（光学专业论文）动态计算全息显示的研究.pdf

第黼牵姨实验上验证了莱溪本文的方法实麓动态全惑两释方法，荠对实验 中出现的问题进行了讨论。同时提出了下一步工作设想。 关键词：姓示全息术，计算全息，动态全息，彩色全息 ? j b a s e do nc o n c e p 吐o no f “s t e r s c o p i ch o t o 伊舭1 ” t l l r 矿a tl 撇，m e 协l e - c o l 甜i m a g e sw e r c c o n s t n l c t e di nt w ow a f i nc h a p t e r4 ，t h ep r e s e n t e dm e t h o dw e r ep r 0 v e db y 铡p e r i m o n t s ， 氇ep b l 嘲sa 辩蛾黼di ne x p 蠢m c 丑攮畦黼矗辩d i s e 黼8 程。廷蛾l yw ed 黯i 蚤l 穗e 掘矗sf 。r 船 如t u r e k 戴y w o r d s ：d s p l a yh o l o g r a p h y c o m p u t e r _ g e n 啪t e dh o l o 斟黼l ， d y n a m i ch o l o g r a m ，l o rh 0 1 0 9 r a m 图上记最了物体的连续的不同姿态，再现时，当移动跟腑，或者移动仝息图时， 可以看到变化的立体场景，依靠视觉暂留效威获得“全息动画”的芑术效果。 螽栗姥将三维扫箍技零帮诗算辍全患术结合，蒋霉能实璃真实殇袋豹动态立镰 效果。这技术不仪在三维检测中发挥重要的作用，也将在艺术欣赏和防伪功 毖两个方辫发挥重要作用。 论文主要内容分为四部分：第一章绪言部分介绍仝息显示技术，并着重介捌 了计算垒息技术及三维检测技术，给出了本论文所要做的工作及意义；第二章介 绍了诗算全慧瓣基零理论；第三章是垒文静霆点，挺密翻 乍动态全惠的两静方 法，第一种方法是将计算机制垒息和光学全息相结合的二步法动悉套息：第= 种方法是掇据体视全息对的原囊携爨一步法制褥动态全惑骧理及算法；最后髯 进步研究两种方法分别如何实现图像静真彩色复现；第四章从实验上验证了 采用本文的方法实现动态全息两种方法，并对实验中出现的问题进行了讨论。 弼鲑挺出了下一多工律设怒。 遴过全惑穷法记录在一张全惠予投主，再璇嚣寸实现氦糖鞠三维或韵态嚣示弱技 术。 合成全怠术是最早是由金爨( m c k 过g ) 等人于1 9 7 0 肇提出来的， 4 焉鸯 成全息的方法能够实现台成立体成合成动态。合成动态选取一系列按时间分布的 二维蚕僚；合袋立体刘逡惩按照燕发藏位置分蠢翡一系列塑像，逶鬻分梵螽度多 路食盛粒缎辩多籍合成辩个方法。燕壤多爨会黢提取黪是翰髂熬髑耩热凌褪差， 即对一物体从不同的角度拍摄一系列= 维图像，然后合成全息图。在观察全息图 时，同时肖两螭或多幅图豫在九的视网膜土裔溅聪经过人麟的解释使观察者感觉 其看到的憝物体两个不闻侧蔼形成立体视觉。缎向多路台成提取韵怒物体的纵向 技避褪差，按缀次序露阉隧撵歹| | 鸯戏；这季孛方揍常零予医学领域，采 l | lx 射线躐 b 趣按照一定顺彦和润满撼摄人体嚣富妁截薅照片，然藤姆遮些照嚣合成裁能褥 到人体器官的三维显示图像。合成动态则是利用的视觉暂留现象，将一祭列按照 时闽顺垮记秉的瓣对露像按颓浮合成蒋现，这样当观察者依次韵浏览滤些图像 对，感受鳓的就是骧韵撵鞠磊现。 ( 4 ) 计算鱼息术 计算金患 2 7 1 也属予鼹示全惠鹩研究范麟，鸟上述魏各秘垒息方法魏不同之 处在于，计算愈息不用光学编码而用计算的方法进行编码制作全息阁。计算全息 鬣霉是科兹马( k o n a 耱觊 譬( x # i 诤) 予1 9 6 5 年提蠢采豹。谴铜为了检测被 噪声掩缮瓣倍萼，爱入王鹣方法镶l 稼了一个嚣鬣滹滚嚣，滤波器静擞法燕：毙涮 计簋机算出所需要的信号的傅里叶频谱，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，最后以会造的尺寸复制在透明胶片上。到1 9 6 6 年布朗 ( b m w n ) 和洛曼( l o h m a l l l l ) 将这种方法推广剽二维胸情形，制作了用于特征 谈到的滤波器，这秘露挎方法本壤主鬻一个糙髭敬慕熬嚣 鐾簿波带靖穗弼。谤篝 金患整不纹霹娃全嚣撼 基渌光波麴擞褪亵褪键，嚣显舞练台复杂豹，藏卷世阑不 存在物体的全息图，闲而具有独特的优点及檄大的灵活性。从光学发展的历史t 黉，计算全惫蓠次将计葬机引入光学处理领域。檄多光学现魏都可以鞴计算机泉 进行仿真，计算全惠图在为数字信息和光学信息乏俪有效的联系环节，为光学和 计舞枫科学的全囊结合控嚣了序幕。 ( 5 ) 其它显泳全息术 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 象矮窝场豢不理怒、赦软援场审等强素限裁了全崽毫影的糕广。妇镳起来，主簧 有三个困难：a ，脉冲激光器的功率限制了布墩场面的大小。b 全息银鞯仅可供为 数不多的几个观众同时观看，达不列电影放映的要求。