（光学专业论文）计算机与光学联合制大视角彩色全息显示的研究.pdf

摘要 全息显示技术是全息技术中重要的研究方向之一，彩色全息术因 其能显示物体的真实色彩而比其它种类的全息图更具有吸引力。同 时，随着对静止的真彩色全息三维显示的研究不断深入，大视角动态 全息图的研究也引起了人们的关注，以完善全息显示技术和满足各种 商业活动的需求。 本文通过对物体信息的获取、全息基本理论、计算机制全息原理、 镜像算法原理以及彩色全息合成方法等的探讨与研究，结合光学方法 和计算机制全息图两者的优点，提出了用计算机和光学联合制大视角 三维物体彩色彩虹全息图的新方法。并通过理论分析和实验验证两方 面证实了此方法的可行性，取得了较为满意的结果。本论文主要由四 部分内容组成： 第一部分：详细回顾了光学全息技术和计算机制全息技术发展的 历程，对已有的各类全息显示技术进行了分析和评述。同时介绍了计 算全息基本理论，作为本论文研究的理论基础。 第二部分：计算机光学联合制三维物体真彩色全息图的研究。 第三部分：计算机光学联合制大视角三维物体真彩色全息图的研 究。 第四部分：计算机光学联合制大视角三维物体动态真彩色彩虹全 息图的研究。 具体研究工作包括： l 、三维彩色物体信息的获取及物光波的模拟。建立物体的物光 波数学模型，以适应计算全息的数值计算格式。 2 、彩色全息的合成。通过物像关系及彩虹全息的原理，研究高 质量真彩色全息的新方法。 3 、镜像折叠法的物光波计算。即把各分色全息图通过镜像折叠 的算法，处理成高密度的小幅全息图，从而解决大幅度全息图的输出 问题。 4 、动态彩色全息图的拍摄。研究彩色彩虹全息图的合成方法， 消除色串扰，减少色彩失真，提高再现像的质量，制得高质量的大视 角动态彩色彩虹全息图。 本论文的创新点： 1 、充分利用计算全息的灵活性，提出“等效狭缝”概念。在同 一平面不同区域的“等效狭缝”处计算分色全息图日，不仅有效的 消除了噪音，而且大大的提高了光能利用率。 2 、提出镜像折叠法的物光波计算方法。彩虹全息显示的视角取 决于h 的长度，镜像折叠算法可以将大的全息图折叠成较小的全息 图，并通过光学方法进行展开。有效的解决了计算全怠难以生成大幅 全息图的困难，从而可以实现大视角全息显示。 关键词：大视角，讨。算全息，彩色全息，动态全息 l f c o l o rh o l o g r a md i s p l a yw l t hl a r g e v i e w i n ga n g l eg e n e n r a t e db yc o m b i n i n g c o m p u t e rw i t ho p t i c a lm e t h o d a b s t r a c t h o l o g r a p h i cd i s p l a yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci nh o l o g r a m c o l o rh o l o g r a p h yh a sag r e a tv i t a l i t yi nh o l o g r a p h i cd i s p l a y f o rc o l o rh o l o g r a m sc a n d i s p l a yt h et r u ec o l o ro fo b j e c t s ，s ot h e ya t t r a c tm o r ea t t e n t i o n st h a no t h e r s b e s i d e s ， b yt h ed e e p e n i n go fq u i e tc o l o rh o l o g r a m ss t u d y , c o l o rd y n a m i ch o l o g r a m sw i t hl a r g e v i e w i n ga n g l ei sb r o u g h tu pt od a t e ，i no r d e rt op e r f e c th o l o g r a md i s p l a ya n dm e e t v a r i o u s b u s i n e s sa c t i v i t i e s i nt h i sp a p e r , w ep r o b ei n t ot h eo b t a i n i n go f o b j e c t s ，b a s a lt h e o r yo f h o l o g r a p h y , c o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a p h y ( c g h ) ，m i r r o ri m a g e sa r i t h m e t i ca n d c o l o rh o l o g r a m s y n t h e s i z e b yc o m b i n i n gc o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a p h yw i t ho p t i c a lm e