（光学专业论文）激光直写制作全视差合成全息图的技术研究.pdf

激光直写制作 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 洼；垫遗直墓丝益要鉴别直瞪的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：年奸 签字日期纠口年乡月勿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： 1 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社 用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝储鹤：智舒 签字日期：冽。年岁月矽日 新替伽f 签字日期：别。年岁月泣日 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 摘要 随着计算机技术和新型数字设备的迅速发展，数字合成全息技术凭借其广阔 的取材空间，成为当前全息显示技术领域的研究热点之一。为了将全息显示技术 更好的商业化，从二十世纪九十年代起，如何制作大面积全视差合成全息图成为 世界各国显示全息研究的重点之一。目前国外已有不少科研机构和公司致力于合 成全息图商业化生产及应用，合成全息图已经作为高质量三维显示手段进入商业 市场。而国内相关技术比较落后，本论文在参考国内外合成全息图制作前沿技术 的基础上，提出了一种可实现白光下直接再现的、大视场的、全视差的合成全息 图的全自动拍摄技术，即一种三维合成全息图的激光打印技术。 本论文工作基于合成全息原理，采用激光直写一步反射合成全息拍摄方法， 结合计算机数字图像处理技术，实现全视差合成全息图的全自动拍摄。并使全息 图具有较大的观察视场，满足大面积合成全息图衍射拼接的条件。本论文所采用 的激光直写拍摄方法，记录时单幅二维图像是直接记录在一个信息单元点上的， 而再现时当观察者双眼离开全息图表面时无法观察到原图像全貌，因此，需要对 用于实验拍摄的原始二维图像进行图像信息分割重组的预变换处理，使得观察者 在适当的距离观察时仍可看到满足合成立体要求的完整图像。 本论文的实验工作主要包括四个步骤：第一，根据激光直写合成全息要求制 作相应的全息光学元件；第二，建立三维模型，渲染输出原始二维图像序列；第 三，进行图像预变换处理，对原始二维图像序列进行切割重组，以得到符合激光 直写拍摄要求的新的二维图像序列；第四，搭建全视差合成全息图的激光直写拍 摄光路，拍摄全视差合成全息图。 本文的工作重点是：第一，制作针对全视差的全息光学元件；第二，根据合 成全息原理研究相应算法，利用计算机编程实现图像预变换处理；第三，研究全 视差合成全息图拍摄方法，优化改进全息光路，并完成全视差合成全息图的拍摄。 通过实验，得到了具有较大观察视场的数字图像合成全息图，可以在白光下 获得具有全视差的再现象，真实再现立体场景，可作为高质量的立体显示媒介。 实验结果表明，本论文方法有利于合成全息图的自动化、产业化大批量生产， 利用这种技术还可以通过拼接的方法制作大面积显示全息图，从而解决了大面积 全息图制作的种种困难，是一种高质量的全息显示技术。本论文工作验证了激光 直写方法拍摄全视差合成全息图的可行性，给出了全视差合成全息图全自动商业 化生产的拍摄系统方案，为最终实现大面积全视差合成全息显示做了基础性研 究，并为下一阶段拍摄真彩色全视差合成全息图提供了详细可靠的技术依据。论 文研究的完成对解决国内大面积大视场合成全息图全自动拍摄问题，赶上世界前 沿大面积合成显示全息图的商业化生产和商业化应用的进程，具有现实的意义。 关键词：合成全息；全视差；全自动；激光直写；图像处理 i l i n v e s t i g a t i o no ff u l l p a r a l l a xh o l o g r a p h i cs t e r e o g r a mu s i n g t h eo n e s t e pl a s e rw r i t i n gm e t h o d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h en e wd i g i t a l e q u i p m e n t ，d i g i t a li m a g es t e r e o g r a p h yb e c a m ear e s e a r c hf o c u si n t h ef i e l do f h o l o g r a p h i cd i s p l a yt e c h n o l o g yb e c a u s eo fi t sw i d em a t e r i a l s i no r d e rt om a k e h o l o g r a p h i cd i s p l a yt e c h n o l o g yb e t t e rc o m m e r c