由予全息摄影瓣使用相干 往很高且功搴徭太的激光作为光源，无法在自然莽中鲁由拍摄。因就可猷说，全 息电影的普及和推广很大程度大墩决于大的全息银幕、大型脉冲激光器以及全息 汪录技术懿不壤宠善。现在基本、荚国旗研究全惑奄髟转到酸究全惑壤援。如嚣 本信息科学和技术实验室研究电子金息圈与光垒息图的合成。电全息圈实质上具 有计算机产生三维物体动态像的优点。而光仝息图适合于详细地和精密地成像。 魏稍还讨论了诗算辘安时产生全慧图的可能髓。采蘑并行计算，最爱辩有数箍鳇 计算传给输出的显示装鼹。这样得到的结果鼹比通常的计算机要快8 4 7 倍，从 两有可能实时计算枫产生全息霪。曩本强m a 装术大学龠绣鞋实验盼垒息电影评 价全患电视的画面质赞。美国m r r 的b e n t o n 鞭授和他的研究小组1 9 9 0 年提出 全息电视( 即实时全息擐示) 的概念。 舅羚耱溺未深入探索的垒患最示形式燕京在建筑蔓窑设诗串懿巍矮。可蕊 想象全息“彩色玻璃”的效果，全息光栅和图躲可以设计并排列成窗户格式，随 饕太阳光的变化窑户的颜色也发生变化。羞安拱 许多单个的全息元体傻得其台成 象的形状鞠颜色均随着一天内太阳角度的改变而变化，其产生的室外窗户幻觉眈 用全息三维蹙画更富有戏剧性。 此黪，蠡予全惠零能霉褒基粪实豹三维镑体形象，因嚣霹敬裁蠲这一援术鼙 广泛地展永稀有和贵重的艺术品，而无须展示原物以防偷窃和破坏。很多艺术晶 是单色的，如：金、玉、象牙或类似的珍贵材料，因此，不需要利用彩色全息术 疆确保其真实性，丽髓爨重豹艺术晶几乎都是在封闭盒肉腿示，骈殴利用漂自的 全息图就会象实际物体一样真实。 2 。显示全患勰羲景 图像显示技术发展的一个主要目标是实现图像的兰维动态显示，以便能更真 实地甚录与再现客观事物，激光全息技术在这一领域，具有很强的优势，但是由 于其技术麓复杂淫黎髑疆往蓑它豹发震和应璃受簦隈涮，计算全惑技术豹发展， 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 显影嚣受篾熬搽溪透过率。缓定曝毙量在蔽冀 | ( 透避搴一曝巍鬣) 圈鳇线髅 区内变化，而且胶片鼹有足够的分辨率，则企息图的振幅透过率可液示为 f 0 ，y ) = f 。十0 ，力 ( 2 4 ) 式中屯辅声常数，将式( 2 2 i ) 代入上式，则 x ，力篡耘+ 声l o f + o l 霆+ o + 露 ( 2 5 ) 式中，“= b + 2 ，当参考光波是平面波，“表示均匀的偏置透过率。 2 波前髯瑷 用相干光波c ( x ，y ) 照射全总图，如图2 w 2 所示。 。0 、 去： 靡像 h ) 号专广 。 躁2 2 波萌祷恶愿理 f i 簖j ip 幽：_ i k d 蜘；r i # n s 碰o n j m 4 2 假设照明光在垒息图上的复振幅分布为c ：女，y ) ，则全息图的透射光场为： = 锈+ 笫阱笫锹 + 笫o + 蠢= 强十+ + 哦2 国 分为四部分。若用原参考光波照射全息图，即c ( x ，y ) = 詹( x ，则避射光场的四 部分可分羽表示为： “i = 黛毛 = 艘例 强( x ，刃* 声 霞i 2 联墨，) 玑= 声r 2 0 4 ( z ，y ) 其中，u ；怒参考光斡壹透部分e 黝系数中禽鸯l 。2 l ，为蚴遣强凄分布，一般 记泶过稳串耪巍强澄浇参考光强瘦弱校多，这样前两颈遥赦为常数，作为偏置域。 涮2 怒参考光波的强潢，当参考党为平亵党波时，豫了一个常数圆子外， 就怒原始物光波前的准确掰现。当这光波传播4 观察者的眼睛里，和冀爽物体 的光波完全期鼹。圆谶霹默看到躲髂抟虚豫。 透射光弱静第四颁玎。式中，0 一怒物体光波前的典轭。蓿原始物波楚发散 戆，则共辘光波是会藏的，所以“。绘擞勃髂蛉个实像，但瓠于嚣2 救调制；实 德会变形。 如栗来弼参考党纳懿辍拣孵金惑闰，鄂q 砖力= 置4 x ，y ，刚第三、第四颈 分别为： 毽( 氘y ) = ，8 鬟霆静( x ，力 、 f 2 、7 ) u 。= 芦2 0 + ( x ，y ) ( 2 8 ) 玩帮瓯爨然正托子物巍波蓠或冀莛辗渡嚣，努翱产生寝豫和实像。蕊中震像有 变澎，实豫不存在变碧。 3 。鬻轴垒憩予涉囤鞲聪德势离条转 最早的全息是1 9 4 8 年d e n n i sg a b o r 提出的间轴全息【，存在李生像干扰 闽越。1 9 配年菠辔帮印稚呔$ 糖爨了褰鞍全感强嘲，溃除了孪燕像手拨，镬 会患装术褥戮广泛静应穰。器2 ，3 袭幂了离轴垒怠图秀蕊的情况。觚潮申珂班肴 麟，挥理辨物光波0 及箕共辘渡o * 其祷不丽熬传撵方淘，辩藏要与。级渡分离。 参考光和垒惑图之间的嶷角口越大，l 级波和o 级波分襻趣开。为是餐给出辫 现像分离条件，我们从频城柬讨论。 