計算全息(簡稱CGH)最早是由Kozma和Kelly提出，初衷是為了製作檢測被噪聲覆蓋的信號的濾波器。後來在數字計算和光學基礎上逐漸發展成為一個獨立的科學分支。隨著計算機與計算機技術的迅速發展，人們廣泛地使用計算機運算、處理並模擬各種光學過程。在計算機技術和光學技術互相結合和促進的發展進程中，美國光學專家羅曼於1965年通過計算機和繪圖儀製作出第一個計算全息圖。
基本介紹
- 中文名：計算機全息圖
- 外文名：computer hologram
- 提出者：Kozma和Kelly
- 內容：提供人眼需要的三維信息
- 特點：精度和靈活度上大大提高
- 學科：計算機
技術簡介,發展歷史,主要特點,計算全息圖分類,計算全息的基本理論,簡介,計算全息圖的製作流程,
技術簡介
計算全息圖可以記錄真實存在或虛擬物體的物光波的全部信息，而且再現像具有物理景深效果能夠裸眼觀看，因而具有極大的靈活性和獨特優勢。在光學發展的歷史進程中，計算機引入光學處理領域後，很多光學現象都可以用計算機來進行仿真，而只有全息顯示是對原物體光波振幅和相位信息的重現，如同觀看到真實物體或場景的漫反射光場一樣，能夠提供人眼所需要的全部三維信息，因此該技術被認為是終極的理想三維顯示方法。
發展歷史
早在1948年，Dennis Gabor就提出“波前重現"理論並開始了全息照相技術的研究，改變了感光記錄介質只能記錄光波的振幅信息的現狀。由於汞燈光源的相干性較弱，導致全息圖質量很低。這是全息技術發展歷程的第一個階段，即採用汞燈作為照射光源實現同軸記錄。直到1960年雷射的套用，才誕生了第二代採用雷射作為記錄和再現光源的全息技術。l 963年，美國科學家E．N．Leith和J。Uptnieks提出離軸全息，採用具有一偏角的參考光束，使得再現時虛像和實像在方向上互相偏離，克服了同軸全息產生的兩個像的中心都在全息圖的軸上的缺點，加速了全息術的發展。20世紀70年代初，越來越多的科學家投身其中，迎來全息技術發展的鼎盛時期，也是全息技術發展的第三代。1967年，D．P．Paris將J．W．Tukey的快速傅立葉變換算法套用到傅立葉變換計算全息圖的計算中，大大縮短了計算全息圖的計算時間。l 969年，S．A．Benton提出一種記錄方式簡捷、噪聲小並且不受透鏡限制的二步彩虹全息。1976年，Y．Denisyuk把一束擴束後的雷射直接入射到底片上，經曝光、顯影處理後就形成了能用白光再現出三維圖像的反射全息圖。第四代全息技術的發展目標是用白光記錄和白光再現，目前為止尚未實現。
主要特點
計算全息三維顯示技術是近年來將全息術、光電技術及計算機高速計算技術相結合發展起來的最具潛力的裸眼真三維顯示技術。與傳統的光學全息術相比，計算全息術避開了全息實際記錄光路的限制，可對其它手段獲得的三維數據或人工製作的三維模型進行全息圖計算，具有靈活、可重複性好等特點。三維顯示是對物體固有的三維信息進行記錄、處理和再現的可視化過程。集成成像法、體視法、體素法和全息顯示技術是目前能夠實現三維立體顯示的主要途徑。集成成像法是通過透鏡陣列和視差圖像合成來顯示。這種方法存在主要的不足點是成像焦
(1)光學全息對記錄介質的感光性要求很高，複雜的製作過程增加了影響成像效果的各種因素。計算全息技術就可以通過數學方法模擬光學全息過程，不會引入像差和噪聲。
(2)物場的復振幅分布可以計算出來，還可以對其進行分析比較，精度和靈活度上大大提高。
(3)計算全息圖可以直接進行數字存儲、傳輸或模擬再現。
(4)光學全息對所用光源有嚴格要求，而且形成光束的實驗條件是影響整個過程的關鍵。在計算全息方法中就脫離了這種限制，實現了各類光源條件下全息圖的記錄和再現。