i a l ，s i n c e9 0 st h et w e n t i e t hc e n t u r y , h o wt om a k eal a r g es c a l ea n df u l lp a r a l l a xh o l o g r a mb e c a m eaw o r l d w i d er e s e a r c h f o c u si nt h ef i e l do fh o l o g r a p h i cd i s p l a y a tp r e s e n ts e v e r a l f o r e i g nr e s e a r c h i n s t i t u t i o n sa n dc o m p a n i e sh a v ed e d i c a t e dt ot h em a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o no f s y n t h e s i sh o l o g r a m s a n dh o l o g r a m s ，a sah i g hq u a l i t yt h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y m e d i 如h a v eb e e np u ti n t oc o m m e r c i a lm a r k e t i nc h i n a ，t h er e l a t e dt e c h n o l o g i e sa r e s o m e h o wb a c k w a r d t os h o r t e nt h eg a pb e t w e e nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e dam e t h o dw h i c hc a na c h i e v ea u t o m a t i cs h o o t i n go fw h i t er e p r o d u c t i o n ， l a r g ev i e w i n gz o n e ，f u l l - p a r a l l a xs y n t h e s i sh o l o g r a m so nt h eb a s eo fr e f e r r i n gt o c u t t i n ge d g et e c h n o l o g y i no t h e rw o r d ，i ti s al a s e rp r i n t i n gt e c h n o l o g yo f t h r e e - d i m e n s i o n a ls y n t h e s i sh o l o g r a m t h et h e s i sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs t e r e o g r a mh o l o g r a m ，u s e dt h em e t h o do f o n e - s t e pl a s e rw r i t i n g ，c o m b i n e d 谢t l lt h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , m a k e i t p o s s i b l et o a c h i e v ea u t o m a t i cs h o o t i n go fs y n t h e s i sh o l o g r a m s ，a n dm a k et h e a c h i e v e dh o l o g r a m sh a v eal a r g ev i e w i n gz o n et om e e tt h en e e do f l a r g e s c a l es p l i c i n g b e c a u s eo n es i n g l et w o - d i m e n s i o n a li m a g ei sd i r e c t l yr e c o r d e do nau n i tp o i n t ， h o w e v e rw h i l er e p r o d u c i n g ，o b s e r v e r s se y e sa r ef a ra w a yf r o mh o l o g r a ms u r f a c e ，a n d t h u sc a nn o ts e eac o m p l e t eo r i g i n a li m a g e t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ei n f o r m a t