Хунджонг Кан, Елена Стойкова, Парк Цзюн, Сонхи Хон и Енмин Ким
Дополнительная информация доступна в конце главы
http://dx.doi.org/10.5772/53412
Введение
Денис Габор [1] изобрел голографический метод для повышения разрешающей способности электронного микроскопа в 1947 году. После изобретения когерентных источников света десятилетие спустя голографические методы доказали свой уникальный потенциал во многих областях как трехмерные (3D) технологии отображения [2], оптическая метрология [3], медицина [4], торговля и т.д. Среди них широкое развитие получает полноцветная и полно параллаксная голографическая печать высокого разрешения как техника записи 3D-объектов и сцен, реконструируемых при освещении белым светом. Голографическая печать, являясь частью исследований по 3D-изображению 3D-объектов из выборочных наборов данных голографическими средствами, также следовала двум основным подходам в этой области:
- вычисление голографических полос путем численного моделирования интерференции и кодирование полученного рисунка на подходящий носитель для дальнейшего оптического отображения;
- цифровое получение или вычисление набора дискретных перспектив сцены и их оптическое мультиплексирование в голографическом носителе для построения стереоскопического псевдо-3D изображения.
Голографическая стереограмма (ГС) получила большое внимание исследователей, поскольку она может уменьшить полосу пропускания голограммы, определяя область обзора, в то время как голография - это метод восстановления реального волнового фронта светового поля, исходящего от объекта. Однако из-за особенностей, присущих голографической записи, пришлось провести дополнительные исследования этого новаторского метода. Примерами таких ценных усилий были двухэтапный метод, метод пространственного мультиплексирования, метод только горизонтального параллакса (HPO) и геометрия экспозиции HS. На рис. 1 показаны исторические события важных технических разработок, связанных с ГС.
Первый эксперимент на ГС был проведен Р. В. Поляком в 1967 году. Эксперимент Поляка включал в себя запись множественных перспектив с помощью двумерной (2D) линзовой решетки fly's eye с некогерентным белым светом, а затем переносом перспектив на голографический материал [5]. Пространственно-мультиплексированная техника Де Битетто с помощью последовательной экспозиции мелкозернистой пленки (например, Panatomic-X) дала ключ к преодолению ограничения разрешающей способности оригинального подхода Поляка к ГС [6]. Интенсивные исследования в области печати HSS проводила с тех пор 1970-е годы [7]. В работе [7] большой HS был записан из последовательности вычисленных перспективных изображений 3D-объекта, снятых с нескольких точек зрения, равноудаленно расположенных на части круга. “Радужная” голограмма Бентона [8] и “Мультиплекс (ТМ)” Ллойда Кросса [9], разработанные с
использованием голографической техники HPO, были выражением усилий по сокращению полосы пропускания и простому получению перспективных изображений.
В 1974 году Ятагай [10, 11] предложил метод ускорения получения компьютеризированных ГСС, согласно которому компьютер вычислял не только перспективные изображения, но и элементарную голограмму путем преобразования Фурье этих изображений для построения композитной голограммы. Исследование было продвинуто вперед в 1990 году для простого процесса с помощью пространственного модулятора света (SLM) и внедрения импульсного лазера, когда был изобретен принтер onestep для полных параллаксных голографических стереограмм [12, 13]. Суть метода заключалась в последовательной записи нескольких объемных элементарных голограмм путем отображения на SLM углового распределения светового поля для каждой элементарной голограммы, построенной из последовательности перспективных 2D-изображений. Результатом является стереоскопическое зрение при различном угле просмотра. В 1998 году был запатентован голографический принтер для одношагового цветного полного параллакса HSS [14], который был дополнительно усовершенствован Geola group [15-17], предложив гораздо более быструю и стабильную реализацию метода голопечати импульсными RGB-лазерами. В настоящее время передовые принтеры HS с CW или импульсной лазерной подсветкой могут производить видимые в белом свете широкоформатные цифровые цветные голограммы [18]. Недавно были получены многообещающие результаты, когда метод голографической стереограммы был применен для реализации квазиреального 3D-дисплея. Была произведена печать на недавно разработанном стираемом динамическом фоторефрактивном материале [19] с использованием импульсной лазерной подсветки. Принцип работы ГС был реализован в изогнутой матрице динамического голографического дисплея, построенного из множества SLM [20].
В 2004 году было предложено и разработано устройство для прямой печати голографической интерференционной картины [21, 22]. Голографический узор интерференции генерируется компьютером на основе 3D-информации, извлеченной из 3D-объекта, и далее печатается на светочувствительной голографической пластине. SLM отображает в этом случае дробную часть узора интерференционной картины для записи элементарной голограммы. С тех пор много усилий было сосредоточено на прямой печати различных типы компьютерных голограмм, которые могут быть восстановлены при лазерном или белом освещении. Структура главы такова: Раздел 2, состоящий из пяти подразделов, дает критический анализ исследований по печати HSS и обзор последних достижений в области печати широкоформатных полноцветных HSS. Подраздел 2.1 описывает принцип печати ГС.
В подразделе 2.2 рассматриваются преимущества и недостатки различных методов получения перспективных изображений и объясняется формирование параллаксных изображений. Подраздел 2.3 производит анализ искажений, ухудшающих качество реконструируемого изображения.
В подразделе 2.4 представлен разработанный нами инструмент моделирования для численной реконструкции HS из сформированных параллаксных изображений в качестве проверки качества перед печатью. В подразделе 2.5 представлены основные блоки установки принтера и описаны основные требования, предъявляемые к фоточувствительным материалам, используемым для панхроматической голографической записи объемных отражательных голограмм. Раздел 3 состоит из трех подразделов и посвящен прямой печати голографический узор бахромы на светочувствительном материале. В подразделе 3.1 кратко представлены специальные методы ускорения генерации картины интерференции для различных голограмм, которые могут быть изготовлены методами голографической печати. Кроме того, подраздел 3.2 посвящен технике прямой печати сгенерированного голографического рисунка интерференции на голографической эмульсии. В подразделе 3.3 рассматривается техника записи волнового фронта, которая является новой технологией. Суть метода заключается в записи в виде объемной голограммы волнового поля дифракции от голографического узора интерференции, отображаемого на подходящей SLM. В результате записывается цифровая объемная голограмма, качество которой сравнимо с обычной аналоговой голограммой. В заключении главы даны перспективные направления развития голографической печати.
2. Печать голографических стереограмм.
2.1. Голографические стереограммы. Принцип голографической печати.
Голографические стереограммы являются популярными авто стереоскопическими дисплейными устройствами с сильным визуальным воздействием [23]. Они реализуют идею отображения 3D-сцены с помощью стереоизображений и свойство голографической среды регистрировать трехмерный волновой фронт через интерференцию и восстанавливать его дифракционными методами. Основная технология, лежащая в основе HS, проистекает из внеосевой дисплейной голографии и автостереоскопических подходов в линзовидных и параллаксных барьерных дисплеях [24]. Эта технология позволяет получать высококачественную квазиголографическую 3D-визуализацию крупных объектов. Чтобы сделать HS, последовательность 2D-изображений сцены бессвязно получается из нескольких видов. Обрабатывается направленная информация, передаваемая этими перспективными изображениями для формирования параллаксных изображений, которые после отображения на проекционном экране записываются на голографический светочувствительный материал когерентным источником по двухлучевой схеме записи. Изображения, связанные с параллаксом, модулируют интенсивность объектного луча. Вся голограмма разделена на элементарные голограммы, которые последовательно включаются в общую картину параллаксных изображений. Подсветка интерференционного рисунка, записанного в голограмме для реконструкции 3D-сцены, обеспечивает пространственное мультиплексирование перспективных видов.
Стереоскопия существенно уменьшает огромное количество информации, закодированной в голограмме, поскольку эта информация записывается с конечного дискретного набора точек зрения. Пропускная способность HS, которая представляет собой последовательность дискретных апертур для зрителя, уменьшается через заданный объем просмотра с помощью окна просмотра HS. Каждая апертура дает информацию для одного 2D-изображения сцены. Левый и правый глаза зрителя наблюдают различные перспективы сцены, рассматриваемой с разных сторон, поэтому зритель воспринимает стереоскопическую картину благодаря бинокулярному параллаксу. Когда зритель перемещается от одного изображения к другому, параллакс наблюдается дискретными шагами. Зритель может приблизиться к объекту, но аккомодация происходит либо на бесконечности, либо на некоторой виртуальной плоскости наблюдения, т. е. HSS можно разделить на стереограммы HPO и полные стереограммы параллакса в соответствии с использованными свойствами параллакса. На ВПО стереограммы записываются с помощью цилиндрической линзы который фокусирует лазерный луч в узкой вертикальной щели и сохраняет неискаженное распространение в вертикальной плоскости. ГС этого типа часто называют мультиплексными стереограммами [25]. Горизонтальная ориентация глаз человека позволяет отбросить вертикальный параллакс и при этом получить адекватное восприятие формы предметов и их расположения в пространстве. Это делает HPO HSS эффективным подходом для визуализации 3D-объектов. Если перспективные виды взяты из медленно движущихся объектов, стереограмма HPO может отображать это движение, связывая его с записью параллакса.
