图像的全息显示

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第9章 图像的全息显示,彩虹全息图,合成全息技术,彩色全息术,全息图的复制,1,常见的立体图像显示方法,常见的立体显示光学装置有:,红绿眼镜,正交偏振片眼镜,利用全反射原理的柱面光栅,专用光学立体图像观察装置,层析复合图像立体显示器,由快速电子快门实现左右眼图像分离的屏幕立体显示,人眼光轴调节实现双眼视差的计算机设计立体图片,2,图像的全息显示,全息技术的立体显示再现的是物光波，不是一对或几对立体图像无须其他光学器件辅助,全息图像显示最直接的方式是激光再现全息，以激光作为光源记录全息图,，,再以与原参考光一致的再现激光照明全息图得到与原记录物光完全一致的再现光,对相干长度有限的激光器，被记录物体的大小或景深非常有限，这时应采取对物体分区照明的方法扩大被摄物体的景深,对相干长度较长的激光器，记录的场景可达数米,3,白光再现全息,用白光再现全息图，会出现严重的色模糊，研究如何用白光再现全息图像是显示全息的主要研究内容之一,实现白光再现全息通常有三种方法,：像面全息；彩虹全息；反射全息,用这些手段可制作多种类型的全息图，例如彩色全息，合成全息，消色差全息等等,近几年来，出现了一种新的与计算机紧密结合的数字像素全息，制作方法与常规的显示全息不同，效果很难用通常的全息技术得到,全息技术正逐渐从实验室走向市场，,全息图的大批量复制技术起了很大作用,4,线全息图消色模糊原理,设记录的物光是点光源，白光再现时，像,o,和,o,的波长分别对应,A,和,B,。,人眼看到的色散像是全息图不同区域衍射的不同波长光,如果把记录物光波的面积限制在一窄条上，仅有,A,进入人眼，这时人眼看到的像是单色像,o,，,也就是消除了色模糊,窄条全息图，或称为线全息图能有效地消除色模糊。,P,P,O,O,A,B,图9.2,5,彩虹全息图消色模糊,的,必要条件,多点线全息图中每一点的信息都限制在不同的窄条上，当每一窄条同一波长的衍射光会聚于同一点，就能观察到完整的单色像,人眼在垂直于线全息图方向移动时，将观察到不同颜色全息像，颜色的分布就象雨过天晴的彩虹一样，所以又称为彩虹全息,以彩虹全息方式观察到完整像有两个必要条件,：实现线全息图和线全息图的同一波长的衍射光会聚于空间同一狭长区域,P,O,A,O,B,O,C,A,B,C,P,6,两,步法彩虹全息图的记录,H,2,置于,H,1,的衍射实像附近，实像上的每一点的信息均被限制在不同的窄条区域上，实现了线全息图,另一方面，每一线全息图的物光均来自同一狭缝，当,H,2,由共轭光路再现时，每一线全息图的同一波长衍射光将会聚同一狭缝位置,所以带狭缝的两步记录方法满足了彩虹全息的两个必要条件，实际上，狭缝,S,可以看成是,H,2,的物，共轭再现,H,2,时，将会再现出狭缝的实像，,图中只画出了红色和蓝色狭缝，人眼在狭缝的实像处观察，进入人眼瞳孔仅是单色光，看到的是单色的清晰图像,H,1,I,H,2,I,H,2,红色狭缝像,蓝色狭缝像,7,两步法和,一步法记录彩虹全息,比较,二步法,优点,：记录全息图的观察范围比较大,采取合适的记录光路有较大的能量利用率,缺点,：二步记录制作过程比较烦琐,全息图的噪声较大,一步法,优点,：噪声小，制作步骤简单,缺点,：观察范围受成像透镜相对口径限制,制作大体积物体需成本高昂的高质量大口径 透镜,除一步法和二步法外，还有像散彩虹全息，综合狭缝法，条形散斑屏法，零光程法，一步掩膜法等,实际工作中最常用的还是二步法,8,彩虹全息图的像质,（1）单色性：,单色性描述全息像的色彩纯度，衍射光波长范围在,至,+,内，,/,称为全息像的单色性，狭缝窄，观察距离远，参考光入射角度大，获得的单色性较好。,（2）,色模糊：,在人眼的分辨限度内,|,I,|=1mm,前后景深可达100,mm。