基于多点干涉的体全息存储与高分辨三维成像技术研究

The project is based on the research background of volume holographic storage, combined with high-resolution imaging of pinhole and the application of micro-structure in far-field focus, presents an offline high-resolution three-dimensional imaging technology by use of multi-point coherent to build phase difference in far-field, studies the building of the storage system, the experimental conditions and imaging features, systematically. In-depth study on high-resolution imaging characteristics of pinhole imaging, calculate and simulate the phase distribution of far-field imaging of hole array with different parameters, and design the optimized imaging aperture arrays to provide images source for multi-point interference. Design microlens array to realize the far-field multi-point focus of reference beam,and observe and measure the characteristics of focused light field. The component optimization, method improvement, and doped nanoparticles and small molecules are used to prepare high sensitivity photopolymer holographic storage material, and study its comprehensive performance. Based on the research above, design of holographic recording technology, optimize the configuration of the optical path to achieve high-quality multi-point interference recording in photopolymer, obtaining the experimental conditions corresponding to high-resolution 3D image, and explore the multiplexing technologies to record multiple 3D holograms. This study will further expand the applications of volume holographic storage technology and provide experimental basis for application on high-capacity real-time 3D target storage and high-resolution 3D observation for small-scale objects, with important scientific significance and value.

本项目以体全息存储为研究背景，结合微孔的高分辨成像以及微结构在光束聚焦领域的应用，提出一种利用多点干涉构建远场相位差实现离线的高分辨三维成像技术，并系统研究实现该技术的存储系统结构、实验条件及成像特性。深入研究微孔的高分辨成像特性，对不同参数孔阵的远场成像相位分布进行计算与仿真，设计优化的成像孔阵，构建用于多点干涉的物像源。设计微透镜阵列实现参考光束远场多点聚焦，观测聚焦光场特性。采用成分优化、工艺优化、纳米粒子和小分子掺杂等手段制备高灵敏光致聚合物全息存储材料，并研究其综合性能。基于上述研究，设计全息记录技术，优化光路配置，实现在光致聚合物内多点干涉的高质量全息记录，得到实现高分辨三维成像的实验条件，并探索多幅三维全息图存储的复用技术。本研究将进一步扩展体全息存储技术的应用，为大容量实时性的三维目标存储以及小尺度物体的高分辨三维观测应用提供实验基础，具有重要的科学意义和应用价值。

本项目基于全息技术对物体或场景的振幅、相位信息的完整呈现，以体全息存储为技术基础和研究背景，提出了探索采用多点干涉手段构建远场高分辨“真三维”成像的技术方案，并研究实现该技术的存储系统结构、实验条件及成像特性。项目组根据“多点干涉”的体全息技术特征，采用圆透镜和平凸柱透镜取代微孔，基于“介质的任意记录点应包含该点张角的全部目标信息”的思路，完整的给出了像素式全息记录与三维成像方案，并通过设计光路和优化结构得以实现。. 我们设计了像素图像从采集、分割到重组的方法，并通过编程实现了快速处理。该方法通过平移介质实现全息存储的角度复用，从而简化了全息存储光路设计，已申报国家发明专利。分析了影响再现三维图像分辨率的全息存储系统设计因素。理论模拟了介质平移尺度、像素宽度与再现三维图像分辨率的关系。介质平移尺度越小，再现图像分辨率越高；像素宽度越小，对介质的空间分辨率要求越高，当介质的空间分辨率不满足要求时，再现三维图像分辨率下降。基于平凸柱透镜像素理论计算了无交扰图像再现的最大可记录图像数，研究表明提高透镜数值孔径和全息材料的角度选择性可以增大再现图像分辨率；图像分辨率与图像压缩系数无关；平凸透镜在垂直于光束的平面内偏转将导致图像分辨率降低。以实现高分辨率、低散射噪声的三维全息图再现为目标，研究了掺杂In、Li等离子对铌酸锂晶体全息性能的影响和聚乙烯醇-丙烯酰胺聚合物的改性制备技术。设计制备了丙烯酰胺聚合物材料，感光灵敏度达到67.7 mJ/cm2，衍射效率达到18.1%。设计了物光垂直入射介质的透射式体全息存储光路，像素图像采用反射式空间光调制器加载，并通过共焦双透镜低通滤波光路消除空间光调制器高频噪声，而后经平凸柱透镜实现像素点记录。在物光与参考光中心夹角为50度，平移复用度为0.63mm的记录条件下，实现了高质量的远场全息三维成像，水平方向分辨率达到200ppi。. 本项目的研究是基于体全息存储技术在三维成像领域的拓展研究，相对于当前基于双目或多目非裸眼视觉合成技术来说，全息三维成像是真实反应物体全部信息的裸眼三维显示技术，在大容量实时三维目标存储和远程视频等领域具有潜在的应用需求，因此具有重要的科学研究价值。