基于光學(xué)全息的影視顯示技術(shù)研究

1、 武漢輕工大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）設(shè)計(jì)(論文)題目：基于光學(xué)全息的影視顯示技術(shù)研究姓 名 張磊 學(xué) 號 101204324 院（系） 電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師 李鳴 2014年 6 月 10 日目 錄摘要.IAbstract.II第1章 概述.11.1 光學(xué)全息研究背景 .11.2 全息術(shù)與3D顯示發(fā)展現(xiàn)狀.21.3 課題研究的主要內(nèi)容.3第2章 全息術(shù)的基本原理 .52.1 全息圖的記錄.62.2 物光波的再現(xiàn).82.3 全息術(shù)的發(fā)展與基本類型.92.3.1 同軸全息術(shù).92.3.2 離軸全息術(shù).102.3.3 白光再現(xiàn)全息術(shù).102.3.4 白光全息術(shù)

2、.112.4 基于全息術(shù)的3D顯示.112.4.1 透射式全息顯示技術(shù).122.4.2 反射式全息顯示技術(shù).122.4.3 像面式全息顯示技術(shù).132.4.4 彩虹全息顯示技術(shù).132.4.5 模壓式全息顯示技術(shù).142.4.6 計(jì)算機(jī)全息顯示技術(shù).142.5 傅立葉變換全息原理. 14 2.5.1 傅里葉變換全息的記錄.14 2.5.2 傅里葉變換全息的再現(xiàn).15 2.5.3 傅里葉變換全息的特點(diǎn).16第3章 傅里葉變換全息制作影視的設(shè)計(jì).183.1 設(shè)計(jì)思路. 18 3.2 實(shí)驗(yàn)步驟. 19 3.3 影視的放映. 213.4 設(shè)計(jì)結(jié)果和分析. 22總結(jié).23謝辭.24參考文獻(xiàn).25 摘 要

3、全息術(shù)是一種用干涉和衍射原理來記錄和再現(xiàn)物體光波的技術(shù)。首先，進(jìn)行拍攝過程，就是利用干涉原理記錄物體的光波信息；其次，利用激光作為參考波，和物光束重合產(chǎn)生干涉，把物體光波上的各個(gè)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)換成空間上的信息，從而利用干涉條紋的信息記錄下了物體的全部信息。本論文介紹了全息術(shù)的誕生，發(fā)展和歷史背景，全息術(shù)的各種類型及其全息技術(shù)在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。主要研究了利用傅里葉變換全息原理實(shí)現(xiàn)物體的3D顯示，利用激光照射小孔，用透鏡對物體的分布作傅里葉變換，記錄參考光和頻譜的干涉條紋。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對產(chǎn)生的效果進(jìn)行觀察，與實(shí)物進(jìn)行對比，進(jìn)而分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及對全息術(shù)的未來展望。關(guān)鍵詞：全息術(shù)；記錄；再現(xiàn)；3D顯示

4、Abstract Holography is a technology which memorizes and represent wavefront taking advantage of interference and diffraction. Firstly, the filming process is the use of light waves witch from interference principle record object information; Secondly, using laser as a reference wave and beam overlap

5、 interference. The object of each point on the light information into space to record the information of interference fringe is used all the information.This paper introduces the birth of holography, development and historical background, the derived during the various types of holography and hologr

6、aphic technology in the application of the production and life. By using Fourier transform hologram is the main research method for 3D display of objects, using laser holes, with the distribution of the object lens Fourier transform, the reference light interference fringes and spectrum. After the e

7、xperiment to observe the effect of the compared with physical, then analysis the results and the prospect of the future of holography. Keywords: Holography; Memorizes; Represents; 3D display I第1章 概 述隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多高新科技產(chǎn)品，對于光學(xué)領(lǐng)域來說，量子學(xué)的初步發(fā)展，也出現(xiàn)了不少光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)的產(chǎn)品，它逐步應(yīng)用到了人類的社會(huì)生活中，滿足人們的各種生活需求，最為突出的就是全息技術(shù)了，它的

8、技術(shù)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于人類生活中。全息術(shù)經(jīng)歷了一代又一代人的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)步入了更高的領(lǐng)域，本論文著重介紹了全息術(shù)的基本理論和實(shí)際應(yīng)用，利用全息術(shù)實(shí)現(xiàn)3D顯示。在原理上，經(jīng)過光的照射實(shí)現(xiàn)記錄和再現(xiàn)過程，保留原物的所有信息，所以人們在觀看全息圖時(shí)可以看到與原物完全一樣的圖像，包括各種視覺上的視差，在這種意義上來說，全息圖才是真正的3D圖像。1.1光學(xué)全息研究背景 全息術(shù)是由英國Thomson-Houston公司工作的蓋伯（Dennis Gabor）于1948年提出的全息術(shù)理論，他開始的目的是為了提高顯微鏡的分辨率，他研究了全息術(shù)對顯微鏡的應(yīng)用。他所提出的這一理論是第一代全息術(shù)（即同軸全息術(shù)）。全息學(xué)

9、自20世紀(jì)60年代激光器的問世后等到了迅速的發(fā)展，激光提供了一種相干性很高的光源，1962年美國科學(xué)家利思（Leith）和烏帕特尼克斯（Upatnieks）將通信理論中的載頻概念推廣到空域中，提出了離軸全息術(shù)，這是第二代全息術(shù)。后來相繼出現(xiàn)了第三代全息術(shù)，1969年，本頓發(fā)明了彩虹全息術(shù)，它可以利用白熾燈光的照射觀察到立體的物體成像，這種方法犧牲了垂直方向上的信息，保留了物體水平方向上的信息，這樣就降低了對光源的要求，而且還實(shí)現(xiàn)了全息圖的鮮艷的色彩效果，彩虹全息術(shù)的出現(xiàn)，帶動(dòng)全息術(shù)進(jìn)入了第三個(gè)發(fā)展階段。由于研究設(shè)備和要求的種種不便，人們開始致力于下一代全息術(shù)的研究，采用白光記錄和再現(xiàn)讓全息術(shù)的

