（光学工程专业论文）真彩色体视全息图的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文采用两种方法来制真彩色体视全息图：种是用三色光栅照相机拍摄景 物的两张视差照片，然后用单色激光器经二次曝光全息记录制成一张真彩色体视 全息图，在普通白炽灯照明下可再现真彩色体视全息像。该方法制作过程简单， 减少了散斑噪音，消除了彩色全息像的色差，得到的全息像清晰明亮，色彩真实， 立体感强。另一种办法是用液晶显示屏( l c d ) 作为掩模来制作真彩色体视全息图。 利用图象处理软件将由数码相机或由计算机的图形软件产生2 d 、3 d 彩色图象分 成红、绿、蓝三色输入l c d 液晶屏作为掩模，解决了传统方法中三分色片对位困 难和制作分色片手续繁琐问题。本文对这两种方法的理论和实验作了深入的分析 介绍，设计了实验室全息记录方法，得到质量好的真彩色体视全息图。 关键词：真彩色全息图，体视全息图，三色光栅，l c d 液晶屏 重庆大学硕士学伊论文 英文摘要 a b s t r a c t t w om e t h o d so fm a k i n gat r u ec o l o rs t e r e o s c o p i ch o l o g r a ma r ep r e s e n t e di nt h i s p a p e r t w op a r a l l a c t i cf i l m so fan a t u r ec o l o rs c c l l ea r eo b t a i n e dw i t hat h r e oc o l o r g r a t i n gc a n l c r a w i t ht h ef i l m s at r u ec o l o rs t e r e o s c o p i ch o l o g r a mc a l lb em a d ew i m o n o - - w a v e l e n g t hl a s e rt h r o u g ht w oe x p o s u r er e c o r d i n g s at r u ec o l o rs t e r e o s c o p i cs c , e n e i m a g ec a nb er e c o n s t r u c t e df i o mt h eh o l o g r a ma si t i si l l u m i n a t e db yaw h i t el i g h t s o u r c e c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s t h i sm e t h o di ss i m p l e ri no p e r a t i o n i tl a r g e l y d e c r e a s e st h es c a t t e r i n gn o i s ea n dg e t sr i do fc h r o m a t i ca b e r r a t i o no ft h er e c o n s t r u c t e d i m a g e i tc a l lp r o d u c ead e a r e ra n db r i g h t e ra c h r o m a t i ca b e r r a t i o ns t e r e o s c o p i cc o l o r i m a g e o t h e rl 【i i l do fm e t h o do fm a k i n gat r u ec o l o rs t e r e o s c o p i ch o l o g r a mw i t hl c d l i q u i dc r y s t a l8 c r e e l li sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r m a k i n gi i s co ft h ei m a g ep r o c e s s i n g s o r w a r et h ec o l o ri m a g ep r o d u c i n gb yd i g i t a lc a m e r ao rc o m p u t e rw i l lb ed i v i d e di n t o r e d 、g r e e na n db l u et h r e ec o l o r si m a g e sa n di n p u tt ot h el c dl i q u i dc r y s t a ls c r b 嘲- it ob e u s e da st h em a s k s t h i sm e t h o dr e s o l v e st h et w op r o b l e m s o n ei st h ec o n t m p o s i t i o no f t h r e ed i v i d i n gc o l o r sf i l m si nt r a d i t i o n a lm e t h o da n dt h eo t h e ri st e d i o u sp r o c e d u r et o