全息柱面光柵的設(shè)計(jì)及其在立體顯示技術(shù)的應(yīng)用

姜興興,孫 欣,梁 健,席思星,黨軍杰,程芹飛

(青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,山東青島266071)

全息柱面光柵的設(shè)計(jì)及其在立體顯示技術(shù)的應(yīng)用

姜興興,孫 欣,梁 健,席思星,黨軍杰,程芹飛

(青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,山東青島266071)

根據(jù)傅里葉全息光學(xué)的基本原理與柱面光柵的分光特性,提出了用馬赫-曾德爾光路制作柱面光柵的方法,用其實(shí)現(xiàn)圖像的立體化.全息柱面光柵是全息術(shù)與圖像立體化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,制作方法簡單,具有一定的實(shí)用價(jià)值.

柱面光柵;立體化;全息術(shù)

1 引 言

立體顯示技術(shù)能夠使缺乏層次感的平面圖像再現(xiàn)三維立體世界的豐富多彩富有層次感的真實(shí)情景,因而很早就受到了人們的關(guān)注和研究.其中有一種立體圖像顯示的方法稱之為柱面光柵成像法,該方法結(jié)合了攝影技術(shù)和近代光學(xué)的理論,能使平面圖像逼真地再現(xiàn)具有層次感的三維信息,直接地觀察現(xiàn)實(shí)分布狀況[1],從而獲得全真的信息,因此在醫(yī)學(xué)、軍事、廣告以及立體電影等領(lǐng)域備受關(guān)注.

全息術(shù)是1948年英國科學(xué)家Dennis Gabo r為提高電子顯微鏡的分辨率在Bragg和 Zernik的基礎(chǔ)上提出的[2],即利用光的干涉衍射原理,實(shí)現(xiàn)特定物光波信息的記錄與再現(xiàn).激光器的產(chǎn)生極大地促進(jìn)了全息術(shù)的發(fā)展.全息光學(xué)元件,作為全息術(shù)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域以其體積小、重量輕、制作簡單、精度優(yōu)良等特點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用.

2 全息柱面光柵的成像原理及設(shè)計(jì)

人具有立體視覺的能力,是由于人有2只眼睛,他們從不同的方位獲取同一景物的信息,各自得到景物的二維圖像,這2幅圖像有著微小的區(qū)別,稱為像差.人的大腦通過對左右2幅圖的像差進(jìn)行分析和處理后,可以得到關(guān)于景物的形狀、色彩、空間分布等信息[3].因此立體顯示技術(shù)中,像差是一個(gè)非常重要的參量,其直接決定了圖像的立體化效果.

傳統(tǒng)的柱面光柵是基于幾何光學(xué)的基本原理,現(xiàn)依據(jù)傅里葉變換光學(xué)的基本原理,通過多次曝光,設(shè)計(jì)一全息柱面光柵,并用其實(shí)現(xiàn)圖像立體化的目的.

為達(dá)到傳統(tǒng)柱面光柵的功能,采用全息透鏡制作的同軸光路——馬赫-曾德爾光路,見圖1.

圖1 馬赫-曾德爾光路

激光器發(fā)出的紅光(λ=632.8 nm)經(jīng)過分束鏡均分為2束:其中一束經(jīng)過反射鏡、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直物鏡得到平面參考光;另一束經(jīng)過反射鏡、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直物鏡以及柱面鏡得到物光波——柱面光.感光底片記錄下2束光干涉的結(jié)果.

制作如圖2所示:將光學(xué)元件按馬赫-曾德爾光路排好,調(diào)平光路,根據(jù)所要制作的全息柱面鏡的焦距f=3 cm(相對λ=632.8 nm紅光)與柱面鏡的焦距 f′控制好柱面鏡與感光底片的距離 s(s=f+f′).狹縫的寬度取作8 mm,曝光時(shí)間為45 s.完成1次曝光后,將底片平移8 mm,重復(fù)曝光過程,如此重復(fù)8次.曝光后的底片經(jīng)過顯影、定影、漂白及晾干就得到了全息柱面光柵.

圖2 全息柱面光柵的制作

柱面光與平行光相干疊加得:

線性沖洗[2]:

全息柱面光柵記錄的干涉條紋與衍射效果如圖3所示.