i o no n t h ei m a g e ss h o u l db es e g m e n ta n dr e g r o u p ，i no r d e rf o rt h eo b s e r v e r st os e et h ew h o l e p i c t u r eo ft h eo r i g i n a li m a g eb yas y n t h e s i sw a y t h em e t h o dc o n t a i n sf o u rs t e p s ： f i r s t l y , m a k eah o l o g r a p h i co p t i c a le l e m e n ta c c o r d i n gt ot h en e e do ft h ee x p e r i m e n t s e c o n d l y , m a k eam o d e la n dr e n d e rag r o u po ft w o d i m e n s i o np i c t u r ei ns e q u e n c e t h i r d l y , s e g m e n ta n dr e g r o u pt h ep i c t u r e sa n dg e tan e wt w o d i m e n s i o np i c t u r eg r o u p i ns e q u e n c eb yt h ei m a g ep r o c e s s i n gp r o g r a m f o u r t h l y , s h o o tt h ef u l l p a r a l l a x s y n t h e s i sh o l o g r a m t h em a i np o i n t so ft h i st h e s i s ：a c c o r d i n gt ot h en e e do fe x p e r i m e n tm a k ea h o l o g r a p h i co p t i c a le l e m e n t ；d e s i g nt h ep r o g r a mf o rs e g m e n t i n ga n dr e g r o u p i n gt h e p i c t u r e ；a tl a s t ，f i n i s ht h ep r o d u c i n go f t h ef u l l - p a r a l l a xh o l o g r a m b yd o i n gt h ee x p e r i m e n t ，d i g i t a li m a g es y n t h e s i sh o l o g r a m w i t ha5 7 。v 1 州1 n g z o n ea r ea t t a i n e d t l l eh o l o 铲锄c a nb er e p r o d u c e du n d e rt h ew h i t el i x ，a l l d c a nb e u s ea sah i g hq u a l i t ys t e r e od i s p l a ym e d i a t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t t h i sm e t h o di sm o r e f i tf o rt ot h es y n t h e s l s h 0 1 0 簿锄s ，sa u t o r r 斌e da n di n d u s t r i e dp r o d u c t i o n ，a n d a sah o l o g r 印1 1 i cd l s p l a y t e c l l i l o l o g y ，i sv e r yf e a s i b l e t h i se x p e r i m e n tp r o v e d t h ef e a s i b i l i t yo f1 2 l s e rd i r e c t 删n go f 觚l - p a r a l l a xs y n t h e s i sh o l o g r a m s ，p r o v i d e s ar e l i a b l eb a s i sf o rm a k i n g 眦 c o l o ra n df u l l - p a r a l l a xh o l o g r a m t h i sm e t h o d h a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ，t os o l v et h e p r o b l e mo ff u l | ya u t o m a t i c a l l y s h o o t i n go ft h el a r g e - a r e 如1 a r g e e 啪n g z o n e f u l l - p a r a l l a xs y n t h e s i sh o l o g r a m ，a n d t oc a t c hu pw i t ht h ew o r l d sa d v 锄c e dl e v e lm t h ef i e l do fl a r g e - s c a l es y n t h e s i sh o l o g r a p h i cd i s p l a y k e yw o r d s ：s y n t h e s i sh o l 。