t h o d ，w e p r o p o s e dan e wm e t h o df o rg e n e r a t i n gc o l o rd y n a m i ch o l o g r a m sw i t hal a r g ev i e w i n g a n g l e t h e o r ya n a l y s e sa n de x p e r i m e n t sa r eg i v e nt oa p p r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h i s m e t h o d ，a n ds o m es a t i s f a c t o r yr e s u l t sh a v eb e e nr e a c h e d f o u rp a r t sa r ed i v i d e di n t h i sp a p e r ： t h ef i r s tp a r t ：m a k i n gad e t a i l e dr e t r o s p e c to fo p t i c a lh o l o g r a m p h ya n dt h e c o u r s eo fc o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a p h y , a n a l y s i n ga n d e v a l u a t i n g v a r i o u s h o l o g r a p h yd i s p l a y s ，t h e ni n t r o d u c es o m eb a s a lt h e o r yt om a k et h e ma st h et h e o r yo f t h i sp a p e r t h es e c o n d p a r t ：r e s e a r c h i n gt h r e e - - d i m e n s i o n a l t r u e - c o l o r h o l o g r a m sb y c o m b i n i n gc o m p u t e rw i t ho p t i c a lh o l o g r a p h y t h et h i r dp a r t ：r e s e a r c h i n gt h r e e d i m e n s i o n a lt r u e c o l o rh o l o g r a m sw i t hl a r g e v i e w i n ga n g l eb yc o m b i n i n gc o m p u t e rw i t ho p t i c a lh o l o g r a p h y 1 1 1 t h ef o u r t hp a r t ：r e s e a r c h i n gt h r e e d i m e n s i o n a lt r u e c o l o rd y n a m i ch o l o g r a m s w i t hl a r g ev i e w i n ga n g l eb yc o m b i n i n gc o m p u t e rw i t ho p t i c a lh o l o g r a p h y t h ed e t a i lr e s e a r c hj o b si n c l u d e ： 1 h o wt oo b t a i nt h ed a t ai n f o r m a t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a lc o l o ro b j e c t s ，a n d s i m u l a t et h ee x p r e s s i o no fl i g h t w a v e w es h o u l dc h o o s ea l lo p t i m a l e x p r e s s i o nt om e e tt h ec a l c u l a t i o no f c o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a m 2 t h es y n t h e s i z eo fc o l o rh o l o g r a m b a s e do nt h er e l a t i o n s h i po fo b j e c ta n d i m a g ea n dt h et h e o r yo fc o l o rh o l o g r a m ，w e p r o p o s ean e w m e t h o dt om a k e at r u e c o l o rh o l o g r a mw i t hh i 曲q u a l i t y 3 t h e o b j e c tl i g h t w a v eb a s e d 0 nm i r r o ri m a g em e t h o di sc a l c u l a t e d 。