簡易全息裝置的設(shè)計(jì)制作與性能研究

易鑫，夏江南，蘇恒，袁萬成，夏雄平

（桂林理工大學(xué)理學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 引言

全息技術(shù)是現(xiàn)代應(yīng)用光學(xué)的一個(gè)重大成就，它突破了傳統(tǒng)聲、光、電的局限，使得空間成像變得色彩鮮艷，畫面更為豐富，能得到更為真實(shí)、更震撼的藝術(shù)效果，帶給人們虛實(shí)結(jié)合的夢幻立體感受。全息技術(shù)主要應(yīng)用到了光的干涉和衍射的原理，它通過干涉和衍射記錄信息并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像，實(shí)現(xiàn)真正意義上的3D投影。全息技術(shù)是一門不斷發(fā)展的新技術(shù)學(xué)科，它已經(jīng)在產(chǎn)品檢查、全息顯示、全息光學(xué)元件、電影和娛樂產(chǎn)業(yè)等方面被廣泛應(yīng)用[1，2]。本文基于全息技術(shù)的基本原理，應(yīng)用3DMAX等軟件，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)簡易實(shí)用的全息裝置，并對影響全息成像的因素進(jìn)行了具體的研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制

（1）制作器材：使用全息裝置器材包括17.3寸IPS高清顯示屏（LTN173HL01），平板支架，EDP驅(qū)動(dòng)板，HDMI高清信號線，全息膜，亞克力板，鋁合金支架，KT板，彩色平面玻璃，激光筆。

（2）全息投影裝置主體的設(shè)計(jì)：根據(jù)文獻(xiàn)顯示[3]，全息投影裝置在180°成像效果較穩(wěn)定，對視頻源要求不是很高，因此設(shè)計(jì)確定采用180°全息投影裝置。在設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)IPS顯示屏尺寸，用3DMAX軟件制作出整體支架立體圖，如圖1所示，根據(jù)立體圖確定支架尺寸及形狀，做成全息投影裝置主體。

圖1 利用3DMAX設(shè)計(jì)出的全息投影整體支架立體圖

（3）制作流程：主要包括視頻源驅(qū)動(dòng)及顯示器、全息膜的安裝及固定和固定全息膜與屏幕的角度。其中對于視頻源驅(qū)動(dòng)及顯示器：在底部用自攻螺絲將木板固定在A上，并用KT板做出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接線通道，然后將視頻驅(qū)動(dòng)固定在B板之下，做成一個(gè)簡單的遙控結(jié)構(gòu)，在B板上面用手電鉆打出HDMI接口形狀的小孔，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)線通過小孔與視頻源驅(qū)動(dòng)連接。對于全息膜的安裝及固定：根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示[4]，全息膜與顯示屏成45°成像效果最佳，在量出A柱B柱C柱D柱高度之后，利用顯示器寬度2＋柱高2=全息膜寬度2和顯示器長度=全息膜長度算出全息膜的寬度以及長度。然后利用KT板的易加工性，根據(jù)計(jì)算，用KT板做成等腰直角三角形，用其來固定全息膜與屏幕的角度，并將其固定在空中，并與顯示屏保持相對的平行。通過上述基本步驟，制作出簡易全息裝置，如圖2所示。

圖2 簡易全息裝置實(shí)物圖

2 裝置的測試與性能研究

（1）全息膜背面遮蓋顏色的對比實(shí)驗(yàn)

在調(diào)試中分別用黑色幕布、藍(lán)色平面玻璃和紅色平面玻璃覆蓋框架來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。初始狀態(tài)未做任何改變，直接在白光下進(jìn)行投影，調(diào)試發(fā)現(xiàn)，在白光的照射下，反射現(xiàn)像較為嚴(yán)重，在全息膜上投出的像會(huì)有較強(qiáng)的光斑重疊，成像較為模糊。在覆蓋上藍(lán)色玻璃以及紅色玻璃之后成像效果沒有太大改變，但是光斑重疊現(xiàn)象變?nèi)酰上竦妮喞兊孟鄬η逦辉谏w上黑色幕布之后，當(dāng)在A柱與B柱之間蓋上一層黑色幕布之后，全息投影效果明顯加強(qiáng)，光斑完全消失，成像較為清晰，無論是縱深感還是立體感，都更加清晰，唯一不足的就是顏色要比片源偏淡，當(dāng)周圍環(huán)境逐漸變暗，顏色也相對的加深，周圍為黑色時(shí)全息投影達(dá)到理想狀態(tài)（如圖二所示）。

