（光學工程專業(yè)論文）激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法.pdf

激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 摘要 數(shù)字合成全息顯示技術以其題材廣泛、三維顯示、效果逼真等優(yōu)勢成為當前 全息顯示技術的研究重點之一。其中，大幅面大視場的全息顯示技術作為一種高 質(zhì)量三維顯示手段，具有重要的實用價值，正向商業(yè)化方向發(fā)展，日益引起科技 工作者的重視，歐美一些實驗室已經(jīng)成功制作出大型全息圖并投放市場。本文介 紹了采用拼接技術和激光直寫技術制作大面積彩虹數(shù)字合成全息圖的方法。 本文參考國內(nèi)外合成全息的前沿技術，基于中國海洋大學光信息處理實驗室 研制開發(fā)的數(shù)字合成全息系統(tǒng)和前期實驗，實現(xiàn)大面積彩虹數(shù)字合成全息圖的制 作。主要步驟包括：( 1 ) 使用現(xiàn)有的軟件完成模型建立、圖像采集及場景分割； ( 2 ) 根據(jù)采用的類似打“點一的記錄方式，提出新的圖像處理方法；( 3 ) 采用 激光直寫技術拍攝彩虹單元全息圖；( 4 ) 拼接完成大面積全息圖。 本文的工作重點是：一、提出適用于打“點記錄方式的圖像采樣和處理技 術。二、采用激光直寫技術拍攝出具有較大再現(xiàn)視場的單元全息圖，簡化數(shù)字合 成全息圖的制作過程。三、采用拼接技術實現(xiàn)超過普通全息干版尺寸的較大面積 全息圖的制作，驗證拼接技術的可行性。 論文由五部分構成。第一部分，綜述全息顯示技術，特別是激光直寫技術和 拼接技術的發(fā)展概況，說明實現(xiàn)大面積數(shù)字合成全息技術的發(fā)展趨勢。第二部分， 闡述了合成立體原理、激光直寫技術、拼接技術以及圖像處理技術。第三部分， 詳細說明具體實驗過程，包括提出方案，設定參數(shù)，模型建立，圖像的采集、分 割及處理，彩虹單元全息圖的拍攝以及完成拼接實現(xiàn)大面積場景再現(xiàn)。第四部分， 實驗結果分析討論，通過對全息圖的視場和像質(zhì)分析，說明采用的技術是否具有 可行性以及存在的相關問題，并提出相應的改進方法。第五部分，總結本次實驗 的意義，并對采用激光直寫技術和拼接技術實現(xiàn)大面積全息顯示的發(fā)展進行前景 展望。 關鍵字：數(shù)字合成全息技術；激光直寫；拼接技術；圖像處理技術 t h e t e c h n i q u eo fm o s a i ca n dl a s e rd i r e c tw r i t i n g l- - - t o rr a i n o o wd i g i t a ls t e r e o g r a m a b s t r a c t d 博t a lh o l o g r a p h i cs t e r e o g r a md i s p l a y i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h e p r e s e n tf o c u s e so fh o l o g r a p h i cd i s p l a y i n gt e c h n o l o g yw i t hi t sa d v a n t a g e ss u c ha s b r o a dt h e m e s ，t h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y ，a n dv i v i de f f e c ta n ds oo n a so n eo ft h e m e t h o d so fh i g h - q u a l i t yt h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y ，t h el a r g es c a l eh o l o g r a p h yw i t h l a r g ev i s i o nf i e l dh a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u ea n dc o m m e r c i a lp r o s p e c t , t h u sh a s r e s e a r c h e r si n c r e a s i n g l ya t t e n t i o na n ds o m er e s e a r c h e r si ne u r o p ea n da m e r i c ah a v e s u c c e s s f u l l yp r o d u c e dl a r g eh o l o g r a ma n dp u tt h e mi n t o m a r k e t t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h em e t h o do fp r o d u c i n gr a i n b o wd i g i t a lh o l o g r a p h i cs t e r e o g r a mw i t h m o s a i ca n dl a s e rd i r e c tw r i t i n gt e c h n i q u e s r e f e r r i n gt oa d v a n c e dh o l o g r a p h i ct e c h n o l o g yi n l a n da n da b r o a d , al a r g es c a l e r a i n b o wh o l o g r a p h i cs t e r e o g r a mi sa c h i e v e db a s e do nh o l o g r a