w ef o l d o b j e c tl i g h td i s t r i b u t i o no fl a r g ed i m e n s i o nh o l o g r a m si n t os m a l lh o l o g r a m s ， s ot h eh o l o g r a m sc a nb ep f i n tw i t hs m a l ld i m e n s i o n 4 ， s h o o t i n gt h ed y n a m i ct r u e c o l o rh o l o g r a m s ，a n ds y n t h e s i z i n gs o m e d i c h r o i ch o l o g r a m si n t oc o l o r f u lh o l o g r a m ，r e m o v i n gc r o s s t a l k ，d e c r e a s i n g t h ed i s t o r t i o no fc o l o r , i m p r o v i n gt h er e c o n s t r u c t e di m a g ea n dm a k i n ga t h r e e d i m e n s i o n a lr e a l c o l o rh o l o g r a mw i t haw i d ev i e w i n ga n g l e 。 i n n o v a t i o no f t h i sp a p e r ： 1 t a k i n gf u l la d v a n t a g e so fc o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a m ，e q u i v a l e n ts l o ti s p r o p o s e d m o n o c h r o m a t i ch o l o g r a m sq a r ec o m p u t e di nd i f f e r e n ta r e ao f t h es a m ep l a n e t h i st e c h n o l o g yn o to n l ye l i m i n a t en o i s e ，b u ta l s oe n h a n c e t h ee f f e c to f l u m i n o u se n e r g y 2 b a s e do nt h em e t h o do fm i r r o ri m a g e ，w ep r o p o s e da na l g o r i t h mo fl i g h t w a v e h o w e v e rt h ev i e w i n ga r e ar e s t r i c t e db yt h es i z eo ft h em a s t e r h o l o g r a mm 。w ec a nf o l dl a r g ed i m e n s i o nh o l o g r a mi n t os m a l l e ro n eb y t h em e t h o do fm i r r o ri m a g e ，t h e nu n w r a pi tt h r o u g ho p t i c a lw a y s t h i s t e c h n i q u ea v o i d st h ed i f f i c u l t yo fg e n e r a t i n gl a r g ed i m e n s i o nh o l o g r a mb y c o m p u t e r - g e n e r a t e dh o l o g r a p h y , a n dr e a l i z e sh o l o g r a md i s p l a yw i t hal a r g e v i e w i n ga n g l e k e yw o r d s ：l a r g ev i e w i n ga n g l e ，c o m p u t e rg e n e r a t e dh o l o g r a m ，c o l o r h o l o g r a m ，d y n a m i ch o l o g r a m v 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条 例。我的学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明并详细列出有关文献的名称、作者、年份、 刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和版次等内容。论文中 未注明的内容为本人的研究成果。 如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。 