c r e a t i n gd i v i d i n gc o l o r sf i l m s i na d d i t i o nt od e s c r i b et h ep r i n c i p l e so ft h e s et w o m e t h o d s w eh a v ef a b r i c a t e ds o m et r u ec o l o rs t e r e o s c o p i ch o l o g r a m si nt h el a bi no r d e r t ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h em e t h o d q u a l i f i e dt r u ec o l o rs t e r e o s c o p i ch o l o g r a m sa r e o b t a i n e d k e y w o r d s ：t r u ec o l o rh o l o g r a m ，s t e r e o s c o p i ch o l o g r a m ，t h r e ec o l o rg r a t i n g , l c dl i q u i d c r y s t a ls c r n 独创性声明 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，也不包含为获得重迭盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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：杨 旁签字目期：枷j 7 年j ；月彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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。本人授权重庆太堂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。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( y ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：扬勇 签字日期：扣7 年易月5 目 导师签名：百 签字日期：o 一7 年月日 重庆大学硕士学付论文l 绪论 1 绪论 宇宙万物色彩缤纷，千变万化，使人们眼花缭乱，且不暇接。人类从古时候 起就学习运用各种方法记录、再现所看见的大干世界的各种景象。这其中包括绘 画、摄影、摄像以及电子显示技术等。尽管这种努力经过了几千年。但迄今为止， 无论是有着千年历史的绘画创作，还是经历的百年的摄影摄像技术，抑或近些年 发展起来的电子显示技术，仍然难以真实的记录和显示我们所见到的一切。绘画、 摄像和摄影能为我们提供平面景象，而真实世界的视觉形象，应该是色彩斑斓的、 三维的。激光全息摄影技术使我们能够实现三维物体的记录与再现。物体分为自 身发光和自身不发光两种。不发光的物体被光照射后能散射光，成为一种问接的 发光体而被人眼观察到。物体发射的光被人眼接受时，由于光的强弱不同，方向 和距离不同，颜色不同，从而能够识别物体的各自特征。从光波的观点看，人能 识别物体的各自特征是由于各物体发射的特定光波不同。光波的特征主要取决于 光波的振幅( 强弱) ，相位( 同相面形状) 和波长( 颜色) 。如果物体不存在，但能得到 物体的特定光波，就能看到该物体的逼真像。全息术就是利用光的干涉和衍射原 理，将物体发射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下使其再 现，形成原物体的完全逼真的立体像的一种成像技术。不同于普通照相仅仅通过 照相物镜成像，在底片上将物体发出的或散射的光波的强度分布记录下来，全息 术可以记录物体散射的单色光波在某一个平面上的复振幅分布，也就是可以记录 物体散射光波的全部信息壬畏幅和相位。正是由于记录了物体的全部信息，因 此称为全息术或全息照相，显然这是一种用光学方法在人的视觉上再现物体三维 清晰像的典型技术。全息术不仅可用于光波波段，也可用于电子波、x 射线、微 波和声波等。全息术作为光学中一门新兴的前沿科学，在许多领域都有很重要的 应用如全息数字数据存储，二维显示，三维显示，全息干涉计量术，图像识别与 字符识别，显微术，全息光学元件，光谱术，粒子的测量，摄影测绘术等。合成 全息技术可以将一系列带有视差信息的二维图片以全息的方法进行编码记录，合 成为三维图像。两眼对同一物体得到的二幅不相似像引起人对物体产生的深度感 叫做双眼视差深度感，人们很早就利用此视差深度感原理做成各种景物体视镜、 立体图片和立体电影。在全息显示技术中，双目体视全息图是人们关注的研究对 象之一。本文所提出的合成真彩色体视全息图，主要是通过理论分析和实验验证 此方法的合理性和可行性，全文共分五章。第一章主要介绍了全息的基本概念及 其发展状况，综合论述国内外体视合成全息状况，简述本文中所用到的软件，并 分析了本文的目的和意义。第二章详细分析了全息原理、视差原理和彩色原理。 重庆大学硕士学仿论文 1 绪论 第三章分析了一步合成真彩色体视全息图的原理，并详细说明实验过程，并给出 实验结果以验证该方法的可行性。