Пространственные модуляторы света в голографии

Голография — это метод записи и реконструкции изображений, основанный на интерференции световых волн. Это один из наиболее перспективных методов для создания реалистичных реконструкций трехмерных объектов.

Голограмма представляет собой оптическую копию объекта и содержит информацию о его форме и структуре. В отличие от 3D изображений, голограммы выглядят объемно с любой точки наблюдения, а также обладают эффектами перспективы и параллакса.

Методы записи и демонстрации голограмм

1. Физический

Традиционный физический метод основывается на законах оптики и таких явлениях как интерференция и дифракция. Для этого необходимо существование как минимум двух когерентных волн, которые называют объектной и опорной. Лазерный пучок расширяется и делится на две части, образуя волны с высокой степенью пространственной когерентности. Объектная волна отражается от предмета и попадает на регистрирующую среду (фотопластинку), а опорная направляется напрямую на фотопластинку. Взаимодействие опорного и объектного пучков приводит к образованию интерференционной картины, которая фиксируется на фотопластинке и по своей сути и является голограммой. Для демонстрации такой голограммы необходимо осветить фотопластинку световой волной, схожей с опорной.

2. Цифровой

Цифровая или компьютерная голография (CGH — Computer-Generated Hologram) не требует наличия реального объекта и регистрирующей среды. Для записи компьютерной голограммы нужно лишь математическое описание объекта, а физическая интерференция заменяется вычислением волнового фронта, по которому компьютер с помощью расчетов определяет картину распределения интенсивности света для цифровой голограммы. Сгенерированная компьютером голограмма может быть отображена на динамическом голографическом дисплее.

Проблемы сгенерированных компьютером голограмм

Цифровые голограммы имеют ограниченное разрешение: они не способны воспроизводить достаточное количество пикселей, чтобы создавать изображения полезного на практике размера. Процесс генерации таких голограмм требует значительных ресурсов для обработки, хранения и воспроизведения большого объема данных.

Решение этой проблемы возможно путем разработки эффективных алгоритмов вычисления цифровых голограмм, в которых будет соблюдаться баланс между качеством изображения и скоростью вычислений.

Роль пространственных модуляторов света в цифровой голографии

Пространственные модуляторы света (SLM – Spatial Light Modulators) – это устройства, способные модулировать световые волны, изменяя их амплитуду, фазу или поляризацию, что позволяет создавать сложные световые поля, необходимые для формирования трехмерных изображений. Принцип работы пространственного модулятора света основан на использовании жидких кристаллов, которые обладают двойным лучепреломлением. Подача напряжения на элемент изменяет эффективный показатель преломления, видимый падающей волной, и, следовательно, замедляет фазу отражённой волны.

В процессе цифровой голографической записи формируется числовая модель дифракционной структуры, которая и выводится на пространственный модулятор света путем ее отображения на матрице активных элементов. Другими словами, модуляторы выступают в качестве голографического носителя.

CGH является одним из наиболее перспективных подходов для создания реалистичных реконструкций объектов. Однако из-за ограниченного разрешения пространственных модуляторов света, голограммы могут содержать размытие или шум, вызванные интерференцией. Когерентные свойства сильно искажают восприятие глубины, что является основой голографических дисплеев для создания 3D-сцен, превосходящих 2D-дисплеи.

В работе [1] предлагается новый метод создания голограмм с использованием дифракции (DEH — Diffraction-Engineered Hologram), который имитирует неконгерентный свет реального мира с помощью многоплоскостной голограммы. Это позволяет получить фотореалистическую реконструкцию с размытием, подобным расфокусировке в реальном мире, и с улучшенным восприятием глубины.

Полученные результаты

В представленном методе создания голограмм значительно улучшено восприятие глубины и качество изображения путем оптимизации волнового поля, что подтверждается результатами эксперимента.

Слева – метод DEH, справа – классический цифровой метод. Верхние изображения соответствуют переднему фокусу, нижние – заднему. 

Слева – метод DEH, справа – классический цифровой метод. Верхние изображения соответствуют переднему фокусу, нижние – заднему. В нижнем ряду показаны детальные изображения: для метода DEH можно наблюдать оптимальное отображения объектов переднего и заднего плана, а для классического - помехи на изображениях листьев, вызванные несовершенной картой глубины.

Схема эксперимента

Коллимированный RGB-лазеры освещали пространственный модулятор (SLM) через поляризационный светоделитель (PBS). После того, как первая группа линз формировала Фурье-плоскость, нулевой порядок и высшие порядки дифракции решетки, реализованные на SLM, блокировались фильтром. Реконструированная голограмма захватывалась камерой с помощью второй группы линз.

В вышеупомянутом исследовании использовался пространственный модулятор на жидких кристаллах (LCOS - Liquid Crystal on Silicon). LCOS модуль с разрешением 3840×2160 и шагом пикселя 3,6 мкм использовался в режиме 1080p для минимизации перекрестных помех пикселей.

Эксперименты показали, что LCOS модуляторы обеспечивают высокую точность управления волновым фронтом света, что критично для формирования качественных голографических изображений.

Таким образом, пространственные модуляторы света являются важным инструментом в создании современных голографических изображений. Они позволяют достичь высокой точности и качества голограмм, что особенно важно для приложений, требующих реалистичного трехмерного воспроизведения. Использование SLM в сочетании с инновационными методами компьютерной голографии открывает новые возможности для развития голографических технологий и улучшения их характеристик.

Более подробная информация о данном исследовании доступна по ссылке > >

Оборудование для голографии

Для задач голографии компания «Специальные системы. Фотоника» предлагает пространственные модуляторы света с 4К разрешением серии SPSLM36R. Это передовые устройства с разрешением 4K HD, обеспечивающие трехканальную фазовую модуляцию цвета (RGB) и монохромный режим работы с частотой до 180 Гц. Экран модулятора можно поворачивать влево и вправо, а также наклонять вверх и вниз, что обеспечивает гибкость использования. Для устройств доступен большой набор программного обеспечения, совместимого с Matlab, Labview, C/C++ и другими инструментами разработки, что облегчает проведение исследований.

Особенностью SPSLM36R является сверхмалый размер пикселя 3,6 мкм, что делает его единственным в мире коммерчески доступным фазовым пространственным модулятором света с таким малым размером пикселя. Это обеспечивает высокий уровень детализации и точности при формировании световых полей. 

Для создания оптических схем и проведения экспериментов по голографии в нашем онлайн-каталоге имеется широкий ассортимент оборудования компонентов:

• Непрерывные лазеры.
• Пространственные модуляторы света на жидких кристаллах (LCOS).
• Научные и промышленные КМОП камеры.
• Линзы и поляризационные светоделители.
• Оптические столы и оптомеханика.

Специалисты компании «Специальные системы. Фотоника» будут рады предоставить Вам любую дополнительную информацию и подобрать оптимальное решение для Ваших задач. Если у Вас остались вопросы, пожалуйста, свяжитесь с нами любым удобным способом.

Источники:

1. Yang, D., Seo, W., Yu, H. et al. Diffraction-engineered holography: Beyond the depth representation limit of holographic displays. Nat Commun 13, 6012 (2022).