p h i c s t e r e o g r a m a u t o m a t i c a l l yr e c o r d i n gs y s t e md e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e db yt h eo p t i c a li n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n dh o l o g r a p h yl a b o r a t o r yi no c e a nu n i v e r s i t yo fc h i n a t h ew h o l e p r o c e s si n c l u d e sf o u rs t e p s f i r s ts t e p ，m o d e l ，s a m p l i n gi m a g e sa n dd i v i d et h es c e n e b yt h ee x i s t i n gs o f t w a r e s e c o n ds t e p ，a c c o r d i n gt om e t h o do f “h o g e l ”r e c o r d i n g ， i n t r o d u c et h en e wi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e t h 塒s t e p ，r e c o r dt h es m a l l - s c a l e h o l o g r a p h i cu n i tu s i n gl a s e rd i r e c tw r i t i n gt e c h n i q u e f 0 n hs t e p ，c o m p l e t em o s a i co f t h ew h o l eh o l o g r a p h i cs t e r e o g r a m t h em a i nj o bo ft h et h e s i si s ：f i r s t l y ，i n t r o d u c et h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s w h i c ha r e a p p l i e d t o t h e “h o g e l ”t e c h n i q u e s e c o n d l y ，r e c o r dt h e s m a l l s c a l e h o l o g r a p h i cu n i tw i t hl a r g ev i s i o nf i e l db yl a s e rd i r e c tw r i t i n gt e c h n i q u e ，b yw h i c ht h e h o l o g r a p h i cs t e r e o g r a mp r o d u c i n gp r o c e s si ss i m p l i f i e d t h i r d l y ，a c h i e v eh o l o g r a m w h i c hi ss e v e r a lt i m e sl a r g e rt h a nt h es i z eo fo n e p i e c eo ft h eo r d i n a r yh o l o g r a p h i c p l a t eb ym o s a i ct e c h n i q u e ，w h i c hv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fm o s a i ct e c h n i q u e t h et h e s i si sc o m p o s e do ff i v ep a r t s t h ef i r s tp a r ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t a n dt h es t a t u sq u oo fh o l o g r a p h i ct e c h n o l o g y ；p a r t i c u l a r l yt h em o s a i ca n dl a s e rd i r e c t w r i t i n gt e c h n i q u e s ，w h i c hi n d i c a t e s t h et r e n d so f r e c o r d i n gl a r g eh o l o g r a p h i c t e c h n o l o g y t h es e c o n dp a r tm a i n l ye x p o u n d st h ep r i n c i p l eo fs t e r e o g r a m ，l a s e rd i r e c t w r i t i n gt e c h n i q u e ，m o s a i ct e c h n i q u ea n di m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d t h et h i r dp a r t e x p o u n d se x p e r i m e n t a lp r o c e s si nd e t a i l ，i n c l u d i n gc o n f i r m i n gt h ep r o j e c t ，p a r a m e t e r s a n dm o d e l ，i m a g ep r o c e s s i n g , r e c o r d i n gr a i n b o wh o l o g r a p h