可更新的全息3-D显示

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摘 要:可更新的全息显示必须具备几种功能,包括全息图的有效存储､可擦除性和永久存储(记忆)功能｡本文介绍了第一台含存储器的可更新全息 3-d 显示器的开发,该显示器是以光折射聚合物为基材的｡

关键词:多重视区;空间光调制器;水平视差

中图分类号:141.9文献标识码:B

Refreshable Holographic 3-D Displays

Sava Tay , Nasser Peyghambarian

(1.Department of Bioengineering, Stanford University,CA, U.S.A,

2. Unirersity of Arizona College of Optical Sciences, Arizona, U.S.A)

Abstract: In order to achieve holographic displays that can be refreshed, several properties must be combined, including efficient recording, erasing capability, and persistent storage (memory) of holograms. Here, the authors describe the development of the first updatable holographic 3-D display with memory, based on photorefractive polymers.

Keywords: multiple view zone; spatial light modulator(SLM);horizontal-parallax-only(HPO)

在实现三维(three-dimensional, 3-D)可视的各种方法中,全息技术居于特殊的地位,自从引入全息术的那天起,人们就对这种方法着了迷｡全息图是可以直接观看的立体图像,而观众不需要佩戴特殊的眼镜(图 1)｡它们有助于减轻特殊眼镜带来的副作用,例如运动病和眼疲劳[1]｡它们具有非常高的空间分辨率和全彩色,以及高度的真实性｡这些特性使它们具有广泛的应用领域,包括医学､工业､军事和娱乐成像｡虽然科幻界和娱乐圈对全息技术很熟悉,但是全息技术是一种建立在固体理论基础上的强有力技术,它早期的先驱者,例如 Gabor, Leith, Upatnieks 和 Benton 所列举的各种使用了全息光学存储和处理技术的应用清单就很令人惊奇[2,3]｡全息技术的应用包括无损检测与评估､全息数据存储､纳米制造(干涉光刻)以及衍射光学元件的制造,这些光学元件应用于分光镜､光束合成以及电讯之中｡

不幸的是,由于缺少适当的存储材料,全息技术在很多其他令人兴奋的应用中受到了限制,特别是在那些存储图像需要动态改变的应用中｡前文论及的全息技术最成功的应用大多是静态图像,采用一次写入､多次阅读型存储材料｡动态或半动态(可更新)存储材料可以显著改善全息系统的性能并扩展其应用,3-D 显示是深受其利的应用之一｡

为了与可更新 3-D 显示相匹配,全息存储材料必须具有高效写入及重建性(高灵敏度和衍射效率)､写入快､存储时间长(记忆)､快速擦除能力以及大面积显示的潜力――到目前为止,还没有单一材料可以同时满足这些综合特性｡传统的全息存储材料包括光敏聚合物､卤化银薄膜以及重铬酸盐明胶｡基于这些材料的图像是永久写入的,因此不能擦除或更新｡可更新的存储介质,例如无机 PR 晶体,难于培养出大于数平方厘米的大尺寸晶体｡

但是,PR 聚合物――有机动态全息存储材料――可以制备出更大的尺寸,并具有非常高的衍射效率和灵敏度,成为了可更新动态全息显示的良好的可选材料｡

本文详细报道了第一台基于 PR 聚合物的､可更新的全息 3-D 显示器的研发过程[4]｡这台 4×4 in显示器是目前最大的全息 3-D 显示器,每隔几分钟就可以存储并显示新的图像｡我们的 PR 聚合物基可更新显示器和以前开发的基于光电子体系的动态 3-D 显示系统最大的差别是,PR 聚合物具有存储能力｡声光(acousto-optic)或 MEMS 设备等实时动态系统所使用的存储介质没有存储器(图像的存储),需要在视频频率(30 Hz)持续进行图像扫描,这就严格限制了这些设备可实现的图像尺寸和分辨率｡ 我们的 PR 聚合物基 3-D 显示器所显示的全息图可以在 45° 视角锥内进行观察,无需进行扫描｡它们的分辨率可以与 NTSC 电视相媲美,画面既可以保持几个小时而无需更新,也可以随时完全擦除并更新成新图像｡由于工作周期为数分钟,它们占据了实时显示和静态显示之间的特殊区域,可以定义为半静态(semi-dynamic)或准实时(near real time)显示｡这种信息的准实时显示主要应用于数据不必即时产生或处理,但仍然需要图像更新的应用中｡这样的应用包括医学图像和军事图像､娱乐和广告｡

