利用电子纸显示屏的振幅移位全息技术

《Optics and Lasers in Engineering》：Amplitude shifting holography using electronic paper display

本文提出了一种基于电子纸显示器的低功耗数字全息振幅调制方法。通过利用电子纸的双稳态特性，在静态或准静态全息应用中实现了无需持续电力支持的振幅调制，有效抑制了零阶项干扰。实验采用两束光干涉原理，通过调节电子纸的黑白状态改变参考光振幅，结合微小的角度偏移抑制交叉项干扰，最终实现了高空间分辨率和稳定性的全息重建。相较于传统空间光调制器，该方法具有更大的像素尺寸、更低的功耗和更强的环境适应性，特别适用于野外便携式动态光学成像系统。

　　本文探讨了一种创新且节能的数字全息技术，该技术利用电子纸（E-paper）显示屏的电光特性实现对参考光的振幅调制。传统方法通常依赖于空间光调制器（SLMs），这些设备需要持续的电力供应和复杂的相位调制机制，例如利用液晶的双折射效应。相比之下，电子纸显示屏具有双稳态、宽频带和反射操作的特性，同时具备低功耗和简化电子结构的优势。这一特性使其成为一种紧凑、经济的替代方案，尤其适用于需要静态或准静态全息记录的应用场景。

全息技术自1948年由Dennis Gabor发明以来，经历了从光学记录到数字记录的重大转变。最初，全息图是通过在光记录板上记录物体与参考光的干涉图来实现的，这种方法能够保存物体的波前信息，但存在单次使用、化学处理复杂以及分辨率受限等问题。随着数字传感器如CCD和CMOS阵列的出现，全息记录得以数字化，从而实现了计算重建和实时相位分析。数字全息图的记录方式为物体光场与参考光场的干涉图，其中包括四个主要成分：物体光场的模平方、参考光场的模平方、物体光场与参考光场的交叉项，以及物体光场的共轭与参考光场的乘积。其中，交叉项携带了物体的主要信息，而其他成分则可能引入干扰，降低重建图像的保真度。

为了克服传统全息技术在空间分辨率与时间分辨率之间的权衡，研究者提出了略微偏轴数字全息（SODH）技术。与传统的偏轴全息不同，SODH仅需部分分离交叉项与共轭项，从而仅需记录两幅全息图即可实现高空间分辨率和较快的采集速度。这一特性使得SODH特别适用于对动态样本进行定量相位显微镜检查，例如生物样本的实时成像。此外，SODH在光谱范围内对交叉项的分离更为高效，所需的角度偏移仅为传统偏轴全息的三分之一，从而提高了系统的灵活性和适用性。

电子纸显示屏的核心技术基于微胶囊电泳，其原理是通过电场驱动带电的颜料粒子在微胶囊内迁移，从而实现对光反射率的动态控制。每个微胶囊内包含带正负电荷的黑色和白色粒子，如碳黑和二氧化钛，悬浮于透明液体中。当施加电场时，白色粒子会向微胶囊顶部迁移，反射光线，使表面呈现白色；而黑色粒子则向底部迁移，吸收光线，使表面呈现黑色。这种可逆的粒子迁移过程能够实现对光反射率的精确控制，从而用于调节参考光的振幅。

电子纸显示屏的结构由多个关键组件构成。首先，基底材料决定了显示屏的形态和使用环境，常见的包括柔性塑料（如聚酯薄膜）和刚性玻璃。塑料基底使显示屏更加轻便且易于弯曲，适合用于便携式系统；而玻璃基底则提供了更好的耐用性和热稳定性。其次，微胶囊是显示屏的核心，它们封装了带电的颜料粒子，并作为调制机制的基础。微胶囊的尺寸通常在几微米到几十微米之间，能够很好地适应高分辨率成像的需求。第三，导电层通常由氧化铟锡（ITO）等透明导电材料制成，用于在微胶囊上施加电场，同时保持良好的光学透过率。第四，电子墨水（即颜料材料）需要具备高稳定性和良好的分散性，以确保图像质量在长时间使用中不会显著下降。第五，保护膜则用于防止灰尘、刮痕和湿气对内部结构的损害，延长显示屏的使用寿命。最后，电子纸显示屏的响应时间相对较慢，通常在几十到几百毫秒之间，这虽然限制了其在高速或实时全息中的应用，但足以满足多帧或静态全息记录的需求。

电子纸显示屏的双稳态特性是其在全息应用中的关键优势之一。与传统的液晶空间光调制器不同，电子纸显示屏一旦被设置为某一状态，便能保持稳定，无需持续供电。这一特性有助于减少全息记录过程中可能出现的闪烁伪影，从而提高图像质量。此外，电子纸显示屏的像素尺寸较大，这在一定程度上降低了全息图像的噪声水平。其反射式操作模式也不需要背光，进一步减少了功耗并提升了系统的整体效率。这些优势使得电子纸显示屏在便携式、低功耗的全息系统中具有极大的应用潜力。

在实验设置中，研究人员采用了一种典型的迈克尔逊干涉仪结构。首先，通过显微镜物镜和空间滤波器对激光源进行空间滤波，以获得高质量的激光束。随后，利用准直透镜将激光转换为平行光。通过非偏振分束器（NPBS）将激光分为两束，其中一束照射在金属尺上雕刻的字母“3”上，作为反射物体；另一束则照射在电子纸显示屏上。通过调节电子纸显示屏的反射状态，研究人员能够分别记录两幅全息图，其中一幅对应于显示屏的关闭状态（黑色），另一幅对应于开启状态（白色）。这种基于反射率变化的振幅调制方法有效抑制了零阶项的干扰，从而提高了全息图像的重建质量。

实验结果显示，电子纸显示屏能够实现对参考光的高效振幅调制，同时在宽频带范围内保持稳定的反射性能。这一特性使得电子纸成为多波长或白光全息的理想选择。与传统的液晶调制器相比，电子纸的反射率几乎不随波长变化，从而避免了因波长依赖性导致的相位误差。此外，电子纸的机械柔韧性和环境适应性也使其在恶劣条件下具备良好的工作性能。这些特性不仅提升了全息图像的保真度，还为实现紧凑、低成本的全息系统提供了可能性。

综上所述，本文提出了一种利用电子纸显示屏进行参考光振幅调制的新方法，为数字全息技术的发展提供了新的思路。该方法不仅在技术上具备可行性，还具有显著的成本优势和能源效率。电子纸显示屏的双稳态、宽频带和反射式操作模式，使其在全息记录过程中能够有效减少干扰项，提高图像质量。同时，其较大的像素尺寸和较低的噪声水平，有助于实现高分辨率的全息重建。这些特性使其在生物医学成像、动态光学记录以及野外应用等领域具有广阔的应用前景。随着电子纸技术的不断进步，未来有望进一步优化其性能，使其在更广泛的光学应用中发挥重要作用。