全息柱面光柵的設計及其在立體顯示技術的應用

姜興興,孫 欣,梁 健,席思星,黨軍杰,程芹飛

(青島大學物理科學學院,山東青島266071)

全息柱面光柵的設計及其在立體顯示技術的應用

姜興興,孫 欣,梁 健,席思星,黨軍杰,程芹飛

(青島大學物理科學學院,山東青島266071)

根據傅里葉全息光學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,用其實現圖像的立體化.全息柱面光柵是全息術與圖像立體化技術的有機結合,制作方法簡單,具有一定的實用價值.

柱面光柵;立體化;全息術

1 引 言

立體顯示技術能夠使缺乏層次感的平面圖像再現三維立體世界的豐富多彩富有層次感的真實情景,因而很早就受到了人們的關注和研究.其中有一種立體圖像顯示的方法稱之為柱面光柵成像法,該方法結合了攝影技術和近代光學的理論,能使平面圖像逼真地再現具有層次感的三維信息,直接地觀察現實分布狀況[1],從而獲得全真的信息,因此在醫學、軍事、廣告以及立體電影等領域備受關注.

全息術是1948年英國科學家Dennis Gabo r為提高電子顯微鏡的分辨率在Bragg和 Zernik的基礎上提出的[2],即利用光的干涉衍射原理,實現特定物光波信息的記錄與再現.激光器的產生極大地促進了全息術的發展.全息光學元件,作為全息術的一個重要研究領域以其體積小、重量輕、制作簡單、精度優良等特點在現實生產生活中有廣泛的應用.

2 全息柱面光柵的成像原理及設計

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別,稱為像差.人的大腦通過對左右2幅圖的像差進行分析和處理后,可以得到關于景物的形狀、色彩、空間分布等信息[3].因此立體顯示技術中,像差是一個非常重要的參量,其直接決定了圖像的立體化效果.

傳統的柱面光柵是基于幾何光學的基本原理,現依據傅里葉變換光學的基本原理,通過多次曝光,設計一全息柱面光柵,并用其實現圖像立體化的目的.

為達到傳統柱面光柵的功能,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

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

制作如圖2所示:將光學元件按馬赫-曾德爾光路排好,調平光路,根據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,曝光時間為45 s.完成1次曝光后,將底片平移8 mm,重復曝光過程,如此重復8次.曝光后的底片經過顯影、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

激光器發出的光經過擴束鏡與準直物鏡得到的平面參考光入射[2]:

部分光經過全息光柵的調制,發生了與傳統柱面光柵折射作用下的相同的偏折,在前方發生了匯聚(圖4).

把六鏡頭立體相機拍攝的不同圖像通過精密儀器沖洗在同一相紙上或將普通的平面圖像經過立體化編碼后生成一定位錯相間的圖像信息,再用計算機將這些圖像進行交叉處理,進行打印,便可得到立體化的平面圖像.平面圖像反射的部分光經過全息柱面光柵的調制作用,各像帶發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的6個像帶,每個像帶的寬度為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,當從另一個角度觀察時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 結束語

用全息柱面光柵實現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現的立體圖時,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用性.此外,用該方法制作柱面光柵簡單易行,可操作性強,成本低廉,并且制得的光柵表面光滑,能夠滿足特定的應用需求.

要用全息柱面光柵達到清晰地立體成像的效果,其衍射效率還有待于進一步提高.另外,若在切割、移動感光底片時采用自動化裝置(如精密切割機、步進機等),制得的光柵的平行度還可以進一步改善.同時,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,色差也是一個必須考慮的問題.

[1]陳君.基于光學/數字圖像處理的平面圖像立體化技術[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[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[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用[J].河南科技學院學報:自然科學版,2006,34(4):74-76.

[責任編輯: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,青島大學物理科學學院2006級基地班本科生.

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