10、研究能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，讓全息術(shù)的研究更加方便。古德曼和勞倫斯等人提出了新的全息概念數(shù)字全息技術(shù)，引領(lǐng)了精確全息技術(shù)的時(shí)代。數(shù)字全息技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、全息技術(shù)和電子成像技術(shù)相結(jié)合起來的一種技術(shù)。直到 90 年代，出現(xiàn)了高分辨率CCD，人們開始用 CCD 等光敏電子元件替換傳統(tǒng)的感光膠片或新型光敏等介質(zhì)來記錄全息圖，并用數(shù)字方式通過電腦模擬出光學(xué)衍射現(xiàn)象來呈現(xiàn)影像，它通過電子元件實(shí)現(xiàn)記錄過程，省去了全息圖后期的顯影和定影等化學(xué)處理過程，為全息圖的制作節(jié)省了大量時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對圖像的實(shí)時(shí)處理，可以實(shí)現(xiàn)對全息圖的疊加，使得全息圖的記錄和再現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了真正的數(shù)字化9。全息術(shù)在科學(xué)領(lǐng)域中有著很高的地位，它慢慢地

11、融入到了人們的生活中，全息顯示技術(shù)的出現(xiàn)給真正的三維立體電視帶來了希望。全息電視與3D電視相比，它的優(yōu)勢之處不僅在于立體三維圖像更接近于對象本身，而且對象從人眼的深度感在生理上的心理更加強(qiáng)烈。 1.2 全息術(shù)與3D顯示發(fā)展現(xiàn)狀人對物質(zhì)世界中的感知對象是一個(gè)3D立體的。遺憾的是，如今主流的視頻顯示技術(shù)采用的是2D屏幕，只能顯示一幅2D圖像，但當(dāng)處理后的數(shù)據(jù)變得越來越復(fù)雜之后，人們對標(biāo)準(zhǔn)的2D顯示系統(tǒng)的不滿意程度越來越大，不管繪圖軟件輸出的圖像變得如何快或者和照片一樣真實(shí)，只要結(jié)果只能在平面屏幕上觀看，未能充分利用人的視覺系統(tǒng)的能力。全息術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有很多特點(diǎn)和優(yōu)勢：1.立體影像的再造功能有利于

12、保存珍貴的藝術(shù)品資料，進(jìn)而收藏；2.拍攝時(shí)的每一點(diǎn)都記錄在全息圖片的任何一點(diǎn)上，一旦照片損壞也關(guān)系不大，這就體現(xiàn)出了其可分割性，不會(huì)因?yàn)檎掌膿p壞而失去圖像的完整性；3.全息照片的景物立體感強(qiáng)，形象逼真，另外利用激光器可以在各種展覽會(huì)上進(jìn)行展示，會(huì)得到非常好的效果，這一性質(zhì)與用現(xiàn)有的偏振鏡片觀看電影有著本質(zhì)上的區(qū)別；4.去儲存的信息量很大，遠(yuǎn)大于光盤和磁盤所儲存的信息量11。全息影視與3D影視也有很多的不同點(diǎn)，現(xiàn)今主要是利用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體的3D畫面?zhèn)鬏?。激光全息技術(shù)的研究已有40多年的歷史，應(yīng)用激光全息攝影技術(shù)拍攝成的全息圖，它在普通室內(nèi)漫射光照射下并不呈現(xiàn)明顯的圖像，如果用定向白光照明(多

13、媒體投影機(jī)燈泡發(fā)出的白光)后可在空間再現(xiàn)出的三維圖像，可看到的物體不同側(cè)面和不同深度(左、右、上、下、內(nèi)面等)。猶如看到原物一樣。物像的后半部以虛像形式呈現(xiàn)在圖版的后方，前半部分以實(shí)像的形式呈現(xiàn)在圖版前方的空間。實(shí)像和虛像都是看得見摸不著的，它實(shí)際上是由全息圖版再現(xiàn)出來的一束光波所形成的13。全息術(shù)在影視方面的研究有有著不少的困難，現(xiàn)在也只局限于在電影院利用3D眼鏡來實(shí)現(xiàn)，對于制作商來說，3D視頻的制作成本較高，3D視頻中的內(nèi)容匱乏，3D視頻儲存量大。對于服務(wù)提供商來說，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬無法支持3D視頻播放，部分媒體在升級到HD標(biāo)準(zhǔn)之后，并不急于投入3D行業(yè)。對于產(chǎn)品制造商來說，部分商品還是需要

14、佩戴3D眼睛來觀看，終端產(chǎn)品的顯示也是很貴的。對于現(xiàn)在的3D影視技術(shù)還不成熟，技術(shù)繁多，混雜，3D的影視制作內(nèi)容，格式，壓縮方式也是不統(tǒng)一的12。全息術(shù)的研究和發(fā)展，促進(jìn)了科技的進(jìn)步，近年來國內(nèi)外采用數(shù)字全息三維成像6技術(shù)，以光學(xué)全息理論作為基礎(chǔ)，以CCD為記錄材料，對所記錄的全息圖數(shù)字化，再輸入計(jì)算機(jī)，結(jié)合圖像合成技術(shù)，可以獲得高質(zhì)量的三維圖像。全息術(shù)的出現(xiàn)大大提高了科技的進(jìn)步，讓人們所普遍了解的2D今日到3D時(shí)代，盡管如今的3D技術(shù)還不是很成熟，但在科技發(fā)達(dá)的現(xiàn)在，將來會(huì)達(dá)到很高的高度，更會(huì)在人們的生活中起到很好的作用，盡管將來的發(fā)展困難重重，人類社會(huì)的高科技也會(huì)將他們一一克服。目前全息術(shù)