i cu n i t sa n dt h e c o m p l e t i o no fl a r g em o s a i ch o l o g r a m t h ef b r t hp a r ta n a l y s e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ， t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fv i s i o nf i e l da n di m a g eq u a l i t y ，e x p l a i n sw h e t h e rt h e t e c h n o l o g yi sf e a s i b l e ，a n dd i s c u s s e dt h ep r o b l e m so c c u r r e di nt h ee x p e r i m e n tw i t h t h ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v i n gm e t h o d t h ef i f t hp a r ts u m m a r i z e st h ee x p e r i m e n ta n d t a k e sag l a n c eo ft h ef u t u r ew o r k k e y w o r d s ：d i g i t a lh o l o g r a p h i cs t e r e o g r a mt e c h n o l o g y ；l a s e rd i r e c tw r i t i n g ； m o s a i ct e c h n i q u e ；i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e 獨創(chuàng)聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含未獲得 ( 注! 墊塑查墓絲重蔓繾型直明鮑：奎攔互窒2 或其他教育機構的學位或證書使 用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名： 尚袱確 簽字日期：砌礦年占月1 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，有權保留并 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人 授權學?？梢詫W位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用 影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。同時授權中國科學技術信息 研究所將本學位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡向社會公 眾提供信息服務。( 保密的學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文作者簽名：翔赦均 導師簽字： 簽字e t 期：吩年芏月弓1 日 簽字日期7 秒眵每y 月弓，日 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 1 前言 光全息技術是現(xiàn)代光學的一個重要分支，自上世紀六十年代激光出現(xiàn)后發(fā)展 很快，在科學技術的許多方面有著重要的應用，特別是在軍事、宇航、生物工程、 現(xiàn)代測試技術、藝術、商業(yè)等方面已顯示出其特殊的優(yōu)勢。作為- f l 新興的前沿 學科，它的迅速發(fā)展和廣泛應用，日益引起科技工作者的重視，將全息技術全面 推向了實現(xiàn)大面積三維顯示的階段，而制作的設備和工藝也日漸成熟。本章基于 數(shù)字合成全息技術的發(fā)展進程重點介紹大面積全息圖拼接技術以及激光直寫技 術的發(fā)展情況，并提出論文的目標、意義和主要工作。 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 1 1 課題背景 從英國科學家丹尼斯加伯( d e n n i s g a b o r ) 在1 9 4 7 年提出全息術的概念到 現(xiàn)在數(shù)字化發(fā)展階段，全息技術目前的國內(nèi)外研究前沿和熱點是制作高質(zhì)量、大 視角、大面積的數(shù)字合成全息圖。但是拍攝大面積的全息圖受到大干版的制作工 藝、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、后期的處理等多種因素的制約，限制了任意大場景的全息記 錄和顯示的發(fā)展。而由小型單元全息圖拼接制作大型全息圖的方案具有較強的實 用性，結合數(shù)字合成全息技術和基于一步法的激光直寫技術，可以記錄任意可以 用計算機獲得的三維模型，并且簡單快捷，大大擴展了全息技術的應用范圍。 1 2 全息技術的早期發(fā)展 全息術是利用光的干涉和衍射原理，將物體反射或透射的特定光波以干涉條 紋的形式記錄下來，并在一定條件下使其再現(xiàn)，形成原物體逼真的立體像。由于 記錄了物體的全部信息，包括振幅和位相信息，因此稱為全息術或是全息照像n 1 。 全息術是丹尼斯加伯( d e n n i s g a b o r ) 在1 9 4 7 年為提高電子顯微鏡的分辨 率，在布拉格( b r a g g ) 和澤尼克( z e m i k e ) 工作的基礎上提出的。n 1 由于當時 缺乏較好的相干光源( 激光器) ，一般采用水銀燈來記錄同軸全息圖，其主要問 題是再現(xiàn)原始像和共軛像不能分離，全息圖的成像質(zhì)量很差。但是全息術作為一 種全新的光學成像方法，對古典的光學事業(yè)有著重大的貢獻，1 9 7 1 年，丹尼斯叻口 伯榮獲物理學諾貝爾獎。