g r a p h y ；f u l l p a r a u a x ；a u t 。m a t i c ；o n e 。s t e p l a s e r w r i t i n g ；i m a g ep r o c e s s i n g i l 目录 o 前言1 0 1 全息术的出现和发展l 0 2 合成全息技术的诞生3 0 3 数字图像合成全息技术4 o 4 国内外全视差合成全息技术的发展现状5 0 5 论文的创新点和结构安排7 1 激光直写制作全视差合成全息图的原理9 1 1 视差原理9 1 1 1 单眼视差原理9 1 1 2 双眼视差原理1 0 1 2 全息摄影技术原理1 2 1 2 1 合成全息两步法拍摄原理1 2 1 2 2 激光直写合成全息原理13 1 3 图像预变换原理14 1 4 图像变换的实现方法l6 2 实验过程19 2 1 实验系统2 0 2 2 实验方案2 2 2 3 实验参数的确定2l 2 4 全息光学元件的制作2l 2 4 1 传统光学元件的不足2 2 2 4 2 全息光学元件制作方法2 2 2 5 数字图像合成全息图三维场景的制作和采样2 4 2 5 1 创建三维模型2 5 2 5 2 材质编辑2 6 2 5 3 确定模拟摄像机的位置2 7 2 5 4 二维图像采样2 8 2 5 5 渲染输出2 9 2 6 图像预变换3 0 2 7 激光直写合成全息实验3 2 3 实验结果及分析35 3 1 全息图再现像视场分析3 5 3 1 1 两步法视场分析3 5 3 1 2 激光直写全息图视场分析3 6 3 2 再现图像畸变分析3 7 3 3 全息光学元件视场角分析3 8 4 工作意义和前景展望3 9 4 1 实验意义39 4 2 前景展望39 参考文献41 致谢44 个人简历及发表的学术论文4 5 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 0 前言 0 1全息术的出现和发展 全息图一词来源于希腊语中的两个单词“h o l o s ”和“g r a m m e ”的组合，其 中在希腊语中，前一个单词是“整个 或者“完整 的意思，意即完全的信息一 一不仅包括光的振幅信息，还包括光的相位信息。后一个单词是“信息 或者“书 信”的意思【l 。2 】。因此，全息图的含义就是包含有物体的全部信息被记录下或再 现出物体所含有的相位和振幅的全部信息。光波照明全息图，由于衍射效应能再 现出原始物光波，该光波将产生包含物体全部信息的三维像。这个波前记录和再 现的过程就是全息术 2 1 。 全息术是1 9 4 8 年英籍匈牙利科学家丹尼斯盖伯( d e n n i sg a b o r ：1 9 0 0 1 9 7 9 ) 在英国伦敦帝国科技工学院工作时发明的。科学界对这项发明给予了极高的评 价，并于1 9 7 1 年授予丹尼斯盖伯物理学诺贝尔奖。 1 9 4 7 年丹尼斯盖伯博士从事电子显微镜研究，分辨原子晶格所要求的分 辨率是0 2 n m ，而当时的电子显微镜的理论分辨率极限也只能达到0 4 n m 。这主 要是由于电子透镜的像差比光学透镜要大得多，从而限制了分辨率的提高。为了 降低电子显微镜的像差，提高和改进图像的分辨率，丹尼斯盖伯于1 9 4 8 年提 出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方法，即利用水银灯发出的可见光代 替电子波，并用实验验证了这一想法。在这个研究过程中，记录下了第一张全息 图，发明了全息术，尽管这种原始的全息图没有用电子波证明其原理，但用可见 光证实了其正确性，并且发表了再现波前成像一文。这标志着全息术的出现 0 - 5 1 。 丹尼斯盖伯全息图的制造遇到了两个困难：一是没有足够强的相干辐射光 源，因而无法存储任何有一定深度的物体的全息图，而且成像质量比较差；另一 个是丹尼斯盖伯全息图再现时，在两侧同轴方向产生不可分离的“孪生像”， 观察者观察时，“原始像 和“共轭像 无法分别被观察和显示。但是，丹尼斯盖 伯全息术的提出，向世人揭示了光学相干现象的巨大应用潜力，从而开辟出光学 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 中的一个崭新的领域。 由于相干光源的限制和同轴全息“孪生像 的问题，全息术研究的进展极大 受阻。