15、在相關(guān)產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用廣泛：1.全息干涉計(jì)量，這是全息術(shù)誕生以來應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，它在微應(yīng)力分析、表面微位移測量、形狀和等高線的檢測、振動(dòng)分析和無損檢測等方面應(yīng)用廣泛。它解決了一般的干涉計(jì)量術(shù)以及其他干涉手段所不能解決的問題，所以該技術(shù)很快的滲透到了機(jī)械學(xué)、流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)、航空航天、化工、高分子化學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域。2.全息存儲，它在存儲容量方面有著巨大的優(yōu)勢，加上其具有冗度高、數(shù)據(jù)讀取速度高和并行讀取的特點(diǎn)。在全息術(shù)誕生時(shí)起就得到了廣泛關(guān)注，在記錄和存儲信息時(shí)可以達(dá)到很高的數(shù)量級，記錄數(shù)據(jù)的密度之高，讓它逐步走向?qū)嵱梅较颉?.顯示全息，這是光學(xué)全息應(yīng)用的一個(gè)重要方面，全息顯示圖

16、已經(jīng)出現(xiàn)在了實(shí)際生活中，可以等到栩栩如生的3D立體圖像，所以在藝術(shù)領(lǐng)域等到更為廣泛的應(yīng)用。他可以通過各種立體顯示技術(shù)呈現(xiàn)出具有真實(shí)感的立體圖像，彩虹全息術(shù)的出現(xiàn)讓這一技術(shù)逐步的進(jìn)入商品化。4.模壓全息，它廣泛應(yīng)用于安全防偽領(lǐng)域，在身份證、護(hù)照、信用卡、優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和名牌服裝商標(biāo)上，以及各類證件上應(yīng)用廣泛，模壓全息制作的防偽標(biāo)識具有不可去除性，價(jià)格低廉，容易驗(yàn)證等特點(diǎn)，它還可以與現(xiàn)代印刷術(shù)相結(jié)合，制作出更加容易讓消費(fèi)者接受的包裝和標(biāo)貼。全息術(shù)問世至今已有了半個(gè)多世紀(jì)，在其他方面也等到了很好的應(yīng)用，它可以取代古老的光柵元件的全息光柵，在現(xiàn)代軍事和航空領(lǐng)域也有很重要的應(yīng)用。在顯微方面可以采用全息顯微術(shù)來

17、研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)等細(xì)微過程，計(jì)算機(jī)全息還可以再現(xiàn)不存在的物體圖樣。全息術(shù)在諸多領(lǐng)域等到了很好的應(yīng)用，多年來有了很大的發(fā)展。 1.3 課題研究的主要內(nèi)容由于人們對信息的需求不斷提高，對視聽享受的要求也同樣迫切需求，普通的2D平面上的影視效果已經(jīng)無法滿足人們的需求了，這樣就要迫切需求一種實(shí)現(xiàn)3D的技術(shù)來滿足。為了滿足這種需要，大量的研究人員都致力于開發(fā)3D顯示系統(tǒng)。許多基于不同方法的顯示設(shè)備己經(jīng)可以商業(yè)使用，但是研究工作的重點(diǎn)任然還處于改進(jìn)和發(fā)展這些3D顯示新技術(shù)的階段。我們可以采用全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)立體顯示，光學(xué)全息的記錄和再現(xiàn)過程可以真實(shí)的還原物體的信息，在這一方面更加能夠滿足社會(huì)需求，

18、隨著全息術(shù)的快速發(fā)展，影視的類別也出現(xiàn)了多元化，所以全息電影的出現(xiàn)也是必然的。本課題利用傅里葉變換全息實(shí)現(xiàn)立體顯示，結(jié)合計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)制作的影視效果較其他的視頻效果在各方面都有很突出的優(yōu)勢，可以帶給人們最真實(shí)的立體感受。第2章 主要介紹了全息術(shù)的基本原理，全息術(shù)的記錄和再現(xiàn)；全息術(shù)的不同的類型和利用全息術(shù)實(shí)現(xiàn)的不同的3D顯示技術(shù)；傅里葉變換全息的基本原理及其相較于其他顯示技術(shù)的優(yōu)勢。第三章是利用傅里葉變換全息的原理實(shí)現(xiàn)物體的3D立體顯示的設(shè)計(jì)，它是利用全息術(shù)理論應(yīng)用到視頻顯示中，以全息術(shù)為核心，結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)物體的3D顯示，呈現(xiàn)出物體真實(shí)的3D效果，利用這種原理可以使2D畫面實(shí)現(xiàn)3D特效，將普

19、遍的2D動(dòng)畫通過傅里葉變換全息轉(zhuǎn)換為真實(shí)立體的實(shí)物特效，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的展示和分析，最后對未來全息術(shù)在影視方面的發(fā)展做出了評價(jià)和展望。25第2章 全息術(shù)的基本原理傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)，是由一些光學(xué)組件和連續(xù)的幾個(gè)透鏡組成，如照相機(jī)、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、投影透鏡等，這些透鏡的作用是改變光場，使系統(tǒng)中的場分布的圖像滿足函數(shù)要求。傳統(tǒng)的攝影圖片的目的是使一個(gè)3D物體投影到一個(gè)二維的接收器平面上(如膠卷或數(shù)碼樣品平面)，在投影幾何學(xué)原理上，使幾何上的二維圖像類似于原始的3D物體。許多光學(xué)系統(tǒng)成像雖具有三維立體性，當(dāng)在原物不存在時(shí)不能顯示出與原物同樣的三維立體圖像,不能將原物發(fā)出的物光波的所有信息“凍結(jié)”。傳統(tǒng)的

20、光學(xué)系統(tǒng)最突出的特征是對象被散焦時(shí)，直接影響到三維空間坐標(biāo)的深度信息描述。在經(jīng)典光學(xué)中，無論用哪種類型的光學(xué)儀器，一個(gè)被散焦的對象會(huì)形成一個(gè)模糊不清的圖像，而且模糊度很大程度上取決于所選用的光學(xué)儀器。在成像過程中，第三維深度信息的丟失，通過單一的照相圖像的數(shù)字加工后只能被還原一部分。所以，普通照相所記錄下來的物體光波(稱信號光波)信息，只有振幅信息或者頻率信息，根本不得到物體光波的位相信息，因此，顯示出的物體影像只能是明暗強(qiáng)度變化的平面圖像，而沒有三維立體感。然而，人們在很長一段時(shí)間里，已經(jīng)習(xí)慣地去觀看被壓縮在一個(gè)平面上的三維空間內(nèi)的物理圖像。電影演員、電視上人物的影像雖然生動(dòng)逼真地呈現(xiàn)在屏幕