2 1 這是全息術發(fā)展的萌芽時期。 1 9 6 0 年休斯研究所的梅曼( t h m a i m a n ) 發(fā)明了激光器，隨后1 9 6 2 年美國 密執(zhí)安大學的利思( e n l e i t h ) 和厄帕特尼克斯( j - u p a t n i e k s ) 在加伯全息術的 基礎上引入載頻的概念發(fā)明了離軸全息術，有效地克服了孿生像的問題，使成像 質(zhì)量得以大大改善，三維物體顯示成為當時全息術研究的熱點。1 9 6 2 年蘇聯(lián)科 學家丹尼休克( d e n i s y u k ) 將全息術與法國科學家力普曼( g a b r i e l l i p p m a n n ) 于1 8 9 1 年發(fā)明的彩色照相術相結合，發(fā)明了可以用白光點光源再現(xiàn)的反射全息 圖拍攝技術?？? 9 6 3 年，利思和厄帕特尼克斯制作了第一幅真實三維物體 的透射激光再現(xiàn)全息圖，與此同時，丹尼休克拍攝了實物的三維藝術全息圖，從 而揭開了三維顯示技術新的一頁。在此時全息記錄材料方面也得到了發(fā)展，開始 2 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 主要使用高分辨率鹵化銀乳膠，此后實時材料光導熱塑料和位相記錄材料重鉻酸 鹽明膠相繼發(fā)現(xiàn)，并開展了光聚合物材料和光致抗蝕劑的研究。這一階段的全息 圖主要是由激光記錄，激光再現(xiàn)，是全息術發(fā)展的第二階段。眨1 1 9 6 9 年本頓( b e n t o n ) 發(fā)明了彩虹全息術，他是在全息圖的碎片能夠再現(xiàn) 物體像的啟發(fā)下而提出的。彩虹全息術的發(fā)明掀起以白光顯示為特征的全息三維 顯示的新高潮，是全息術發(fā)展第三個階段的開始。 然而對拍攝物體穩(wěn)定性的嚴格要求還是大大制約了全息圖的拍攝題材和應 用范圍，直到七十年代末八十年代初合成全息術的出現(xiàn)才使得全息行業(yè)有了長足 的發(fā)展。1 9 6 8 年d eb i e t e t t o 提出了合成全息圖的設想并制作出第一幅一步合成 全息圖，1 9 7 0 年k i n g ，n o l la n db e r r y 制作出第一幅二步透射合成全息圖阻1 ，全 息術進入一個全新的發(fā)展時期。 合成全息術，是指將一系列用普通攝影技術得到的物體二維底片，通過全息 方法記錄在一張全息干版上，再現(xiàn)時實現(xiàn)原物準三維顯示的技術。眾所周知，全 息圖再現(xiàn)的是原物的真實三維像，即不僅是立體的而且是包含有視差信息的。合 成全息圖雖然在客觀上也達到了三維顯示的效果，但是與一般意義上的全息圖是 有區(qū)別的，它實際上是由一系列體視對組成的立體圖，而不是像全息圖那樣同時 記錄了一個三維物體的振幅和位相信息而直接得到的原物的三維再現(xiàn)象。圖1 1 是2 0 0 6 年英國召開的顯示全息國際研討會上展示的小面積全息圖。 圖1 1 全息圖在不同角度的人像 合成全息圖是許多技術巧妙的工藝結合，它既延續(xù)了視差合成立體的思想， 又利用了全息術可原物光衍射復現(xiàn)的特點，制作了高質(zhì)量的三維立體圖巧1 1 6 1 。 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 合成全息圖可以選擇任意可用普通相機拍攝的物體來制作，可以用二步全息圖的 拍攝方法拍攝母板后進行大批量復制，并且可以在白光下再現(xiàn)。而近年來計算機 圖像技術的成熟，更使得合成全息圖獲得許多普通全息圖無法比擬的優(yōu)點，例如： 用計算機對原拍攝物體圖像進行加工處理，拍攝動態(tài)場景，拍攝虛擬現(xiàn)實的場景 等等。由于這些優(yōu)點，合成全息圖在商業(yè)廣告顯示、三維虛擬現(xiàn)實顯示、全息防 偽技術等方面表現(xiàn)出巨大的應用潛力。 1 3 數(shù)字合成全息技術 二十世紀末到現(xiàn)在，全息術進入數(shù)字化發(fā)展階段，其中最重要的成果之一就 是合成全息圖的數(shù)字化。2 0 0 2 年1 月，在美國s a nj o s e 召開的成像科學與技術 學會暨國際工程光學學會2 0 0 2 年會( i s & t ，s p i e2 0 0 2 ) 中的電子成像國際會議 “應用全息技術 第1 6 屆會議將數(shù)字全息技術作為第一議題。 日趨成熟的計算機圖像處理技術，為合成全息圖提供了更為廣泛的取材空 間。高分辨率的數(shù)碼相機和攝像機使場景拍攝更加容易，也使圖像保存更快速， 處理更便捷?？臻g光調(diào)制器技術的發(fā)展為合成全息圖的傳統(tǒng)平面圖象載體膠 片提供了替代產(chǎn)品。訂1 液晶顯示屏( l c d ) 用于合成全息圖拍攝，使圖像可以直 接從計算機輸出到光路里，實時而快捷。硌數(shù)字微反射鏡鏡( d m d ) 進一步提 高了空間光調(diào)制器的光能利用率，吲n 們比l c d 顯示的圖像有更高的亮度和對比 度。2 理論上，數(shù)字合成全息圖可以高質(zhì)量顯示任意人們可以想象并用計算 機生成的立體場景，而自動化控制技術的應用在很大程度上改進了合成全息圖的 拍攝裝置，使其拍攝速度更快，圖像質(zhì)量更高。m 4 1 自九十年代起，美國m 兀m e d i a 實驗室致力于大角度、大視場數(shù)字合成全 息圖的研究。該實驗室的m i c h a e lw h a l l e 于1 9 9 1 年起，發(fā)表多篇論文，系統(tǒng)分 析了數(shù)字合成全息技術的重點問題。這些文章首次分析了大角度大視場合成全息 圖的制作方法，及其存在的圖像形變問題，并提出了各種改進措施。為拍攝高質(zhì) 量大視角的合成全息圖，m i c h a e l 等人運用數(shù)字圖像變換方法，在拍攝全息圖之 前對二維圖像進行處理，以矯正由大觀察視場引起的圖像畸變。