基于光学全息的影视显示技术研究(共30页)

1、 武汉轻工大学(dxu) 毕 业 设 计（论 文）设计(论文(lnwn)题目：基于光学全息(qunx)的影视显示技术研究姓 名 张磊 学 号 101204324 院（系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 李鸣 2014年 6 月 10 日目 录摘要(zhiyo) I 摘 要全息术是一种用干涉和衍射原理来记录和再现物体光波的技术。首先，进行(jnxng)拍摄过程，就是利用干涉原理记录物体的光波信息；其次，利用激光作为参考波，和物光束重合产生干涉，把物体光波上的各个点的信息转换成空间上的信息，从而利用干涉条纹的信息记录下了物体的全部信息。本论文介绍了全息术的诞生，发展和历

2、史背景，全息术的各种类型及其全息技术在生产(shngchn)和生活中的应用。主要研究了利用傅里叶变换全息原理实现物体的3D显示(xinsh)，利用激光照射小孔，用透镜对物体的分布作傅里叶变换，记录参考光和频谱的干涉条纹。实验结束后对产生的效果进行观察，与实物进行对比，进而分析实验结果以及对全息术的未来展望。关键词：全息术；记录；再现；3D显示 Abstract Holography is a technology which memorizes and represent wavefront taking advantage of interference and diffraction. F

3、irstly, 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 interference. The object of each point on the light information into space to record the information of interference fringe is

4、 used all the information.This paper introduces the birth of holography, development and historical background, the derived during the various types of holography and holographic technology in the application of the production and life. By using Fourier transform hologram is the main research method

5、 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 experiment to observe the effect of the compared with physical, then analysis the results and the prospect of the future of holo

6、graphy. Keywords: Holography; Memorizes; Represents; 3D display 第1章 概 述随着(su zhe)信息技术的快速发展，出现了很多高新科技产品，对于光学领域来说，量子学的初步发展，也出现了不少光学系统相关的产品，它逐步应用到了人类的社会生活中，满足人们的各种生活需求，最为突出的就是全息技术了，它的技术产品广泛应用于人类生活中。全息术经历了一代又一代人的发展，现在已经步入了更高的领域，本论文着重介绍了全息术的基本理论和实际应用(yngyng)，利用全息术实现3D显示。在原理上，经过光的照射实现记录和再现过程，保留原物的所有信息，所以人

7、们在观看全息图时可以看到与原物完全一样的图像，包括各种视觉上的视差，在这种意义上来说，全息图才是真正的3D图像。1.1光学全息(qunx)研究背景 全息术是由英国Thomson-Houston公司工作的盖伯（Dennis Gabor）于1948年提出的全息术理论，他开始的目的是为了提高显微镜的分辨率，他研究了全息术对显微镜的应用。他所提出的这一理论是第一代全息术（即同轴全息术）。全息学自20世纪60年代激光器的问世后等到了迅速的发展，激光提供了一种相干性很高的光源，1962年美国科学家利思（Leith）和乌帕特尼克斯（Upatnieks）将通信理论中的载频概念推广到空域中，提出了离轴全息术，这

8、是第二代全息术。后来相继出现了第三代全息术，1969年，本顿发明了彩虹全息术，它可以利用白炽灯光的照射观察到立体的物体成像，这种方法牺牲了垂直方向上的信息，保留了物体水平方向上的信息，这样就降低了对光源的要求，而且还实现了全息图的鲜艳的色彩效果，彩虹全息术的出现，带动全息术进入了第三个发展阶段。由于研究设备和要求的种种不便，人们开始致力于下一代全息术的研究，采用白光记录和再现让全息术的研究能在实验室中进行，让全息术的研究更加方便。古德曼和劳伦斯等人提出了新的全息概念数字全息技术，引领了精确全息技术的时代。数字全息技术是计算机技术、全息技术和电子成像技术相结合起来的一种技术。直到 90 年代，出

9、现了高分辨率CCD，人们开始用 CCD 等光敏电子元件替换传统的感光胶片或新型光敏等介质来记录全息图，并用数字方式通过电脑模拟出光学衍射现象来呈现影像，它通过电子元件实现记录过程，省去了全息图后期的显影和定影等化学处理过程，为全息图的制作节省了大量时间，实现了对图像的实时处理，可以实现对全息图的叠加，使得全息图的记录和再现实现了真正的数字化9。全息术在科学领域中有着很高的地位(dwi)，它慢慢地融入到了人们的生活中，全息(qunx)显示技术的出现(chxin)给真正的三维立体电视带来了希望。全息电视与3D电视相比，它的优势之处不仅在于立体三维图像更接近于对象本身，而且对象从人眼的深度感在生理上