但是，仍然有众多研究者开展这项研究工作：h a i n e 和d y s o n 沿着丹尼斯盖 伯的方向继续研究全息技术在电子显微镜中的应用，并提出了修正方案1 6 1 ；g l 罗杰斯等人的工作大大扩充了波阵面再现理论 2 1 。r o g e r s 将全息技术扩展到无 线电波长的范围，并提出了将全息术作为分析电离层移动记录的新方法 7 1 。在此 后的十年中，从表面看，全息技术的发展似乎进入停滞期，但事实上科研工作者 们并没有停止过对全息术的研究。l o h m a n n 把通讯的理念和思想引入到全息术中 8 1 ，l e i t h 等人将全息理论应用到雷达研究领域，重新审视该项重要发明，并且 利用全息学原理，在照相胶片上记录下雷达系统的回波，当用一束相干光照明该 透明胶片时，就会出现雷达波场的光学再现图像 9 1 。 从丹尼斯盖伯发明全息术到激光器的发明，是全息术的初始发展阶段，也 是全息术发展的第一阶段，这一阶段的主要特征是以水银灯作为记录光源，采用 普通的照片底片记录共轴全息图。这一阶段的全息图存在两个严重问题，一个是 再现的原始像和共轭像不能很好的分离开，另一个是缺乏高相干性光源。 1 9 6 0 年，休斯研究所的梅曼( t h m a i m a n ) 激光器的发明解决了全息术相 干光源的问题，极大地推动了全息术的发展，使全息术再次受到科研工作者们的 追捧，这标志着全息术发展进入到一个新的阶段，也是全息术发展的第二阶段。 d e n i s y u k 和l e i t h 以及u p a t n i e k s 使用激光光束完成了与盖伯相类似的实验，成 功制作出能够再现三维物体的全息图，从实践上证明了全息术的可应用性，也验 证了新的相干光源激光的高相干性。1 9 6 2 年美国密执安大学科学家利思 ( l e i t h ) 和乌帕特尼克斯( u p a t n i e k s ) 将通信理论中的载频概念推广到空域中， 提出“斜参考光法 ，在丹尼斯盖伯全息术的基础上发明了离轴全息术1 1 0 j 。他 用离轴的参考光和物光干涉形成全息图，成功拍摄出第一张三维物体的激光透射 全息图。采用这种方法，产生孪生像的衍射波在方向上分离，不再相互干扰，有 效地克服了孪生像的问题，使成像质量得以大大改善。这样，全息图第一阶段遇 2 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 到的两大难题都得到了解决。这一阶段的全息图的主要特征是激光记录、激光再 现。从而使全息图进入了迅速发展年代，相继出现了多种全息方法，并在信息处 理、全息干涉计量、全息显示、全息光学元件等领域得到广泛应用。 由于激光再现的全息图失去了色调信息，人们开始致力于研究可以实现白光 再现的全息图。1 9 6 2 年前苏联科学家u 丹尼休克( d e n i s y u k ) 将全息术与法国 科学家利普曼( g a b r i e l l i p p m a n n ) 于1 8 9 1 年发明的彩色照相术相结合，第一次 实现了可以用普通的白光点光源再现的反射全息图拍摄技术1 1 1j 。1 9 6 8 年，s a 本顿( b e n t o n ) 发明彩虹全息术【l 引，他是在全息图的碎片能够再现物体像的启发 下而提出的。彩虹全息术的发明掀起以白光显示为特征的全息三维显示的新高 潮。它使后来通过模压技术批量生产全息图成为现实【1 3 - 1 9 l 。这是全息术发展第三 个阶段的开始，这一阶段的主要特征是激光记录、白光再现。从此全息术才真正 走出实验室，出现在公众的面前。 0 2合成全息技术的诞生 前面所介绍的全息术的突出特点是能记录与再现真实物体的三维物体，但是 要求的记录条件比较苛刻，只能记录有限大小的物体，这就大大制约了全息图的 拍摄题材和应用范围，直到七十年代末到八十年代初l c r o s s 发明的合成全息术 的出现1 2 引，才很好的解决了这一问题，大大的扩大了全息术的应用范围。 合成全息术的基本方法是将一系列用普通摄影技术从不同角度拍摄所得到 的物体的二维照片，通过全息记录的方法记录在一张全息软片或干板上，即将每 一张二维照片拍摄成一个单元全息图，对应整个全息图的一个窄条位置，当用白 光再现全息图时，由于人眼的体视效应和视觉暂留现象，人眼就会看到一组活动 的三维景象，从而实现原物准三维显示的技术【2 。 全息图再现的是原物的真实三维像，即包含有物体的视差信息。合成全息图 虽然在客观上也达到了三维显示的效果，但是与一般意义上的全息图是有区别 的，它实际上是由一系列体视对组成的立体图，而不是像全息图那样同时记录了 一个三维物体的振幅和位相信息而得到的原物的真实三维再现像。 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 按照制作合成全息图的手段，可以将合成全息术分为两大类：光学合成全息 术和计算合成全息术。 光学合成全息术又可以分为：角度多路合成全息图和纵向多路合成全息图 【2 。