承诺人( 研究生) ：耐施 矽 指导教肌互娣 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在 论文中作了明确的声明并表示了谢意。 研究生签名：讨亳苓声 日期： 加7 、，矿 学位论文使用授权声明 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复目j 件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后遵守此协议。 研究生签名：甘丧勃 导师虢z 辉日期川，o 第一章绪论 全息图的制作可通过两种途径：光学方法和计算机编码法“。光学方法的 物光波分布是物体透射或漫射入射光自然形成的。其制作过程因需要激光器和防 震平台而显得不灵活。计算机制全息图的物光波分布和编码都要经过复杂的计算 才能得到，但不需激光和防震平台从而降低了全息图的制作要求。因此，计算机 制全息图一直被给予极大的关注。更重要的是计算机制全息图可以实现各种光波 的再现和变形，很多甚至是光学方法所不能达到的。4 1 。例如制作自然场景( 如风 景，自发光物体) 的全息图。但是计算机制全息的实际操作非常复杂和费时。因 而利用计算机制全息图进行三维物体再现的工作尽管已经取得很大的进展“。 但仍存在三维物体的光波数学表达式复杂，信息量大，大幅度全息图难输出等问 题“1 ，而难于推广。 我们提出计算机和光学方法相结合制作大视角彩色全息图的新方法。第一步 用计算机算出高质量的分色全息图，避免了由光学方法所带来的噪声，并且达到 制作简单，易于控制的目的，第二步采用光学方法再现合成彩色彩虹全息图，大 大减少了计算量和计算时间。从而能方便简单地制得任意三维物体的真彩色全 息图。同时深入分析了彩色全息图的特点，巧妙地设置计算全息的参数，得到高 质量的彩色全息图。并通过运用镜像折叠的算法，达到了大视角全息输出的目的。 计算机和光学方法相结合制作大视角彩色全息图是以全息原理、计算机制全 息、镜像折叠算法、体视对原理等为理论基础的。我们将从这些方面深入研究此 方法的可行性及优缺点。 ( 一)显示全息的发展及应用 全息术是近几十年来迅速发展起来的一种新的成像技术，现在无论在理论研 究还是实际应用方面，全息术都取得了很大的进展，引起了光学领域、电迅领域 以及其它领域的工作者的广泛兴趣和注意。 显示全息是全息学诸多分支中非常重要的一支，在全息术半个多世纪的发展 过程中一直占据着重要的地位，从第一幅同轴全息图的诞生到现在，它的发展经 历了从激光再现到白光再现，从单色到彩色，从静态到动态，从光学全息到用计 算机制全息的过程，它的应用领域也变得越来越广泛。近年来，全息技术不断与 其它学科相结合，出现了光、机、电“一体化”的趋势，将显示全息的研究与 发展推向了一个新的阶段。下面对显示全息术的发展及各种全息图的制作方法作 简要的介绍。 1 彩虹全息术 1 9 6 9 年本顿( b e n t o n ) 发明彩虹全息术，掀起了以白光显示为特征的全息 三维显示新高潮。彩虹全息图是一种能实现白光显示的平面全息图，除了能在普 通白炽灯下观察到明亮的立体像外，还具有处理工艺简单、易于复制等优点。它 的基本特点是在记录系统的适当位置加入一个狭缝，其作用是限制再现光波，以 降低像的色模糊。 彩虹全息图的记录主要有两种方法。一种是1 9 6 9 年本顿提出的彩虹全息的 实现方法，叫作二步法”1 。它是先记录物体的菲涅耳全息图，然后以菲涅耳全息 图的再现实像为对像再记录一次全息图的方法。另一种方法是用透镜记录物体实 像的方法，叫作一步法“”。这种方法最早是由陈选、杨振寰等在1 9 7 8 年提出的。 由于在一步记录中加入透镜限制了视场，为了扩大视场，所以在系统中加入一个 场镜“”。以后又发展了像散彩虹全息术“”，即在记录系统中利用柱面镜以减小线 全息图的宽度，从而达到扩大视场、减小色模糊的目的。 彩虹全息工作的另一项研究是在记录系统中去掉狭缝。在记录过程中移动或 转动主全息图鼠( 二步法) ，或者移动物体或透镜( 一步法) “”1 ，使透镜焦平 面上的光场形成一个s i n c 函数分布。因为s i n c 函数分布使得约8 4 的光能集中 在中央亮纹部分，这样形成的亮带可以代替狭缝的作用，此“狭缝”称为合成狭 缝，由于在记录系统中没有实际的狭缝，因而理论上提高了激光能量的利用率。 还有一种无透镜彩虹全息“”，主要用于记录二维物体。另外，1 9 8 5 年还提出了 一种零光程差彩虹全息术“”，它可以利用低相干性光源记录二步彩虹全息图。 彩虹全息图的一个主要优点是便于复制，有光学复制和模压复制两种方法， 其中模压复制技术，使得彩虹产品得以广泛应用。模压复制技术是1 9 7 9 年r c a 公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的，以后在美、日、英等国家得到迅速 发展，其工艺是利用机械的方法使信息层在一定温度下发生永久形变从而达到复 2 制图像的目的n 6 1 。 2 彩色全息术 全息术步入白光再现时期后，迎来了“全息照相大发展”，在这一时期，对 彩色全息技术( 或者说全息图对物体本来颜色的真实复现) 的研究逐渐成为人们 感兴趣的课题。