第四章分析用液晶显示屏来制作真彩色体视全 息图的原理，着重说明数字图象的处理，详细说明了实验过程，同样给出实验结 果以验证该方法的合理性。第五章给出问所得出的结论并下一步工作指明了方向。 1 1 全息术基本概念及其发展状况【l 】 人们能看到物体是因为物体本身发射的光波或反射的光波进入人眼，由于光 的强弱不同，射向和距离不同，颜色不同，从而人眼能够识别物体的各自特征， 从光波的观点来看，是由于物体发射的特定光波不同，光波的特征主要取决于光 波的振幅，位相和波长，如果物体并不存在，而我们能再现物体的特定的光波， 则也能看到物体逼真的像，这就是全息术提出的依据，普通照相技术仅是记录下 物光波的振幅，不能记录下光波的位相，所以再现像失去了它的三维效果，只能 得到物体的二维图像，而全息术能同时记录下物体光波的振幅与位相，所以能再 现物体逼真的三维图像。 全息术【2 】是利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹的形 式记录下来，并在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的三维像，由于记录 物体的全部信息( 振幅与相位) ，因此称为全息术。全息术是种波前记录与再现过 程，波前记录是将物体衍射的光波与另一相干光波参考光相干涉，用照相的方法 将干涉条纹记录在全息记录介质上，称为全息图，全息图具有复杂的光栅结构， 物体的波前再现是当用原记录时的参考光或其他的合适的光波照射全息图时，光 通过全息图的衍射和衍射光之间的干涉形成与物体相似的光波，即构成物体的再 现像，所以全息技术从根本上讲，可归结为干涉记录、衍射再现”。从信息光学的 角度看，可认为干涉记录是参考光对物光的编码，衍射再现是用参考光或其共轭 光对此编码的解码。 全息术是英籍匈牙利科学家伽伯( g a b o r ) 在布拉格( b r a g g ) 和泽尼( z c r n i k e ) 克工 作的基础上提出的。初衷是为了消除电子透镜的像差，提高电子显微镜的分辨率。 那时科学家们认为新的显示时代己到来。但由于当时没有足够强的相干辐射源， 全息术的发展陷入了休眠状态。记录时一般采用水银灯记录同轴全息图，其主要 问题是它的士1 级衍射波是分不开，即再现原始像和共轭像不能分离，全息图的成 像质量很差，不能获得好的再现像，记录对象被限制为具有较大直流分量的透射 型物体。这是第一代全息图，是全息术的萌芽时期。 1 9 6 0 年休斯研究所的梅曼( t h m a i m a n ) 发明了激光器，提供了一种高相干性光 源。1 9 6 2 年美国科学家l e i t h 和u p a t n i c k s 将通信理论中的载频概念推广到空域中， 提出了离轴全术。从光学的观点来看，如果使物体发出的光波与一个离轴的参考 2 重庆大学硕十学位论文1 绪论 波相干，则所形成的全息图就相当于是一种光栅结构的形式。再现过程将给出两 个光波，即光栅的两个一级衍射波。但这两个光波在空间实际上己分离，从而排 除了孪生波的干扰。用离轴的参考光与物光干涉形成的全息图，使全息图产生三 个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。这样第一代全息图的 两大难题宣告解决，这一阶段全息术在理论上建立了基础，在可能的应用方面作 了大量的实验，取得了丰硕的成果【3 】。1 9 6 5 年，脉冲激光器被应用来拍摄某些运动 物体或非常柔软物体的全息图，当时能够用来记录显示用全息图的脉冲激光器只 有红宝石激光器，脉冲激光器的使用使全息记录对于稳定性的要求不再成为问题， 但是由于红宝石激光器的发光时间仅为2 0 3 0 毫微秒，所以在组合光学系统时，要 采用在同一轴线上调好的氦氖激光【4 】。在全息材料方面也得到了发展。开始主要使 用高分辨率卤化银乳胶，以后实时材料光导热塑料和位相记录材料重铬酸盐明胶 相继发现，并开展了光聚合物材料和光致抗蚀剂的研究。产生了激光记录、激光 再现的第二代全息图。 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第三代全息图， 第三代全息图是利用激光记录和白光再现的全息图，使全息术在显示方面展现出 其优越性。例如反射全息、像全息、彩虹全息及模压全息等，在一定的条件下赋 予全息图以鲜艳的色彩。1 9 6 9 年本顿( b e n t o n ) 发明了彩虹全息术，掀起以白光显示 为特征的全息三维显示新高潮，是全息术发展第三个阶段的开始。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，还具有全息图处理工艺简单、易于复制等优点。它的基本特点是记录系统中 适当的位置加入一个狭缝，其作用是限制再现光波，以降低像的色模糊。狭缝的 宽度与像的色模糊有关。如果狭缝较宽时，不在全息图平面附近的像会变得模糊； 但狭缝过窄时，因为散斑噪声显著而对曝光不利。彩虹全息图的记录方法主要有 两种。一种是用透镜记录物体实像的方法，叫做一步法。这种方法最早由陈选、 杨振寰等在1 9 7 8 年提出【5 j 。由于在一步记录中加入了透镜限制了视场，为了扩大视 场，又在系统中加入一个场镜【6 】。另一种方法是将物体作为菲涅耳全息图记录一次， 然后对再现的实像再记录一次的方法。