1 9 7 0 年k i n g ，n o l la n db e r r y 制作出第一幅二步透射合成全息图【22 。光 学合成全息术的制作过程一般分两步进行。第一步，用普通摄影术记录一系列带 视差信息的二维图像照片；第二步，将这些带有视差信息的二维图像照片用全息 相干记录的方法合成全息立体图。 而计算合成全息术是由日本学者贝丰彦在1 9 7 4 年提出的 2 3 - 2 4 j ，计算合成全 息术是指不仅用计算机来计算物体的不同透视投影像，也用计算机来合成全息 图，从而制作成计算合成全息立体图。计算机合成全息术也可分成两步进行。第 一步，由计算机计算出某物体的一系列原始透视图；第二步，采用计算机合成全 息术制作每个透视图的基元傅里叶变换计算全息图。把这些基元全息图按观察时 次序排列好，这样就得到了计算机合成全息图。 本文所讲的合成全息术是指光学合成全息术，光学合成全息技术作为一种常 用的显示媒介，已经在防伪、广告、包装等方面得到了广泛的应用，并在科研领 域取得了很多成果。 o 3数字图像合成全息技术 随着计算机技术和新型数字设备的迅速发展，全息术也进入了数字化发展阶 段，其中最重要的成果之一就是合成全息图的数字化。数字图像合成全息技术， 是将光学全息技术与现代计算机技术、图像处理技术、空间光调制技术相结合而 发展起来的新兴的显示全息技术。数字图像合成全息术是当前全息技术领域的研 究热点之一。 国外在上世纪7 0 年代数字图像合成全息系统就曾被提出，但是由于当时的 数字技术还不够发达，因此数字图像合成全息技术发展比较缓慢。直到二十世纪 末，随着计算机技术和空间光调制器技术的飞速发展( 空间光调制器技术的发展 为合成全息图的传统平面图像载体胶片提供了替代产品) ，首先有波兰学者 4 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 m a r e ks u t k o w s k i 等人研究了使用液晶进行全息图的光电再现和存储，提出可以 利用c c d 电荷耦合器直接接收相干光的光栅结构并使用l c d 进行光电再现和存储 全息图的方法【2 引。液晶显示屏( l c d ) 用于合成全息图拍摄，使图像可以直接从 计算机中输出到光路里，实时而快捷【2 6 j 2 6 。c c d 图像传感器可直接将光学信号转 换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。数字微反射 镜显示屏( d m d ) 进一步提高了空间光调制器的光能利用率【2 引，比l c d 显示的图 像有更高的亮度和对比度。尤其值得一提的是美国麻省理工学院研究的通过对数 字图像的捕获和处理，将经过处理变换得到的数字信息经过空间光调制器转化为 光学信息，从而实现全息图的记录和再现的方法1 2 8 j 2 8 ，这种方法不仅为合成全息 图拍摄提供了更为广泛的取材空间，而且实现了数字信息向光学信息的转换，使 数字图像合成全息技术成熟化。 随着光全息术的应用越来越得到人们的重视，对全息记录介质的要求也越来 越高。新型全息记录介质的发展能够有利的促进显示全息图的制作技术的提高。 比如杜邦公司制作的光致聚合物全息记录材料h r f 、o m n i d e x 系列，美国波拉公司 制作的d m p 一1 2 8 系列光致聚合物材料，改变了传统记录材料药剂显影、定影、漂 白的处理办法，可以直接用紫外光照射和烘烤处理拍摄完的全息图，这种后期处 理方法特别适合大批量复制，并且可以用于制作高质量的彩色全息图 2 9 - 3 2 】。 数字图像合成全息技术为合成全息图的拍摄提供了更广阔的取材空间。尤其 是现在使用的高分辨率的数码相机和摄像机使场景拍摄更加容易，也使图像保存 更快速，处理更方便。从理论上来讲，数字图像合成全息图可以高质量显示任意 真实物体的图像和人们可以想象并用计算机虚拟生成的图像，甚至可以是诸如流 动的空气、飘落的雪花、运动场上冲刺的运动员等等，而自动化控制技术的应用 使数字图像合成全息图的拍摄速度更快，质量更高。相信随着数字图像合成全息 术的发展，数字图像合成全息图会有更加广阔、更加辉煌的应用前景。 0 4 国内外全视差合成全息技术的发展现状 自上世纪九十年代起，如何制作大面积全视差合成全息图成为世界各国显示 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 全息研究的热点之_ 1 3 3 - 3 7 】。 目前国外已有不少科研机构和公司致力于合成全息图商业化生产及应用，合 成全息图已经作为高质量三维显示手段进入商业市场，其自动拍摄设备也是立体 显示领域的研究热点之一，并已集成化、商品化。美国m i t m e d i a 实验室的m i c h a e l a k l u g 3 8 j 提出了一种可用于全视差合成全息图的计算机合成技术，发表了一种 可用于控制图像清晰度的优化渲染技术，并成功制作出3 0 c m x2 1 c m 大小的全息 图。这种技术是在计算机图形硬件快速发展，以及高速，高品质的图像渲染软件 开发的基础上提出的。