該實驗室制作了 首幅大幅面合成全息圖，一幅l m l m 雪佛來汽車的車輪。同時還制作出其他一 系列高質(zhì)量、高像素、無畸變的數(shù)字合成全息圖，這些成果標志著運用圖像變換 4 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 方法制作大幅面合成全息圖在實驗室研究階段取得了成功。1 5 1 1 6 1 m 8 1 同時，新型記錄材料的發(fā)展也有利的促進了全息圖制作技術的提高。1 9 1 特 別值得注意的是杜邦公司( d up o n td en e u m o u r s & c o ) 光聚合物感光材料，改 交了傳統(tǒng)成像材料藥劑液體的處理辦法，用紫外光照射和烘烤就可以處理拍攝完 的全息圖，特別適合大批量復制，并且可以制作高質(zhì)量彩色全息圖。這一新型材 料和數(shù)字合成全息技術的結合已經(jīng)取得了巨大成功。2 0 1 1 4 大面積全息圖的發(fā)展趨勢 數(shù)字合成全息技術的出現(xiàn)，將全息顯示推向了更為廣闊的應用領域。世界上 眾多國家的許多科研機構和公司都在努力將其向產(chǎn)業(yè)化方向推進。尤其是在三維 顯示領域，全息技術更是引起了人們的廣泛關注。 應用于商業(yè)或藝術領域達到三維顯示效果的全息圖，額外要求的技術指標還 包括全息圖的幅面以及再現(xiàn)視場、視角。只有大面積的全息圖才能夠在商業(yè)領域 尤其是廣告、展示方面與目前各種大面積的平面顯示技術相競爭，以獲取更大的 市場空間。在英國召開的顯示全息國際研討會上和在西安召開的全國全息協(xié) 會年會上中外全息專家和企業(yè)界人士一致認為：大面積顯示全息圖是今后幾年最 有市場發(fā)展前景的全息產(chǎn)業(yè)，發(fā)達國家目前已經(jīng)初步形成顯示全息廣告商業(yè)化生 產(chǎn)能力，并且呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，我國的全息產(chǎn)業(yè)也將會進入一個快速的發(fā)展階 段。 目前，實現(xiàn)大面積全息顯示的方式主要有兩種：大面積實物全息圖和大面積 的數(shù)字合成全息圖。 國外許多研究機構已在大面積實物全息圖取得了一定的成果。法國巴黎全息 博物館、圣彼得堡玻璃研究所的全息展覽室均集中了不少大面積實物全息制品。 x y zi m a g i n g 公司成功制作了一系列具有良好動態(tài)效果的大幅面全息圖，他們在 2 0 0 6 年英國召開的顯示全息國際研討會上展示了實物合成全息圖的最新成果， 如圖1 2 和圖1 - - 3 所示。 5 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 圖1 2 全息圖在不同角度的怪獸圖像 圖1 3 全息圖在不用角度的圖像 在我國，首都師范大學已利用自制重鉻酸鹽明膠全息干版制作出4 6 c m 1 0 2 c m 的大面積全息圖。眈蘇州大學通過特殊的全息記錄的方法對場景面積達 1 6 0 c m 1 8 0 c m 的蘇州工業(yè)園區(qū)等模型進行全息記錄，最終獲得幅面達5 0 c m 4 0 c m 的具有高衍射效率和低噪聲的透射全息圖。屹2 1 北京理工大學也在大面積實 物全息圖的制作方面取得了一定的成果。但是拍攝大面積的實物全息圖受到大干 版的制作工藝、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、后期的處理等諸多因素的制約，特別是當需要對 較大的實物進行記錄時，對光路的設計要求更為嚴格，因而其普通實物全息圖制 作的局限性決定了不能實現(xiàn)任意大場景的全息記錄和顯示。 美國斑馬( z e b r a ) 公司在世界上首先應用數(shù)字合成全息技術實現(xiàn)了大面積 數(shù)字全息圖顯示。眩3 1 該公司已制作出用于不同領域的高質(zhì)量數(shù)字合成全息圖， 并投入商業(yè)應用。早在1 9 9 9 年美國底特律汽車展覽會時，該公司就曾展出過一 幅用于福特汽車廣告展示的全世界最大的全息圖，引起全世界的矚目，其尺寸可 達1 6 英尺4 英尺，真彩色，全視差，由大小2 m m 2 m m 的微元( h o g e l ) 組成， 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 上萬個h o g e l 共同顯示了一個2 英尺x 2 英尺的“小板 ( t i l e ) ，由多個t i l e 顯示 整個圖像的各個部分，最終構成一個大幅合成全息圖。 憑借其良好的視覺效果，z e b r a 全息圖己經(jīng)在商業(yè)展示中得到了廣泛的應用， 無論在展覽會、主題公園、運動場、商場、影院還是在新產(chǎn)品的發(fā)布會上，z e b r a 全息圖都吸引著觀眾的目光。未來的z e b r a 全息圖甚至可以成為汽車工業(yè)、石油 勘探、空間技術、建筑行業(yè)的工程師、科學家們的設計開發(fā)工具。目前該公司應 用于商業(yè)廣告展示的也多為較大面積的全息產(chǎn)品，這些大面積的全息產(chǎn)品一般采 用2 英尺2 英尺的“小板”( t i l e ) 拼接獲得。通過拼接實現(xiàn)的大面積數(shù)字合成 全息圖，不但可以降低對干板全息記錄裝置和處理裝置的要求，而且從理論上講， 這一技術的延伸可以使合成全息圖制作的無限大。 但是由于z e b r a 公司是一家商業(yè)公司，對核心的技術封鎖，使我們無法了解 到該公司實現(xiàn)全息圖拼接的詳細資料。通過對其展示的全息圖最終的顯示效果進 行分析，我們可以了解n - 用于拼接的單元全息圖在一定的觀察距離內(nèi)具有一個 足夠大的再現(xiàn)視場，在這個視場內(nèi)可以看到所有用于顯示的單元全息圖記錄的內(nèi) 容。 