f i 醇一3r e c o n s 仃u c d o n 州蝤王eo f o 艉a x i sh o l o 咎r a 工n s 圈2 3 离轴套息圉再现原理 壁 接 遗 射 竞 镁设g l ，g 2 ，岛，钕分爨代袭金愚鹫器联必坛中浆嚣个分耋液携空糍羧谱， 岛为镪光波频谱，照曦光c 蒸意孳诬援蠛，慧赂金慧整的魏经太小，毒下囊式 子； q ( 蚤彩= f 阢壮，力) = 妒( 参珊 ( 2 9 ) 岛( f ，口) = f ( x ，y ) = 声q ( f ，) 固g 0 ( f ，_ ) ( 2 1 0 ) g 3 谨群) = f 弧( x ，y ) ：筘奠瓯，一“f ( 2 1 1 ) q ( # ，口) = f u ( x ，y ) ) = “( 五( 一f ，口一d ) ( 2 + 1 2 ) 式中，o 袭示自相关，镳( 蠡扔= ， 娥墨y ) ，删i i 乎腿，怒参考毙窒阕频率a 因为信息从物体到企息图传播的传避函数为纯位相函数4 ”。所以g 0 的带宽 耜鞠髂的带宽稻溺。假设物体的带窥为2 嚣，嫩辘镩鞭谱和垒怠圈四项场分登频 落努霭2 1 4 鞭示。鑫鹜串掰巍，簧饿鼯3 b g “稍 3 2 互不羹甓，必须满照条件： 口! 生兰墨鉴3 嚣 ( 2 1 3 ) 2 将# n 黟躔代入( 2 3 1 ) 戴霹褥学鼗小毽： 醣，“一a m s i n ( 3 口 ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 就是离辅全崽干涉胬荐现驹分离条件，当参考谶入射角毋超过8 m r l 缓和0 缴渡分离，嚣不干扰。 匈s 素则正( 六口) 中的各个频谱就不会出现混叠现象，即可用滤波的方法从 兵( 毒尊) 孛分离密器蘑数的频谱f 蠡野) ，再誊f g ，尊) 俊鬟嚣函数。 为简聃起见，以点源全息图为例讨论全息图的空间频率分布，设参考光赶 平瑟光波，荬与记录乎疆瓣夹角为参，划参考毙可写成： r ( x ，y ) 月oe x p ( 成算s i n 印( 2 2 0 ) 设镑点的坐标为( ，甄，南) ，记荣平嚣上耪毙波黪菲涅鼙避镁可写成： 吣* 。e x p ( 成毫罟) e x p ( 成立警) e x p ( 一风。苎竽) ( 22 1 ) 式中，a 怒物光波鹩舞幅，全感蕊黪透射率分布为 巾川* b 似+ r 化y ) 一2 + 群化靴o s ( 等+ 警一跹胁研 ；& 2 + 霹+ 2 娃ee 。s 妒慨y ) ( 2 2 2 ) 上式结构的空间频率分布为： 点= 去掣= 等半 。 2 霭 缸、毳 、 ：去掣：监 ( 22 4 ) ”2 f 黟丸b 一 根据w h i t t a k 辨s h a n n o n 抽样定理，对于一个有限带宽的函数，当它的采样 簇率是它羧丈频率秘舞倍对，该蕊数哥鞋鑫采样舞撂瓣热徉僖难一确定，再蠹垒 息图的光栅结构可以错知，一般计辫全息的采样频率以全息图所具有的最大频率 为准。 因蕊垒息图的壤样频率霹袭示为： 厶 2 挚一半】mz 矗列峄一警， 蠢、动态计算全悫嚣示韵讲究 卜) 计算衾患求 。荤冀垒爨术概遴 在避 年来各种数字挂本飞速发震静撼动下，意潢攮数字惠图黪翻作接术 羹 褥到了迅速笈震。波兰学者m 龇呔s u 墩a w s l d 等人研究使翔液晶避晕亍计算全息黼 的光电再现和存储，提出可以采用c c d 电荷耦合器件随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圈躺方法：法潮的礤究人鼹提如了制傍 瓣分辨攀数字售量时变换全患墅瓣方法，港了掇囊接牧瓣分辨率，寒c c d 祷拔 鼹一多孔的赠阵进稽撼捞；德国学赣h 1 1 8c f ef 蹦 用计冀佥息的方法缕会 数字设备进行了可塔三维抒毽j 麴磷究；茏其馕褥一拖酌怒美鞠辩省理工学院 ( m r r ) 的媒体实验嶷，也就是二疹彩虹全怠发明了本顿所属的研究机构，他们的 磷究主要集中在对数字翻像的捕获和处理。经过娃理变换得到的数字馕息经过空 阔先谲铡嚣纳转健变为光学镶息扶藤实聪垒崽黧爨记录颜辩琨。避霉求，裹分辨 率c c d 、巅速计算机及先进数字图像处理技术的发展馒褥对全息豳鲍撼速及蕊 分辨晕数字化处理成为霹能，计舞垒悬术褥裂了抉蘧发鼹，并褥戮丁实际寂爰。 计算垒患术怒垒惠接术葛数字授米韶霸合，它的戳溉使全怠技术的发展摆 髓了传统袅怠恿怒方法懿豪缚，较大的改燮了垒患技术的磷貌。它不仅仅燕为垒 患的光攀实域提供了诲多新的方法帮手袋，更为藁要的燕计算全惑所避翅酶突现 方法是前所未有的。 出予发凝的魇囊除段琴霹翱案8 幸筝全息霆黪方法不越，产熊7 诗箨垒惠与数字 全患焉个概念。事实主，瓣黔学术彝器将数字垒怠术熬概念扩震戮包攒计算梳全 患、计算像囊金患、嚷予窳嘉缓的誊写诗箅垒惠、全惑打印等等。德楚餮海祷黧 学者一蕊都认为数字垒患术的定义荚键在于全意鞫的获敬土，印用光敏电子元件 作为记录介质获得的全惠图才叫数字全息豳，于是将数字全息术仅仅局限予 g d m 黝提出的数字垒息术。裁数字全感术麴本质藤誊，是在众患记疑或骣现 过程中缆闺了数字强。域嚣，诗簿撬测全惑、诗簿像寨垒感、电子繁妻g 蚤拄翡巍萼 计舞全息、垒息打印等等理赝当然彀括在数字垒患本熬燕堵内。 2 卡霎垒怒采抟实瑗避稷最优点 计簿垒怠术的波前记录和礴飙过程可用圈3 ，l 来袭糸，主要为兰个部分；计 y 方向的最大值，1 。，k 一怒物点坐标静最大值。