该技术使制作实用的，可扩展的全视差合成全息图成为可 能。采用这种技术得到的全息图与仅具有水平视差的全息图相比，具有更强的立 体感，能够反映更多的信息，减小展示时图像的失真程度。在该技术中，特殊图 像渲染技术和光学放大方法的应用，提高了展示清晰的全视差全息图的可行性。 这种技术得到的全息图，在合适的位置进行观察，能够观察到清晰的图像，并且 具有较大的视场。波士顿的a d a mbk r o p p 3 9 j 以扫描线为基础提出一种可快速生 成全视差合成图像数据的计算机图形算法。这种算法的提出，改善了其它技术设 计的诸如用户定制设计的射线跟踪包裹和基于图像的渲染技术在快速显示过程 的不足。该算法是一种以扫描线为基础的计算机图形技术。通过对传统计算机图 形的一种非常规方式的使用，成功制作出一个渲染全视差显示图像数据的通用系 统。并且图像几乎可以以当前所流行的全息曝光装置的速度来进行渲染，使全视 差成像实验可以快速完成。 国内陈建农 4 0 j 提出一种利用正弦光栅的色散特性，并用两步记录法制作全 视差彩虹全息的方法。这种制作彩虹全息的方法，由于未使用狭缝限制物光波， 再现像无垂直视差损失，也无需在狭缝像位置观察。另外，与狭缝一步彩虹全息相 比，这种方法在成像过程中没有采用透镜，因此有可能使再现像视差大大地扩展。 但是，这种方法制作的全息图，要想使正负一级再现像很好地与零级分开，必须有 较高的光栅频率，而且对于同一级中不同颜色的再现像单色性还会受到像点发散 角和人眼观察位置的影响。最重要的是这种方法采用的两步法制作，无法完全实 现自动化，不利于全息图的大规模生产和商业化。戴微1 4 , j 提出一种用二维光栅 6 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 代替狭缝拍摄一步彩虹全息图的新方法。再现时，用白光照射全息图，可在任意方 向观察到，立体感很强的彩虹再现像，但是采用这种方法制作的彩虹全息图，再现 像的景深受到限制，而且和陈建农提出的二步彩虹全息一样，必须采用高频率的 正交光栅才可以将再现像较好的分开。 综上所述，目前国外大面积全视差合成全息图的制作技术已经比较成熟，合 成全息图已经作为高质量三维显示手段进入商业市场。而目前国内显示全息方 面，尤其是大面积全视差合成显示全息图仍然处于研发阶段，落后于世界先进水 平。 o 5论文的创新点和结构安排 针对国内在大面积全视差合成全息显示领域落后于世界先进水平的现状，本 论文在参考国内外合成全息图制作前沿技术的基础上，提出了一种拍摄全视差合 成全息图的激光直写技术，也可以说是一种三维合成全息图的激光打印技术。这 种技术利用合成全息图自动拍摄装置，结合图像处理技术和计算机自动控制技 术，不必制作母全息图，用激光打点一次完成白光再现合成三维( 动态) 全息图 的制作。利用这种技术还可以将一幅全息图分割成若干单元分别制作，然后再拼 接复原成一幅大面积显示全息图，从而解决了大面积全息图制作韵种种困难。对 解决国内外大面积全视差合成全息图全自动拍摄问题，赶上世界前沿大面积全视 差合成显示全息图的商业化生产和商业化应用的进程，具有现实的意义。 本论文的创新点是： 1 ) 采用激光直写技术制作出同时具有水平视差和垂直视差的合成全息图， 实现全视差合成全息图的全自动拍摄，与常见的水平视差合成全息图相 比，具有更强的立体感。 2 ) 采用了一种新型数字图像处理方法，对原始二维图像序列进行图像预变 换处理，生成一组新图像序列，用于全视差合成全息图的拍摄。与国外 全视差合成全息图像处理时所运用的光线跟踪等复杂算法相比，本论文 所采用的方法简单快捷，更容易实现。 本论文的章节安排如下： 7 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 第一部分前言：介绍全息术的发展历史和应用现状，国内外全视差合成全 息技术的发展现状以及论文的创新点和结构安排。 第二部分激光直写制作全视差合成全息图的原理：首先介绍合成全息图的 立体显示原理，包括单眼视差原理和双眼视差原理；其次，介绍全息摄影技术原 理，在简单介绍合成全息两步法拍摄原理的基础上，重点介绍激光直写拍摄全视 差合成图的原理，并提出了本论文图像预变换处理的思想；再次，介绍图像预变 换原理，以及图像预变换时的参数设置；最后，简单说明图像变换的实现方法。 第三部分实验过程：介绍本文的具体实验过程，包括实验系统的选择、实 验方案的设计、实验参数的确定、全息光学元件的制作、三维场景的制作和采样 以及图像预变换、激光直写合成全息实验。 第四部分实验结果及分析：是对实验结果的分析和总结，包括对全视差合 成全息图视场的分析和图像畸变的分析，并提出相应的改进方法。 第五部分工作意义和前景展望：总结本文的实验意义，并对全视差合成全 息术的发展进行了前景展望。 8 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 1 激光直写制作全视差合成全息图的原理 合成全息术是通过对物体进行多角度记录，获取一组满足体视对关系的二维 图像序列，利用全息摄影技术和双眼视差原理合成为一张全息照片，实现原物体 立体感的三维显示的技术。 