1 9 6 9 年本顿( b e o n t o n ) 提出的彩虹全息的实现 方法就是二步法l ”。以后又发展了像散二步彩虹和一步彩虹，是在记录系统中用柱 面镜以减小线全息图的宽度，从而达到扩大视场、减小色模糊的影响【8 】。近几年 来这方面的工作进展是在记录系统中去掉狭缝，在一步彩虹记录过程中移动物体【9 】 或透镜l l 们，使在透镜焦平面上的光场形成一个s i n e 函数分布。因为s i n e 函数的分布 使光能的8 4 集中在中央亮纹部分，这样就代替了狭缝的作用。还有一种无透镜彩 虹全息主要用于记录二维物体i l ”。另外，1 9 8 5 年还提出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刚1 2 】。彩虹全息图的一个主要优点是 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 便于复制。彩虹全息的复制有光学复制和模压复制两种方法。使彩虹产品得以广 泛应用的方法是模压复制技术。模压复制技术是1 9 7 9 年r c 人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制图像的目的【”】。 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，对于彩 色全息技术或者说全息图对于物体本来颜色真实复现的研究逐渐成为人们感兴趣 的课题。苏联物理学家丹尼休克( y und e n i s y k ) 在其发表的论文中【1 4 1 ，将全息术与 法国物理学家g a b r i e ll i p p m a n n 茬e 1 8 9 1 年发明的彩色照相术结合起来，发明了一种 能够在白光下再现彩色像的反射全息记录方法。这种全息图被称为利普曼全息图 或反射全息图。 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 色全息图但按其分类主要包括两大类，一类是上面提到的反射全息图，另一类是 透射型全息图。透射型彩色全息图的实现主要依靠彩色彩虹全息术常用的记录方 法分为多波长记录法和单波长记录法。多波长记录法使用一台激光器或者多台组 合发射出红、绿、蓝三原色的激光，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 5 - 1 9 1 。另一种方法是采 用单波长激光，利用彩虹全息的原理编码实现真彩色，国内从事这方面研究的人 很多，有的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采用不同的曝光量和处理工艺，使记录在全息干板 上的相应部分产生不同的厚度，从而在白光下再现时呈现不同色彩：也有的利用多 狭缝假彩色编码技术，可使不同波长的光通过空问频率不同的光栅，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【2 0 1 ；更多的人采用对彩色底 片分色然后分角度或分区记录的办法实现真彩色【2 l 珊】。国外研究此问题比较多的 国家有美国、日本、英国、德国，出现了一些新技术【2 9 】，如日本京都技术大学制 作侧面照明彩色全息图，采用参考光从侧面照射，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，它的特点是多个续光 束同时照射到一个二元平面上，可变角的漫射屏，因此可有很大范围的波长选择。 合成全息术1 3 0 1 3 q 是指将一系列用普通摄影术或其它图像处理方法得到的“物 体”的带有视差或深度信息的二维图像，或按照时间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。 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。合成动态选取一系列按时间序列分布的二维 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，一系列 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 的二维图像之问相差一定的转动角度，合成后得到的全息图在观察时，同时有两 幅或两幅以上二维图像进入人眼，由于视差的原因这样的两幅或多幅图像在人的 视网膜上合成后经过人脑的解释使观察者感觉其看到的是物体两个不同侧面形成 立体视觉。纵向多路合成提取的是物体的纵向位置视差，是将一系列带有深度信 息的、有一定位置间隔的互相平行的二维图像，按原次序原日j 隔排列合成。合成 动态则是利用人眼的视觉暂留现象，将一系列按照时间顺序记录的瞬时图像按选 择顺序合成再现，这样当观察者依次的浏览这些图像时，感受到的就是原动作的 再现。 激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对 位置保持不变，并且相干噪声也很严重，这给全息术的实际使用带来了种种不便。 于是人们仍在继续探讨自光记录的可能性。第四代全息图可能是白光记录和白光 再现的全息图，它将使全息术最终走出实验室，进入广泛的使用领域，目前取得 了一些成绩。 1 2 体视合成全息发展状况 由于本研究工作中在三维显示方面主要是利用了体视的合成全息技术，因此 在此简单介绍一下国内外近十年在体视与合成全息显示方面的发展状况。 