由此可阻得到对物光波 鹣彀撵潮黼鹣要求为 x s 规，y s 簿 ( 3 t l 妨 经取样，( 1 ) 戏的离散形戏为 u n ( x ，y ) 刮州1 1 0 ，k y o u n j n 矗x ，瑚a y )，一1 j 搿a x ，埘矗y u k a x ，m 矗y ) 式牢若n 、m 单元鞭样点复振幅为 u m ( n x 肚a y 】 u 州x 越y ) ( 31 1 ) e ”斌m 蛳= e x 一；羹l 警毫i i 警筹竺器：矧卅z 等警：耄交罩剖 ( 3 1 2 ) n x 。，m y y 。是全息鼹酝最大尺寸，所有勘点波裁离散形式为( 第n 婵 取样点) ： 占 u 国x ，m 妒氓国舣，m 姆) ( 3 ，l n 一。l 一# ( 三二步法动态诗冀彩虹龛悫 。动态爱惑避零燕壤 全息动态显示的萋零现象如图3 。3 废拳。将已经记最好靛垒怠圈建逶当黪光 源照明，人的双眼撼在经一个位嚣魁，比魏在a a 位置，将器到一个物体的一个 姿态o l ，当取眼移动b 拶时，则看捌物体的另一个姿态0 2 。由于人眼的立体感 擞主要慕驽予双强翡锈毒囊辖台，掰叛囊产生竞铬感觉，鞭暇磐须着捌溺个姿态 瓣不嗣 翼嚣，这裁蔗掰谓麴“律撬对”。罄3 3 蠢是示意嫠，实际憾况0 帮 几乎是冀含的。如果随着人眼的连续移动所看到的体视对是连续变化的，将会产 生动态立体裁示的效果。 了。另井，鑫然赛不存程鹣三维物体，郡可戳遴过计箨帮骥豌设诗( c a d ) 蓑菸链 三三维设计软 牛生成三维物体数据，然后制成全息图。所以计冀机全息豳与光学全 息图的结合实际上综合丁两者的慌势，使得两类全息圈都甄加灵活方便， 0 匿争氇砖模拟毽黎兜路鹫 爨豁一4 秘强c 窭# 蠢8 9 糯融蠡) f 糟o o 瘫i 8 誊瓣酶g 凇n 1 o 蹲3 5 静体一个姿态酹髓n 的记番竞蹿鹤 岱静一5f i 9 3p i 端i 辩碰籼f o rr e c o 蚶m g 。f o n eg e s t u r e sh 0 1 0 9 r a r n 靖6 主奎惠蕊 髓蛸* 6t h em a nh 0 1 0 罂甜t 体象，蔼墨丸羧移动翻豫，聊嚣誊刘餐舞姿态2 鹣立蒋象，鞠图3 一1 4 所幂。蠡荣 垒息视角能够做得比较大，以至于眼睛可以移动的距离大予瞳距， b 如向右移， 遮时左鼠移到s r 处，将看到原来窟照猎的像，但是由予是蠢鼹视图是棚对的，右 聪也移动了阍样的显琶离，因而看到新的右鼹视窗，此时，卧。构成了新的体 撼全怠对褫鬻。 图3 1 2 套息再现基本原理 联妒* 1 2 p 婚啷l o 镬獬f o f m o 釉瓤托髓强硝涮。舭n 焉3 一1 3 奎惠蒋麓赫侮一争饔态艨理示意饕 靠驴一1 3s c h 删i c 出a 铲黜齄删雠e 娃o n 靠o n e 喾e 瓣黯 根攥褥现象光波躺传撵援律，计嚣规蔑l 麓惑全意强羚露髂愿瑾域攘述凳： 对哥：某一姿态物体翻上的任意一点发出的光波，在传播的过程中被孔经j ”鼬 掰鞭翻，搬箍光鹣传攒撬棒可以计算出在记录平颡( 全息图) t 物点光波的分布， 然藤g i 入参考，毪与之干渗，就获褥鹩了这一物点的全恿黼全息体视对。 辫3 1 4 套息箨现耪捧幂弼姿态霹蠼帝惠璃 磊萨一1 4 s 幽“喇cd i 删轴科o n s 蛳e h 。no f d i 船r 删tg e s 骶e 按爨彩蛙全惠踅豹藩理，i l 经船，s “甍鼠狻缝豫截敬褥来秘，一般的形虢 可以_ 蔓兔一个篷形，没蒸大，l 、为琏搬。由予徽黼效应，始聚臻点发赉静竞在鼹 索处形成矩形光斑，那么，在记录平蕊上的光的分布应该通过求铆射的方法，进 行逆运算获褥，这样考擒椿会使得计冀变褥积很繁杂。为了简化润题，我们作如 下近议：假设在记录平筒上两个体视全息翻对 ， ，魑矩形。当作这样的近似的 时候，首先必须研究它的辑射程瓣察乎嚣形成懿光斑大小楚否可以潢惩大l 瑟褒察 她要求。 我们用图3 1 5 米考虑这个问题。计算机刺企患图实际上是光学全息图的模 拟，图3 * 1 5 是一步法彩虹全息的藤理图。瀚中的虚框髂分就是图3 1 2 歪图3 。1 4 骈显示的部分。物点o 和狭缝s ( 程我们避里魑两个矩形孔) ，经过遴镜l 分别 袋僚于拶和s 。o 蠡发爨懿雅羧浅燕经矩澎i l 篱将发垒衙菇，象点o 实际主 应该为被短形魏夫繁帮赞织射壤剿弱双i l 予涉分毒。毽是，翔果i i 麴宽澄廷够太， 像点o 的扩展是很小的。人眼的瞳孔直径在正常情况下般为3 m m 左宿。孔的 宽度k 藏该和入眼随孔一致，搿孔酾像点之间的距离一般麴为z 。一3 0 0 n 吼左蠢， 檄攘衍射艨耀，像赢弥散斑酶大小为 设照碉光渡长为 6 3 2 8 p m ) ：轮帆 或p m 。人跟对这撵小戆党斑可视为悫点，鄹霹敷看成是理想或像。黪戳，在一 定鲍近议范蹦内，全怠记录平强壬毛土蟪物巍分奄霹娃番裁怒双琵瓣尼孵授影。 ，：。逸垫立型堡坚+ 矗 2 口4z 。 确。型等笋气+ 。二甄土墨t 墨垒上兰羔堡坚+ 一 全意凿的宽度为 = 瓴；& 心 己& 同壤，我们可戳褥到垒息体襁对在y 方向上截点搬瓣和宽度淹； 舶，嚣确甚墨上垃气+ 薯。一2 兆。只：。翌堡监= 。+ 咒 z 。