Анимированные HSS также могут быть получены путем жертвования вертикальным параллаксом для кодирования движения объекта [26]. В первом произведенном HPO HS [27] расстояние между плоскостями захвата перспективных изображений а камера слежения должна соответствовать расстоянию между проекционным экраном и плоскостью голограммы. Для просмотра неискаженного изображения, создаваемого таким ГПО, глаза зрителя должны совпадать с элементарными голограммами. Чтобы облегчить это требование, был изобретен двухэтапный процесс записи, в котором записанный HS становится ведущим для оптического переноса с помощью фазово-сопряженного источника освещения во второй HS, который записывается для обеспечения более удобного расстояния просмотра. Можно обойтись без двухэтапного процесса записи путем создания предварительно искаженных изображений в компьютере из направленной информации, закодированной в перспективных изображениях, была изобретена так называемая ультраграмм-стереограмма HPO [28, 29].
Для составления ГС было разработано множество различных методов. Однако независимо от метода ГС можно рассматривать как массив преобразованных Фурье перспективных изображений сцены. Таким образом, ГС имеет только один фазовый член, связанный с направлением распространения [30]. Следуя описанию дифракционных свойств ГС, приведенному в работе [31], перспективные изображения состоят из пикселей (элементов изображения), которые посылают свет с одинаковой интенсивностью во всех направлениях. Стереограммы кодируют информацию о направлении. Они могут быть составлены из дирелей (направленных элементов), которые излучают сферическую волну с контролируемой величиной интенсивности в каждом направлении, или из хогелей (голографических элементов) в случае ГС, которые излучают набор плоских волн с контролируемой интенсивностью в разных направлениях [32]. В порядке для обеспечения аккомодации и улучшения представления параллакса плавного движения в HSs в работе [31] введен вафель (элемент волнового фронта), который посылает контролируемую интенсивность света с контролируемой кривизной волнового фронта в каждом направлении. ГС, составленный из вафель, называется Панорамограмма [31].
Современные цифровые голографические принтеры, основанные на принципе HS, обеспечивают автоматизированный одноступенчатый процесс печати для получения полноцветного полного параллакса, видимого при освещении белым светом.
Основные этапы процесса печати включают в себя:
- постобработка полученных изображений для формирования изображений, связанных с параллаксом для восстановления без искажений;
- голографическая запись элементарных голограмм.
Принцип печати HS схематично изображен на рис. 2 для случая полного параллакса голограмма, принимающая оптическую схему голографического принтера, предложенную в работах [12, 13].
Авторы придумали название многоточечному методу записи для предложенной методики. Параллаксное изображение, составленное из информации, взятой с разных точек зрения, отображается средствами ОДС. SLM может быть прозрачным или отражающим жидкокристаллическим дисплеем (LCD) [33] или цифровое микрозеркальное устройство (ДМД) [34]. Голографическая запись соответствует отражательной голограмме типа Денисюка. Освещающий когерентный пучок света от лазерного источника
расщепляется на взаимно когерентные объектные и опорные пучки. Объектный луч освещает изображение, отображаемое на SLM. Он фокусируется линзой с высокой числовой апертурой на открытой области пластины голограммы, которая содержит элементарную голограмму. Другое название было введено для элементарных голограмм в виде хогелей [32] или голопикселей [35]. В этой главе мы будем пользоваться словом хогель. Пластина голограммы расположена близко к фокальной плоскости объектива. Для улучшения условий освещения на пластине голограммы в объектный луч может быть введен рассеиватель [6, 36, 37]. Засветка оставшейся части голограммы предотвращается с помощью маскирующей пластины. Опорный луч освещает открытую область с противоположной стороны, образуя толстую отражающую голограмму в фоточувствительном слое пластины.
Свет отражается от голограммы в соответствии с дифракцией Брэгга, что делает возможной реконструкцию при освещении белым светом. Полноцветный ГС может быть записан на панхроматический записывающий материал тремя лазерами, излучающими на длинах волн первичных цветов [38]. Лазеры излучают в одночастотном режиме и обеспечивают пучок с пространственной структурой TEM00. В некоторых установках между светочувствительным слоем и опорным лучом имеется маскирующая пластина с размером апертуры, равным размеру хогеля. Пластина голограммы последовательно переводится в горизонтальной и вертикальной плоскостях со ступенью X-Y до тех пор, пока не будет проэкспонирована вся его поверхность. Таким образом, могут быть записаны как горизонтальные, так и вертикальные параллаксы.
Время экспозиции каждого хогеля и перевод голографической пластины контролируются компьютером. Хогель кодирует направленную информацию и интенсивность, которая исходит из всех точек 3D-сцены изображения. Эта направленная информация изменяется в зависимости от положения хогеля в плоскости голограммы. При освещении хогель создает изображение небольшого цветного пятна с заданной интенсивностью для определенного направления обзора. Цветовые пятна, реконструированные всеми хогелями в заданном направлении, образуют одно из полученных перспективных изображений. Реконструированное перспективное изображение меняется вместе с изменением положения зрителя. Запись и последующая обработка перспективных изображений могут быть полностью отделены в пространстве и времени от голографической записи. Хогель кодирует информацию из большого количества пикселей, которые соответствуют количеству перспективных изображений.
Были предложены различные усовершенствования этой классической схемы печати HSS. Метод многоточечной печати в [13] был расширен для печати ГС типа радужной голограммы и многоцветной ГС [39], а также для 3D-визуализации с использованием специально разработанного голографического экрана, напечатанного лазерным принтером с параллаксной информацией [40].
Принимая во внимание сложность получения записи с высокой дифракционной эффективностью в Фурье – плоскости линзы из-за относительно узкого спектра, переносимого объектным пучком, псевдослучайные диффузоры были изобретены независимо друг от друга [36, 41]. Обычный рассеиватель из матового стекла распространяет свет за пределы хогеля как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Это приводит к потере света и, следовательно, влечет за собой увеличение времени экспозиции. Кроме того, для стереограмм HPO такой рассеиватель может ухудшить качество изображения в вертикальном направлении. Цифровой псевдослучайный диффузор с ограниченной полосой пропускания в траектории луча объекта улучшает однородность освещения хогеля [41]. В работе [37] предложены два голографических диффузора, которые могут перенаправлять до 100% падающего света для использования со стереограммами HPO. Первый изготавливается путем записи голограммы полосового диффузора. Второй тип производится путем записи стереограммы HPO прямоугольного точечного диффузора. Голографический диффузор установлен в тесном контакте с SLM, чтобы проецировать реальное изображение диффузора на hogel.
Во втором случае реконструируется многоточечный голографический диффузор. В [14] специальная линза вводится в траекторию объектного пучка вблизи голографической пластины для управления разрешением ГС. Те же авторы также предложили заменить маскирующую пластину специально разработанным голографическим оптическим элементом, который действует как переменный полосо ограничивающий диффузор, перенаправляющий луч объекта на равномерное освещение только области хогеля. Последний вместе со сменной опорной балочной маскировочной пластиной позволяет регистрировать хогели переменного размера. Предлагаемый принтер может быть также использован для изготовления анимированных стереограмм. Специальная система матрица 2D микролинз используется в принтерах Geola [35] для формирования хогелей или голопикселей переменного размера и формы. Технология HS применяется в Zebra Imaging [42] в США с использованием фотополимеров DuPont, 3D Holoprint [43] во Франции с использованием Ultimate’ silver halide материалов, Inline holography Inc. из Канады и другие. В работе [44] предложен и апробирован голографический принтер, производящий анимированную ГС в вертикальном направлении с сохранением полной параллаксной информации в горизонтальном направлении. Анимационный эффект наблюдается при прокрутке голограммы в вертикальном направлении. Голографические принтеры, разработанные и запатентованные компанией Geola [15,16] полностью описаны в [18,35].