,(,狭缝一般取,310mm,),（3）线模糊：以人眼的分辨极限内，灯丝比较集中的白炽灯照明下，全息像较清晰；面光源照明下，全息像会非常模糊,（4）衍射受限：,彩虹全息图狭缝是光学系统的光栏，在狭缝方向和垂直狭缝方向的分辨率不一样,，狭缝不能太窄,（5）,全息像差：在再现波长与记录波长不同时，衍射波有较大的像差。观看彩虹全息图时，由于人眼瞳孔的限制像差并,不,显著,。,实际上彩虹全息像差,还表现为,像面弯曲，人眼沿狭缝方向移动时，会发现全息像漂移。,9,合成全息技术,用全息技术还可以实现体视三维显示，这一技术称为合成全息，或准三维显示,它的,基本方法,是将一系列从不同角度拍摄的普通二维相片通过全息记录的方法记录在一张全息软片或干板上,当用白光再现全息图时，人的双眼观察到的是不同角度二维相片，以人眼的双眼视差实现三维显示,10,二维图片的记录,用作记录合成全息的二维图片的制作方法如下图示,左,图是平排相机，,中,图相机排成圆弧状，或让物体转动时用电影摄影机拍摄。,右,图9.11是用小透镜阵列拍摄物体不同角度的像，这一列阵可以是一维的，也可以是二维的。一维列阵与,左,图的作用一样，二维列阵可以获得更多的信息量，用于记录反射全息,O,O,O,透镜阵列,摄影底板,11,平面多路合成全息,记录平面多路合成全息的光路如,下,图示。透镜,L,1,是照明系统，将激光照射在二维照片,O,1,上，透镜,L,2,是成像透镜，将二维图片成像于毛玻璃散射屏,D，,透过光即成为全息记录的物光。,H,是全息干板，干板前放置一狭缝,S，,每换一张照片，狭缝换一个位置，记录一个单元全息图。再现时用参考光照明，就能见到三维图像，如人眼在全息图上扫描，就能见到物体不同侧面的三维像。,S,H,x,z,y,R,L,1,L,2,D,O,1,12,360,合成全息,下图是,角度多路全息合成系统的光路，,L,1,是照明系统，,L,2,是投影成像透镜，,L,3,是作为场镜用的球面透镜，,CL,是柱面透镜，它们组合形成一个像散成像系统。,O,1,是二维照片，它被,L,2,成像于场镜,L,3,处。全息软片位于,xy,平面，前面放置一狭缝,S，,全息软片与二维照片同步卷动，每一张二维照片在狭缝后形成窄条基元全息图,S,y,L,1,O,1,L,2,CL,L,3,R,H,E,z,x,13,360,合成全息的再现光路,360,合成全息的再现光路如,下,图示，将显影处理后的全息软片弯成圆筒状，其半径等于像散系统与全息软片的距离，白光点光源位于圆筒轴上，距圆筒的距离与原参考光发散点距软片的距离相等,进入观察者左、右眼的两个像来自带有水平视差的不同的窄条单元，将圆筒装在一个电动机上，使全息图发生旋转，人眼就能通过不同的全息单元观察到三维物体的不同侧面，如果拍摄的是活动图像，由于人眼的视觉暂留，人眼观察到的将是三维活动图像,右眼,左眼,14,彩色全息术,单波长激光记录的全息图是单色的。彩色全息术的目的则是记录和再现彩色三维全息图像。,彩色全息术涉及两个基本问题,：,三原色信息的获取和再现。,三原色信息的获取有两种方法：,一种是用含有三原色的复合激光作为光源照明彩色物体,另一种方法是对彩色二维图片进行分色处理，以黑白的三原色图片作为全息记录的物,在获得三原色信息后，用三色激光再现时，每一波长的激光将再现三幅不同大小和位置略有不同的全息图，三个波长的激光将再现九幅全息图，发生色串扰。,解决色串扰是彩色全息的重要研究课题，激光再现彩色全息常用编码技术或多方向参考光解决色串扰，而白光彩色全息常采用彩虹全息或反射全息方法解决色串扰。,15,彩色全息的激光器,人眼的颜色感觉既包含生理过程，又包含心理过程,通常人们用三原色的刺激值来描述颜色，每一种颜色都用三刺激值表示，每一种颜色都可用色度图的一点（,x，y）,来表示,用三个光谱色按比例变化来混合成的彩色都在这三个光谱色围成的三角形内，这个三角形面积越大，配出的颜色越多,氩离子激光器的457.9,nm,和514.5,nm,以及氦氖激光器的632.8,nm,一组，氪离子激光器的647.1,nm,和520.8,nm,以及氦镉激光器的441.6,nm,又是一组，这两种选择既能在色品图上获得较大的三角形面积，又仅使用两种激光器比较经济,16,彩色彩虹全息,记录二维彩色照片,彩虹全息实现彩色全息在一张全息记录材料上记录三张彩虹全息图，它们分别是三基色全息图像，三基色中的每一基色对应的狭缝在空间重合，三基色的全息图像的复合就形成了彩色全息,用彩虹全息方法记录二维彩色照片的方法如下图示。