一t 蚬，= 饥= 土心 z b z e ( 3 。1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 + 1 8 ) ( 3 1 妨 ( 3 2 0 ) 竣记录渡长为，测在诗冀全惠髂襁对时，记漾区域鲶甥党努毒为菲瀑莓衍射t 哳砌阳删汰警嘲渔鼍嘲一滚强芝，q 鳓 式中( 勘。“，。妒如州) 是物体第n 个姿态上第( f ，j ，) 个物点的嫩标。上武 计冀区域为： r 。裟y 篡砖 ：z ， 2 。霸态毒+ 篱垒想的圣 冀 利用三三维扫描仪w 阻采集较为连续的动惑窥体信患，假设采集到的不同姿态 的立髂餐息分别用掳爨数圆，铙，。3 一+ 铙， 。g 表暴，对予第n 个姿态中 第( 1 ，j ，) 个耪盎，进聚平强物光分布由( 3 2 1 ) 式和( 3 2 2 ) 式决寇，对于 其中心。妻，以2 冬，为参考光秘y 轴购夹角。我喾】在计簿全怠匿对， 每个物点计冀三次，俩三次物巍渡都鼹不尉的，全部计算好了后，褥g l 入同一参 考光与之干涉澎成垒惑露。按照垒息麴戆勘象哭累，垒恿黧褥璎瓣，豫煮坐撂除 了与原物点位鼹有关以外，还与群现波长有关。当用缎绿蓝三原色光船，砖，她 薄冁对，霹以箨瑗氆丸个慷点，其中簿三个豫杰楚短巍筹现毵蒙色德点，绿光蒋 聪缭愿甑豫点，蓝巍樽现蕊原色像赢辩我们研究脊意义，熊它六个像点属于审色 蒙，当全惠蓊麴宽度皖较大对，兰组彩虹像点发獭的光鄱肖可能进入a 黻，葡融 产擞象模糊鞠龟模獭。键如果本身念息蕴藏燕彩虹全息雕，只要它蟪线爨度足够 小，人眼就只能看到兰组彩虹像上备一个很小的隧域，当小到一定程度以后，灌 到麴区域可以议为裁楚个像赢。姿入跟在逑当经置是可敬看到合残熬彩色稼 点，焉三艇彩戴缘翡蕊它务赢静始就不会邈入簸潴，魏辩就谶免了色串摅。 当彩色物杰鳃三艨色黛标避行变换焉，与箕稿对斑的狭缝垒标也馥徽稻艨 变换。前西已假设璇魏像龃，斗串心黛标为( 以0 ，磊) ，像即狭缝中心搬标为 式啼t x 口嘣，删b ，2 删0 ，t x 喇即y 嘶g z 蝴茹0 x o 目y l 娜z ) 戳镰 n 个姿态上策( i ， # ) 个彩镪物点的三撤色赢的坐标。 4 彩色动恋t 干算垒息的计算 对于韵态彩毡全感，在一步法动态| 卡冀全惑静基秘上，蔽撂散凄学蘸理，裁 霹进一步褥到记录嚣上辫物光分毒隽： u 帅( x ，y ) = ( u 鲫渺o ，y ) + e ，甜# 培o ，_ y ) + u 州搬( 工，y ) ) ( 3 3 3 ) ，j + f 引入参等是与上式囊搬，霹霹黻诗簿出筹n 姿态匏彩魏全惑霾。掰蠢褥俸掰鸯姿 态在记录平颤上总的物光分布为： 玎。强y = 群。似。)0 ，3 4 ) 设参考光静分布为霹& ，y 全患黉主干涉条纹分裙为： f 0 ，) 咄u ，x ，y ) 斗歉x y ) 守t 3 3 s ) 四、动态计算全息显示实验及结果 ( 一) 二步法动态计算全息实验 1 全息图参数的选择 彩虹全息图h ，一般是长条形的，它在最后再现时相当于视窗。为了得到双 眼立体视觉，h ，的长度必须大于等于人眼的瞳距，即h 。全息图的长度应该大于 等于6 5 m m 。但为了保证最后再现像有宽松的视窗，全息图h 。的长度l 应该比人 眼的瞳距要大一些。h l 的宽度要求取决于对再现像的分辨率和色模糊的要求。 全息图的宽度越太再现像的分辨率就越高，但全息图的宽度增加将会导致再现像 的色模糊增大。设h 的宽度为口，则色模糊为 ，。z 竺 ”z j 在物点o 和h 1 相对于h 2 的距离确定后，狭缝窄色模糊越小，但考虑色模糊 时，必须同时考虑充分得用人眼的分辨极限。人眼的瞳孔直径约为3 【i 【l 左右，为 了同时兼顾人眼的分辨率和色模糊，并考虑到光能利用问题，狭缝的宽度取为 3 i i n ，设物体的最大深度z o 为1 0 吸m ，z ，= 3 0 0 i i l i n ，则“o 1 m ，这样大小的模糊 人眼是可以接受的。 进行实验时，还必须考虑全息图的量化间隔问题，然后再进行干涉图的计算。 根据3 2 节可知，全息图的最小周期取决于如下几个参量：物体的尺寸h i 。、 k 、 ( ，j ，。) 一，全息图的尺寸h 一、一，参考光入射角口以及光波的 波长 。显然，物体、全息图、入射角越大，全息图的分辨率就越大。分辨率越 高，计算量也就变大。因而，在满足抽样定理和人眼的分辨率条件的同时，应该 尽量减小参考光的入射角以减少计算量。但在减小入射角的同时，必须保证再现 像能和零级分离，是再现像与零级光刚好分离时的参考光入射角。 ：一掣 z n 设y 。= x 。缸2 1 5 i l h 】1 ，z = 3 0 0 m m ，h = 1 0 m m ，= 2y 愀= 3 m ，则。3 3 。，则取 丹= 4 0 2 实验结果 诗算动态全悬嚣瑾论窝诗算方法是魄鞍祷鼙熬，毽是诗算量却楚壤丈楚。在 实验中，一方面利用我们已研究的些快速算法提高计算速度，另一方面作为原 理验证，物体姿态只用? 两个姿态； 鹫4 5 人转的嚣个袁蘧 f 1 9 4 5t w od i 赫r a ng e s t i 】| o f m e p e r n 在计算中，将这两个姿态周期地变化，所对应的观察蕊上的双目观察孔也周 麓缝交化。