Цвет HSs может быть записан с помощью метода множественной экспозиции [45] или метода первичной цветовой мозаики. В первом способе лучи от RGB-лазеры объединяются в единый луч и одновременно экспонируют каждый хогель. Качество записи зависит от динамического диапазона фоточувствительного материала [38]. Основным недостатком этого метода является перекрестная связь между отдельными цветовыми каналами [46]. Во втором методе применяется пространственное разделение экспозиций для основных цветов, которое, однако, уменьшает в три раза дифракционную эффективность. Предложен метод управления цветом полноцветного голографического 3D-принтера для HSs при освещении RGB-лазерами. [47] через спектральное измерение реконструированного света. Сообщалось о различных размерах хогеля от 0,4 мм × 0,4 мм до > 2 мм × 2 мм в [18] и 0,2 мм × 0,2 мм в [47]. Уменьшение размера хогеля, чтобы сделать его сравнимым с размером пикселя цифровых дисплеев, влечет за собой увеличение времени печати. Чтобы ускорить процесс записи более мощных непрерывных лазеров, следует использовать SLM с более высокой скоростью обновления. Импульсные лазеры более подходят для этой задачи с точки зрения стабильности печатной системы. Параллельное воздействие нескольких хогелей проверено в работе [48].
2.2. Получение и постобработка перспективных изображений
Получение перспективных изображений требует камеры слежения или моделирования компьютером с использованием различных методов рендеринга. Кроме того, можно комбинировать захваченные изображения с цифровым рендерингом. Изображения далее обрабатываются и записываются в виде хогелей. При правильном получении перспективных изображений ГС может предоставить зрителю анимированное изображение.
Получение изображения для случая HPO показано на рис. 3(а), где камера делает снимки вдоль только горизонтальная оси, и никакой захват не производится вдоль вертикальной оси. Основным преимуществом является сильно облегченное требование к количеству требуемых 2D-изображений за счет расположения глаз зрителя только в горизонтальной плоскости. Процедура захвата для полного параллакса HS показан на рис. 3(b), где камера делает снимки как по горизонтальной, так и по вертикальной осям. Количество полученных изображений возведено в квадрат, что является наиболее существенным недостатком данного подхода. В настоящее время HSs, напечатанный современными голографическими принтерами, может похвастаться размер до 1 м × 1,5 м и поле зрения (FOV) около 100 градусов [18]. Последние достижения в области лазерной техники, компьютеров и SLM делают возможным изготовление HSS с очень высоким пространственным разрешением. Это влечет за собой захват или моделирование тысяч перспективных изображений. Для реальных сцен эти изображения должны быть получены за короткое время, порядка нескольких секунд. На заре голографической печати системы захвата перспективных изображений состояли из камеры, обращенной к объекту, который помещался на вращающуюся сцену [7]. Такая система вводилось трапецеидальное искажение в захваченных изображениях, но это искажение рассматривалось как незначительный недостаток из - за низкого качества самой печати. Позже были разработаны два метода получения перспективных изображений – метод простой камеры и метод перецентрирующей камеры [27].
Простой метод камеры обеспечивает простейшую геометрию для получения и рендеринга за счет неизменного FOV камеры во время процесса захвата, как показано на рис. 4. Камера, направленная вперед, предпочтительно с большим FOV, захватывает перспективные изображения, будучи переведенной равноудаленно вдоль горизонтальной (или вертикальной) оси. Левое положение камеры CLM и правое положение камеры CRM фиксируют снимки, которые показаны на рис. 5. Полученные изображения дают различное перспективное представление об объекте. Недостатком простого метода камеры является то, что объект на изображениях окружен большой неинформативной областью, а количество пикселей, используемых для представления объекта, уменьшается, что также приводит к возможному снижению разрешения. Таким образом, простота рендеринга методом простой камеры уравновешивается ухудшением разрешения и неизбежной неинформативной области на изображениях. Кроме того, требуется камера с большой ПЗС-матрицей, а объектив камеры обязательно должен иметь широкий угол, что может привести к серьезным искажениям в захваченных изображениях.
Основной недостаток метода простой камеры устраняется методом повторной центровки камеры, геометрия захвата которой показана на рис. 6. Это похоже на простой захват камерой перспективных изображений вдоль горизонтальной оси на равноудаленных интервалах, но в этом случае
камера снабжена конфигурацией камеры повторного центрирования для размещения полученных объектов в центре изображений. Полученные изображения камерой повторного центрирования в крайнем левом и крайнем правом положениях на рис. 6 представлены на рис. 7(а) и (б). Неинформативная область уменьшается. Хотя реализация этого подхода более сложна, он позволяет получать изображения с более высоким разрешением. На рисунках изображен перевод только вдоль горизонтальной оси; обобщение на перевод в вертикальной плоскости является аналогичным. Метод камеры повторного центрирования является хорошей моделью для использования при компьютерной генерации перспективных изображений.
Однако для съемки сцен реального времени этот метод требует сложного дорогостоящего оборудования и предъявляет жесткие требования к скорости перемещения ПЗС-матрицы внутри камеры. Широкоугольный объектив также может искажать захваченные изображения.
Недавно было предложено эффективное решение для улучшения получения изображения при сохранении преимущества простого рендеринга методом камеры [49]. В предлагаемом решении камера с обычным фокусным расстоянием поворачивается при смещении. Полученное изображение не искажается в вертикальной плоскости, перпендикулярной центральному лучу, проходящему через камеру, но искажается в плоскости, параллельной плоскости голограммы. Вот почему предлагаемый захват изображения представляет собой двухэтапный процесс. Последовательность захваченных изображений далее предварительно обрабатывается, что бы преобразовать их в изображения, соответствующие виртуальной обращенной вперед невращающейся камере с существенно более широким FOV, как если бы она перемещалась вдоль рельса. Вторая последовательность изображений используется для составления HS. Процедура преобразования и алгоритм интерполяции, разработанные для уменьшения шума, который может быть введен преобразованиями замены пикселей, полностью запатентованы [49].
Для получения реконструкции без искажений сравнительно далеко от голограммы [27], перспектива изображения должны быть перестроена так, чтобы образовать отдельные параллаксные или “хогелевские" изображения, соответствующие различным хогелям в плоскости голограммы, как показано на рис. 8. Как перспективные, так и хогелевские изображения представляют собой двумерные массивы, как правило, с различными размерами. Перспективные изображения ПКЛ, при K =1.п, л =1 м, на площади стека из n ×m изображений, где n и M-количество изображений, снятых в горизонтальном и вертикальном направлениях, а K и L являются показателями, которые дают положение камеры при съемке в 1D или 2D сетках на рисунке 3. Каждое изображение состоит из n ×m пикселей. Размер изображений хогеля равен n ×m, тогда как их число задается N ×M. Пиксели на изображениях хогеля расположены в порядке захвата перспективных изображений по горизонтальной и вертикальной осям. Изображение hogel hij составляется из (i,j)-го пикселя во всех перспективных изображениях следующим образом:
Изображение хогеля hij отображается на SLM и записывается в фокальной плоскости объектива в виде элементарной голограммы с помощью опорного луча в (i,j)-м хогеле в голограмме.
2.3. Искажения, ухудшающие восстановленное изображение
Свет, модулированный изображением Хогеля, отображаемым на SLM, проходит через оптические компоненты, такие как объективные или телецентрические линзы, которые могут вызывать радиальные искажения [50]. Как показано на рис. 9, радиальное искажение можно классифицировать двумя способами - искажение в виде подушечки для булавок и бочкообразное. В случае “идеальной” оптической системы изображение хогеля записывается без каких-либо искажений и показывает равномерное угловое распределение интенсивности в пределах ФОВ. Когда изображение хогеля записывается с искажением подушечки для булавок, угловое распределение интенсивности является плотным в центре и разреженным по краям зоны просмотра и наоборот, в случае бочкообразного искажения. На рис. 10 показаны угловые распределения, соответствующие различным искажениям. Искажения вызывают изменения направления в диапазоне углового распределения интенсивности изображения хогеля, что означает, что наблюдатель увидит искаженное изображение.
На рис. 11 показано смещение положения наблюдателя радиальным искажением. Радиальное искажение задается
Пикселизированная структура HS и способ построения реконструированного 3D-изображения делают их дискретными системами визуализации, которые могут демонстрировать артефакты сглаживания. ГС характеризуется угловой выборкой и пространственной выборкой реконструированного изображения. Обе выборки цены взаимосвязаны. Угловой спектр зависит от спектра изображаемого объекта и определяется параметрами SLM. В голографической плоскости выборка задается размером хогеля. Видовой анализ, который обычно применяется к HSS, является эффективным инструментом для прогнозирования формирования 3D-изображений, но не всегда способен объяснить их искажения.