在我國國內(nèi)，全息技術的應用落后于世界領先水平，尤其在實現(xiàn)大面積三維 展示領域里，大面積數(shù)字合成全息顯示仍然處于摸索階段。我們希望基于前期的 實驗借助于目前實驗室開發(fā)研制的數(shù)字合成全息系統(tǒng)實現(xiàn)大面積數(shù)字合成全息 圖的拼接。 1 5 國內(nèi)外采用激光直寫技術拍攝彩虹數(shù)字合成全息圖的發(fā)展現(xiàn)狀 1 5 1 彩虹全息技術的發(fā)展優(yōu)勢 彩虹全息圖是一種能實現(xiàn)白光顯示的平面全息圖，能在普通白熾燈下觀察到 明亮的立體像。它的基本特點是在記錄系統(tǒng)中的適當位置加入一個狹縫，以限制 再現(xiàn)光波，降低像的色模糊。3 1 彩虹全息圖的一個主要優(yōu)點是便于復制。彩虹全息的復制有光學復制和模壓 復制兩種方法。使彩虹產(chǎn)品得以廣泛應用的方法是模壓復制技術。模壓復制技術 是1 9 7 9 年r c a 公司為解決視頻標準件的全息拷貝而提出的，在美、日、英等國家 7 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 得到迅速發(fā)展。n 1 第一個全息標識用于威士忌酒，很快這種標識風靡世界并逐漸 用于各種票證、信用卡上。我們可以制作出小面積彩虹全息圖，然后通過模壓技 術實現(xiàn)大塊拼接，完成具有更大實用價值的大幅面全息圖。 目前模壓彩虹全息技術作為高新技術的結晶，是近年來在國內(nèi)外受到普遍關 注的一項現(xiàn)代化激光應用技術成果，己形成一種全息印刷產(chǎn)業(yè)，發(fā)展很快。n 1 利 用該技術和相應的成套設備除了制作名優(yōu)商品的防偽標識外，還可在櫥窗廣告、 文物和商品展覽、醫(yī)藥、食品、化妝品、金融、機要證卡及豪華工藝品等方面發(fā) 揮出奇特作用。近年來數(shù)字合成全息技術的發(fā)展使之在像質(zhì)、色彩等方面均有顯 著的改善，派生出品種更多、技術含量更高的新產(chǎn)品，如真彩色全息、動態(tài)全息 等，它們都是在普通彩虹全息圖的基礎上的革新，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益與社會 效益。由于產(chǎn)品本身就是藝術品，有著全新的藝術觀賞價值，因此備受各層次人 們的歡迎和喜愛。 1 5 2 采用激光直寫技術拍攝數(shù)字合成全息圖的發(fā)展現(xiàn)狀 在我國，由于缺乏好的全息記錄材料以及先進的實驗設備，大面積顯示全息 圖制作技術水平與國外相比有一定的差距，因此多年來一直無法使大面積顯示全 息圖形成商品化。前期試驗均采用了兩步法制作，講1 然而這種制作方法存在著 一些缺點。 采用兩步法制作，即先拍攝合成菲涅爾全息圖母板，再翻拍成白光再現(xiàn)彩虹 全息圖。隨著計算機技術和自動化技術的發(fā)展，目前國內(nèi)已有裝置能夠?qū)崿F(xiàn)菲涅 爾全息圖的自動拍攝。然而第二步白光再現(xiàn)的制作仍需要由人工完成，使得整個 拍攝過程復雜且成本較高，無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。而且，更重要的問題是，兩步 法拍攝的全息圖在觀察時，其母板菲涅爾全息圖的像會形成一個觀察窗口，只有 觀察者在此窗口內(nèi)才能看到完整的圖像。對拼接方法制作的大面積全息圖而言， 要求每幅單元全息圖都要有很大視角，能夠使各個單元全息圖共有一個較大的 觀察視場。對單幅全息圖而言，若要實現(xiàn)良好的觀察窗口，需要大面積母板，這 對全息圖記錄和后期處理過程造成很大困難，例如高功率的激光器、大口徑的透 鏡、大面積的全息干版等，使得制作設備昂貴而笨重。因此，兩步法在一定程度 上不適合用于拼接制作大型全息圖。 8 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 ，“激光直寫 技術，基于一步法原理，簡單易行，得到許多實際應用。許多 合成全息圖自動拍攝設備也是基于“激光直寫”技術，成為立體顯示領域的研究 熱點之一。如英國u n i v e r s i t yo fs u s s e xe n g i n e e r i n g d e s i g n 學院的d a v i d b r o t h e r t o n r a t c l i f f e 等人用三臺脈沖激光器作為光源研究了自動拍攝合成全息圖 的技術，并由g e o l a 公司( g e n e r a lo p t i c sl a b o r a t o r y ，由英國和立陶宛的四家小 公司組成的一個聯(lián)合公司，致力于生產(chǎn)脈沖激光器設備和全息產(chǎn)品) 和x y z i m a g i n g 公司合作，生產(chǎn)出能夠自動打印不同規(guī)格、高質(zhì)量、真彩色合成全息圖 的商業(yè)產(chǎn)品r g b 激光全息打印機( r g bp u l s e d 1 a s e rh o l o g r a p h i cp r i n t e r ) ，包括 小型全息攝影系統(tǒng)( m i n i s t u d i o s ) ：半自動全息記錄設備，可記錄最大為4 0 c m 6 0 c m 的全息圖，該全息圖可用于白光再現(xiàn)，采用2 焦耳的n d ：y l f 脈沖激光， 可廣泛使用于人像、動物或其他小物體的全息攝影；大型全息攝影系統(tǒng)( l a r g e f o r m a to p t i o n ) ：半自動合成全息記錄設各，可生成全息圖最大為l m 1 4 m ，采 用2 焦耳或5 焦耳的脈沖激光。以上兩種拍攝系統(tǒng)如圖1 4 所示，已經(jīng)和它們 生產(chǎn)的全息圖一起推向市場，上文所示x y zi m a g i n g 公司在2 0 0 6 年英國召開的 顯示全息國際研討會上展示的全息圖即是采用的一步法制作的大幅面全息圖。 