炎了不产生像戆器鞭，勰邻囊察我之耀鳇鼹离为零。实验审，对v i 嗽 9 l o 扫描仪获得的数据缩小1 0 倍姒后再进行众息图的计算。获得的垒息图通过 f 本网屏剑神5 0 5 5 高质图文照排机出图到胶片上，最后遵过缩微照相获得全息 阁。踅4 6 是全惑萄薅联结栗。翻。4 6 ( a ) 鞫( b ) 是琵蒲移动过程中，分聚看 到的两个表情，如果快速移动眼睛，感觉好像是在眨眼。 燕4 垒息图再现籀聚 p 酗一6 1 辩驰鞋瞻妇蜊跳s 嘲程锄蜡e 3 避论 献残僚熬照片餐斌，尽管汪经襻弱了最为基本的验诞效聚，键蒋糯豫的嗓音 较大，这燕要是由予垒惫匿瓣取样瓣隔太大 l 熬豹。海垒惹霭静计簿参数可知， 全患蘅的干涉条纹的蠛小翔隔为0 6 强，衡我们豹取样畿小间隔为e 1 j m m ， 这样在一个絷纹周期内所媳有的念息点数只有6 7 个，尽管满足抽样定理，w 以 蜜擒像的馆息但将产生数字噪啬。如果碱小全息取榉潮鼹，计算越数援量穰计 冀时闻糍会成接数增潮。我稍避墨双莰绘寤鞭囊技戆实验骚涯。降低数字礤窘， 携蕊像藤逐有德于诗冀概速度的避一步提褒，圈时硬究计嚣全患睡的授遮算法。 另外，在计冀全惠嚣辩，鞭据全惠嚣的牵心和边缘频率不一样鹩事实避行变频采 祥”也是搬值得借箍的方法，它对摄黼计算速度有很熏簧的意义。 结素落 本文借助三维面形检测技术实现全息信息的三维捕捉，然后在此熬础上进行 计冀全息豹动态显示，敷得了初步成果。 三维面形测量技术已在工业检测、实物仿形、生物医学、机器人视觉等领域 得到了广泛的应用。在三维面形钡4 爨中，通过获得的三维掰形数据进行立体重建 不仅可甑爱赢蕊遣对三缝结掏进行分耩，丽量，通过研究，我们试为，三维检测 技术为计算全息提供了实际应用的前景。计箅全息图的灵活性早已被全息界公 认，所以一粪受至# 人们的特别关注。健是实际三缎穆体的空闯结构一般裸摄复杂， 锻难用具体蕊数去描述其物光波的分布。将三缎面形检测技术和计算机制全息技 术相结合是本文的创新，这一技术为计算机制仝息图的兰维信息的捕羰提供了一 个行之翦效翡方洼。 在利用三维扫描技术获取三维物体的数据的基础上，术文提出制作动态全息 的两种方法，第一种方法是将诗冀梃割全患秽兜学全愚鞠结合驰二步法魂态全 息；第二种方法是根撼体视全息对的原理提出一步法制得动态全息原理及算法； 然后再进一步研究两种方法分别如何实现图像的真彩色复现：最后，从实验上初 多验证了莱溺本文提逡麴方法静藏确性，著对实验中窭魏鹣闷疆进章亍了讨论。 动态计算全息显示在三维显示中的应用前景非常广阔，可以预料在不久的将 来会走 电实用。本论文主要工作是遴括动态全感显示弱磅宠，我们将宠遴鲍三维 面形检铡技术和计算机制全息技术相结合，以真人为模型，运用彩虹全息原理， 研究了动态全息的两种算法，初步取得了真人的动态全息效果。 逡一步酌研究工作： 实验b 缀充分谖鞠我鲷提赉黪动态计算全崽葵法燕正确瓣。毽虫子瓣舞秘芙 系，做褥不够完善，令最，主簧在默下且个方裘避挥改鸷： ( 1 ) 进步熟悉和掌握三维数据采集和处理技术，获彳寻糯质量的兰缝数据。 2 ) 国予计算辊镣8 全惠闰数旗鬣瘫大，4 尤其蔑对于大橇角计算枫制垒息囤， 诗冀时间耩警酌鬣，辩予研究和庭翊鄱霄诸多的凝铷。接下来要迸一步 开发邋应用集群计算机的动态全息摆垮。 ( 3 ) 勰旗豢的h 1 靛获驭是获缚嶷质量赫悫全息鳃基础，露珏 爨盎l 诗募极羧 出再谶行照相缩版，曝光及烂影、定影才能获得。簧进一步研究通过图 像缝壤敬箨来伉纯垒息翔。 蟮) 避疹醑宠计筹梳涮动态全慧麓算法，丽戳采硐变颧采样簿方法来减少 馕息爝祁计算蟹提高逯行遮度。 ( 5 ) 彩色动态全息的研究是初步的，接下来癸研究窿质疑动态彩色全患。 ( 6 ) 将动态计算全息实用化，产品化。 参考文歙： 1 g a b o rd ，an o wm i c r o s c o p i cp r i n c i p l e 尬t ”p 1 9 4 8 ，1 6 l ：7 7 7 一? 7 8 2 】g a b o rd ，艟i c r 。s c o p yb yr e e s t r 址c t e dw 鑫v e 黼t s 。 p r o b r s o c ，1 9 4 9 ，i 9 77 4 5 4 一碡8 7 羽k l t h 嚣瓣8 聪驻a t 穗i 8 k s 王转e c o n s t 档e t 嚣d 张张静o n 七s 辅dc o 黼u n i c a t i o n t h e o r y z 彩吐4 鼎1 0 6 2 。5 2 ：1 1 2 3 一n 3 0 4 j b e n t o nsa h o l o g r a mr e o o n s t r u c t i o n sw i t he x t e n d e dl i g h ts o u r c e s j o s a ，1 9 6 9 ，5 9 ( 1 0 ) ，1 5 4 5 矗 f s j he h e n8 n d 对s ￥“翻e s t r a i 确瓣h o l o g r a m 。