Изучение этих искажений требует применения как анализа волнового фронта, так и теории дискретизации [24,27]. Анализ волнового фронта основан на некогерентном изображении. Анализ артефактов изображения ГПО ГСС на основе визуализации одной точки, создающей сферический волновой фронт, выполнен в работе [24]. В отличие от голограммы, ГС создает кусочные аппроксимации волновых фронтов сферических волн, излучаемых точками объекта. Если размер хогеля слишком велик, то кусочная аппроксимация оказывается заниженной, что приводит к визуальным артефактам, таким как, например, скачок реконструированного изображения при движении зрителя вдоль ГС. Квантование волнового фронта вносит фазовые ошибки. Они обусловлены тем, что волновой фронт от точки с произвольной глубиной реконструируется волновой фронт как точка, локализованная в плоскости изображения ГС. Для точки, расположенной перед плоскостью изображения ГС, сегментированный волновой фронт имеет меньшую кривизну, чем реальный, и наоборот для точки за плоскостью изображения. В [51,52] получено выражение для оптической передаточной функции HPO HS, которое связывает вместе размер хогелей, глубину изображаемой сцены и разрешение реконструированного изображения. Передаточная функция модуляции быстро падает с пространственной частотой для размеров хогеля ниже 1 мм [52], что показывает, что для сохранения хорошего качества реконструированных изображений необходимо найти некоторый оптимальный размер. Оптимальный размер хогеля зависит от требований зрительной системы человека, расстояния обзора, глубины объекта и правильной выборки перспектив в угле обзора. Размер хогеля должен обеспечивать плавное восприятие параллакса движения и плавную пространственную реконструкцию изображений. Это в известной степени противоречивые требования. Уменьшение размера хогеля неизбежно приводит к снижению количества воспроизводимых направлений из - за дифракционного предела. Измерение углового разрешения дифрагированного света для полноцветного ГС проводилось в работе [53] с размерами элементарной голограммы от 50 мкм× 50 мкм до 400 мкм × 400 мкм. Показано, что размер 50 мкм× 50 мкм обеспечивает угловое разрешение 1,08 град., которое может удовлетворить угловому разрешению, оптимальному для зрительной системой человека.
2.4. Моделирование реконструкции полно параллаксных голографических стереограмм.
Несмотря на прогресс, достигнутый в последние годы, голографическая печать большого формата цифровая голограммы – дорогое, и в большинстве случаев трудоемкое занятие. Разделенные по местоположению и времени захват и голографическая запись требуют воспроизведения составленного ГС компьютером. Другими словами, чтобы иметь свободу в процессе проектирования, нужно иметь возможность проверить качество реконструкции из спроектированного ГС путем моделирования, прежде чем она будет подана в фактическое физическое устройство. Это делает разработку соответствующих инструментов моделирования актуальной задачей. Программное обеспечение для получения предварительного просмотра HPO HS, полученного из видеопотока веб-камеры, описано в работе [54]. Зритель воспринимает интенсивность, обеспечиваемую всеми печатными хогелями, в пределах углового распределения интенсивности, связанного с конкретным местоположением зрителя. Каждый хогель кодирует угловое распределение интенсивности, соответствующее определенной небольшой части визуализируемого 3D-объекта или сцены, когда эта часть просматривается под разными углами. Входные данные от разных хогелей поступают из разных пикселей соответствующих изображениям хогеля, как показано на рис. 12. Для удобства выведем алгоритм моделирования для одной горизонтальной линии голограммы, ориентированной вдоль оси X. Вывод алгоритма для всей голограммы прост. Предположим, что точка наблюдения E(x, z) находится на некотором расстоянии наблюдения D от плоскости голограммы (рис. 12а). Ось Z указывает на виртуальную плоскость наблюдения (плоскость изображения) которая параллельна голограмме и содержит перекрывающиеся входы от всех хогелей. Виртуальная плоскость наблюдения также расположена на расстоянии D от плоскости голограммы. Рассмотрим ход лучей для зрителя от заданного хогеля на плоскости голограммы. Размер хогеля настолько мал по сравнению с расстоянием D, что мы можем рассматривать его как точку, создающую угловое распределение интенсивностей в виртуальной плоскости наблюдения, как это показано на рис. 12б. Ход лучей от хогеля определяется углом θ, соответствующим линии, которая проходит через расположение зрителя и хогеля. Мы выбираем положение хогеля в качестве начала координат (X, Z) системы координат. Из точки E (x,z) зритель получает интенсивность из точки P в поперечном сечении виртуальной плоскости наблюдения с угловым обеспечиваемым хогелем. Значение этой интенсивности определяется из изображения пикселя хогеля, который кодирует направление, заданное θ. Введем вспомогательную ось ξ в плоскости наблюдения, параллельную оси X. Ширина пятна в плоскости наблюдения с интенсивностью входные данные от этого хогеля рассчитываются как диапазоном интенсивностей, обеспечиваемым хогелем. Значение этой интенсивности определяется из изображения пикселя хогеля, который кодирует направление, заданное θ. Введем вспомогательную ось ξ в плоскости наблюдения, параллельную оси X. Ширина пятна в плоскости наблюдения с интенсивностью входные данные от этого хогеля рассчитываются как
где φ-угол, который соответствует угловому распределения интенсивности, данного хогеля. Шаг выборки δξ распределения значений интенсивности в плоскости наблюдения задается δξ = W/n, где n-количество выборок распределения интенсивности, закодированных в хогеле вдоль одной строки. Индекс пикселя, np, который кодирует интенсивность в точке
где ξp-координата P, а I{} - оператор, принимающий ближайшее целочисленное значение выражения в скобках. Поскольку шаг дискретизации δξ постоянен в виртуальной плоскости наблюдения, неопределенность в оценке направления входного сигнала хогеля изменяется вдоль вспомогательной оси ξ. Он максимален в центре хогеля при x =0, где он приблизительно равен 2tan(ϕ/2)/n радианам, и уменьшается к его концам, становясь ≈ 2sin(ϕ/2)/n. Фактически, |ξp | - это расстояние от точки, в которой нормаль от E(x, z) до голограммы пересекает ее плоскость. Таким образом, для произвольного местоположения зрителя легко вычисляется результирующая интенсивность лучей, исходящих от всех хогелей в данной точке виртуальной плоскости наблюдения, что делает возможным численное восстановление ГС для любого местоположения зрителя.
Для проверки разработанного подхода было проведено моделирование всех этапов синтеза ГС с последующей его численной реконструкцией. Мы предположили, что плоскость голограммы состоит из 100× 100 хогелей, а каждое изображение хогеля состоит из 100× 100 пикселей, что означает, что захват 10 000 перспективных изображений 3D-объекта был смоделирован с помощью компьютера. В этом тесте мы использовали компьютерную имитацию 3D-сцены. Перспективные изображения были перестроены, чтобы сформировать 10000 изображений хогеля. Перспективные изображения были сняты методом камеры повторного центрирования, и некоторые из них показаны на рис. 13(а). Для иллюстрации примеры составленных изображений хогеля представлены на рис. 13(б). Сгенерированные 10 000 изображений хогеля использовались в качестве входных данных для численных реконструкций голографической стереограммы, которая должна была быть записана. Численные реконструкции для некоторых произвольных расположений зрителя вдоль горизонтального и вертикального направлений показано на рисунке 14. Хорошее качество реконструкции по синтезированной стереограмме очевидно.