一般全息摄影的突出特点是能记录与再现真实物体的三维图像，记录条件苛 刻，只能记录有限大小的物体，不能记录大型物体或室外物体。为扩大全息摄影 的应用范围发展了体视与合成全息【3 2 1 。体视全息的原理与普通立体摄影基本相同， 都是利用双眼视差效应，拍摄与左右眼对应的立体对照片，使左右眼分别看到与 之相对应的照片，通过视网膜的作用可判断各物点的远近，产生立体视觉。利用 人的双眼的视差来产生对重现图像的立体感，人们提出一种体视对技术1 3 ”。它是 一种简单的，只用一对二维图像制成具有立体感图像的全息技术，但这种图像比 较单调，视场小，不能够产生动感，因此又有人提出双体视全剧”j ，它是用三幅 二维图像记录而成，与单体视对相比增大了视场并能产生动感，所以它比单体视 对更具有优势。利用全息图具有多重记录和重现的特征，在同一片记录介质上同 时记录两张具有一定视差信息的透明片近像面全息图，称之为双目体视全息图【”】 【3 6 1 。再现时观察者只需处在适当的位置上，不需用任何附加装置，即实现单目观 看单个图像，从而产生立体视觉。但是目前研究的所有的体视全息中由于受再现 记录视角的限制使得再现的全息图的图像不够丰富，视觉效果差。液晶光阀作为 一种实时的图像转换器件 3 7 1 ，可广泛的应用于光学信息处理。应用这种器件对图 像的非相干一相干光转换功能，用写入的非相干光强度分布信息调制入射的相干 读出偏振光，再经偏振器和透镜后，就可在像面上得到与写入像相关的相干偏振 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图像。利用液晶光阀的这种特性【3 8 】可实现体视全息图的实时拍摄。利用彩色图片 分色处理得到它的三原色底片，用激光器对三原色底片分别在同一张全息干版上 实现分区记录，可得真彩色全息图3 9 1 1 4 6 1 1 4 1 1 ，结合体视全息可用于研制体视彩虹彩 色全息图合成全息术【4 2 】。 合成全息术阳j 是指将一系列用普通拍摄术得到的三维物体的底片，通过全息 的方法记录在一张全息干版上，分别拍摄成一个单元全息图，在整个全息片上占 一个窄条位置，再现时人眼与全息图之间若有相对运动，由于人眼的体视效应和 视觉暂留现象，就感觉到是一种活动的三维景像。所以体视合成全息术又称为准 三维显示，它虽然在客观上达成了三维显示的效果，既是立体的也包含有一定的 视差信息，但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，而不像全息图那样同时记录了三维物体的振幅与相位而直接得到原 物体的三维再现像。 按制作合成全息图的手段，可将合成全息术分成两大判删：光学合成全息体视 术和计算全息合成体视术；而光学合成全息体视术可分成：角度多路合成全息图和 纵向多路合成全息图。光学合成全息体视术【4 5 】首先是由金氏( m c k i n g ) 提出的，他 们是用光学干涉法制成全息视图。光学方法合成全息体视图的制作过程一般分两 步进行。第一步，用普通摄相术非相干记录一系列带视差信息的二维平面图片：第 二步，相干记录，将这些二维平面图片用全息术方法合成全息立体图。在角度多 路合成全息图中以3 6 0 。合成彩虹全息图的大视场，白光再现场景获得了极大成功。 纵向多路合成全息图是将一系列的带有深度信息、有一定间隔的互相平行的二维 底片按原次序问隔排列制成合成全息图。而计算全息合成体视图 4 6 1 1 4 7 堤日本学者 贝丰彦( y a t a g a i ) 在1 9 7 4 年应用计算全息技术来合成全息立体图显示三维图像，即不 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，从而制成 计算全息立体图，此法也可分两步进行。首先，由计算机算出某物体的一系列原 始透视图，然后采用计算全息技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，这样就得到计算全息合成立体图。 在合成全息图的再现中有很多因素影响到它的像质。这里以3 6 0 0 合成彩虹全息 为例考虑到主要有以下四点：第一，衍射的影响。由于合成全息的光路中要加入狭 缝，因此狭缝的衍射效率将对全息图的分辨率有很大的影响。由以上的讨论知道 合成全息的分辨率与缝的宽度成正比，但缝的宽度不能无限的扩大，狭缝越宽， 单元全息图的数目则越少，少到一定程度，观察时再现像则出现跳跃的画面而影 响再现像的质量。其上限由系统像差和存储信息量的多少来定，其下限由夫琅和 费衍射原理来定。第二，像的色模糊【4 8 】。再现时合成全息图被弯成一个圆筒，各 个单元全息图处在不同的坐标位置，当用白光照明时易产生像的色模糊。第三， 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 像的线模糊【4 ”。当再现光源的尺寸扩展而引起再现像的模糊，即像的线模糊，对 合成全息，它所引起的像模糊要比单元全息图衍射所引起的像模糊大十多倍。合 成全息图在水平方向和垂直方向所引起的线模糊是不一样的。一般来说，光源在 垂直方向扩展所引起的像模糊比一般彩虹全息图大的多。合成全息在亮室再现时， 再现像的亮度和它的分辨率同等重要。像的亮度和照明光源的尺寸成正比，而像 的分辨率却随光源尺寸的加大而降低。因此，要权衡这两个因素来决定光源的最 佳尺寸和长度比。第四，像的畸变。