21、上，但在任一時(shí)刻，這些影像與一張普通照片沒有任何區(qū)別?，F(xiàn)在各種類型的所謂”立體攝影”，如立體電影也沒有超過這個(gè)范圍，它們只不過是在一張(或兩張)照相底片上攝制立體景物的某幾個(gè)方向的平面像，再由一個(gè)柱面透鏡或偏振片做成的體視鏡來觀察，利用雙目體視效應(yīng)，就看到立體感的景物圖像?？偟膩碚f，普通攝影，包括黑白攝影、彩色攝影、電影和電視，記錄和再現(xiàn)的物體光波只是振幅或一些頻率的信息，而對位相信息毫無反映。與普通照相不同，全息照相能夠記錄物體光波的振幅和相位，并在一定條件下再現(xiàn)，就可以看到物體的全部信息的三維圖像，即使物體移動(dòng)了，也可以看到原始物體本身所具有的全部信息，包括三維的感覺和視差。利用干涉原理，

22、具體的物體發(fā)出的光波以干涉條紋的形式記錄下來，使物光波波前的所有信息都儲存到記錄介質(zhì)中，所以所記錄的干涉條紋圖樣叫做全息圖。當(dāng)用光波照射全息圖時(shí)，利用衍射原理能再現(xiàn)出原始物體的光波，形成逼真的三維圖像2。全息術(shù)的基本原理是利用光波干涉同時(shí)記錄物體的振幅和相位，由于全息再現(xiàn)象光波保留了原有光波的全部振幅和相位的信息，所以再現(xiàn)象與原物有著完全相同的三維特性。最初蓋伯提出的的全息術(shù)理論是一個(gè)兩步無透鏡成像過程，第一步是用照相的方法記錄從一個(gè)物體散射來的光和來自同一個(gè)光源的相干的參考波互相作業(yè)后產(chǎn)生的干涉圖，稱之為全息圖，這張圖同時(shí)記錄了波的振幅和相位。第二步則是利用適當(dāng)?shù)墓獠ㄕ丈渌玫恼障嗟灼?，得?/p>

23、物體的再現(xiàn)像。人們在觀看全息像時(shí)會(huì)得到與原物時(shí)相同的視覺效果，也包括各種位置視差，這就是全息三維顯示的理論依據(jù)。由此看來，以這種方法，全息就可以得到真正的三維圖像，但是由上述的的結(jié)論而言，等到的圖像也僅僅是準(zhǔn)三維圖像(無垂直視差的感覺)。在20世紀(jì)80年代后，激光的出現(xiàn)，讓激光全息術(shù)成為了一項(xiàng)迅速發(fā)展的高新科技產(chǎn)業(yè)。 (a) 波前記錄(b) 用原始參考波照明 (c) 用共軛參考波照明 圖2.1 全息圖的記錄與再現(xiàn) 2.1 全息圖的記錄 圖2.1(a)所表現(xiàn)的是波前記錄，物光波波前信息包括光波的振幅和相位，現(xiàn)有的所有記錄介質(zhì)僅對光強(qiáng)產(chǎn)生響應(yīng)，所以必須設(shè)法把相位信息轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度的變化才能記錄下來，干

24、涉法是將空間相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為空間強(qiáng)度調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)方法。物體上的散射波和參考波都來自于同一光源，因而是相干的，它的復(fù)振幅，表示，在照相底片上物光波和參考波疊加后的場為： (2-1)其中振幅中分別包括物光波和參考波的振幅和相位信息； (2-2) (2-3)則別記錄的總光強(qiáng)為： 或者 (2-4)上式結(jié)果中前兩項(xiàng)僅僅取決于兩個(gè)波的光強(qiáng)，第三項(xiàng)取決于兩個(gè)波的振幅和相對相位。常用的記錄介質(zhì)是銀鹽感光干板，對兩個(gè)波前的干涉圖樣曝光后，經(jīng)過顯影，定影處理等到全息圖。因此，全息圖實(shí)際上就是一幅干涉圖。全息顯示的感光材料很多，最常用的是由細(xì)微粒鹵化銀乳膠涂敷的超微粒干板，簡稱全息干板。假定全息干板的作用相當(dāng)于一個(gè)線性

25、變換器，他把曝光期間內(nèi)的入射光強(qiáng)線性地變換為顯影后負(fù)片的振幅透過率，則可記為： (2-5)式中，均為常數(shù)，是t-E曲線支線部分的斜率，為曝光時(shí)間和的乘積。對于負(fù)片和正片，分別為負(fù)值和正值。假定參考光的強(qiáng)度在整個(gè)記錄表面是均勻的，則： (2-6)式中，表示均勻偏置透過率。 t 1.0 0.5 0 E 圖2.2 負(fù)片的t-E曲線 對于正片0，對于負(fù)片0。如果全息圖的記錄未能滿足上面指出的線性記錄條件，將影響再現(xiàn)光波的質(zhì)量。2.2 物光波的再現(xiàn) 用一束相干光波照射全息圖，假定它在全息圖平面上的復(fù)振幅分布為，則透過全息圖的光場為： (2-7),看作波前函數(shù)，它們分別代表照明光波的直接透射波，物光波機(jī)器