2.5. Аппаратные проблемы и светочувствительные материалы
Для иллюстрации на практике реальной печати HSS приведем описание разработанного нами голографического принтера (рис. 15). Технические характеристики основных компонентов системы приведены в Таблице 1. Луч от лазера, излучающего при 532 нм, делится первым поляризационным светоделителем (PBS) на два оптических тракта, и отношение интенсивности двух лучей может регулироваться полуволновой пластинкой. Лазерный луч, проходящий через PBS1, является опорным лучом, тогда как другой луч, отраженный PBS1, является объектным лучом. Объектный луч расширяется двумя линзами, L1 и L2, и освещает амплитудный тип SLM с помощью PBS2. Луч пространственно модулируется изображением Хогеля, которое подается в SLM в виде BMP-файла. Модулированный луч фокусируется на голографической эмульсии линзой L3. Опорный луч также расширяется двумя линзами L4 и L5, чтобы обеспечить ширину луча, которая покрывает хогель на голограмме. Опорный луч падает на голографическую пластину под углом 45 градусов. Интерференционная картина, создаваемая объектным лучом и опорным лучом в голографической эмульсии, записывается в виде объемной голограммы. Голографическая пластина перемещается дискретно X-Y вдоль горизонтальной и вертикальной осей с заданным пространственным шагом, совпадающим с размером хогеля. С помощью такой процедуры каждый хогель записывается в нужном положении. Затвор управляет временем экспозиции голограммы, которое зависит от чувствительности материала и мощности лазера. Точность затвора имеет решающее значение. Временная последовательность срабатывания затвора показана на рис. 16. Затвор переходит в открытое состояние после сдвига X-Y ступени, времени, необходимого для установки системы и загрузки изображения хогеля на SLM. Этап X-Y координирует смещение оптического коллектора. Точность перемещения устройства составляет около 1 мкм. Как правило, ступень может приводиться в движение двумя типами двигателей:
- шаговым двигателем, который является дешевым и простым в обращении, но с меньшей точностью;
- линейным двигателем, который является более сложным и дорогим, но с более высокой точностью.
В нашей установке мы используем шаговый двигатель. Благодаря достижениям в области современных компьютеров и программного обеспечения персональный компьютер может быть использован в качестве контроллера голографического принтера. Однако, это (Рис. 14):
а) Результаты численной реконструкции при 500 мм (угловой интервал 10 градусов);
б) результаты численной реконструкции при фиксированных координатах X и Y.
Однако все же рекомендуется использовать микропроцессор для высокоскоростной системы реального времени.
Производство стабильных воспроизводимых печатных копий голографической печатью, основанной на записи объемных голограмм, требует надежного носителя для постоянной многоцветной (RGB) голографической записи с высокой дифракционной эффективностью, чувствительностью, разрешающей способностью и отношением сигнал/шум в видимой области. Бихромированный желатин, фотополимеры и галогенид серебра обеспечивают параметры, близкие к требуемым [55]. Неудовлетворительная спектральная характеристика и низкий уровень чувствительность дихромированного желатина исключает его из списка кандидатов несмотря на его низкие потери и высокую дифракционную эффективность. Фотополимеры, в которых фазовая модуляция формируется за счет фотоиндуцированных изменений, допускают простую быструю обработку и практически 100% - ную дифракционную эффективность, но при этом обладают сравнительно низкой чувствительностью, разрешающей способностью и динамическим диапазоном. Галогенидсеребряные эмульсии представляют собой дискретные носители, в которых запись происходит в наноразмерных частицах, диспергированных в несущей желатиновой матрице. Они могут отличаться высокой чувствительностью в широком спектральном диапазоне, дифракционной эффективностью 80-98%, высоким разрешением и динамическим диапазоном, а также длительным хранением [55]. Недостатком галогенсеребряных эмульсий является низкое отношение сигнал/шум в синей области спектра из-за рассеяния света. Запись объемных отражательных голограмм требует разрешения > 6000 лин/мм, что реализуется только с использованием сверхтонкозернистых галогенидсеребряных материалов. Материалы ПФГ-03С производства фирмы Славич, Россия [35, 56] имеют около размер исходных кристаллов галогенида серебра 12 нм и низкое отношение сигнал/шум в синей области спектра. Рассеяние в этой области уменьшается наноразмерными эмульсиями со средним размером зерна около 8 нм. Такое качество обеспечивается в голографических пластинах Ultimate [57] или в пластинах HP-P [55], Болгария.
В нашей принтерной системе мы использовали эмульсию Ultimate 08 с экспозицией 200 мкДж/см2. Технические характеристики этой эмульсии мы суммировали в таблице 2 [57]. Типичное время экспозиции этой эмульсии для He-Ne лазера колеблется от 4 – 5 с при мощности 5 МВт и размере голографической пластины 6,1 см × 6,1 см. До 30-40 с при 25 МВт для пластины размером 30 см × 40 см. Время проявления составляет около 6 минут при температуре 20° C - 25°C, а также используется отбеливание. Рассчитанные изображения хогеля были расширены в 10 раз, прежде чем быть примененными к SLM. Таким образом, матрица хогелей формируется в плоскость голограммы. На рис. 17 представлены фотографии, сделанные из разных мест изображения, реконструированного при освещении белым светом с ГС компьютерной графической модели чайника. В нашей принтерной системе мы использовали эмульсию Ultimate 08 с экспозицией 200 мкДж/см2.
3. Печать голографических полос
Компьютерные голограммы (КГГ) на основе моделирования голографической интерференции, где шаблон создает истинное 3D-воздействие [58]. Вот почему много усилий было посвящено печати CGHs, расчет которых основан на классической дифракции. При решении этой задачи необходимо преодолеть две проблемы – трудоемкий расчет рисунка интерференции и требование высокого пространственного разрешения принтера для обеспечения большого угла обзора. Увеличение разрешения влечет за собой увеличение времени вычислений.
3.1. Методы компьютерной генерации голографических узоров интерференции.
Для печати волнового фронта требуется быстрый алгоритм генерации картины интерференции. Интеграл Рэлея-Зоммерфельда (R-S) дает точный расчет, соответствующий желаемому объекту. Объект представлен в виде набора светящихся точек, дающих световое поле со сложной амплитудой, которое в точке (x, y) в плоскости голограммы является суммой сферических волн, исходящих из всех точек объекта:
где (xp, yp, zp) - декартовы координаты точки объекта, ap and φ – амплитуда и фаза светового поля, излучаемого этой точкой, а rp – расстояние между этой
точкой и точкой на голограмме; k =2π/λ – волновое число, λ-длина волны. Поскольку в уравнение голограммы интенсивности, Х =|О + Р|2, где
r(ξ,η) = arexp(jφr) значение волны с амплитудой aР и φr , что соответствует термину Н =2Re{и *}, так называемый биполярный подход интенсивности была изобретена [32], что позволяет вычислить закономерность рисунка интерференции:
используя только действительные числа, где мы предполагаем, что ar =1. Однако один из существенных недостатками метода R-S является его довольно высокая вычислительная сложность. Для преодоления этого узкого места были разработаны различные быстрые алгоритмы реализации (6) для плоских голограмм и более сложных геометрий в виде цилиндрической или дисковой голограммы, которые обеспечивают увеличенную видимую область [59,60]. Быстрые алгоритмы компьютерной генерации цилиндрических обыкновенных и радужных голограмм [61, 62], генерации мастер-дисковой голограммы [63] и голограммы плоского изображения [64] были выполнены. Хотя эти голограммы основаны на одном и том же базовом оптическом принципе, соответствующие алгоритмы компьютерной генерации претерпевают различные модификации в соответствии с характеристиками каждой голограммы. Успешным подходом, особенно для голографической печати, является алгоритм, основанный на секционировании для генерации компьютерной голограммы. Плоскость голограммы делится на M×N кратных сегментов с m×n элементами каждый, и к каждому сегменту применяется набор приближений для вычисления расстояния в (5) . Например, расстояние между объектом и голограммой в случае цилиндрической голограммы практически постоянно и достаточно мала, чтобы использовать приближение Френеля. В этом случае расстояние rp вычисляется с помощью двух таблиц поиска, которые составляются для каждого сегмента таким образом, чтобы дать расстояние между точкой объекта и точкой, расположенной вдоль вертикальной и горизонтальной центральных линий в сегменте. Для уменьшения пространственной частоты в плоскости голограммы вычисление выполняется со сферической опорной волной в геометрии без Фурье преобразования, когда опорный точечный источник расположен близко к объекту и на одинаковом расстоянии от голограммы [61]. Тот же подход с двумя поисковыми таблицами был применен и для генерации дисковой голограммы [63].
Для радужной голограммы вычисление производится для 1D гололина. Расчет голограммы плоскости изображения требует введения небольшого положительного значения в знаменатель в (6), чтобы избежать высокой дивергенции полос для точек объекта, находящихся слишком близко к плоскости голограммы [64,65]. В этом случае знак фазы объектного луча зависит от того, с какой стороны голограмма точки объекта. 360 градусов видимая голограмма требует удаления скрытых поверхностей для обеспечения правильной реконструкции объекта [66]. Эта задача решается путем формирования правильных объектных данных при генерации голограммы для различных точек зрения. Для этого берутся перспективные изображения с разных точек зрения. Полученные распределения нтенсивности объединяются с информацией по глубине, предоставляемой компьютерной графической моделью, чтобы получить трехмерные координаты, амплитуды и фазы, соответствующие всем точечным источникам, составляющим объект.