由于制作合成全息图时，拍摄的二维底片只 保持了水平视差，并且在合成光路中又采用了柱面透镜和球面镜组成的像散系统， 这样就造成了不可能在任何观察距离都能看到无畸变的像。应分单色光照明和白 光照明两种情况讨论【5 0 】，还可对像的畸变采取一些补偿措施f 5 。对合成全息的研 究中除了对影响因素进行了研究，还对透视图的记录进行了分析，为了实现用较 少的二维透视图片实现较好的三维效果，发展了透视图插值的空间关系嘲来大大 减小拍摄量，使第一阶段的普通相机实时记录成为可能，这种体视插补并不能保 证所有记录情况下记录数据的完整无缺。当原始景物表面横向变化比较快、纵向 变化比较大时，有些信息就会丢失。因此应预先估计景物的深度的变化情况，使 信息的损失量最小。通过这种方法能减小实地拍摄图像数量，很可能能达到合成 全息对动态场景的记录显示。以上概括了目前合成全息中的研究热点与存在的问 题。下面总结一下国内外对合成全息术的应用。 合成全息术的三维显示特性使得它在各个领域拥有广泛而诱人的前景。主要有 以下几点：一般物体的三维显示。在许多实际需要和特殊场合中，存在大量不能 直接使用全息术拍摄真实物体三维像的情况，如人体内部结构和器官，广阔的外 部景点以及一些运动的物体等。而合成全息术充分利用了现代发达的二维普通摄 影术以及医学上的x 射线，c t 术或b 超术，将它们和全息术相结合具有不受物体尺 寸、表面反射率和景深限制的特点，在上述情况下，可以采用合成全息记录，得 到逼真的准三维像。因此合成全息可广泛的应用于工业设计、建筑设计、医学诊 断、商业广告和美化人们生活等各个领域。医学c t 图片的三维立体图。x 射线 短层c t 摄影术，是身体轴线方向上的x 射线吸收率分布图。这些图片包含了差视 信息，但都是平面图，没有立体感，难以形成直观印象。应用合成全息立体图， 将给医学诊断和教学带来极大的方便，很有吸引力。合成c t 片全息立体图，可以 采用两种方法。第一种方法【”j 是1 9 8 5 年m s u z u 等人采用纵向多路合成全息术实现 的；第二种方法m j 是n o h y a m a 等人在1 9 8 7 年采用角度多路合成全息术实现的。人 体胎) l b 超图的三维显示。1 9 9 2 年日本学者k s a t o 等人实现了b 超图片的合成全息 立体图。他们首先用b 超获取孕妇体内的胎儿的数据，然后让剖面图经过计算机数 字图像处理，并且计算出数字图像的平面透影像，且记录在胶片上。最后将投影 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 像胶片合成立体图【5 5 】。全息三维印刷术【蚓：最近，日本学者m y a m a g u e h i 等人提 出一种全息三维印刷术即用光、机、电、算相结合实现三维合成全息立体图，这 种全息立体三维技术具有水平与垂直双重视差效应，立体感增强并且重建像是无 畸变的。这比前面提到的一般角度多路合成全息立体图仅有水平视差效应更具有 优越性。该系统由计算机控制图像处理、激光曝光快门、底片移动、自动显影等。 该系统具有简单、轻便、成像立体感强、稳定性好、自动性好等优点。该系统广 泛应用于工业设计、建筑设计、计算机辅助设计、医学诊断和计算机模拟等各个 领域。 从以上的分析可知合成全息被广泛的应用于人们生活的各个方面，在国外对合 成全息的研究是比较成熟的。美国9 0 年代已经将全息技术与计算机技术相结合， 推出了数字激光全息图制作系统，其中包括象素点阵全息和二维集成全息图，这 种系统的出现推动了模压全息制版的发展。我国在1 9 9 7 年由苏州大学激光全息研 究所研制成功了象素点阵全息制版系统，进行推广，产生了很大的经济效益，但 二维集成全息图制版系统在我国尚属空白，是目前国内全息行业急需的生产设备。 1 3 文中所用的辅助软件 1 3 1m a t l a b 本文中图象处理采用m a t l a b 程序语言实现，本节对m a t l a b 程序语言做一 简单介绍。m a t l a b 是矩阵( m a t r i x ) 和实验室( 1 a b o r a t o r y ) 两个英文单词前三个字母 的组合。其前身是用于矩阵计算的软件，1 9 8 4 年，c m o l e r _ 币【l j l i t l e 成立了m a t h w o r k s 公司，正式把m a t l a b 推向了市场。经过2 0 年的不断完善，m a t l a b 己经发展成 为适合多学科、多种工作平台的具有强大功能的大型软件。在研究设计单位和工 业部门，m a t l a b 已被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。这一软件之所以 得以广泛的应用，与其自身所具有的诸多的优点是分不开的。它的语言简洁紧凑， 使用方便灵活，书写形式自由，库函数非常丰富。m a t l a b 语言被称为演算纸式 的语言”，就是因为它更符合人们的思维习惯，给使用者提供了一个更直观、更方 便的程序开发环境。它的语法限制不严格，程序设计自由度大，并且可移植性很 好m a t l a b 的图形功能很强大，数据的可视化非常简单。它还具有功能强大的工 具箱，这些工具箱都是由相应领域内具有很高学术水平的专家编写的，所以用户 不需要编写自己学科内的基础程序，就可直接进行深入的研究。虽然m a t l a b 语 言也有缺点，用它编写的程序均为解释执行，运行速度较慢，但考虑到它的编程 效率很高，优点非常鲜明，因而这点缺点并不影响它被广泛应用。 