1 它是如何工作的

在 PR 聚合物中,两束正交相干激光的干涉图像被称为折射率调制(refractive-index modulation)或相全息图(phase hologram)[5]｡这是由于照明区吸收光产生电荷造成的,电荷随后在暗区传输并诱捕｡空间电荷的分布产生了局部电场,并通过电光效应改变了宏观折射率｡可以使用均匀的激光束照射来擦除全息图像,因为吸收光后电荷分布是无序的｡记录/擦除的循环不会引起材料的老化和降解,新的全息图像可以记录于同一位置｡

全息图像会随时间逐渐消褪(衰减),这是由于材料固有的热力学过程使得诱捕的电荷无序分布｡记录速度较快的 PR 聚合物的全息图像衰减率通常高｡但是,在可更新的 3-D 显示应用中,需要可以快速记录且衰减缓慢(长余辉)的材料｡持续时间与存储时间的比值小及其他缺点,例如面积小､衍射效率低､易受电场和光学损坏等,阻碍了 PR 聚合物复合材料基可更新全息显示的发展｡

我们最近开发的新型 PR 聚合物设备动态性能良好,适用于可更新 3-D 显示[4]｡新型聚合物体系是一种共聚物,该共聚物具有空穴传输基元和醛基苯胺官能团(carbaldehyde aniline group, CAAN),由烷氧基连接基团连接｡采用共聚法,不仅利于消除功能成分间的相分离,这在均聚 PR 复合材料中很常见,还有利于提高非线性发色团的掺杂量｡对聚丙烯酸酯 TPD (PATPD) 进行合成改性,在以聚丙烯酸为骨架的共聚物上连接侧基四苯基二氨基联苯(tetraphenyldiaminobiphenyltype, TPD)和 CAAN,二者比例为 10:1｡在写入波长(532nm),主体材料 PATPD-CAAN 共聚物进行光学吸收和电荷产生/传输｡在复合物中添加增塑剂 9-乙基咔唑(9-ethyl carbazole, ECZ),以降低玻璃化转变温度｡添加 30 wt.% 氟化苯乙烯(fluorinated dicyanostyrene, FDCST)发色团,折射率产生了大幅调整｡

2 设备制造

将 PATPD-CAAN:FDCST:ECZ (50:30:20 wt.%) 复合物置于两个透明氧化铟锡镀膜玻璃电极之间,熔化,形成薄膜器件｡使用玻璃粉将有效层厚控制在 100 μm｡图2为这种复合物制备的有效面积 4×4 in的薄膜器件,旁边是典型的实验室样品｡我们的显示设备在超时运行阶段(几个月),在高工作电压(9 kV)下写入/擦除数百个循环后,该设备没有发生绝缘击穿,写入光强约为 100 mW/cm2｡

稳态 4 波混合测量(four-wave mixing measurement)中,施加5 kV电压,PR 薄膜器件的衍射效率接近 100 %｡我们开发了一种新的存储技术,通过改变施加电压,调整上升和下降时间｡开始时施加一个高于常规的电压(9 kV ),存储时间提高至不足一秒｡然后将电压降至最佳值 5 kV,以保证高衍射率时持续时间长｡写入时临时增加的电压利于有效进行电子空穴对的分离,改善漂移特性,强制电荷快速移动,同时也提高了发色团的取向有序参数和取向速度｡

显示全息图是由数字合成全息图法(holographic stereography)生成的｡这种技术基于同一物体不同视角的光复用技术(optical multiplexing)(不同角度的 2-D 透视图),各透视图位于存储介质的不同部分,沿着视差产生 3-D 感觉｡这种强大的技术在存储时并不需要实物｡它可以从任何可以提供物体 2-D 透视图的设备中获取数据｡磁共振成像､计算机辅助断层技术(CT)､空中和卫星三维成像､合成口径雷达(synthetic aperture radar)､积分摄影或者电脑辅助建模法在内的成像方法可以和这项技术整合在一起｡对于一个真实的物体,生成透视数据最简单的方法是,使用沿环形轨迹移动的相机,从不同角度拍摄物体的视频｡一旦拥有了 3-D 透视图,将其按照多重视区(multiple view zones)切片,每个透视图的视区组合成一个图像｡这个复合图像被称为 hogel,实际上它被记录在一片全息记录材料上或其中的一个像素上｡