Был разработан ряд алгоритмов, таких как стереограмма с добавлением фазы (PAS) [30], [67], компенсированная стереограмма (ВПД) [68, 69], точная фазо добавленной стереограммы (APAS) [70] и точная компенсированная стереограмма с добавлением фазы (ACPAS) [71]. Хотя ACPAS дает лучшее качество, все же он имеет некоторый нежелательный шум, который связан с неточной численной моделью. В качестве улучшенной версии мы предлагаем новый алгоритм генерации цифровой голограммы, который мы называем быстрой стереограммой с добавлением фазы (FPAS). Численная модель FPAS выражается как,
I (υ, ν)=Σ p=1
где, H(ξ, η) является картиной интерференции, I(υ,ν) является пространственным распределением частоты в области пространственных частот, P-это указатель точки, ниш количества очков, и занесены дается (6), P. является комплексной амплитуды P-й точке, ехр( jkrp) - это фаза, а последнее слагаемое в сумме это комплексная волновая функция. Пространственных частот и ВП определяется как
где, θξp и θηp являются инцидент углов от связанного с точки объекта, и θξref и θηref являются углами освещения опорной волны для ξ и nax. Геометрия расчета когерентной стереограммы показана на рис. 18. На первом этапе плоскость голограммы разбивается на соответствующие сегменты квадратной формы. Картина интерференции над каждым сегментом аппроксимируется как суперпозиция двумерных сложных синусоид, где каждая такая синусоида аппроксимирует вклад каждой точки объекта в картину голограммы над одним сегментом. Поэтому спектр, связанный с каждым сегментом, легко строится путем размещения амплитуды сложных синусоид должны соответствовать частотным местоположениям. Пространственные частоты, связанные с вкладами точек в облаке точек, квантуются в дискретную область путем перемещения их к ближайшему допустимому значению дискретной частоты без изменения их комплексных амплитуд. Эта модификация является дополнительным источником искажений при реконструкции. На втором этапе спектр сегмента, который состоит из комплексных амплитуд двумерных комплексных синусоид, преобразуется IFFT для преобразования спектра в связанный узор интерференции. Эта процедура повторяется для каждого сегмента, чтобы завершить вычисление. Произвольная функция голограммы над одним сегментом, представляющая пространственную координаты в плоскости можно записать как суперпозицию гармонических функций. Каждая гармоническая функция является обратным преобразованием Фурье одной импульсной функции, которая соответствует одной точке объекта со сложной амплитудой. Из-за линейности преобразования Фурье IFFT спектра сегмента, который состоит из вкладов всех точек трехмерного объекта, дает голограмму этого сегмента.
На рис.19 показаны три голографических узора полос, генерируемых с помощью алгоритмов R-S integral, ACPAS и FPAS, соответствующих одному самосветящемуся объекту. Для ACPAS и FPAS используемый размер сегментации и размер FFT составляют 4 × 4 пикселя и 8 × 8 пикселей, соответственно. Как показано на рис. 19, интеграл R-S дает точную картину интерференции, и даже при начальной разности фаз около 68 градусов между рис. 19(а) и 19(в) картина бахромы из алгоритма FPAS сравнима с картиной интерференции R-S. Однако рисунок 19(б), который генерируется с помощью алгоритма ACPAS, выглядит хуже по сравнению с краевыми паттернами, полученными интегралом R-S и алгоритмом FPAS. Это означает, что точное фазовое согласование не может быть выполнено алгоритмом ACPAS. В отличие от ACPAS, численная модель FPAS приемлема, и точное согласование фаз может быть сделано путем точного определения распределения фаз.
3.2. Прямая печать интерференционной картины.
Методы микрообработки, такие как электронно-лучевая запись или литография, которые обеспечивают отличное разрешение и могут быть использованы для печати голографических полос, слишком дороги для повседневного использования. Это вдохновило на разработку недорогих интерференционных принтеров. Использование лазерного принтера для записи ХГХ предложено в работе [72]. Печать CGH с помощью записи на оптический диск оборудование описано в [73]. Печать рисунка интерференции с помощью CD-R writer предлагается в работах [74, 75]. Напечатанная голограмма реконструируется белым светом. В работе [76] сообщается о печати точечного рисунка интерференции диаметром 3 мкм сканированием лазерного пятна на голографической пластине. Для увеличения скорости печати голографическую пленку помещают на прокатный барабан. Прямой принтер интерференции, в котором небольшая часть рисунка отображается на SLM, а ее масштабированная версия записывается в виде тонкой голограммы, предложено в [21,22]. Т.о. масштабирование порядка 1/12 или 1/16 достигается с помощью телецентрической системы линз. SLM освещается лазерным лучом. В работе [62] используется лазер Nd:YAG+LBO DPSS, излучающий при 473 нм мощностью 5 МВт. После экспозиции голограмма смещается с высокой точностью.
X-Y ступень с шаговым двигателем. Точность X-Y-ступени составляет 4 мкм. Разрешение отпечатанного рисунка интерференции зависит от качества оптики, используемой для переноса изображения с SLM на голографическую пленку. Сообщалось, что шаг полос составляет 0,44 мкм. Был использован принтер fringe для печати лазерной реконструированной цилиндрической голограммы с радиусом 69,5 мм и шагом пикселя 0,867 мкм [61]. Вырабатываемой ГРЭС требуется 45 сек время расчета. Принтер использовался также для изготовления компьютерной мастер-360-градусной видимой портативной дисковой голограммы, которая использовалась для оптической записи отражательной голограммы, видимой в белом свете [63]. Недавно была напечатана голограмма полного параллакса плоского изображения [64]. Интерференционная печать анимированной компьютерной цилиндрической голограммы, которая рассчитана на отображение анимации в горизонтальном направлении, описана в работе [77].
3.3. Голографическая запись дифрагированного от полос волнового фронта.
Принтер прямой интерференции многократно записывает разделенные цифровые голографические узоры в голографическую эмульсию, чтобы сделать большую SLM. Хотя голографическая картина интерференции записывается на голографическую эмульсию, ее можно рассматривать как тонкую голограмму, поскольку она не записывает интерференционную картину с опорной волной. В силу таких причин изображение должно быть реконструировано под лазерным освещением. Объемный голографический принтер предложен в работе [78], который записывает интерференционную картину с опорной волной оптической реконструкции из голографической картины, отображаемой на электрически адресованной SLM. Этот метод обеспечивает ряд преимуществ, таких как избирательность по длине волны для реконструкции белым светом, изготовление большой голограммы без большой коллимирующей системы, тонкая полноцветная голограмма и т. д.
Ниже мы опишем принцип работы предложенного нами принтера wavefront для производства видимых в белом свете CGHS. В случае обычной аналоговой голограммы рассеянная волна от реального объекта распространяется на голографическую эмульсию и интерферирует с освещающей опорной волной. Сформированная интерференционная картина записывается в виде голограммы. Другими словами, волновой фронт, исходящий от объекта, записывается на голографическую эмульсию. В том же таким образом, волновой фронт от виртуального объекта, который генерируется компьютерными графическими инструментами, может быть записан принтером волнового фронта. На самом деле это единственный принтер, способный записывать волновой фронт, исходящий от виртуального объекта и закодированный как CGH. Оптическая схема принтера волнового фронта показана на рис. 20. Голографический узор интерференционного рисунка, генерируемого компьютером, отображается с помощью SLM, а освещающая волна дифрагирует с помощью SLM. Дифрагированная волна проходит через первую линзу, L1. Эта волна фильтруется полосовым пространственным фильтром, который отсекает нежелательные компоненты, такие как дифрагированная волна -1-го порядка и не дифрагированная волна. Поэтому только искомая дифрагированная волна 1-го порядка проходит через фильтр и размагничивается двумя линзами, L1 и L2. Восстановленный волновой фронт интерферирует с освещающей опорной волной в голографической эмульсии, помещенной в фокус объектива 2. Интерференционная картина записывается в виде голографического элемента. Рисунок интерференции на SLM обновляется, и расположение записи над голографической эмульсией также соответственно изменяется. Поэтому голографический узор интерференции, соответствующий различным местоположениям хогеля, записывается в виде объемной отражающей голограммы. Таким образом, формируется голограмма, которая кодирует волновой фронт света, исходящего от объекта. Голограмму можно реконструировать при освещении белым светом. Голограмма может быть использована также в качестве основной голограммы для создания пропускающей голограммы с использованием опорной волны, как это происходит на этапе записи, для освещения всей области записанной основной голограммы, как показано на рис.21. Голографическая эмульсия второй голограммы помещается в месте расположения реконструированного изображения. Вторая голограмма освещается встречной опорной волной. После записи второй голограммы ее можно реконструировать при освещении белым светом. Таким образом, мы можем видеть голограмму невооруженным глазом. Оптическая реконструкция показана на рис. 22. Виртуальный объект, логотип Корейского Технологического института электроники, записывается в цифровом виде по предложенной методике печати волнового фронта, а полученная голограмма реконструирует изображение подобно обычной аналоговой голограмме при освещении точечным источником света (светодиодом).