霰s o e o l a 公司的小型全思灄彭系統(tǒng)( m i n i s t u d i o s ) 0 7 ：童公司皇。大型全恩愛影系統(tǒng) i 二z = = f ：拋to ：t n ? 圖1 4g e o l a 公司的兩種全息攝影系統(tǒng) 數(shù)字合成全息技術的迅猛發(fā)展給予了激光直寫技術更好的發(fā)展契機，同時大 大地擴展了全息的拍攝范圍和應用領域。但是該種方法和合成全息圖的結合并不 是兩種全息圖拍攝光路的簡單結合。上文提到的國外同行采用的“h o g e l ”技術 制作大面積拼接合成全息圖，其主要思路是將二維圖像序列經(jīng)過某種圖像變換處 9 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 理，將得到的每一幅變換后二維圖像經(jīng)過光學處理壓縮記錄在一個基元h o g e l 上， 每一個角度觀察的圖像都是由這些基元共同組成，這樣就可以呈現(xiàn)出具有全視差 的合成全息圖。然而在實際應用當中，由于人眼的構造問題，水平視差往往就可 以提供較好的立體感覺，因而常見的合成全息圖都是水平視差合成全息圖。曬1 2 6 1 綜上所述，采用激光直寫技術制作只具有水平視差的彩虹合成全息圖可以大 大降低拍攝工作量，帶來具有商業(yè)可行性的實際效益。我們采用了類似于打“點 的制作工藝。本文將主要介紹采用激光直寫技術拍攝大面積數(shù)字合成全息圖的原 理及實驗。 1 0 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 2 采用激光直寫技術拍攝大面積彩虹合成全息圖的原理 大幅面全息圖的制作對設備要求非常高，為此本章介紹制作多幅小面積“單 元全息圖 ，進而將單元全息圖進行拼接實現(xiàn)大幅面全息顯示的技術原理。目前 國內(nèi)在拍攝數(shù)字合成全息圖所采用的方法絕大部分是二步法，為了提高光能利用 率，獲得大視場的全息圖，我們采用激光直寫技術拍攝數(shù)字合成全息圖。 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 2 1 合成全息圖的雙眼視差原理與合成立體原理 視覺是眼睛和大腦共同作用的結果，立體視覺是人獲得空間感的主要手段。 立體感的產(chǎn)生機制主要包括單眼立體視覺和雙眼立體視覺，這是合成立體顯示的 基礎。合成全息圖的立體顯示效果正是雙眼體視與全息衍射再現(xiàn)相結合的結果。 【2 7 】 1 ) 單眼立體視覺 單眼觀察時，周圍的場景記錄在視網(wǎng)膜上是一幅平面圖像，這時我們的立體 感主要來源于對平面圖像的經(jīng)驗判斷，主要包括t 2 8 1 ： 遮擋：物體互相遮擋的情況能表現(xiàn)它們之間的遠近距離關系。 透視：物體遠小近大，角度不同透視隋況不同。 光影：照明光，反射、折射和衍射光及產(chǎn)生陰影表現(xiàn)出一定的立體關系。 材質(zhì)：某些情況下，物體表面的材質(zhì)也可以表現(xiàn)立體感，實際上這是透 視和光影共同作用結果。 在對合成全息圖所用的二維圖像進行處理時，應適當考慮上述各種因素，以 增強圖像的立體感。 2 ) 雙眼立體視覺 雙眼立體視覺是立體感的主要來源，它產(chǎn)生于兩只眼睛觀察角度不同帶來的 體視視差。 觀察周圍場景時，客觀三維物體被分解為兩個方向的二維投影圖像，分別成 像于兩只眼睛的視網(wǎng)膜上，經(jīng)過大腦的作用產(chǎn)生深度信息形成感覺上的三維物 體。2 7 1 滿足雙眼體視關系的兩幅圖像稱作體視對圖像，人的兩眼之間有一定的 距離( 平均約6 2 厘米) ，這樣一來，在觀察同一物體時兩只眼睛的視線角度是不 一樣的，從而這個物體在兩張視網(wǎng)膜上所形成的像就有一定的差別，這叫做視差。 投影角度的差異反應了物體相對左右兩眼的張角，張角又間接反應了物體的方位 和自身尺寸。啷分析示意圖如圖2 1 所示。 1 2 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 同時，遠近不同的物體，對兩眼的張角不同，在兩眼方向二維投影圖像不同， 通過對這些二維圖像的比較分析，人腦就做出了遠近的判斷。如圖2 2 所示。 圖2 1 不同投影角度產(chǎn)生的圖像差異圖2 2 遠近不同物體對雙眼張角的差異 事實上，人腦和人眼對立體空間的分析是相當復雜的過程，至今沒有完整理 論能夠精確說明，然而合成立體顯示技術，可以對這一過程進行模擬。嘲1 合成 全息的立體成像感既是基于此原理。首先記錄高分辨率的二維圖像及圖像間的細 微差異，并形成精確的體視對圖像序列，然后將這些體視對圖像按照位置關系拍 攝到全息干板上相對應的狹縫上面，當人眼去觀察合成全息圖時，各個狹縫所再 現(xiàn)的體視圖序列便在人腦中合成為立體景象，啪1 如圖2 3 所示。 圖2 3 合成全息圖的采樣和再現(xiàn)原理圖 與用實物拍攝的菲涅爾全息圖不同，合成全息圖的立體感不是由于原三維物 光波的波前再現(xiàn)，而是來源于一系列平面圖像疊加形成的體視對集合。這是合成 全息圖和用實物拍攝的全息圖形成的三維立體顯示的根本區(qū)別。 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 2 2 采用激光直寫技術拍攝彩虹合成全息圖的原理 為了實現(xiàn)彩色效果，可以使用三色激光器和全色記錄材料，但是使得光路復 雜并且費用昂貴，并且全色記錄材料生產(chǎn)難度大，成本高，目前國內(nèi)還沒有可用 于商業(yè)生產(chǎn)的全色全息記錄材料。而彩虹全息圖只需要一臺單色激光器和單色記 錄材料，通過顏色編碼，在一定視場范圍內(nèi)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)豐富而逼真的色彩，同 時，彩虹全息圖可以通過模壓印刷大批量復制，有利于降低成本實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 因此，本文采用彩虹像面全息圖的制作方法。 