m a t l a b 软件包括五个主要部分：m a t l a b 语言。它是基于矩阵数组的高 级语言，包括流程控制语句、函数、数据结构和输入输出等，且具有面向对象编 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 程的特点。既适合编写小巧玲珑的程序，也适合于开发复杂的大型应用程序。 m a t l a b 工作环境。它集成了一系列的工具和应用，方便用户管理环境变量，输 入输出数据，开发、管理、调试用户自己的m 文件以及m a t l a b 的应用程序。 图形处理口它既包括二维和三维的数据可视化、图像处理、动画等高层指令，也 包括低层的绘图指令，允许用户为应用程序设计自己的用户图形界面。 m a t l a b 数学函数库。它包括数量庞大的计算函数，从简单的基本函数到复杂的矩阵求逆， 矩阵的特征值、贝塞尔函数和快速傅里叶变换等。 m a t l a b 应用程序界( a p d 。 它是一组动态的库函数，使得用户在自己的c 和f o r t r a n 程序中可以和m a t l a b 交 互，调用m a t l a b 的动态链接库进行计算。 1 3 23 d m a x 3 d m a x 是制作三维模型和动画设计最优秀的软件之一，它广泛应用于广告、 影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领 域，它具有完善的三维建模功能，并有虚拟现实语者的接口，可以在其中添加各 种v r m l 节点，而月可以方便的输出为v r m l 文件。随着p c 操作系统山m s - - d o s 向w i n d o w s 全面转化，曾经以3 ds t u d i o ( f o rd o s ) 而闻名全球的k i n e t i x 公司于1 9 9 6 年推出了3 ds t u d i om a x ，习惯称之为，3 d m a x 。 而后k i n e t i x 公司又经过1 8 个月的努力，使3 d m a x 由最初的3 d m a xr 1 版本升 级为3 d m a xr 2 版木，随着3 d 锖i j 作市场的需要以及软件业竞争的加剧，k i n e t i x 公 司为了确保3d m a x 在3 d 制作领域的领导地位，又先后推出了功能逐步强大和完 善3 d m a xr 2 5 ，3 d m a xr 3 0 ，3 d m a xr 4 0 ，3 d m a xr 5 0 ，3 d m a xr 6 0 ，在后期 版本中其动画制作功能更为强大。 3 d m a x 开创了基于w i n d o w s 操作系统上的面向对象操作技术，具有直观、友 好、方便的交互式环境，而且能够自由灵活地操作对象因而成为3 d 带i j 作领域中的 王牌软件。3 d m a x 是全球销量最好的专业建模和三维动画制作软件，它具有以下 一些功能和特点。 友好的用户界面：由于3 d m a x 是以w i n d o w s 为系统平台的，因此具备 w i n d o w s 界面的基本特点，同时它也具有自己独特的界面风格，如下拉菜单、工具 条、命令面板、对话框等，并且用户还可以随意设计自己的用户界面。 强大的建模功能：在3 d m a x 中，用户可以十分方便地建立各种二维图形( 如 直线、曲线、圆、弧、文字等) 和三维模型( 如立方体、圆柱体、球体等) ，并且可 以通过3 d m a x 的编辑功能对图形对象进行编辑和修改，从而达到用户所需要的 果。 精彩的动画制作：3 d m a x 的动画制作功能十分强大和丰富，其动画制作可以 通过多种功能模块来实现，如时问控制器、t r a c kv i e w 轨迹视图) 、h i e r a r c h y ( 层级 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 命令面板) 、m o t i o n ( 运动命令面板) 等。同时，对象从动作到材质，环境的光照到 视觉的设置等都可以通过一系列参数来加以控制。 完美的效果处理：3 d m a x 的材质编辑器，可以编辑制作现实生活中各种丰 富、完美的材质，然后再将各种材质赋予相应的图形实体。对所建立的对象产生 质的感受。同时，还可以配以适当的灯光和环境，实现通过电脑制作来模拟现实 生活的真实感受。并且，还可以通过3 d m a x 中的v i d e op o s t ( 视频合成器) 和 r e n d e r i n g ( 特效渲染) 等功能来制作出具有特殊效果的场景。 理想的渲染结果：在3 d m a x 中，其渲染处理功能是十分强大，它既可以渲染 单一的静态图像，又可以渲染复杂的动画场景，并且可以通过许多参数来进行控 制，从而满足各种渲染需求。 1 4 本文研究的目的和意义 从学术方面来看，本文验证了两种合成方法的可行性。就目前制作真彩色体 视全息图有两种可能的方法，一种方法是用三色激光器把两张不同视差的彩色透 明片通过曝光记录在同一张全息片上。这种方法需要的激光器价格昂贵，且要求 用全色全息干板，一般实验室不具备制作条件【5 7 1 【5 8 1 。另一种方法采用单色激光器 多次曝光全息记录，一般需曝光7 次，并在记录过程中要先后采用两种不同的光 路【5 9 】，其制作过程在参考文献中有介绍。