o p t 沁t 气1 0 78 3 ( 2 ) ，8 5 翻驻鞠娃r ap 辩 妇e s t 8 pr 8 i 抽。鞲h 。i o g r 卸b yw i t ha 艇l 甜i e n 8 矗p p i 0 p t ，i 9 7 8 ，1 7 ( 2 i ) ，3 3 4 3 c 7 朱云峰商用激光叠息发展方向印刷技术2 0 0 ( ) ，1 2 ：7 6 7 7 8 3 梁友杰、张黪方+光学醣镄按术在人民带秘镶联卡赡应慝。 2 0 0 2 年度乾裁 褒豢辫镄技术星际磷讨会论文蒙：7 l 一? 3 9 ￥und e b i 嚣y u k 弛o t e 嚣r 弩h i er e 。o 疆s t r 娃c t i o n 。ft h eo 辩i c 8 i 弛聱e r t i 轻s o fa no b j e e ti ni t so w n s c a t t e r e dr a d i a t i o n d o k l a k a d n a u ks s r ：v 0 11 4 4 ：1 2 7 5 一1 2 7 8 1 羽于荚文。彩色全崽的进展影像技米，1 9 0 7 霉筹i 期：1 4 2 0 ： ! l l 】董会宁，寒建华，鄙禳民，垒魏锻盐于舨记蒙真彩毽爱射全塞嚣浆辩技术磺 究匹川师范大学学投( 自然科学版) 1 9 9 9 攀第2 2 卷箍l 期：1 0 3 一l o ? 【托+ 墨爨翘，辨瑟云，余烟磷，张承焱，熊蒙衡，透射蓬彩色金崽凿酌摘摄与褥 现光学学报2 0 0 2 苹3 l 卷第4 期：4 6 3 4 6 6 3 j 王辉，李费，彭绦避，俞煎剐动态物体舆彩甑全崽鹫的研究光学仪器，1 9 9 7 年第1 9 卷笫4 5 期：2 7 3 0 ：1 王金城，刘鹏用多谱激光制作d c g 反射全息豳的方法。激光杂志。1 9 9 9 年第 2 0 卷第5 勰：2 4 2 6 1 s j 羁，j 、裁，蔡培潮，警灏分惑擎渡长真彩色全毖西。由东师大学报( 自然科举 版) 2 2 每浆1 7 糟第1 羯：3 2 - 3 ； 1 贫龙涛，彩色全息黼酌磺究，渝娴大学学报( 憩然科学版) 2 0 0 2 年第1 9 卷第1 期：4 6 4 9 ： 【 7 】刘笔，点佳援荤滚长激巍实蕊三维真彩色彩垩臣垒憨蕊熊记泵电子辩接大学 学报1 9 9 8 年第2 7 卷第6 期：6 3 5 6 3 7 ： ( 1 8 3 王麓，磨继跃，靴魍容单波长记录= 缝翼彩色全息胬的一瞬镢方法。光学学 报1 9 9 5 年第1 6 卷第3 期：3 2 0 3 2 5 ： c 垮 王取袋，答孝义，熊责光，爨_ 簿盛霞彩缡羁菏的并行处理号粪彩色彩虹盒 怠术。武汉大学学搬( 蠡然科学驻) 1 9 瓣年第瞒卷第l 期：? g 一 2 0 刘海峰，李维宁等体视彩虹彩色全息图的研制与应用激光杂志9 9 9 年第 2 0 卷铺3 期：2 7 2 9 2 1 吉平j t 步萁彩色彩虹全息术率山大学举报( 自然科举版) 1 9 9 5 年第3 4 镫 第2 期：3 8 4 l 2 2 龙涛。翅全惠分色法裁捺彩惫全患图激光杂恚。2 0 0 1 年筵2 2 卷筹6 期：6 0 6 2 【2 3 陈建农。垒巍蓑二步彩虹垒惑光学技术2 。o o 年第2 6 卷第3 期：2 7 5 2 7 6 2 8 0 2 4 杜玲。全恩显示技术国内外近期发展搬述c f i h ap a e k a g i n g 1 9 9 8v o l 。1 8 ； n o 4 ：4 2 2 5 于甍文，张静方光众息术1 9 9 5 年2 月第l 版北京：北京教育出版社，1 9 9 5 ： 2 s l 一2 9 7 晗6 】露毒霆 菲尔缭毙念意手黼。毒季学鑫激柱1 髑8 ：1 3 l i 4 0 2 7 于茭文。光全息学及其应用1 9 年8 月第l 版北京：北京理工大学逝皈社， 1 9 9 6 2 7 6 f 2 8 马颂德，张正友计算机枫视觉一计算理论与算法基黼科学出敝社1 9 9 8 ， 2 鲫嵩文，陈熙霖诗舞规程懿一磐法与蓉绞溅瑾，瀵牮大学出版害主，1 9 9 9 。 ( 3 。1 刘会杰，王学孝，计算机强鐾蕊理论樱絮研究。 冀壤辩 学1 9 9 9 ，2 6 ( 3 ) ：3 4 3 7 随j 惫国藩，李景镇激先溺爨攀。辩学高敝丰土j 9 【3 2 苏攫渝，李整辫。臻惠光学。科学出版社2 0 0 l 。 3 3 j s m a s s 8 。t i m e 醛f l i 曲t 。p t i c a lr a n g ：i 醒s y s t e 推b 8 s e do nt i 鹅e r r e l a t e ds i n g l e 曲o t oc o u n t i n g a p p t o p t ，1 9 9 8 ，3 7 3 i ) ：? 2 9 8 e 3 4 j i n f e n gl i n ，x i a n y us u t 种。一d i m e n s i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m p r 艚n o m e t r yf o rt h e8 u t o 隧t i cm e 8 s u r e m 。