（2）全息膜與顯示屏所成角度的對比實(shí)驗(yàn)。

通過改變直角KT板邊長來改變?nèi)⒛づc顯示屏的角度。從起始45°開始，角度逐漸變小，發(fā)現(xiàn)投射出來的像立體感逐漸變差，且人物比例沿Z軸方向局部變小；當(dāng)將夾角從45°開始逐漸增大時(shí)，投出來的像立體感逐漸變強(qiáng)，但是人物比例沿Z軸方向局部變大，該實(shí)驗(yàn)再一次論證了文獻(xiàn)中所說的45度夾角的正確性，所成的像縮放的比例合適，成像效果相對逼真。

（3）全息膜的材質(zhì)的對比實(shí)驗(yàn)。

在測試過程中，分別采用全息膜、亞克力板和玻璃進(jìn)行試驗(yàn)測試，分析其透光率和可見光的反射率對全息成像質(zhì)量的影響，如圖3所示。通過測試發(fā)現(xiàn)，使用全息膜，由于膜的表面通過真空磁控濺射技術(shù)鍍上納米級的感光圖層，使膜對全波段保持很高的透光率（約97%），同時(shí)鏡面外觀對可見光也具有較高的反射率（約20%），此時(shí)能使影像產(chǎn)生較大的立體縱深感。當(dāng)用其它材質(zhì)的成像膜來代替全息膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在用亞克力板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，透光率降低（約91%），而對可見光的反射率很低（低于5%），此時(shí)成像清晰度變差，且縱深感降低，立體感變?nèi)酰瑘D形有少許的虛化；在用玻璃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，透光率降低明顯（約81%），而反射率也較弱（約10%），發(fā)現(xiàn)幾乎沒有清晰成像，視頻光源幾乎沒有留在玻璃表面，成像效果不清晰，且有少許重疊，不能投射清晰的像。從三種材料的對比試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對全波段的透光率和對可見光的反射率明顯影響全息成像的質(zhì)量，兩者的相對值越高，成像質(zhì)量越高，圖3為采用全息膜來測試的結(jié)果，其成像質(zhì)量清晰，逼真度高，立體感強(qiáng)。

圖3 使用全息膜、亞克力板和玻璃進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的透光率和對可見光反射率。

3 結(jié)論

本文基于光的干涉和衍射的基本原理出發(fā)，利用3-Dmax軟件設(shè)計(jì)制作了一個(gè)簡易實(shí)用的全息成像裝置，本設(shè)計(jì)具有低成本、結(jié)構(gòu)簡單、基本功能具備以及容易實(shí)現(xiàn)功能的拓展等特點(diǎn)。通過對比試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，只有在純黑色的條件下，全息投影的成像效果最好，在其它偏暗的環(huán)境下（如藍(lán)色，紅色）的投影效果比不上前者，白色最差。當(dāng)改變?nèi)⒛づc顯示器的角度時(shí)，發(fā)生改變的不僅僅只是成像清晰度，伴隨變化的還有成像的局部比例，且當(dāng)全息膜與顯示屏成45°成像效果最佳。當(dāng)投影材質(zhì)改變時(shí)，發(fā)現(xiàn)180°全息投影的成像效果與投影材質(zhì)的透光性和對可見光的反射率所共同決定，透光性與反射率的相對大小是影響全息投影成像的關(guān)鍵所在，兩者的值越大，成像效果越好。

參考文獻(xiàn)

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