以是“鋪磚”似的利用半透半反鏡將多片SLM 平面排列無縫地拼接[9]，也可以是多片SLM 以扇形的結構拼接在一起擴展再現視角[10,89]。采用多片SLM 拼接擴大全息再現視角的方法是可行的，但是需要采用復雜繁多的光學器件構建系統，而且多片SLM 的無縫拼接本身就是一個很大的挑戰。如果彩色全息顯示系統采用這種方法將進一步增加系統的復雜度，對于系統構建是不利的。因此，對于彩色全息顯示而言，采用單片SLM 構建系統將是簡單而有益的。近期，Liu 等[15]提出采用分時和空間平鋪的方法，通過疊加線性相位因子構建系統，達到等效于彎曲的SLM 陣列的目的。Wilkinson[90]將液晶和垂直生長的碳納米管結合起來，創造了一種可以重新配置的3D 液晶裝置結構，該陣列的像素間距約為1 μm ，接近全息顯示的需要。

4.2 彩色全息顯示的色差

? ? ? 彩色全息顯示需要重構由不同波長（顏色）記錄的圖像，而且產生的重構圖像必須精確地疊加以得到正確的色彩顯示。全息顯示利用衍射成像，衍射本質上與波長相關。彩色全息顯示中由于波長不同引起的色差問題主要有兩種，一種為倍率色差，另一種為縱向色差，分別如圖8 所示。

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圖8 彩色全息顯示色差示意圖。(a)倍率色差; (b)縱向色差

以Stanley 等[91]給出的全息圖傅里葉重構幾何分析為例，全息重構時，再現像的大小為:

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? ? ?式中λ 表示光源的波長，f 表示傅里葉透鏡的焦距，px ,py 表示空間光調制器橫向和縱向的像素間距。由(2)式可知，全息顯示系統重構顯示二維圖像的大小與三個參數相關，若傅里葉透鏡的焦距f 和空間光調器的像素間距p 確定，則在采用紅、綠、藍三色激光器進行全息再現時，再現圖像的大小與波長λ 成正比例關系，即:

hR:hG:hB = λR:λG:λB .

? ? ?為了使三色波長照明下全息再現像得到同樣的橫向放大，通常選擇對原始三色圖像分量、三色全息圖或者最終的全息再現像進行必要的縮放操作。同樣的方法也適用于基于菲涅耳重構的幾何分析[92]。

? ? ?對于縱向色差而言，透鏡對三基色波長產生了不同的焦距。在構建彩色全息顯示系統時可以選擇消色

差傅里葉透鏡代替普通的透鏡[76]，消色差傅里葉透鏡可以通過正負透鏡的組合，使三基色波長近似具有相同的焦距。當然也可以利用具有抵消色散屬性的衍射光學元件矯正色差。因為SLM 具有可編程特性，因此，不添加任何光學元件，只是通過計算的方法編碼衍射光學元件到SLM 上也可以達到消除縱向色差的目的。Wang 等[93]提出的彩色全息顯示系統就是通過加載一個計算的相位分布到相位全息圖上，生成一個可編程的衍射光學元件，從而消除縱向色差。

5 結束語

? ? ?目前構建的系統不能滿足真彩色3D 顯示所希望的質量和技術要求，彩色全息顯示仍然面臨諸多挑戰。利用衍射成像需要濾除零級光、高階衍射光和多級再現像，而且重構的圖像被限制在一個有限的小區域中，與此同時，最大衍射角決定了重構時的可觀察視場。要實現真正的彩色全息顯示仍然需要更多的研究來進行改善。一方面，需要降低目前彩色全息顯示中對光源相干性的要求，降低高分辨率要求，消除多級衍射以及色差影響等。另一方面，如果能夠實現全息圖的快速生成和有效編碼，獲得亞波長特征像素的復調制空間光調制器件，構建簡單結構的系統，將會對彩色全息顯示的實用化起到積極的推動作用。

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