实际上，早在“全息照相大发展”之前，前苏联物理学家丹尼休 克( y und e n i s y k ) 就在其发表的论文中将全息术与法国物理学家g a b r i e l l i p p m a n n 在1 8 9 1 年发明的彩色照相技术结合起来，发明了一种能够在白光下再 现彩色像的反射全息图“”，这种全息图被称为李普曼全息图。 彩色全息术的目的是记录和再现一种颜色与原始物体十分接近的三维像。彩 色全息图主要包括两大类，一类是反射型全息图，另一类是透射型全息图。透射 型全息图的记录方法分为多波长记录法和单波长记录法。多波长记录使用一台激 光器或者多台激光器组合，发射红、绿、蓝三原色激光，三色激光同时照射被摄 物体，利用参考光记录在全色记录介质上，白光再现就会显示出物体真实颜色 1 8 - 2 1 。单波长记录法采用单波长激光，利用彩虹全息的原理编码实现真彩色，从 事这方面研究的人很多。有的人利用某些全息记录介质乳胶层厚度对处理过程的 敏感性，使用单一波长激光对一个物体的不同部分产生不同的厚度，从而在白光 下再现时呈现不同色彩；也有的人利用多狭缝假彩色编码技术，使不同波长的光 通过空间频率不同的光栅，在一定条件下沿空间同一方向传播，相叠加而得到真 彩色视觉效果。”；更多的人采用对彩色底片分色，然后用分角度或分区记录的办 法实现真彩色。3 “1 ，其基本思想是：通过精心设计光路，使得用白光再现全息图 时，能在空间某一预定位置产生红、绿、蓝三个重叠的狭缝实像，人眼通过这一 位置可以看到原物的真彩色像。国外在这方面研究比较多的有美国、日本、英国、 德国。并且出现了一些新技术1 ，比如日本京都技术大学制作边缘照明彩色全息 图，采用参考光从全息图的边缘照射，这样减小了照明空间；德国艺术美术研究 所研究彩虹“阴影”全息图的单次曝光彩色混合技术，它的特点是多个连续光束 同时照射到一个二元平面上可变角的漫射屏，因而可有很大范围的波长选 择。 3 合成全息术 合成全息术是指将一系列用普通摄影术或其他图像处理方法得到的“物 体”的带有视差和深度信息的二维图像、按照时问顺序排列的瞬时图像，通过全 息方法记录在一张全息干板上，再现时实现原物的三维或动态显示的技术。”1 。 合成全息术最早是由金氏( m c k i n g ) 等人于1 9 7 0 年提出来的，利用合成 全息的方法能够实现合成立体或合成动态。合成动态要选取一系列按时间分布的 二维图像；合成立体则选用按照角度或位置分布的一系列图像，通常分为角度多 路合成和纵向多路合成两种方法。角度多路合成提取的是物体的周视角度视差， 即对一物体从不同的角度拍摄一系n - - 维图像，然后合成全息图。在观察全息图 时，同时有两幅或多幅图像在人的视网膜上合成，使观察者感觉其看到的是物体 两个不同侧面，从而形成立体视觉。纵向多路合成提取的是物体的纵向位置视差， 按原次序、原问隔排列合成，这种方法常用于医学领域。用x 射线或b 超按照一 定顺序和间隔拍摄人体器官的截面照片，然后将这些照片合成就能得到人体器官 的三维显示图像”1 。合成动态则是利用视觉暂留现像，将一系列按照时自j 顺序 记录的瞬时图像按顺序合成再现，当观察者依次浏览这些图像时，感受到的就是 原动作的再现”。 4 计算全息术 计算机制全息简称计算全息，也属于显示全息的研究范畴，计算全息与光学 全息的不同之处在于计算全息不用光学编码，而是用计算的方法进行编码制作全 息图。制作光学全息图时，必须要有实际的物体存在，才能使从物体上发出( 自 发或反射) 的光波和参考光波相干涉来制作全息图，如果该物体不是物理存在的， 就没有办法制成所需的光学全息图。而计算全息的制作则不然，它不需要真实的 物体存在，而只要事先给出物波的数学描述”1 ，就能利用数字计算机和显示装置 综合出计算全息图，再现该物体的图像。因此，计算全息图能综合出世间不存在 的物体的全息图，其灵活性极高。这种性质大大扩大了计算全息图的应用范围。 此外，计算全息图衍射效率和噪声都比较容易控制、对环境要求低，这些都是光 学全息图无法比拟的。 4 5 其它显示全息术 七十年代以来，法国、日本、前苏联、美国相继拍摄出了全息电影，但由于 像质和场景不理想、放映视场小等因素限制了全息电影的推广。全息电影的普及 和推广很大程度上取决于大的全息银幕、大型脉冲激光器以及全息记录技术的不 断完善。现在日本、美国从研究全息电影转到研究全息电视，如日本信息科学和 技术实验室研究数字全息图与光全息圈的合成，数字全息图具有计算机产生三维 物体动态像的优点，而光全息图适合于详细精密地成像。他们还讨论了计算机实 时产生全息图的可能性，采用并行计算，最后将带有数据的计算结果传输给显示 装置，这样得到的结果比通常的计算机要快8 4 7 倍，从而有可能实现计算机实 时产生全息图。 6 显示全息的前景 图像显示技术发展的一个主要目标是实现图像的真彩色三维动态显示，以便 能更真实地记录和再现客观事物。激光全息技术在这一领域具有很强的优势，但 是由于其技术的复杂性和局限性使它的发展和应用受到限制。计算全息技术的发 展使其局限性得到克服，并且能够进行自动记录，制作成本也大幅下降，这促进 了全息在图像显示应用方面的飞速发展。