雙四棱錐偏振全息三維立體成像裝置

房若宇

(浙江大學(xué) 物理系，浙江 杭州 310027)

三維立體成像技術(shù)系利用光的干涉和衍射原理實現(xiàn)圖像或視頻的三維立體展示，相應(yīng)成像裝置的設(shè)計和制作不僅可用于課堂形象化教學(xué)，同時也具有可觀的商用展示價值[1-4]。該成像技術(shù)包括空氣投影和交互技術(shù)、全息激光成像技術(shù)以及偽全息投影技術(shù)三類。前兩種的成像系統(tǒng)一般造價昂貴且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而不適合日常使用；而偽全息成像技術(shù)系利用“佩珀爾幻象”的光學(xué)錯位現(xiàn)象實現(xiàn)三維成像[5-10]，并非真正意義上的光學(xué)全息技術(shù)。在筆者以往的教學(xué)和研究工作中，設(shè)計和構(gòu)建了系列基于透明多棱錐結(jié)構(gòu)的偽全息三維立體投影裝置[5,11]，在此基礎(chǔ)上嘗試了立體視頻通信的應(yīng)用[12]；并進一步地實現(xiàn)了裝置的自動控制[13]。為實現(xiàn)真正意義上的全息三維立體成像，本文根據(jù)光的偏振原理，設(shè)計和構(gòu)建了一種新型的結(jié)構(gòu)簡單、易于使用的全息三維立體成像裝置。該裝置的成像系統(tǒng)由加裝了偏振片的兩個相互嵌合的透明四棱錐單元組成，達到了良好的全息三維成像效果。

1 雙四棱錐偏振全息三維立體成像裝置構(gòu)建

1.1 成像系統(tǒng)設(shè)計和原理

本文所設(shè)計的偏振全息三維立體成像裝置的基本成像單元為由透明材質(zhì)薄板構(gòu)成的四棱錐結(jié)構(gòu)(見圖1)。單個該四棱錐的三維成像原理為，圖像播放設(shè)備(如平板電腦)與棱錐底面平行放置在錐頂，其播放的圖像經(jīng)表面反射和折射，從而在棱錐空腔內(nèi)形成可見的三維影像[5]。

圖1 單四棱錐三維立體成像裝置示意圖

本文所構(gòu)建的偏振全息三維立體成像裝置的成像單元由兩個相同的透明四棱錐相互嵌合(見圖2(a))并加裝偏振片構(gòu)成(見圖2(b))。

(a) 雙四棱錐組裝示意圖

(b) 加裝偏振片示意圖圖2 雙四棱錐偏振全息三維立體成像裝置示意圖

圖3 雙四棱錐偏振全息三維立體成像裝置成像原理

該裝置的成像原理如圖3所示。兩個作為投影源的平板電腦屏幕朝內(nèi)平行放置于成像單元的上下兩側(cè)，屏幕表面覆蓋有偏振片(偏振片A)。該成像單元由兩個相互嵌合的透明四棱錐加裝偏振片(偏振片B)構(gòu)成。由投影源屏幕發(fā)出的光經(jīng)過偏振片A后，一部分直接在四棱錐表面反射(偏振光a)，另一部分經(jīng)四棱錐表面反射后通過偏振片B(偏振光b)，控制兩束偏振光的相位相互垂直形成視差(上下投影源所播放的畫面亦有細微差別以增強該視差)。觀察者經(jīng)由3D眼鏡即可在兩個四棱錐的重疊空腔內(nèi)觀察到電腦圖像的全息三維立體成像。

1.2 成像系統(tǒng)構(gòu)建

透明四棱錐面板采用市售亞克力板(聚甲基丙烯酸甲酯板，厚度0.5 mm)制作。面板為等腰三角形形狀(相對尺寸見圖4(a,b))。四棱錐結(jié)構(gòu)由四片相同的面板拼接黏合而成，面板和底面平面之間的二面角均為45°。本文所采用的等腰三角形面板底邊長為150 mm，高為106 mm。為使得兩個四棱錐能夠如圖2(a)所示嵌合在一起，在面板三角形一側(cè)腰垂直距離于底邊47.8 mm處開一寬度為0.2 mm的狹縫，狹縫方向和三角形底邊上的高垂直且其長度到高的位置(見圖4(c))。八片開有狹縫的面板拼接成兩個相互嵌合的四棱錐(見圖4(d))。

該嵌合的四棱錐內(nèi)部需要加裝偏振片以達成全息三維成像效果(見圖2(b)和圖3)。市售無膠3D眼鏡線偏振片(厚度0.17 mm)裁切成長度為75 mm，寬度為38 mm的長方形，每四個該尺寸的偏振片拼接成一中空長方體(該長方體的底邊為四個長方形偏振片的長邊所構(gòu)成的正方形)，兩個該長方體分別放入上述嵌合四棱錐的上下空腔內(nèi)，也即每一四棱錐含頂點的上半部分處于偏振片構(gòu)成的中空長方體內(nèi)部。

(c)面板具體尺寸

(d)組裝成品照片圖4 嵌合雙四棱錐結(jié)構(gòu)

2 投影源圖像制作

投影源圖像由分別平行放置于雙四棱錐成像單元上下底面的兩個平板電腦播放。該成像單元具有8個反射面，因此使用8個不同視角的投影源圖像(見圖5(a)，其中F,B,L,R分別代表前、后、左、右方向)，以使得每個反射面都接受對應(yīng)的圖像，使得觀察者從不同角度均能觀察到三維成像。

(a) 投影源方向示意圖

(b) 投影源示例圖5 投影源設(shè)計

投影源程序使用ECMA Script 6(一款開源的由歐洲計算機制造商協(xié)會(ECMA)標準化的腳本程序設(shè)計語言)編寫，該投影源程序可以導(dǎo)入模型并實時控制模型展示。圖5(b)顯示了在實驗中所設(shè)計的地球圖案的投影源圖像。

3 裝置成像效果

上述雙四棱錐偏振全息三維立體成像系統(tǒng)通過支架固定并為平板電腦放置提供支撐(見圖6)。綜上，該成像系統(tǒng)利用光的偏振原理實現(xiàn)全息三維立體成像。

圖6 雙四棱錐偏振全息三維立體成像裝置成品照片

圖5(b)中所設(shè)計的投影源圖像的全息三維成像效果如圖7所示。從不同角度均可以觀察到清晰的三維成像效果，在黑暗環(huán)境下佩戴3D眼鏡所觀察到的立體效果更為逼真。

圖7 雙四棱錐偏振全息三維立體成像裝置成像效果

4 結(jié) 語

本文基于光的偏振現(xiàn)象設(shè)計和構(gòu)建了一種新的全息三維立體成像裝置。該裝置的核心成像單元由加裝了偏振片的兩個相互嵌合的透明四棱錐組成，達到了良好的三維成像效果。本實驗綜合應(yīng)用了大學(xué)物理實驗教學(xué)中的光學(xué)知識和計算機編程，所構(gòu)建的三維成像裝置具有一定的實用價值。對學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)是高校實驗教學(xué)的重要任務(wù)之一[14,15]，本實驗從裝置構(gòu)建到成像設(shè)計為大學(xué)物理綜合性和探索性實驗教學(xué)提供了新的素材。