4. Будущие тенденции
Голографический принтер потенциально может быть полезным оборудованием для промышленности, медицины, охраны культурного наследия, торговли и развлечений благодаря своей способности представлять точное 3D-пространство без каких-либо искажений и визуальных утомлений. Однако, хотя в последние годы было создано множество привлекательных печатных голограмм, рынок все еще не заполнен голографическими принтерами из-за некоторых технических трудностей. Есть много нерешенных вопросов, которые нужно преодолеть. Среди них самые важные – это трудоемкая процедура голографической записи, довольно громоздкая система записи с чрезвычайно высокой ценой для качественной печатной голограммы. Как правило, частота кадров в секунду (fps) обычной SLM составляет около 30 кадров в секунду, поэтому обычный голографический принтер способен записывать 30 хогелей в секунду. Если размер хогеля равен 1 мм × 1 мм и размер места голограммы составляет 1 М × 1 М, тогда процедура записи займет примерно 10 часов. Этот вопрос может стать серьезным препятствием для реализации на рынке. То время записи может быть уменьшено с помощью настроенного массивного демпфера или активного контроля вибрации, но это решение также имеет ограничение. Окончательное решение проблемы с помощью импульсного лазера очень дорого. Для создания голографического принтера требуются высококачественные компоненты, такие как SLM с высокой частотой кадров, широкоугольные объективы, одночастотные лазеры, линзы и т.д. Кроме того, такие оптические и электрические компоненты монтируются на виброизолированном оптическом столе. Для индустриализации и коммерциализации, дальнейшее совершенствование голографического принтера является обязательным для облегчения его использования в офисных и обычных местах. Последний вопрос - качество напечатанной голограммы. В случае голографической стереограммы в качестве входных данных используется множество ракурсов, а угловые распределения интенсивности, полученные с использованием множества ракурсов, непосредственно записываются на голографическую эмульсию. Поскольку ракурсы уже имеют нежелательные искажения от используемой оптики, такие, как радиальное искажение, глубинное искажение и т.д. Это означает, что наблюдатель может быть не в состоянии испытать истинное 3D-восприятие даже при правильно закодированной информации о 3D-сцене. Нерешенные вопросы ставят перед нами множество задач, которые необходимо преодолеть в ближайшем будущем, чтобы сделать голографический принтер обычным оборудованием в нашей повседневной жизни, промышленности, образовании и культуре.
Сведения об авторах
Hoonjong Kang1, Elena Stoykova1,2*, Jiyung Park1, Sunghee Hong1 и Youngmin Kim1
*Адресуйте всю корреспонденцию по адресу: e.stoykova@keti.re.kr
1 вещательных и ИКТ НИОКР отдел, Корея технологического института электроники, ф8, Sangamdong, МАПО-ГУ, Сеул, Корея
2 Институт оптических материалов и технологий Болгарской академии наук, София, Болгария
References
[1] Gabor D, A new microscopic principle. Nature 1948;161: 777-778.
[2] Schnars U, Jueptner W. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction Applied Optics 1994; 33(2):179-181.
[3] Kreis T, editor. Handbook of holographic interferometry: Optical and Digital Methods, Wiley-VCH GmbH&Co.KGaA: Weinheim; 2006.
[4] Boyer K, Solem J, Longworth J, Borisov A, Rhodes C. Biomedical three-dimensional holographic microimaging at visible, ultraviolet and x-ray wavelengths, Nature medicine 1996; 2(8): 939-941.
[5] Pole RV. 3-D imagery and holograms of objects illuminated in white light. Applied Physics Letters 1967; 10(1): 20-22.
[6] De Bitetto D. Holographic panoramic stereograms synthesized from white light recordings. Applied Optics 1969; 8(8): 1740–1741.
[7] King M, Noll A, Berry D. A new approach to computer-generated holography. Applied Optics 1970; 9(2): 471-475.
[8] Benton S. Hologram reconstructions with extended incoherent sources. Journal of the Society of America 1969; 59(10): 1545-1546.
[9] Pizzanelli D. The development of direct-write digital holography. Proc. of ‘Holography, Art and Design’ Conference, Royal College of Art, London. (23 March 2002). http://www.holography.co.uk/events/eventindex.htm
[10] Yatagai T. Three-dimensional display using computer-generated holograms. Optics Communications 1974; 12(1): 43-45. [11] Yatagai T. Stereoscopic approach to 3-D display using computer-generated holograms.
Applied Optics 1976; 15(11): 2722-2729.
[12] Yamaguchi M, Ohyama N, Honda T. Holographic 3-D printer. Proc. SPIE 1990; 1212: 84-92.
[13] Yamaguchi M, Ohyama N, Honda T. Holographic three-dimensional printer: new method. Applied Optics 1992; 31(2): 217-222.
[14] Klug M, Holzbach M, Ferdman A. Method and apparatus for recording 1-step full color full parallax holographic stereograms. U.S. Patent 1998; No.US630088B1.
[15] Brotherton-Ratcliffe D, Vergnes F, Rodin A, Grichine M. Method and apparatus to print holograms. Lithuanian Patent 1999a; No.LT4842.
[16] Brotherton-Ratcliffe D, Vergnes F, Rodin A, Grichine M. Holographic Printer. U.S. Patent 1999b; No. US7800803B2.
[17] Rodin A, Vergnes FM, Brotherton-Ratcliffe D. Pulsed multiple colour laser. EU Patent
1236073; 2001.
[18] Brotherton-Ratcliffe D, Zacharovas S, Bakanas R, Pileckas J, Nikolskij A, Kuchin J.
Digital holographic printing using pulsed RGB lasers. Optical Engineering 2011;
50(9): 091307-091307-9.
[19] Blanche PA, Bablumian A, Voorakaranam R, Christenson C, Lin W, Gu T, Flores D,
Wang P, Hsieh WY, Kathaperumal M, Rachwal B, Siddiqui O, Thomas J, Norwood
RA, Yamamoto M, Peyghambarian N. Holographic three-dimensional telepresence
using large-area photorefractive polymer. Nature 2011;468: 80-83.
[20] Hahn J, Kim H, Lim Y, Park G, Lee B. Wide viewing angle dynamic holographic stereogram
with a curved array of spatial light modulators. Optic Express 2008; 16(16):
12372-12386.
[21] Yoshikawa H, Takei K. Development of a compact direct fringe printer for computergenerated
holograms. Proc. SPIE 2004; 5290: 114-121.
[22] Yoshikawa H, Tachinami M. Development of direct fringe printer for computer-generated
holograms. Proc. SPIE 2005; 5742: 259-266.
[23] Benton S. Survey of holographic stereograms. Proc. SPIE 1983; 367: 15-19.
[24] Halle M. Holographic stereograms as discrete imaging systems. Proc. SPIE 1994;
2176: 73-84.
[25] Leith E, Voulgaris P. Multiplex holography: some new methods. Optical Engineering
1985; 24: 171-175.
[26] Aebischer N, Carquille B. White light holographic portraits (still or animated). Applied
Optics 1978; 17(23): 3698-3700.
[27] Halle M. The Generalized holographic stereogram. PhD thesis. MIT Dept. of Electrical
Engineering and Computer Science, Cambridge MA, USA; 1993.
[28] Halle M, Benton S, Klug M, Underkoffler J. The Ultragram: A Generalized Holographic
Stereogram. Proc. SPIE 1991; 1461 “Practical Holography V” (SPIE, Bellingham,
WA, February) paper #21
[29] Klug M, Halle M, Hubel P. Full color ultragrams. Proc. 1992; SPIE 1667: 110-119.
[30] Yamaguchi M, Hoshino H, Honda T, Ohyama N. Phase added stereogram: calculation
of hologram using computer graphic technique. Proc. SPIE 1993; 1914, 25-33.
[31] Smithwick Q, Barabas J, Smalley D, Bove V. Interactive holographic stereograms
with accommodation cues. Proc. SPIE 2010; 7619: 761903-1-761903-13.