z e b r a 公司已经在这方面展现了令人惊 喜的成就，其利用计算全息技术制作的大幅面、大视角、真彩色三维全息图像已 成功地应用于商业广告、产品展示、工业设计等许多领域，而且作为一种新的艺 术形式用于艺术装潢和展示，在这些方面全息图显示了优于二维图像的视觉效 果，也展现了令人兴奋的产业化前景。这种技术为艺术家、科学家和工程师进行 艺术创作、科学分析和工程设计提供了一种新的工具，尤其在汽车、航天、建筑 及石油等工业领域已经显现出其应用价值。由于其图像设计的任意性和可变性， 计算全息技术和印刷技术相结合，在印刷和防伪领域也有了广阔的应用前景“”。 随着相关技术的发展，计算全息技术与计算机通讯技术相结合将有可能实现全息 图的远程传输和复制，使其应用更加广泛。另外，随着高分辨率空间光调制器及 显示器件的发展，计算全息电视的研究也有可能取得突破性进展。 随着计算机技术及相关高新技术的发展，传统的光学全息术与计算机技术及 其它技术的联系将越来越密切，全息技术、计算机技术、c c d 技术、液晶显示技 术等结合在一起的综合性研究将成为热点，展现出诱人的前景。 ( 二) 计算机制全息概述 计算机制全息( c o m p u t e r g e n e r a t e dh o l o g r a m ，简写为c g h ) ，是制作全息 图的一种新技术，其形成和发展已有四十多年的历史。计算机制全息图是利用数 字计算机来综合出全息图，它不需要物体的实际存在，只要把物波的数学描述输 入计算机，经处理后，控制绘图仪输出或阴极射线显像管( c r t ) 显示而制成的 全息图。近年来，由于计算机科学技术的快速发展，数字计算机在光学领域得到 了广泛的应用，它不仅可以进行数学运算，而且可以和显示装置连接以实现对大 多数光学现像进行仿真。同时由于快速傅里叶变换( f f t ) 等计算方法的出现， 大大缩短了计算机进行傅里叶变换所需的时间，这些都为利用计算机技术制全息 图提供了实现的可能，推进了计算全息技术的发展。 计算全息最早是由科兹马( k o s m a ) 和凯得( k e l l y ) 于1 9 6 5 年提出来的。 他们为了检测被噪声掩埋的信号，用人工的方法制作了一个匹配滤波器。滤波器 的做法是：先用计算机算出所需要信号的傅里叶频谱，然后用黑自线条对这个频 谱进行编码，用放大的尺寸进行绘制，最后以合适的尺寸复制在透明胶片上。后 来罗曼( a w l o h m a n n ) 把通讯理论中的抽样定理应用到空问滤波器的制作中， 奠定了计算全息图制作的理论基础。到1 9 6 6 年布朗( b r o w n ) 和罗曼提出了几种 制作二元透过的频率掩模板的技术，可用单色光再现一般的复值波面。罗曼首先 利用迂回位相效应编码复数波面的位相，这就是后来著名的迂回位相型计算全息 图，它是计算全息技术的真正丌端。1 9 6 7 年，巴里斯( d p p a r i s ) 把f f t 算法 应用到傅里叶变换计算全息图的计算中，大大缩短了全息图的计算时间。 在上述计算全息技术取得初步成果的基础上，很多光学和电讯工作者对计算 全息技术的兴趣陡增，提出了多种计算全息图编码制作技术。其中包括在计算全 息复数信号编码中加离轴参考光或加偏置量，n q 做修j 下型离轴参考波计算全息 图。赖塞姆( l b l e s e m ) 等人提出了计算全息图的另一种形式一一相息图，因 为它有很高的衍射效率并能同轴再现单一图像等优点，使之在计算全息技术中占 有重要的地位。 光学全息图一般有振幅型和位相型两类，计算全息图也有这两大类。在这两 6 类中，根据其透过率变化的特征，又可分为二元计算全息图( b i n a r y h o l o g r a m ) 和次阶计算全息图( g r a y s c a l eh o l o g r a m ) 。振幅型二元计算全息图的振幅透过 率只有两个值：0 或l ，即全息图面是完全透明或完全不透明的。振幅型灰阶计 算全息图指的是计算全息图的振幅透过率函数是变化的，灰阶计算全息图可用由 计算机控制的有灰阶输出的绘图仪绘制，然后在照相底片上记录而成。 位相型计算全息图和光学位相型全息图一样，可由振幅型全息图经过漂白工 艺而成。在位相型计算全息图中，依据透过率变化分成位相型灰阶计算全息图 ( b l e a c h e dg r a y ) 、位相型二元计算全息图( b l e a c h e db i n a r y ) 和位相型闪烁 计算全息图( b l a z e dh o l o g r a m ) ，由于这类全息图都足经过漂白处理 故振幅透 过率都为1 ，理想的衍射效率可达到1 0 0 。 与传统的光学全息术相比较，计算全息术具有如下优点： ( 1 ) 计算机技术和数字图像处理技术的引入，可以方便地引入数字处理方 法，消除像差、噪声以及记录介质感光特性曲线的非线性等因素带来的不利影响， 改善全息图的质量。并且全息图可以直接在计算机显示器上进行模拟再现1 。 ( 2 ) 由于可以直接计算出物场的复振幅分布，并对其进行逐层分析，因此 具有很高的测量灵活性。如对同一物场连续、记录的多幅全息图进行任意组合叠 加，可从中方便地测量出参与叠加的两个物场问的差异，或者通过相位倍增方法 增大干涉条纹密度，从而有效提高测量精度。 ( 3 ) 由于全息图是以数字形式存储于计算机中，这使得全息图的保存、传 输和复制更容易，甚至可以通过互连网实现全息图的实时传输和异地显示。 ( 4 ) 计算全息术不仅可用于可见光，也可用于x 射线、红外、微波等其它 电磁波段，以及用声波和电子波等进行全息记录和再现。 ( 5 ) 可以实现自然界尚不存在的三维物体的立体显示，在c a d 技术中有广 泛的应用。蚓。 ( 6 ) 与三维扫描技术相结合获取实际物体的三维数据，解决了光学全息难 以拍摄实际景物的限制，比如大楼，人物，自发光物体( 例如火焰) 等。 当然，计算全息技术正处手发展中，也存在很多不足之处，例如，由于计算 机储存容量、计算速度、绘图仪的分辨率等的限制，要制作一张空间带宽积很大 的计算全息图是费时和困难的“”。 从光学发展的历史上看，计算全息首次将计算机引入光学处理领域，很多光 学现像都可以用计算梳来进行仿真。计算全息图为数字信息和光学信息之间的有 效联系，为光学和计算机科学的全面结合拉开了序幕。 ( 三) 三维立体视觉 全息术是当前最理想的三维显示技术，在一定条件下再现全息图，人眼可以 看到包括物体全部信息的三维像。眼睛是灵魂之窗，扮演着评估、观看及判断的 角色，然而眼睛究竟是如何接受外界物体反射( 透射) 或发出的光线，使人们感 知空间，感受到立体感觉的呢? 光刺激本身能为视觉器官提供空问信息，这些信息通过视觉过程，使人知觉 到客观事物的空间关系。我们是用两只眼睛观察事物的，这一点我们并不能总是 意识到，却好像总是用一只眼睛在观察，正是双眼的共同活动提供了对方向和深 度进行信息加工这一特殊功能。在观察外界事物时。每只眼郡形成单独的视像， 双眼视像经大脑的信息加工处理，形成双眼立体映像，这种立体映像位于双眼视 野重合部分的中央区域。 当我们注视一个物体时，两只跟将发生辑接现像，以使双眼视轴焦合。我们 对物体方向的判断，既不以左眼为依据，也不以右眼为依据，而是以双眼连线的 中点处为依据，这个点位于前额稍下方正中，是人们将两只眼看成一个器官时， 假想眼的虚拟所在，这只假想眼叫做中央眼，中央艰是进行视觉空阕定向的重要 依据，中央眼的正前方向线是我们判断方向的依据，视网膜上相应点的视觉方向 都以这个方向为基准来判定偏移方向和距离的。这是形成立体视觉的基础。 当两眼注视空间的某一点时，两艰视轴将集合予该点，该点作用于双鼹视网 膜的相应点上，并引起视觉兴奋，产生双眼的单一视觉，简称双眼单视。在观察 立体物时，由于两眼之问存在6 0 毫米左右距离，所以左、右眼以各自的角度观 察物体，均不能在双眼视网膜相应点上成像，而是离开相应点一定距离成像r 这 种一定程度上的视像横向偏移叫做横向视差。两眼视网膜不完全相应部位感受刺 激不完全相同，产生兴奋并经视路传到大脑皮层，就产生了立体知觉( 如图卜1 ) 。 8 图卜1 双眼体视视差图 f i g 1 - 1s c h e m eo f b i n o c u l a rp a r a l l a x 立体视觉的形成是以双眼视差为重要依据的，但不是全部依据。立体视觉的 形成中有两类因素，一类为生理因素：一类为客观因素。形成立体视觉的生理因 素有三个。1 双眼视差。2 眼的调节：以视距的变化为条件，通过睫状肌的收缩 与舒张，晶状体发生凸度和曲率的改变，使视网膜上的像得以清晰，这是保证横 向视差存在的基本条件。假如视网膜上像是模糊的，这种视差就会小得多，有时 甚至会消失，那么立体视觉功能就会差。如高度近视眼看远处物体时，形成立体 感能力就差的多。3 眼的辐揍：以视距变化为条件，通过眼外肌的协调作用，使 眼球发生内旋程度的改变，使双眼视野在注视远点到近点的距离时始终保持重 叠，使双眼视差始终存在，这就保证了在任何注视距离都可以形成立体视觉。可 以说没有眼的调节和辐揍，就不可能产生真正的立体视觉。立体视觉的形成，除 生理因素外，还有下列客观因素：颜色、背景图案、构图、光景分布、运动视差 等。 9 j r一一。 - 一 i一iiiiii牿”-l00illiii叫lllllj叫， 1ii；：i：18：iiii呲 ( 四) 大视角真彩色全息的研究现状及本课题的意义 目前国内外对于真彩色全息的制作工作仍然不够成熟，主要原因是真彩色全 息制作过程较麻烦，要综合考虑的问题多，难度大。特别是对于视角的增加和颜 色质量的提高，一直都是人们研究的热点，而对于动态全息进一步增加了工作难 度。朱利伟等人曾先后提出了假彩色编码来制作动态全息图的方法和用空间光调 制器来实现的计算机制动态全息。7 鹞1 。前者制作程序复杂、对准精度要求极高， 后者因为对液晶光调制器的分辨率的要求高而难以推广。王媛媛等人虽然研究了 动态彩虹全息的研究，但未能实现彩色显示m 1 。 本文通过结合计算机制全息和光学方法，研究三维物体彩色全息新技术。基 于三原色原理，我们用计算机算出三张分色线全息图，再用镜像折叠算法将其折 叠输出。据全息基本物像关系，如果分色全息图按一定位置放置，用单色激光再 现时，配以合适参数的平行平面镜，在某一截面上，它们的再现像能完全重合。 加入参考光拍摄其重合像，得大视角彩色彩虹全息图，然后进一步将本技术用于 动态显示之中。文章分三个主要方面研究。首先，通过控制三分色全息图的记录 距离和各全息图的长度，使它们处于同一平面上，用共轭光再现时。它们的再现 像能完全重合。