1 1 视差原理 我们生活在一个丰富多彩的三维世界里。人的眼睛能够看到一个物体，是由 于物体所发出的光波携带着物体所包含的信息，传播到眼睛里，在视网膜上成像 所致。 然而人们通过对人类视觉的大量研究，发现经由人眼获取的外部世界的信息 均为二维的图像信息，客观事物在人眼中之所以是立体的、有层次感的，是因为 人的视觉窗口左眼和右眼从不同角度观察，获取不同侧面信息，再由视觉神 经在大脑中综合成三维物体的真实影像。即人对立体的感觉是通过将人眼获取的 不同侧面信息在人脑中的再次处理加工的结果【4 2 - 4 7 j 。 在这个过程中，视差是人们获得空间立体感的主要来源。视差是指观测者 在两个不同位置看同一物体的方向之差【4 引。比如，当你伸出一个手指放在眼 前，先闭上右眼，用左眼看它；再闭上左眼，用右眼看它，会发现手指相对 远方的物体的位置有了变化，这就是从不同角度去看同一点的视差。视差可 用观测者的两个不同位置之间的距离( 基线) 在物体处的张角来表示。 人眼的视差分为单眼视差和双眼视差。合成全息技术能够显示立体效果就是 基于人眼的双眼视差原理。合成全息图的立体显示效果正是双眼体视合成作 用和全息波前记录、衍射恢复结合的结果。 1 1 1 单眼视差原理 当我们单眼观察一个三维物体时，看到的三维物体投影在视网膜上的将是一 幅二维图像，这时人眼对三维物体的立体感主要来源于对二维图像的经验判断。 因为若非经验作用，单眼是不能够准确的产生深度感觉的，主要原因是单眼不能 9 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 对成像于视网膜上的二维图像给出深度上的判断，因为它并没有一个参照物作为 衡量的标准。我们对三维物体的这种经验判断，依赖于观察三维物体时的具体情 况，如物体的重叠、透视( 近大远小、近清远模糊、近亮远暗) 、亮面和影子、 纹理的疏密以及运动变化等 4 9 。5 引。 这些因素，反映到单眼观察的二维图像上，就能体现出场景中不同物体间的 空间位置关系。这些因素是我们在对用于合成全息图拍摄的二维图像序列进行预 变换处理时所必须考虑的。在图像预变换过程中，通过对得到的二维图像序列进 行相应地调整，可以增强图像的立体感。 1 1 2 双眼视差原理 在观察一个三维物体的时候，由于人类两眼视轴存在间距，成年人两眼视轴 的间距大约为6 5 r a m ，所以两眼是从不同角度看这个物体的，左眼看到物体左边 部分多一些，右眼看到右边部分多一些，如图卜1 所示。在左眼和右眼视网膜上 分别感受着不完全相同的刺激，形成两眼视觉上的差异，这种物体在两眼视网膜 上对应的投影之间的差值，称为双眼视差 5 1 - 5 3 】。 图卜1 双眼视差原理图 人类之所以能够产生有空间感的立体视觉效果，就是在观察三维场景时， 双眼视差所带来的图像位移，在大脑中的有机合成。双眼视差产生于两只眼睛 观察角度不同带来的体视视差，包括水平视差和垂直视差。 观察周围场景时，来自两眼的不同的图像信息经过视觉高级中枢处理后，便 l o 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 产生一个有立体感的图像，不仅可以感知三维实像，在测定和判断空间距离方面 也有重要作用。满足双眼体视关系的两幅图像称之为体视对图像 5 1 - 5 3 j 。体视对 图像是三维物体在两眼不同方向上的二维投影图像( 如图卜1 所示) 。 p 二 图卜2 水平视差双眼体视效果图 以水平视差为例，对双眼视差产生立体感进行简单地说明。如图卜2 所示， 当我们观察空间中位于同一水平高度的两物点a 、织时，在左、右眼视网膜上 分别得到体视图r 、足。q 、d 2 在体视图置、b 上的投影分别为厶、托和厶、 足。两物点的景深反应为与左右眼的张角大小不同，即景深大的物点q 对应两 眼的夹角q 相对较小，而景深小的物点q 对应的夹角岛较大，同时，张角q 、岛 之间的大小关系又间接地反应了物体的方位和自身尺寸，因此通过对这些体视图 的比较分析，人脑就能够做出物体间远近的判断。 玩 1 f ： l 优。一( 墉l | o 一p & 一( 豫! 图1 - 3 不同景深物体的空间位置关系 如图卜3 所示，我们设定左、右眼对应的体视图忍、最位于同一坐标系中， 激光直写制作全视差合成全息图的技术研究 则两物点d l 、0 2 的空间位置关系反映在左、右眼获取的体视对图像里满足对应 o l l 一伽l | l o t ：一o r 2 l 。这种差异经过人类视觉高级中枢综合分析后，就会在 人脑内重新确立两物点的空间位置关系。 事实上，人脑和人眼对周围环境立体感的形成是相当复杂的过程。尽管一 百年来我们对形成双眼视觉的物理几何学规律以及视网膜的刺激条件已 有了相当的了解，但对于如何通过双眼视差产生空间知觉，以及中枢器官 在形成空间知觉中所起的作用，至今仍然没有完整的理论能够对其进行精确 的说明。 然而利用目前出现的各种