[32] Lucente M. Diffraction-Specific Fringe Computation for Electro-Holography. PhD thesis, MIT. Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, Cambridge MA; 1994
[33] Honda T, Yamaguchi M, Kang D.-K, Shimura K, Tsujiuchi J, Ohyama N. Printing of
holographic stereograms using liquid-crystal TV. Proc. SPIE 1989; 1051: 186-191.
[34] Benton S. Real Image Holographic Stereograms. U.S. Patent 4834476 (issued 30 May
1989).
[35] Zacharovas S. Advances in digital holography. In: Proceedings of the International
Workshop on Holographic Memories, IWHM2008, 20-23 October 2008, Aichi, Japan;
55-67.
[36] Klug M, Halle M, Lucente M, Plesniak W. A compact prototype one-step ultragram
printer. Proc. SPIE 1993; 1914: 15-23.
[37] Hellseth L, Singstad I. Diffusers for holographic stereography. Optics Communications
2001; 193(1): 81-86.
[38] Bjelkhagen H, Mirlis E. Color holography to produce highly realistic three-dimensional
images. Applied Optics 2008; 47(4): A123-A133.
[39] Yamaguchi M, Honda T, Ohyama N, Ishikawa J. Multidot recording of rainbow and
multicolor holographic stereograms. Optics Communications 1994; 110 (5-6): 523-528.
[40] Yamaguchi M, Koyama T, Ohyama N, Honda T. A stereographic display using a reflection
holographic screen. Optical Review 1994; 1(2): 191-194.
[41] Yamaguchi M, Endoh H, Honda T, Ohyama N. High quality recording of a full-parallax
holographic stereogram with a digital diffuser. Optics Letters 1994; 19(2):
135-137.
[42] Zebra Imaging Inc. Company (2012) http://www.zebraimaging.com/.
[43] 3D Holoprint. Company (2012) http://www.3d-holoprint.com/.
[44] Yamaguchi M, Sugiura H, Honda T, Ohyama N. Automatic recording method for
holographic three-dimensional animation. Journal of the Optical Society of America
A 1992; 9(7): 1200-1205.
[45] Takano M, Shigeta H, Nishihara T, Yamaguchi M, Takahashi S, Ohyama N, Kobayashi
A, Iwata F. Fullcolor holographic 3D printer. Proc. SPIE 2003; 5005: 126-136.
[46] Frey S, Thelen A, Hirsch S, Hering P. Generation of digital textured surface models
from hologram recordings. Applied Optics 2007; 46(11): 1986-1993.
[47] Yang F, Murakami Y, Yamaguchi M. Digital color management in full-color holographic
three-dimensional printer. Applied Optics 2012; 51(19): 4343-4352.
[48] Yamaguchi M, Endoh H, Koyama T, Ohyama N. High-speed recording of full-parallax
holographic stereograms by a parallel exposure systems. Optical Engineering
1996; 35(6): 1556-1559.
[49] Brotherton-Ratcliffe D, Nikolskij A, Zacharovas S, Pileckas J, Bakanas R. Image capture
system for a digital holographic printer. U.S. Patent 2009; No.US20090147072A1.
[50] Okada K, Honda T, Tsujiuchi J. A method of distortion compensation of multiplex
holograms. Optics Communications 1983; 48(3): 167-170.
[51] Hilaire P. Optimum sampling parameters for generalized holographic stereograms.
Proc. SPIE 1993; 3011: 96-104.
[52] Hilaire P. Modulation transfer function and optimum sampling of holographic stereograms.
Applied Optics 1994; 33(5): 768-774.
[53] Maruyama S, Ono Y, Yamaguchi M. High-density recording of full-color full-parallax
holographic stereogram. Proc. SPIE 2008; 6912: 12-22.
[54] Zacharovas S, Nikolskij A, Kuchin J. DYI digital holography. Proc. SPIE 2011;
7957:79570A-79570A-5.
[55] Sainov S, Stoykova E. Display holography – status and future. In: Osten W, Reingand
N. (eds.) Optical Imaging and Metrology. Advanced Technologies, Wiley-VCH; 2012.
p 93-115.
[56] Zacharovas S, Rodin A, Ratcliffe D, Vergnes F. Holographic materials available from
Geola. Proc.SPIE 2001; 4296: 206-212.
[57] Gentet Y, Gentet P. “Ultimate” emulsion and its applications: a laboratory-made silver
halide emulsion of optimized quality for monochromatic pulsed and full-color
holography. Proc. SPIE 2000; 4149: 56-62.
[58] Plesniak W, Halle M, Bove V, Barabas J, Pappu R. Reconfigurable Image Projection
Holograms. Optical Engineering 2006; 45(11): 115801-1-115801-15.
[59] Yoshikawa H. Computer-generated holograms for white light reconstruction. In:
Ting-Chung Poon (ed.) Digital Holography and Three-dimensional Display: Principles
and Applications. Springer Verlag; 2006. part 2, p235-255.
[60] Yoshikawa H, Yamaguchi T. Computer-generated holograms for 3D display. Chinese
Optics Letters 2009; 7(12): 1079-1082.
[61] Yamaguchi T, Fujii T, Yoshikawa H. Fast calculation method for computer-generated
cylindrical holograms. Applied Optics 2008; 47(19): D63-D70.
[62] Yamaguchi T, Fujii T, Yoshikawa H. Computer-generated cylindrical rainbow hologram,
Proc. SPIE 2008a; 6912: 69121C-1-69121C-10.
[63] Yamaguchi T, Fujii T, Yoshikawa H. Disk hologram made from a computer-generated
hologram. Applied Optics 2009; 48(34): H16-H22.
[64] Yamaguchi T, Yoshikawa H. Computer-generated image hologram. Chinese Optics
Letters 2011; 9(12): 120006.
[65] Yoshikawa H, Yamaguchi T, Kitayama R. Real-time generation of full color image
hologram with compact distance look-up table. In: Digital Holography and Three-Dimensional
Imaging, April 30, 2009, Vancouver, Canada; DWC4.
[66] Fujii T, Yoshikawa H. Improvement of Hidden-Surface Removal for Computer-Generated
Holograms from CG. In: Digital Holography and Three-Dimensional Imaging,
June 18, 2007, Vancouver, Canada; DWB3.
[67] Kang H, Yamaguchi T, Yoshikawa H. Processing techniques for quality improvement
of phase added stereogram. Proc. SPIE 2007; 6488: 6488-41.
[68] Kang H, Fujii T, Yamaguchi T, Yoshikawa H. A Compensated Phase-Added Stereogram
for Real-Time Holographic Display. Optical Engineering 2007; 46 (9):
095802-1-095802-11.
[69] Kang H, Yamaguchi T, Yoshikawa H. Accurate phase-added stereogram to improve
the coherent stereogram. Applied Optics 2008; 47(19): D44-D54.
[70] Kang H, Yamaguchi T, Yoshikawa H. Accurate phase-added stereogram. In: Digital
Holography and Three-Dimensional Imaging, June 18, 2007, Vancouver, Canada;
DTuB5.
[71] Kang H, Yamaguchi T, Yoshikawa H, Kim SC, Kim ES. Acceleration method of computing
a compensated phase-added stereogram on a graphic processing unit. Applied
Optics 2008; 47(31): 5784-5789.
[72] Lee A. Computer-generated hologram recording using a laser printer. Applied Optics
1987; 26(1): 136-138.
[73] Yatagai T, Camacho-Basilio J, Onda H. Recording of computer-generated holograms
on an optical disk master. Applied Optics 1989; 28(6): 1042-1044.
[74] Cable A, Mash P, Wilkinson T. Production of computer-generated holograms on recordable
compact disk media using a compact disk writer. Optical Engineering 2003;
42(9): 2514-2529.
[75] Sakamoto Y, Morishima M, Usui A. Computer generated holograms on a CD-R disk.
Proc. SPIE 2004; 5290: 42-49.
[76] Matsushima K, Kobayashi S, Miyauchi H. A high-resolution fringe printer for studying
synthetic holograms. Proc. SPIE 2006; 6136: 347-354.
[77] Yamaguchi T, Maeno Y, Fujii T, Yoshikawa H. Animated computer-generated cylindrical
hologram. NICOGRAPH International 2008. [CD-ROM].
[78] Miyamoto O, Yamaguchi T, Yoshikawa H. The volume hologram printer to record
the wavefront of a 3D object. Proc. SPIE 2012; 8281: 82810N-82810N-10.