26、共軛波，將它們各自的系數(shù)分別看作一種波前變換或一種運(yùn)行操作。先看的系數(shù)，其中為常數(shù)，由于參考波通常采用簡單的球面波或平面波，所以近乎為常數(shù)，故中的兩項(xiàng)系數(shù)的作用僅僅改變照明光波的振幅，并不改變的特性。系數(shù)中含有，是物光波單獨(dú)存在時(shí)在底片上造成的強(qiáng)度分布，它是不均勻的，故代表振幅受到調(diào)制的照明波前，這實(shí)際上是波經(jīng)歷分布的一張底片的衍射，使照明波多少有些離散而出現(xiàn)的雜光，這就是“噪音”信息，這個(gè)可以通過適當(dāng)調(diào)整照明度使其成為次要因素?？傊?，,基本上保留了照明光波的特性，這一項(xiàng)稱為全息圖衍射場中的0級波。 項(xiàng)，當(dāng)照明光波是于參考波完全相同的平面波或球面波時(shí)（即），透射光波中的第三項(xiàng)為： (2-8)由

27、于R是均勻的參考光強(qiáng)度，所以相差一個(gè)常數(shù)因子外，U3是原來物波波前的準(zhǔn)確再現(xiàn)，它與在波前記錄時(shí)原始物體發(fā)出的光波的作用完全相同。當(dāng)這一光波傳到觀測者眼睛時(shí)，可以看到原物的形象,由于原物光波是發(fā)散的,所以觀測者看到的是虛像,這一項(xiàng)稱為全息圖衍射場中的+1級波。透射光中的第四項(xiàng)為： (2-9) 當(dāng)照明光波與參考波完全相同時(shí)，中的相位因子一般無法消除。如果兩者是平行波，則其相位因子是一個(gè)線性相位因子，使波成為并不嚴(yán)格與原物鏡像對稱的會(huì)聚波則人眼在偏離鏡像對稱的某處也可以接受到一個(gè)原物的實(shí)像。若照明光波與參考波是球面波，則中二次相位因子使波發(fā)生聚散，隨之發(fā)生位移和縮放，人眼在偏離鏡像對稱位置的某處可能

28、接受到一個(gè)與原物大小不同的實(shí)像。所以稱項(xiàng)為全息衍射場中的-1級波。如果照明光波恰好是參考波的共軛波，則再現(xiàn)波場的第三項(xiàng)和第四項(xiàng)為： (2-10) (2-11)此時(shí)再現(xiàn)了物光波前的共軛波，給出原始物體的一個(gè)實(shí)像，如圖2.1(c)。再現(xiàn)的是物光波前，故給出原始物體的一個(gè)虛像，如圖2.1(b)，由于的調(diào)制，虛像也會(huì)產(chǎn)生變形。波前記錄是物波波前與參考波的干涉記錄，它使振幅和相位調(diào)制的信息變成干涉圖的強(qiáng)度調(diào)節(jié)，這種全息圖被再現(xiàn)光照射時(shí)，它又起一個(gè)衍射光屏的作用。正由于這種光波通過這種衍射光屏而產(chǎn)生的衍射效應(yīng)，使全息圖上的強(qiáng)度調(diào)制信息還原為波前的振幅和相位信息，再現(xiàn)了物光波前。所以，波前記錄和波前再現(xiàn)的過

29、程，實(shí)質(zhì)上是光波的干涉和衍射的結(jié)果。以下討論波前再現(xiàn)過程的線性性質(zhì)：不論以哪種再現(xiàn)方式，除去所感興趣的那個(gè)特定場分量外，總是伴隨三項(xiàng)附加的場分量。所以，波前記錄和波前再現(xiàn)看作是一個(gè)系統(tǒng)變化，記錄時(shí)的物波場為輸入，再現(xiàn)的再現(xiàn)波場為輸出，這個(gè)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的變換是高度非線性的；若將記錄時(shí)的物光波作為輸出，再現(xiàn)時(shí)的透射場的單項(xiàng)分量或作為輸出，這樣定義的系統(tǒng)就是一個(gè)線性系統(tǒng)。利用線性系統(tǒng)的概念有助于簡化對全息成像的分析14。 2.3 全息術(shù)的發(fā)展與基本類型 全息技術(shù)是一門以光學(xué)為基礎(chǔ)的學(xué)科，利用光學(xué)原理制作出各種與生活和生產(chǎn)有關(guān)的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用到人類社會(huì)中。全息術(shù)至蓋伯于1948年提出至今，便有學(xué)者開始對

30、全息術(shù)進(jìn)行研究，由于當(dāng)時(shí)的條件限制(沒有很好的相干光源)，全息術(shù)的發(fā)展比較緩慢，50年代由羅杰斯等人的工作大大擴(kuò)充了波陣面的再現(xiàn)理論，但是由于“孿生像”問題和光源相干性的限制，1955年以后，全息術(shù)進(jìn)入了低潮期，直到1960年激光器的出現(xiàn)，全息術(shù)才得到了迅速發(fā)展。全息術(shù)的發(fā)展已經(jīng)滲透到了社會(huì)生活中，廣泛應(yīng)用于近代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，特別是現(xiàn)代測試、生物工程、藝術(shù)、商業(yè)、保安和存儲技術(shù)等方面。有更多的全息術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用到實(shí)際生活和生產(chǎn)中，多多的走向市場。全息術(shù)的發(fā)展大致可分為4個(gè)階段：2.3.1 同軸全息術(shù)蓋伯最初提出和實(shí)現(xiàn)的全息圖就是一種同軸全息術(shù)。這一階段主要是在1960年激光器出現(xiàn)之前，這種

31、技術(shù)獲得的物體再現(xiàn)像和照明光混合在一起，不容易觀察。1948年，蓋伯為了提高電子顯微鏡的分辨率，在布拉格的“X射線顯微鏡”和“澤尼克的相襯原理”的啟示下，提出了一種用光波記錄物光波的振幅和相位的方法(圖2.3)，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一想法。為了進(jìn)一步證實(shí)這一想法，他又用了電子波和可見光進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在可見光中得到了證實(shí)，并得到了第一張全息圖。一直到20世紀(jì)50年代末期，全息照相都是采用汞燈作為光源，這所謂的同軸全息圖，它的1級衍射波的分不開的，這就是所說的“孿生像”問題，不能獲得很好的全息圖像。這是第一代全息圖，是全息術(shù)的萌芽時(shí)期，只要存在兩個(gè)問題，一是再現(xiàn)的原物像與共軛像分不開，二是沒有很好的相干