彩虹全息由本頓首先提出，其后楊振寰在這方面作了很多的工作，逐漸發(fā)現(xiàn) 了它的一些有用的特性。n 1 彩虹全息記錄時在光路的適當位置加狹縫，再現(xiàn)時同 時再現(xiàn)狹縫像，觀察再現(xiàn)像時將受到狹縫再現(xiàn)像的限制。當用白光再現(xiàn)時，該狹 縫起到顏色狹縫的作用，對于不同顏色的光，狹縫和物體的再現(xiàn)像位置都不同， 在不同的位置將看到不同顏色的像，顏色和波長相對應，如果人在視角上移動， 將能看到顏色變化的三維物體。 彩虹全息圖要在觀察者和物的再現(xiàn)像之間形成一個狹縫的像，使觀察者通過 該狹縫像看到物體的像，以盡可能消除白光再現(xiàn)下的色模糊現(xiàn)象。一步彩虹的拍 攝方法是用一個透鏡將物體和狹縫同時成像在記錄介質(zhì)，這樣就不再需要菲涅爾 全息圖母板，可以直接拍攝白光再現(xiàn)全息圖。該方法對于實物全息圖是比較容易 實現(xiàn)的，一種光路示意圖如圖2 4 所示。狹縫位于透鏡的焦點以內(nèi)，狹縫像與 狹縫在透鏡的同側(cè)，物放置在焦點以外，成像在透鏡的另一側(cè)，得到物體的像是 贗像。 圖2 4 狹縫位于透鏡焦點內(nèi)時的記錄光路 再現(xiàn)時用與參考光共軛的光照明，形成狹縫的實像和物體的虛像，眼睛在如 1 4 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 圖2 5 所示的位置觀察到物的虛像是贗像。 眼睛飛、 l k _ _ 垂，弧 ，一 圖2 5 再現(xiàn)時眼睛觀察到的是贗像 另一種光路是將狹縫和物均放置在透鏡的焦點以外，二者的像均在透鏡的一 側(cè)，拍攝時將實物成像于干板位置，并將狹縫成像于觀察適宜位置，如圖2 6 所示。再現(xiàn)時用原參考光照明，眼睛位于狹縫像的位置觀察再現(xiàn)像。 圖2 6 狹縫在透鏡焦點外時的記錄光路 為了擴大視場、減小色模糊的影響，使彩虹全息更適合于三維白光全息顯示， 在記錄系統(tǒng)中用柱面透鏡代替球面透鏡以減小線全息圖的寬度。為了使再現(xiàn)像在 狹縫像處觀察時在垂直和水平方向單位物體像的視角相等，各個元件之間的距離 應當滿足下述條件捫： z sq 。一l z i p 七qp 式( 2 1 ) 其中p 和q 是柱面透鏡成像的物距和像距，z ，為狹縫到干版的距離。 對于合成全息圖，拍攝物是激光經(jīng)由空間光調(diào)制器投射在接收屏上的一組二 維圖像，需要將這些圖像按照順序編碼，記錄在干板不同位置，通常是由狹縫或 矩孔對其進行空間位置編碼，因而需要將圖像發(fā)出的物光壓縮于狹縫或矩孔位 置，在該處接收到物光圖像全部信息，滿足再現(xiàn)時復現(xiàn)原圖像全部信息的要求。 為此，對一步彩虹光路做出一些調(diào)整，改進后的光路如圖2 7 所示。 1 5 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 圖2 7 合成全息圖拍攝光路示意圖 矩孔 干板 綜上所述，一步法可以通過點記錄的方式“打印 合成全息圖，然而每一點 記錄的二維圖像必須經(jīng)過圖像變換和重編碼，其中涉及計算機圖形學和數(shù)字圖像 處理技術。 2 3 大面積全息圖拼接技術 拼接技術，最早是應用于對較大場景對應的二維圖像進行處理。人們在用數(shù) 碼相機等圖像采集裝置對較大的場景進行采集和測量時，常常會遇到目標場景面 積過大的情況。為了獲得完整的目標影像，人們采用多次拍攝，或者使用多個相 機或攝像機對場景進行拍攝，運用圖像處理技術將拍攝得到的目標場景不同部分 的多幅二維圖像重新拼接為一幅圖像來反映目標場景的整體特性。這種通過圖像 的拼接來恢復場景特性的技術，就是圖像拼接技術。目前，拼接技術在二維、三 維的大面積顯示中應用比較多。 采用全息圖拼接技術，是從全息技術的實用角度出發(fā)的。使用小面積單元全 息圖進行拼接得到大面積全息圖，一方面滿足了應用全息技術實現(xiàn)大面積三維顯 示的需求，同時也克服了使用傳統(tǒng)實物全息技術直接拍攝大面積全息圖時存在的 諸多不便因素。 與二維圖像拼接技術的共同點是，全息圖的拼接技術同樣要保證拼接后顯示 場景的完整性，也要保證再現(xiàn)場景的亮度、陰影、色調(diào)等具有一定連續(xù)性，可以 滿足觀察再現(xiàn)像時與觀察實際場景感受到同樣的效果，在人眼分辨能力內(nèi)實現(xiàn) “無縫 拼接。 與二維圖像拼接技術不同的是，拼接后的全息圖顯示的不再是二維平面圖 像，而是具有立體效果的三維場景。這樣，拼接技術實現(xiàn)的“無縫”拼接要建立 1 6 激光直寫拼接彩虹全息圖制作方法 在再現(xiàn)得到的整個場景信息能夠準確地滿足人眼體視原理的要求，使觀察者看到 一個較大面積的逼真的立體場景。3 1 1 我們以四個單元全息圖拼接制作一個方體的全息圖為例來說明，如圖2 8 所示。 一f = 司 ，一一 - 吖4 ”： ： i乏 一卜一r k ：j ji ( b ) 圖2 8 用四個單元全息圖拼接示意圖 1 ) 場景“分割 ：“分割一是指將要記錄的目標場景的信息，按照設定的小 面積單元全息圖的數(shù)目和拼接后各個單元全息圖在整幅全息圖中的位置對應地 進行分配。以圖1 a 為例，設定用四個單元全息圖拼接獲得一幅2 2 的拼接全息 圖，人為地將方體分為四部分，采用四個單元全息圖分別記錄。 單元全息圖制作：使用預先設定尺寸的小面積單元全息圖對分配的相應 場景信息進行全息記錄。 3 ) 全息圖的拼接、場景再現(xiàn)：將記錄得到的單元全息圖按照記錄內(nèi)容在整 個場景位置對接起來，得到了一個較大面積的全息圖，這個全息圖再現(xiàn)時能夠大 面積顯示原場景。 經(jīng)過上述三個步驟，我們就得到了一幅具有較大面積的拼接全息圖。而在制 作過程中，已經(jīng)將大面積的全息圖“化整為零 ，轉(zhuǎn)變?yōu)橹谱餍∶娣e的單元全息