然后，结合镜像折叠算法，将大幅度的分色全息图折叠成小幅的 高密度全息图，解决了大幅度计算全息图难输出的问题，经再现合成后，得到大 视角的真彩色全息图。最后，在前面的镜像法和彩色全息图的制作基础上，综合 体视对原理，研究了大视角动态彩色全息。 计算机光学联合制大视角三维彩色全息的方法主要有三方面的优点：一方 面，克服了制作复杂，对光路要求高等问题，具有高精度，方便，简单等优点。 从而得到了高质量的分色全息图；另一方面，由于是采用光学方法合成彩色彩虹 全息图，大大减少了计算量和计算时间；此外，巧妙地设置了参数，方便，简单 地制得了效果较好的真彩色全息，并结合镜像算法和体视对原理，达到了大视角 和动态的目的。 1 0 第二章计算机制全息基本理论 ( 一) 全息术基本理论 计算全息图是先用计算机制作全息图，然后用光学方法再现。其基本原理与 光学方法同。具体过程分为五步，包括对物体物光信息的采集、处理、编码、存 储和再现。因此将涉及到全息的记录与再现、信息的离散化与恢复、信息的编码 等理论。 1 波前记录 全息记录物光波波前的方法是通过干涉编码的方法“1 。其原理见图2 1 。设 传播到记录介质上物光波波前的复振幅为： o ( x ，y ) = d ( x ，y ) e x p 一j o ( x ，y ) 1 ( 2 1 ) 式中o ( x ，y ) 为物光波振幅，妒( x ，y ) 为物光波位相。传播到记录介质上的参考波波 前为： r ( x ，_ ) ，) 2 ，( x ，y ) e x p 一，妒( x ，y ) 】 ( 2 2 ) 则全息图的强度分布为： l ( x ，y ) = j r ( x ，) j ) + d ( 工，y ) 1 2 = l r ( x ，y ) 1 2 + l o ( x ，y ) 1 2 + 最+ ( x ，y ) o ( x ，y ) + d ( x ，y ) r ( x ，y ) ( 2 3 ) = l r ( x ，y ) 1 2 + l o ( x ，y ) 1 2 + 2 r ( x ，y ) o ( x ，y ) c o s o ( x ，) ，) 一妒( x ，y ) 】 o b j e c t d 图2 - 1 波前记录原理 f i g 2 1p r i n c i p l ed i a g r a mf o rr e c o r d i n gw a v e f r o n t 前两项分别是物光和参考光的强度分布，仅与振幅有关，与相位无关。第三 项是干涉项，包含了物光波的振幅和相位信息。参考光波作为一种高频载波，其 振幅和相位都受到物光波的调制，干涉条纹是参考光波振幅和相位信息受到物光 波振幅和相位信息调制的结果。 记录介质的作用相当于线性变换器，它把曝光时的入射光强线性地变换为显 影后负片的振幅透过率。假定曝光量在胶片t e ( 透过率一曝光量) 图的线性区 内变化，而且胶片具有足够的分辨率，则全息图的振幅透过率可表示为 t ( x ，y ) = t o + ( x ，y ) ( 2 4 ) 式中岛和为常数，将式( 2 - - 3 ) 代入上式，则 r ( x ，y ) = - t - 盯十, o o r + + p o + r ( 2 5 ) 式中，= t + p l r l 2 ，当参考光波是平面波时，屯表示均匀的偏置透过率。 2 波前再现 用相干光波c ( x ，y ) 照射全息图，如图2 2 所示。 1 2 虚像 h 图2 - 2 波前再现原理 f i g 2 - 2p r i n c i p l ed i a g r a mf o rr e c o n s t r u c t i o n d 假设照明光在全息图上的复振幅分布为c ( x ，y ) ，则全息图的透射光场为： u = c t b + c l o l 2 + p c o r + + p c o + r = u l + u 2 + u 3 + 以( 2 - 6 、 u 由四部分组成。若用原参考光波照射全息图，即c ( x ，y ) = r ( x ，y ) ，则透射 光场的四部分司分别表不为： u i = r 屯 u 2 = a r l o l 2 u 3 ( x ，y ) = d i r l 2o ( x ，y ) u = 耻2 0 ( x ，y ) ( 2 7 ) 其中，u 是参考光的直透部分。u 2 的系数中含有i o l 2 ，为物光强度分布，一般 记录过程中物光强度比参考光强度弱很多，这样前两项近似为常数，作为偏置项。 i r l 2 是参考光波的强度，当参考光为平面光波时，除了一个常数因子外，就是 原始物光波d i 的准确再现。当这一光波传播到观察者的眼睛里，| 和真实物体的光 波完全相同，因而可以看到物体的虚像。 透射光场的第四项以中，0 是物体光波前的共轭。若原始物波是发散的， 则共轭光波是会聚的，所以以给出物体的一个实像，但由于r 2 的调制，实像会 变形。 如果采用参考光的共轭照明全息图，即c ( x ，y ) = r ( x ，y ) ，则第三，第四项 分别为 q ( 工，) ，) = 肚ro ( x ，j ，) ( 2 8 ) u 。= 水i2 0 + ( 五y ) ( 2 9 ) u 3 和以仍然正比于物光波前或其共轭波前，分别产生虚像和实像，其中虚像有变 形，实像不存在变形。 ( 二) 信息的离散化与恢复 由于计算机只能