32、性光源。 物體 衍射波光源S 直接透射波(a) 記錄 y 虛像 x 實(shí)像 H光源S (b) 再現(xiàn)圖2.3 同軸全息術(shù)的記錄與再現(xiàn)2.3.2 離軸全息術(shù)為了消除全息圖中孿生像的干擾，1962年美國密執(zhí)安大學(xué)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室的利思和烏帕特立克斯提出了離軸全息術(shù)，也叫偏斜參考光全息圖。由于激光器的出現(xiàn)，提供了高相干度的光源，離軸全息術(shù)是利用激光器作用的激光記錄和激光再現(xiàn)的全息術(shù)。它利用離軸的參考光照射全息圖，使全息圖產(chǎn)生3個(gè)空間互相衍射的分量，其中一個(gè)復(fù)制出了原始物光，由此，解決了同軸全息圖所產(chǎn)生的兩大問題，產(chǎn)生了激光記錄和激光再現(xiàn)的全息術(shù)，這就是第二代全息圖。離軸全息術(shù)的出現(xiàn)讓沉睡了十幾年的全息術(shù)領(lǐng)域得

33、到了新生，進(jìn)入了迅速發(fā)展的年代，這之后也相相繼出現(xiàn)了多種全息方法，在信息處理，全息干涉計(jì)量，全息顯示，全息光學(xué)元件等方面等到了廣泛的應(yīng)用。由此可見高想干度激光的出現(xiàn)是全息術(shù)發(fā)展的巨大推動(dòng)力。2.3.3 白光再現(xiàn)全息術(shù)由于激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信息，人們開始致力于研究第三代全息圖，第三代全息圖是利用激光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖，例如反射全息，像全息，彩虹全息和模壓全息等在一定條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩。一個(gè)叫班頓的人利用激光記錄，再用白光還原影響還原的方法，使這項(xiàng)技術(shù)逐步走向?qū)嵱梅较颉?.3.4 白光全息術(shù)利用白光制作全息圖，用激光或白光照射再現(xiàn)觀察，這是全息術(shù)的最高階段，盡管有不少人在這方

34、面做出很多的工作，但是沒有突破性的進(jìn)展。激光的高度相干性，要求全息拍攝過程中各個(gè)元件，光源和記錄介質(zhì)的相對位置嚴(yán)格保持不變，并且相干噪聲也很嚴(yán)重，這對全息術(shù)的實(shí)際實(shí)用帶來了種種不便。所以，科學(xué)家們又回過頭來繼續(xù)討論白光記錄的可能性，第四代全息圖有可能是白光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖，他最終會(huì)使全息術(shù)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入廣泛的實(shí)用領(lǐng)域。以上大致介紹了全息術(shù)的發(fā)展歷史和全息術(shù)的發(fā)展過程，其實(shí)全息術(shù)有很多不同的類型，按照不同的類型也分為很多不同的種類，例如：根據(jù)記錄媒質(zhì)的厚度和條紋間距之比，可分為薄全息圖和厚全息圖；通過復(fù)振幅透過率的調(diào)制變量的不同，可分為振幅型全息圖和位相型全息圖；根據(jù)記錄時(shí)物光和參考光的

35、方位情況，可分為同軸全息圖和離軸全息圖；根據(jù)記錄時(shí)物光和參考光在干板的同側(cè)還是兩側(cè)，可分為透射全息圖和反射全息圖；還可以根據(jù)記錄的物體與干板的距離，分為菲涅耳型和夫瑯和費(fèi)型全息圖；根據(jù)制作時(shí)光源的性質(zhì)，可分為連續(xù)波激光全息圖和脈沖激光全息圖等等。全息術(shù)不僅僅用于光波波段，也可用于電子波，X射線，聲波和微波波段。其實(shí)離軸全息術(shù)的理論就是來自于微波領(lǐng)域的旁視雷達(dá)微波全息圖。正如蓋伯在獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)說的哪樣，利思在雷達(dá)中用的電磁波長比光波波長長10萬倍，而他自己本人在電子顯微鏡中所用的電子波長又比光波段10萬倍。他們從一個(gè)事物的兩個(gè)相反方向的研究，這說明科學(xué)的發(fā)展總是互相滲透，互相影響的10。2.4

36、 基于全息術(shù)的3D顯示全息顯示利用的是全息照相技術(shù)能重現(xiàn)物體的三維立體圖像的特點(diǎn)，重現(xiàn)出來的圖像具有3D視覺，形象逼真，所以全息術(shù)的發(fā)展前景很可觀，可以應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中去。它用來復(fù)制歷史藝術(shù)品，全息肖像等有很好的效果，也可用來超深景照相，使遠(yuǎn)距離和近距離的景物同時(shí)出現(xiàn)在底片中，從而實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)像中的層次感，很好的達(dá)到3D效果。全息顯示常用的有：透射和反射全息顯示，像面全息，彩虹全息，真彩色全息，合成全息和模壓全息等多種類型。其中透射全息需要激光再現(xiàn)，其余的需要白光再現(xiàn)，從而在白晝自然環(huán)境中達(dá)到很好的三維圖像。今年來模壓全息進(jìn)入到了人們的生活中，利用模壓全息制作出的浮雕藝術(shù)和照相技術(shù)相結(jié)合，多層次體

37、現(xiàn)三維效果，極具觀賞價(jià)值，也便于攜帶和保存?，F(xiàn)有的全息技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于防偽標(biāo)識，賀卡，商標(biāo)和圖書插圖等方面，國內(nèi)外都已形成了一個(gè)巨大的行業(yè)。以下介紹幾種常用的全息顯示技術(shù)：2.4.1 透射式全息顯示技術(shù)投射式全息是一種最基本的全息顯示技術(shù)(圖2.4)，記錄時(shí)利用相干光照射物體，物體表面的反射光和散射光到達(dá)記錄干板后形成物光波，同時(shí)引入另一參考光波照射記錄干板，對記錄干板曝光后就可形成干涉圖樣，就是全息圖像。再現(xiàn)時(shí)，利用與參考光相同的光波照射干板，則人眼可以在透射光中觀看干板，就可以在與原物相同的位置看到原物的圖像，此時(shí)的像是虛像，如果利用與參考光波的共軛波相同的光波照射記錄干板，則從干板右側(cè)