n to t h r e e d l n s i 。n 8 王o b j e e t s h a p e s 0 p t e n g ，i 9 9 5 ，3 4 ( 11 ) ，3 2 9 7 3 3 0 2 ， 3 靶v ，船妇i v 8 s 8 m 鞋。e 。疆珏，赫。珏8 l i o 鞋鑫矗“t o 豫专e d 曲箍s 8 黼毡s 时i 噩g p r o i l o t r y 醒3 一d i f f u s eo b j e c t 却p o p t ，1 9 8 4 ，2 3 ( 1 8 ) ，3 1 0 5 3 1 。8 3 翻s o y k a ，赫。芏。辊i h 曩鹳s p 8 t i a l 骶i n g es e a n n i n 鬈f o ro p t i e 氇lp h 8 s e m e a s u r e 嘛卸t e o 1 9 8 4 ，2 ( 5 1 ) ，6 8 。 e 3 7 l 1 k u ns l l 。x i a n y us u ，w a n s o n gl i a p p l i c 巍t i o no fm o d u l a t i o nm e a s u r e m e n t w o f i l o m e t r yt 。o b j e c t s 虹t hs u r 瓿e e h o l e 8 。a 鼯，t 。l ，3 8 7 ，l l s 3 一1 1 5 8 3 8 j 捶邀宁，誉耀巢，差天及等鼹数字微玟封镳器释龠残体视垒怠强撼摄系 统，光电子激光，2 0 0 1 ，1 2 ( 7 ) ：7 1 9 7 2 l 3 9 j 谢被辉，杨浇文。含成全息秘懑豹新方法纵向糯积分割法北京瑾工 大学学擞，2 0 0 0 ，2 0 ( 3 ) ，3 2 9 一3 3 2 4 0 唐瞍春，裳保采计算机机规擞研究进展与展攫；邋健学报。1 9 9 3 ，1 4 ( 4 ) ： 5 6 6 4 ， 秘l 】b i n g e rn 。e ta 1 彳h ea p p l i 0 8 t i o no fi a 8 尊rr a d 材t e c h n 0 1 0 9 y s e n s o r s ， 1 9 8 7 。4 ( 4 ) ：哇2 4 唾 f 4 2 3 t s ，h u a n 蕊r 。y 。t 8 a i ，t h r e ed i 鞭e n s o n 强! 辩o t i e s t i m a t i o 摊行。艟 i m a g e s p a o es h i f t p r o c o fi e e 8 。i n t c o n f o na s s p 。p i s c a t a w a y ： i e 鼹。1 9 8 l ，2 ，j 1 3 铲1 1 3 9 。 4 3 j 撼，s # b b 纛r 8 0 ，a 嬲耩，i u ，”孙琳p 牲t e r 淞d e l i n g 基耐s i 糙“l a t i o ”醯e a 硇e 孙 舱f o c u s “，麟幽露# 蜒s f 船釉g 蔗凇j 彳。冀0 j 黼s ，( 1 9 9 4 ) 7 ，鼬2 7 弘2 8 9 4 胡g s 玎r y a 鞴r e e d i m e n s i 彻a ls e e n er e c o v 尊r yf r o mi m a g e 如内u s p h ，转+ d i s 8 e r t l t i o n d e p t o fe 1 e c t r i c 8 1e n g g s u n ya ts t o n yb r o o k 1 9 9 4 融朝苏显滚，攀继隧。傣怠光学。j 索；科学般皈校1 9 眄冬9 胃 酶】d e t l e 0 e s 曲e r g 矗砸0 l o 鹅珂n 酾a h i ，瓣p u t e r 9 8 n e r a t 鬯dr 缸n b o w h o l o g r 蝴8 ，a 黪；i e do 茚i e s ，1 5j u l y1 9 8 4 ，2 3 ( 1 蛰：2 4 i 一2 4 4 7 4 7 3 大越攀敬蓍，黄太和译，三维成像技术枫褫工业出敝牡，1 9 8 2 年1 2 月 f 4 8 蔡雪强，舆彩色模压垒息图，成用激光，1 9 9 2 ，1 2 ( 4 ) ，1 6 7 一1 6 9 【4 c h 。n gf a n ，l u r o n gg u oe t8 l 。c o l o ro o d i n 嚣r e p r o d 娃e n o no f3 do b j e c t w i t br 8 l 拈洲h o l o g r 8 p h y 。曲t ：e # 翁1 9 9 l ，( 1 0 ) 1 8 2 4 i 8 2 8 ! s 0 b o t a l r e c o 列l n go 纳i g h m l i t yc o l 。rh o l o g r 瓣s a p p 0 西。掬8 s ， 2 5( 2 2 )4 1 4 1 4 1 4