这两种方法得到的体视全息像都要受 到激光相干噪声较严重的影响，本文提出一种用单色激光制作真彩色体视全息图 的新方法，两次曝光记录一张真彩色体视全息图，操作简单可靠，极大地减少了 多次曝光产生的相干噪声，也消除了多次曝光合成彩色像产生的色差问题。得到 的真彩色立体像清晰明亮，色彩真实，立体感强。本文另外一种方法为数字激光 全息照相机技术的研究提出了一种开创性合成设想，这种体视的全息图是以l c d 液晶屏作为全息拍摄装置中的记录物体，计算机把c c d 摄像机、扫描仪或由计算 机的图形软件产生的2 d ，3 d 图像输入l c d 液晶屏作为掩模，以制作体视效果的 全息图，运用这种合成全息显示技术与计算机处理技术相结合，完全可以实现由 数字激光全息照相系统的研制，合成三维体视全息图提出一种由二维透视图片合 成三维图像的设计构思，开创了一种新的合成显示方法，它不仅突破了传统全息 拍摄实物的种种限制，使得全息拍摄不再受拍摄物体积大小，表面反射率大小， 实验台的大小，激光器的相干长度大小等客观实验条件的限制，而且为数字化集 成全息照相技术的研究提出一种合成方法，为进一步的工作打下了基础，结合现 代高密度，大容量全息显示材料的发展使得这种集成全息照相系统的研制成功在 不久的将来可望变为现实。本文介绍的两种方法，希望能结合两者的优点，进一 步研究出利用液晶显示屏( l c d ) 掩模并只需要两次曝光的真彩色体视全息图。 l o 重庆大学硕士学位论文1 绪论 从应用方面来看，本文的研究提出两种体视显示技术，使得全息显示广泛应 用于工、农业的生产生活中，这种显示技术的提出可广泛应用于艺术展览、广告 设计、建筑设计、美化装演和压模防伪等领域。它充分利用了全息图的高信息容 量及存储特点使得全息图显示出更丰富更新颖的内容，具有很大的经济效应。 重庆大学硕士学位论文2 真彩色体现全息图的理论基础 2 真彩色体视全息图的理论基础 本文中采用两种方法来制真彩色体视全息图，现在对两种方法的基本原理给 予阐述。 2 1 光全息记录与再现原理 全息记录的基本原理基于光的干涉、衍射现象，利用一束被称为参考光的光 束与“物体”所发出的光束相干涉，与照相的原理相似，干涉条纹被记录在称为“记 录干板”的记录介质上，经过暗房处理后，干涉条纹被固化在记录干板上，当用另 一束光照明干板时，将发生光栅衍射，由于物光波较通常的点光源或平行光源复 杂得多，因此其衍射出的光波也较复杂，当照明光与记录时的参考光共轭时，这 时我们称之为再现光，就会衍射出原物体的光波，从而再现物体的像。可以利用 图2 一l 及下述简单的数学公式说明这个问题【6 l 】 y 一 八 0 11 ，y ， x 。，孓 l 夕 0 钐 r ( x r ，坛，缸) 图2 1 全息图记录光路简图 f i g 2 1o p t i c a l a r r a n g e m e n t r e c o r d i n g h o l o g r a m 如图2 1 所示：设在全息图记录平面x y _ e ( 即干板平面) ，物体上某点发出的光、 点光源作为参考光和点光源作为再现光的复振幅分别表示为： 6 ( 工，y ) = q ( 工，y ) e x p f l p o ( x ，y ) 】 r ，1 、 ，y ) = 兄( x , y ) e x p j q o r ( x , y ) ，、 ( 工，y ) = c ：( x , y ) e x p j 织( x ，) 】r ，孙 在记录平面x y 上，参考光波和物光波发生干涉，叠加以后的强度公式可写成下述 1 2 重庆大学硕士学位论文2 真彩色体现全息图的理论基础 形式： m = ( 6 + 尹) ( 6 + ，) = 6 5 十芹+ + 右庐+ 6 尹 = 0 0 2 + 恐2 + o o r e x p j ( 鳓。一) 】+ e x p 一_ ，( 一) 】) = q 2 + 咒2 + 2 q 吃c o s ( c 0 一) ( 2 4 ) 在线性记录条件下，当用再现光照明全息图时，衍射光波表达式为： i o c 0 = c o ( q 2 + r 。) e x p ( 觑) + c o r o o o 唧【，( 纯+ 一) 】 + c o r o o oe x p j ( 致一+ ) 】 ( 2 5 1 在公式( 2 5 ) 中第一项仅包含再现光的信息，代表直射光，第二项包含物光的原始光信 息，代表原始像项，第三项包含物光的共轭光的信息，代表共轭像项。 考虑一种情况，原参考光作为再现光再现时， 毒“y ) 2f ( x ，y ) = r o ( x , y ) e x p j 矿r ( x , y ) ( 2 6 ) 在这种情况下，式( 2 5 ) 中的原始像项可以写为： 72 r 0 72 。d ( 2 7 ) 由( 2 7 ) 式可以看出，再现的衍射光中原始物光的情况被完整的保留下来，只是在强 度上有所改变如果物光中包含的是某一图像的信息，全息记录和再现不会破坏图 像的本来面貌。 在另一种情况，再现光是记录参考光的共轭光： ；j ，) 2 ，( 算，y ) 2r o ( x ，y ) e x p - j 伊r ( x ，y ) 】 ( 2 8 1 公式2 5 中的共轭像项就会变为： r = ，d ，= 屹d ( 2 9 ) 衍射光是原来物体的共扼光，是实像。 综合上述两种情况，我们可以得出结论：利用全息方法拍摄出的全息图经过再 现能够忠实地反映被拍摄物体的真实情况，在传统的全息方法中通常是对真实的