38、射向記錄干板而會(huì)聚一點(diǎn)的球面光波，經(jīng)過記錄干板衍射后所形成原物的實(shí)像。由于投射式全息顯示的圖像逼真，觀看效果極佳。由于投射式全息需要利用激光記錄和再現(xiàn)，所以在照射過程中會(huì)帶來散斑效應(yīng)的弊端，就會(huì)在再現(xiàn)圖像上出現(xiàn)微微小而隨機(jī)分布的顆粒狀結(jié)構(gòu)。 圖2.4 透射式全息的記錄(a)與再現(xiàn)(b)2.4.2 反射式全息顯示技術(shù) 為了克服透射式全息無法利用白光再現(xiàn)的缺陷，人們又發(fā)展了反射式全息技術(shù)(圖2.5)。反射式全息是將物體放于全息板的右側(cè)，相干光源從左側(cè)照射全息板，將直接照射到全息板上的平面光作為參考光，而將透射過全息板的光照射物體，再由物體反射回全息板的光作為物光，這兩束光干涉后就可形成全息圖像。記

39、錄時(shí)物光和參考光由全息板兩側(cè)入射，所以全息板上的干涉條紋與全息板是平行的，再現(xiàn)時(shí)，利用光源從左方照射全息板，全息板上的各條紋層對再現(xiàn)光產(chǎn)生反射，在反射光中觀看全息板，就可在原物上看到再現(xiàn)的圖像。 圖2.5 反射式全息技術(shù)的記錄(a)與再現(xiàn)(b)2.4.3 像面式全息顯示技術(shù)對于普通投射式全息圖而言，當(dāng)再現(xiàn)光波長與記錄時(shí)的光波長不同時(shí)，或再現(xiàn)光源為非理想點(diǎn)光源而有一定空間擴(kuò)展時(shí)，再現(xiàn)像點(diǎn)將會(huì)發(fā)生彌散變得模糊，由這兩種原因造成的像點(diǎn)模糊量都與像點(diǎn)和全息板的距離成正比，所以，假如記錄時(shí)讓物點(diǎn)落在在全息板上或很靠近全息板，則有普通白光擴(kuò)展光源再現(xiàn)時(shí)，像點(diǎn)的模糊量讓然可以小至可以接受的范圍。因?qū)嶋H物體無

40、法嵌入全息板，所以可以采用通過透鏡成像于全息板的附近，同時(shí)引入?yún)⒖脊獠ㄅc其干涉的方法記錄全息顯示圖像，即可等到全息顯示圖像。這種成像技術(shù)有兩種方法，一種是透鏡成像，另一種則是利用全息圖的再現(xiàn)實(shí)像作為物光波。后者通常先對物體記錄一張菲涅耳全息圖，然后用參考波的共軛光波照射全息圖，再現(xiàn)物體的實(shí)像。2.4.4 彩虹全息顯示技術(shù)彩虹全息和像全息一樣，也可以用白光照射再現(xiàn)。不同的是，像全息的記錄要求成像光束的像面與記錄干板的距離非常小，而彩虹全息則沒有這種限制。彩虹全息是利用記錄時(shí)在光路的適當(dāng)位置加狹縫像，觀察物體時(shí)收受到狹縫再現(xiàn)像的限制。當(dāng)用白光照明再現(xiàn)時(shí)，對不同顏色的光，狹縫和物體的再現(xiàn)像位置都不同

41、，在不同的位置能看到不同顏色的像，顏色的排列位置與波長的順序相同，像彩虹一樣，所以這種就叫做彩虹全息。由于彩虹全息術(shù)的出現(xiàn)，給全息顯示注入了新的活力，眾多研究人員對其進(jìn)行改進(jìn)，如將單狹縫改為多狹縫，就可以在同一角度觀看到的再現(xiàn)像具有與實(shí)物一樣的色彩，或?qū)诎讏D像進(jìn)行假彩色編碼。因人眼對色彩的分辨能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對灰度的分辨能力，這種假彩色化法可以極大提高對圖像的判讀能力?，F(xiàn)今還提出了雙孔徑彩虹全息顯示圖像和大角度環(huán)孔徑彩虹式顯示圖像。前一種是在普通光源下，將再現(xiàn)像的分辨率大大提高，并能由一體視對平面圖像合成無需佩戴眼鏡觀看的立體三維圖像。后一種則是將單縫孔徑變?yōu)榇笾睆降沫h(huán)形孔徑，從而實(shí)現(xiàn)360環(huán)視

42、的再現(xiàn)像，在白光照射下，可繞全息板一周以觀看物體所有側(cè)面的再現(xiàn)像。2.4.5 模壓式全息顯示技術(shù)模壓全息術(shù)是20世紀(jì)70年代提出的用模壓方法復(fù)制全息圖的一項(xiàng)新技術(shù)。模壓全息與凸版印刷術(shù)類似，所以又成為全息印刷術(shù)。全息印刷術(shù)的出現(xiàn)解決了全息圖的復(fù)制問題，利用這項(xiàng)技術(shù)可以使全息圖大規(guī)模生產(chǎn)，使全息圖迅速商品化。模壓全息圖的制作，從技術(shù)上來說可分為三個(gè)階段：白光再現(xiàn)浮雕型全息圖的制作，電鑄金屬模板和模壓復(fù)制。模壓式全息顯示圖像最大的優(yōu)點(diǎn)是可以大規(guī)模生產(chǎn)，一個(gè)優(yōu)質(zhì)的模板可連續(xù)印壓100萬次以上，故全息顯示圖像的成本大大降低。2.4.6 計(jì)算機(jī)全息顯示技術(shù)最后簡單介紹一下近年來發(fā)展頗為迅速的計(jì)算機(jī)全息顯