图3是我们研发的 3-D 显示系统的示意图｡写入光源是双 YAG 532 nm 激光器,该波长在 PR 材料的吸收波段内｡Hogel 信息通过计算机控制的空间光调制器(spatial light modulator, SLM)加载到物体光束上｡物体光束在样品的位置与参比光束相干,创造了 hogel 的全息图像｡

随后是写入:第一个 hogel 记录于样品的第一点上;然后,关闭写入光,将样品移到第二点上,保存第二个 hogel｡一旦所有的 hogel 都存储完毕,将样品移到读取位置,就可以观察到全息图了｡

我们曾在 LED 上使用低能 He-Ne 激光产生的红(633 nm)光,作为全息显示的照明｡LED 具有无暇的优点,这是由于它们的相干性低,但是在与激光器的连接处使用旋转漫射器也可以减少与相干性相关的问题｡使用材料吸收波长范围内的均匀光束照射样品可以擦除全息图｡

目前的系统(图 4)支持水平视差(horizontal-parallax-only, HPO)全息图｡在很多应用中,HPO 图像非常近似于 3-D 图像,因为人类使用水平偏差的眼睛感知深度｡HPO 减少了写一张完整全息图所需的 hogel 的数量,因此减少了总的存储时间｡我们还注意到,我们的技术也与全视差图像兼容｡我们在 2 min内使用上述系统存储了复杂､高质量图像的 4×4 in HPO 全息图｡观察这个图像 3 hr以上,没有明显的亮度和对比度衰减,而且任何时候都可以在几分钟内擦除掉,这是首幅含存储器的可更新全息 3-D 显示｡

我们的 3-D 显示的特点是,总水平视角为±45°,且亮度均匀｡观众可以直接从 PR 薄膜器件上观看图像,在记录的图像和观众之间,不需要放映工具(intermediate projection tools)或者放大器｡当需要的时候,可以记录新的图像｡图 5 是使用 CCD 照相机拍摄的全息图像的图片,这仅仅是直观体验的实际效果的适度再现｡这主要是由 HPO 存储技术和包括饱和度在内的人们视觉系统相对不敏感的电子参数引起的象散｡

3 结 论

我们认为使用 PR 聚合物不会使显示器的尺寸受到限制:大型设备可以直接进行制备和/或组装出来,塑料工业已经展示了层压制备超大多层薄膜的能力｡而且,材料的寿命和衍射效率将使之成为未来的全视差显示的领头人,全视差显示的信息量通常比 HPO 显示高两个数量级以上｡对于较大的全视差显示器,可以采取短脉冲存储和热固定组合的方式,这是全息 3-D 显示未来的发展方向｡也可以精密调谐高分子复合材料的吸收特性,实现全色图像｡

总的来说,我们开发了 PR 聚合物器件,它具有不同寻常的特性,例如:大尺寸,高效率,快速存储,图像持久性,长寿命,并且耐光学和电子学损害,可以满足全息 3-D 显示所需的很多主要条件｡这些特点使我们可以预期最大的 PR 全息 3-D 显示器将在不远的将来实现｡全息图像的可更新性可以使 3-D 显示在娱乐､教育､医学和技术图像的应用得到显著扩展｡

参考文献

[1]N. A. Dodgson, "Autostereoscopic 3-D Displays," Computer 38, 31-36 (2005).

[2]M. R. Chatterjee and S. Chen, "Digital Holography and Three-Dimensional Display: Principles and Applications," T. Poon, ed. (Springer, New York, NY, 2006), Chapter 13, pp. 379-425.

[3]S. A. Benton and V. M. Bove, Jr., Holographic Imaging (Wiley Inter-Science, (2008).

[4]S. Tay et al., "An updateable holographic three-dimen- sional display," Nature 451, 694 (2008).

[5]O. Ostroverkhova and W. E. Moerner, "Organic photore- fractives: Mechanism, materials and applications," Chem. Rev. 104, 3267-3314 (2004).

作者简介:Savas Tay,斯坦福大学生物工程系博士后研究员;E-mail: ;Nasser Peyhambarian,亚利桑那大学光科学学院｡

(北京科技大学 石琳,郭婧

译自《Information Display》07/08)