(5)真實生活中存在或不存在的事物都可以通過計算全息製作並顯示出來，擴大了套用範圍。
計算全息圖分類
隨著計算全息的發展，出現許多類型的計算全息圖，它們原理相近又有不同，套用於不同的場合。第一類方法與普通光學全息相似，可以根據三維物體與計算全面坐標位置的相對位置不同，分為計算像全息、計算傅立葉變換全息和計算菲涅爾全息。
像計算全息圖：被記錄的複數波面是物波函式本身。在製作計算全息圖時只需要物波函式的復振幅分布編碼成全息圖的透過率函式。通過繪圖儀和光學縮版就得到像計算全息圖。
計算傅立葉變換全息圖：被記錄的複數波面是物波函式的傅立葉變換，在光學傅立葉變換全息中，由變換透鏡實時地完成物光波的傅立葉變換，而這裡是由計算機藉助快速傅立葉變換算法來實現的。
菲涅爾計算全息圖中被記錄的複數波面是物體發出的菲涅爾衍射波。根據物波函式計算在某一特定距離平面上的菲涅爾衍射波的復振幅分布，再將該復振幅分布編碼成全息圖的透過率函式。對於平面物體，由於沒有深度信息的變化，可以通過簡單積分計算出波面的菲涅爾衍射過程。
第二類是根據全息圖透過率函式分布的性質分類，分為振幅型和相位型兩類。在這兩類中還可按透過率變化的特點，再細分為二元計算全息和灰階計算全息。振幅型灰階計算全息圖。振幅透過率只有兩個值0和1的是振幅型計算全息圖，通過普通繪圖儀就可以進行繪製，因其良好的抗干擾能力而得到廣泛套用。相位型計算全息圖不衰減光的能量，衍射效率很高，全息圖質量高，但是製作工藝較為複雜。
第三類根據計算全息製作時所採用的編碼技術而區分，大致分為迂迴位相型計算全息圖、相息圖、修正離軸參考光計算全息圖和計算全息干涉圖等。迂迴相位型全息圖，它通過對光波的振幅編碼是通過控制全息圖上小單元的透過率或開孔面積來實現。矩形孔的位置用來編碼物光波的位相，整個記錄過程不需參考光波或者加入偏置分量。修正型離軸參考光全息圖，在計算機上模擬光學離軸全息的光學轉換，通過變換和計算來實現虛擬的離軸參考光與光波復振幅分布的疊加。其編碼只需要在在全息圖每抽樣點上用灰度變化或開孔面積使全息圖平面上的復振幅分布變成強度分布，省去了相位編碼。根據偏置分量的不同，可細分為：博奇型、黃氏全息圖。
相息圖，是一種由計算機產生的波前再現元件。假設在整個記錄平面內光波振幅為常數的條件下，直接記錄光波相位。這樣只需計算出記錄平面內各點物光波的相位值，並設法實現相位匹配，即再現出原始的物體光波，衍射效率高，但丟失了物波的振幅信息。根據工作方式的不同，相息圖可以製成反射式或者同軸透射式，並且可以用空間非相干光再現。
計算全息的基本理論
簡介
1965年在IBM工作的A．W．Lohmann使用計算機和計算機控制的繪圖儀，做出世界上第一個計算全息圖，開啟了計算全息的時代。2016年，微軟公布了一項新的技術與產品，基於Holoportation技術開發的HoloLens可以實現全息通訊，利用HoloLens將用戶傳輸出去，傳輸的內容包括三維圖像、聲音等，這將改變以後的通訊方式。計算全息得以迅速發展的基礎是光學全息，即利用光學干涉方法記錄光的振幅和相位並存儲在記錄介質上。相比光學全息，計算全息有獨特的優勢和極大的靈活性，主要特點是：①．能記錄複雜的，或者世間不存在物體的全息圖；②．能模擬許多光學現象，在光學信息處理中製作各種空間濾波器；③．產生特定波面用於全息干涉計量，同時可套用於雷射掃描器和數據存儲。
計算全息圖的製作流程
①抽樣，對物光波面進行離散樣點的抽取。
②計算，計算出物光波在全息平面上的光場分布。
③編碼，將計算全息平面上的光波復振幅分布編碼轉換為全息圖的透過率函式。
④薦現，用參考光照明CGH、得到光學再現像，或者在計算機中模擬再現過程，獲得再現像。