43、示圖像，簡稱為CGH。既然全息顯示圖像屬于一種干涉圖樣，假如能利用計(jì)算機(jī)直接產(chǎn)生出這種圖樣，則無需再采用光學(xué)設(shè)備實(shí)地記錄了。計(jì)算機(jī)全息顯示圖像目前已在圖像處理和干涉計(jì)量等領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。它同樣亦可應(yīng)用于立體三維圖像顯示，僅是成像質(zhì)量仍需作進(jìn)一步的改進(jìn)。值得指出的是將光學(xué)與電子學(xué)技術(shù)有機(jī)結(jié)合一起，發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，將是實(shí)現(xiàn)立體三維顯示的一種有效途徑19。如今全息術(shù)應(yīng)用于各種領(lǐng)域，這將會(huì)為全息術(shù)的發(fā)展提供好的基礎(chǔ)，將全息術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，即可實(shí)現(xiàn)3D圖像，視頻等。光學(xué)全息術(shù)可望在立體電影、電視、展覽、顯微術(shù)、干涉度量學(xué)、投影光刻、軍事偵察監(jiān)視、水下探測、金屬內(nèi)部探測、保存珍貴的歷史文物、藝術(shù)品

44、、信息存儲、遙感，研究和記錄物理狀態(tài)變化極快的瞬時(shí)現(xiàn)象、瞬時(shí)過程（如爆炸和燃燒）等各個(gè)方面獲得廣泛應(yīng)用。從全息思想的提出至今已經(jīng)有了半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間，期間，全息術(shù)取得了很好的成就，相信在今后的生活和生產(chǎn)中起到很關(guān)鍵的作用。2.5 傅里葉變換全息2.5.1 傅里葉變換全息的記錄假設(shè)放在前焦面上的物體分布為，則通過透鏡后的后焦面上的頻譜函數(shù)為： (2-12)x，y分別是后焦面上的坐標(biāo)(如圖2.6)。這樣照在全息干板上的光振動(dòng)是分為物體頻譜光和參考光，則物頻譜光為： (2-13)參考光為： (2-14)則干板上得到的光強(qiáng)分布為： (2-15)之后可以進(jìn)行對底片的處理，如果底片的處理是線性的，則底片的

45、透過率可表示為： (2-16)其中透過率項(xiàng)中包含和兩項(xiàng)，這兩項(xiàng)經(jīng)過透鏡的傅里葉變換后得到原始像和共軛像。 圖2.6 傅里葉變換全息的記錄2.5.2 傅里葉變換全息的再現(xiàn)將全息干板還原，用波長為,振幅為平行光照射，則全息圖上的光振動(dòng)可分為四個(gè)部分： (2-17) (2-18) (2-19) (2-20)其中項(xiàng)為一個(gè)常數(shù)，它代表有一定振幅的平行于光軸的一束平行光，經(jīng)過透鏡L傅里葉變換后會(huì)在透鏡后焦點(diǎn)上形成一個(gè)亮點(diǎn)；則是經(jīng)過傅里葉變換后物體分布的自相關(guān)函數(shù)，形成焦點(diǎn)附近的一種暈輪光。以下討論和項(xiàng)，對項(xiàng)做傅里葉變換，除去常數(shù)項(xiàng)，則可以得到：，由此可以看出分布與物體分布一樣，而且坐標(biāo)反轉(zhuǎn)，而且在方向上移

46、動(dòng)了個(gè)單位，這項(xiàng)稱為原始像的復(fù)振幅，中心位于反射坐標(biāo)系的處；對項(xiàng)做同樣的處理，可以得出剩余項(xiàng)：，表示在方向上移動(dòng)了b個(gè)單位，這項(xiàng)是共軛項(xiàng)的復(fù)振幅；其中這兩項(xiàng)都是實(shí)像(如圖2.7)。 為了使再現(xiàn)像不受光暈的影響，假設(shè)物體在y方向上的寬度為m，則必須使，在記錄光路過程中要保證這一點(diǎn)。圖2.7 傅里葉變換全息的再現(xiàn) 2.5.3 傅里葉變換全息的特點(diǎn)傅里葉變換全息過程中的衍射像能夠分離出來，有利于加入?yún)⒖脊鈦磉M(jìn)行再現(xiàn)過程，制作出來的傅里葉變換全息圖的分辨率不受物體本身的精細(xì)程度的影響，而是取決于全息圖中的光柵精細(xì)度，而再現(xiàn)像的分辨率取決于空間頻率的高低，空間頻率越高，則獲得的信息越多，分辨率就越高，這

47、一特性可由透鏡的孔徑大小來調(diào)節(jié)。由于傅里葉變換全息所產(chǎn)生的干涉條紋是有序的，所以我們可以結(jié)合計(jì)算全息，將產(chǎn)生的全息圖呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，有利于記錄全息圖的形成過程。傅里葉變換全息采用的光源是激光光源，我們可以用實(shí)驗(yàn)室常用到的He-Ne激光器來提供光源，所以采用傅里葉變換全息的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方便，實(shí)驗(yàn)儀器上也很容易找到，操作方便，較其他全息原理易于實(shí)現(xiàn)。本課題利用傅里葉變換全息與數(shù)字全息相結(jié)合，充分利用了傅里葉變換全息的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字全息來實(shí)現(xiàn)全息圖的制作，將這一過程推廣到影視的實(shí)現(xiàn)方面，真正實(shí)現(xiàn)裸眼全息顯示。 第3章 傅里葉變換全息制作影視的設(shè)計(jì)3D圖像顯示是人類多年來的理想，對它的研究已經(jīng)有了很多年的歷史，研究人員研究過各種立體圖像的技術(shù)，并在彩色攝影和彩色電影的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了立體攝影和立體電影顯示技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)全息電影，各國物理學(xué)家和電影技術(shù)專家們進(jìn)行了研究，提出過多種方案：例如散射板法，大透鏡法，大反