母全息图,H,M,的记录光路如左图,，,其中,O,1,、O,2,、O,3,分别是二维彩色照片的三原色分色反转片,，,对全息干板的不同部分分别曝光，得到三个狭窄子全息图,H,1,、H,2,和,H,3,，,作为母全息图记录彩虹全息，光路如右图,。,H,M,H,1,H,2,H,3,O,1,O,2,O,3,H,R,H,1,H,2,H,3,R,O,1,O,2,O,3,H,M,17,彩虹全息方法制作三维彩色全息,二步法记录彩色彩虹全息的光路如下图，左图是记录物体的三基色激光母全息图,H,1i,的光路，参考光用平行光。记录时分别用氦氖激光和氩离子激光的两条谱线记录红、绿、蓝三基色的三张母全息图,右图是第二步记录光路，以共轭光再现母全息图，用三种激光顺序将三个再现像记录在同一张全息干板,H,上。当用一发散白光按共轭方向照明,H,时，在适当的位置可观察到物体的彩色像。,He-,Ne,Ar,+,R,1,y,H,1,O,He-,Ne,Ar,+,y,H,1,H,O,18,全息图的复制,全息图的制作需要激光器以及许多特殊的设备，每一张全息图都从头至尾用激光器制作是不经济的，全息图的廉价复制也是全息显示技术的重要方面,全息图的光学复制,全息图像被,H,的透过光再现，入射激光直接入射至,H,的光作为参考光，,H,M,的再现像与参考光干涉形成反射全息,O,H,M,扩束激光,H,图9.20反射全息的复制光路,19,全息图的模压复制,模压全息类似于凹凸印刷技术，复制成本相当低廉。模压全息的基本过程,分三个阶段,:,彩虹全息光致抗蚀剂母板制作、电铸金属母板、模压复制,制作模压全息的第一个过程是制作表面浮雕型全息图。模压全息是在白光再现下观察的全息图，母板是彩虹全息，记录材料通常是光致抗蚀剂。在模压全息制板中绝大部分采用二步法多色彩虹全息。,多色彩虹全息的制作方法与二维彩色彩虹全息的制作方法相似，只是二维图片不是采用彩色分色片，而是设计好的二维黑白透明片。多色彩虹的物体也可以是三维物体，或同时存在三维物体和二维图片，制作方法大同小异，母全息图的狭缝数量可以超过三个，多色全息图的色彩和层次也可以有多个。,20,电铸,模板的制造,电铸的目的是把光刻胶表面上的浮雕形条纹转移到金属板上，它也分三个过程,第一个过程是对光刻胶表面金属化,:,通常采用化学沉积方法。化学沉积的过程是：先对光刻胶板表面进行清洁敏化处理，使光刻胶表面离子化，形成均匀分布的离子颗粒（即反应中心），再使用硝酸银溶液在光刻胶表面发生银镜反应，在光刻胶表面形成一薄层银导电层，完成金属沉积过程,第二个过程是电铸,:,用化学电镀的方法使金属层加厚。经十小时左右的时间电铸后，金属沉积厚度约0.1,mm。,在金属层与光致抗蚀剂剥离后，金属表面上就具有了浮雕型条纹，得到“头板”,第三个过程是翻铸工作板,:,先将头板在钝化液中作钝化处理，使表面生成一层金属氧化物，然后在头板上用电镀的方法沉积镍，制成第二道板。再几次经同样的过程，即得到直接用于模压的工作镍板。,21,模压复制,模压复制是将金属板上的条纹压印到热塑性薄膜材料上，形成模压全息图,这一阶段是在特制的模压机上完成的。将工作镍板包在模压机加热滚筒上，通过滚压的方式将金属板上的条纹压在薄膜上。模压全息的复制效率比较高，每分钟压制1520米左右，宽度随机器的不同而不同，一般从十六厘米到一点二米,需要指出的是，模压全息图虽然以反射方式观察，但它属于透射全息。因它是表面浮雕型条纹，靠铝的反射产生观察效果,反射全息是依靠体积条纹反射衍射再现光