圖3 全息柱面光柵記錄的干涉條紋與衍射效果

激光器發(fā)出的光經(jīng)過擴(kuò)束鏡與準(zhǔn)直物鏡得到的平面參考光入射[2]:

部分光經(jīng)過全息光柵的調(diào)制,發(fā)生了與傳統(tǒng)柱面光柵折射作用下的相同的偏折,在前方發(fā)生了匯聚(圖4).

把六鏡頭立體相機(jī)拍攝的不同圖像通過精密儀器沖洗在同一相紙上或?qū)⑵胀ǖ钠矫鎴D像經(jīng)過立體化編碼后生成一定位錯(cuò)相間的圖像信息,再用計(jì)算機(jī)將這些圖像進(jìn)行交叉處理,進(jìn)行打印,便可得到立體化的平面圖像.平面圖像反射的部分光經(jīng)過全息柱面光柵的調(diào)制作用,各像帶發(fā)出的光按特定的方向出射,不同像帶的光攜帶著像差入射到人的左右眼,形成立體像.

圖4 全息柱面光柵的分光效果

人的左右眼通過柱面光柵可看到圖片上連續(xù)的6個(gè)像帶,每個(gè)像帶的寬度為d.像帶1是景物的最右邊,6是景物的最左邊.1與2,2與3,3與4……形成像對[4].圖5所示的是3與4像對形成的立體像,當(dāng)從另一個(gè)角度觀察時(shí)看到的是其他像對形成的立體像.

圖5 全息柱面光柵立體化功能示意圖

3 結(jié)束語

用全息柱面光柵實(shí)現(xiàn)圖像立體化在理論上是可行的.在觀察用柱面光柵成像法實(shí)現(xiàn)的立體圖時(shí),觀察者不需要佩戴特定的眼鏡等輔助工具,眼睛不受限制,是完全自由的,故該立體成像法具有更大的靈活性和實(shí)用性.此外,用該方法制作柱面光柵簡單易行,可操作性強(qiáng),成本低廉,并且制得的光柵表面光滑,能夠滿足特定的應(yīng)用需求.

要用全息柱面光柵達(dá)到清晰地立體成像的效果,其衍射效率還有待于進(jìn)一步提高.另外,若在切割、移動感光底片時(shí)采用自動化裝置(如精密切割機(jī)、步進(jìn)機(jī)等),制得的光柵的平行度還可以進(jìn)一步改善.同時(shí),由于該光柵的分光是基于干涉-衍射的原理,對于不同顏色的光,其焦距是不同的,因此對于彩色圖畫,色差也是一個(gè)必須考慮的問題.

[1]陳君.基于光學(xué)/數(shù)字圖像處理的平面圖像立體化技術(shù)[J].光電子·激光,2005(2):1 550-1 552.

[2]趙凱華.新概念物理教程·光學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004:255-259.

[3]王元慶.基于LCD的自由立體顯示技術(shù)[J].液晶與顯示,2003,18(2):116-120.

[4]韓紅梅.柱面光柵在立體畫中的應(yīng)用[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,34(4):74-76.

[責(zé)任編輯:郭 偉]

Design and application of holographic cylindrical gratings in stereoscopic display

JIANG Xing-xing,SUN Xin,L IANG Jian,X ISi-xing,DANG Jun-jie,CHENG Qin-fei
(College of Physics Science,Qingdao University,Qingdao 266071,China)

According to the basic p rincip les of Fourier holographic op tics and the spectrophotometric feature of cylindrical gratings,the method of creating cylindrical gratings using M ach-Zehnder op tical path w as p roposed to realize stereoscopic disp lay.Holographic cylindrical grating w as the integration of holography and stereoscopic-disp lay technology,and the simp lemethod used here to make it w as of some p ractical value.

cylindrical gratings;stereoscopic disp lay;holography

O438.1

A

1005-4642(2011)02-0038-02

2010-04-30;修改日期:2010-09-09

姜興興(1988-),男,山東昌邑人,青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院2006級基地班本科生.

孫 欣(1957-),女,山東青島人,青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授,主要從事激光全息、計(jì)算全息方面的研究.