10、的心理更加强烈。 1.2 全息术与3D显示发展现状人对物质世界中的感知对象是一个3D立体的。遗憾的是，如今主流的视频显示技术采用的是2D屏幕，只能显示一幅2D图像，但当处理后的数据变得越来越复杂之后，人们对标准的2D显示系统的不满意程度越来越大，不管绘图软件输出的图像变得如何快或者和照片一样真实，只要结果只能在平面屏幕上观看，未能充分利用人的视觉系统的能力。全息术在实际应用中有很多特点和优势：1.立体影像的再造功能有利于保存珍贵的艺术品资料，进而收藏；2.拍摄时的每一点都记录在全息图片的任何一点上，一旦照片损坏也关系不大，这就体现出了其可分割性，不会因为照片的损坏而失去图像的完整性；3.全息照

11、片的景物立体感强，形象逼真，另外利用激光器可以在各种展览会上进行展示，会得到非常好的效果，这一性质与用现有的偏振镜片观看电影有着本质上的区别；4.去储存的信息量很大，远大于光盘和磁盘所储存的信息量11。全息影视与3D影视也有很多的不同点，现今主要是利用激光技术实现物体的3D画面传输。激光全息技术的研究已有40多年的历史，应用激光全息摄影技术拍摄成的全息图，它在普通室内漫射光照射下并不呈现明显的图像，如果用定向白光照明(多媒体投影机灯泡发出的白光)后可在空间再现出的三维图像，可看到的物体不同侧面和不同深度(左、右、上、下、内面等)。犹如看到原物一样。物像的后半部以虚像形式呈现在图版的后方，前半部

12、分以实像的形式呈现在图版前方的空间。实像和虚像都是看得见摸不着的，它实际上是由全息图版再现出来的一束光波所形成的13。全息术在影视方面的研究有有着不少的困难，现在也只局限于在电影院利用3D眼镜来实现，对于制作商来说，3D视频的制作成本较高，3D视频中的内容匮乏，3D视频储存量大。对于服务提供商来说，现有的网络带宽无法支持3D视频播放，部分媒体在升级到HD标准之后，并不急于投入3D行业。对于产品制造商来说，部分商品还是需要佩戴3D眼睛来观看，终端产品的显示也是很贵的。对于现在的3D影视技术还不成熟，技术繁多，混杂，3D的影视制作内容，格式，压缩方式也是不统一的12。全息术的研究和发展，促进了科技

13、的进步，近年来国内外采用数字全息三维成像6技术，以光学全息理论作为基础，以CCD为记录材料，对所记录的全息图数字化，再输入计算机，结合图像合成技术，可以获得高质量的三维图像。全息术的出现大大提高了科技的进步，让人们所普遍了解的2D今日到3D时代，尽管如今的3D技术还不是很成熟，但在科技发达的现在，将来会达到很高的高度，更会在人们的生活中起到很好的作用，尽管将来的发展困难重重，人类社会的高科技也会将他们一一克服。目前(mqin)全息术在相关产业上应用广泛：1.全息干涉计量，这是全息术诞生以来应用最广泛的领域(ln y)，它在微应力分析、表面微位移测量、形状和等高线的检测、振动分析和无损检测等方面

14、应用广泛。它解决了一般的干涉计量术以及其他干涉手段所不能解决的问题，所以该技术很快的渗透到了机械学、流体力学、空气动力学、声学、航空航天、化工、高分子化学、医学和生物学等科学领域。2.全息存储，它在存储容量方面有着巨大的优势，加上其具有冗度高、数据读取速度高和并行读取的特点。在全息术诞生时起就得到了广泛关注，在记录和存储信息(xnx)时可以达到很高的数量级，记录数据的密度之高，让它逐步走向实用方向。3.显示全息，这是光学全息应用的一个重要方面，全息显示图已经出现在了实际生活中，可以等到栩栩如生的3D立体图像，所以在艺术领域等到更为广泛的应用。他可以通过各种立体显示技术呈现出具有真实感的立体图像

15、，彩虹全息术的出现让这一技术逐步的进入商品化。4.模压全息，它广泛应用于安全防伪领域，在身份证、护照、信用卡、优质产品和名牌服装商标上，以及各类证件上应用广泛，模压全息制作的防伪标识具有不可去除性，价格低廉，容易验证等特点，它还可以与现代印刷术相结合，制作出更加容易让消费者接受的包装和标贴。全息术问世至今已有了半个多世纪，在其他方面也等到了很好的应用，它可以取代古老的光栅元件的全息光栅，在现代军事和航空领域也有很重要的应用。在显微方面可以采用全息显微术来研究物质的微观结构和生命活动等细微过程，计算机全息还可以再现不存在的物体图样。全息术在诸多领域等到了很好的应用，多年来有了很大的发展。 1.3

16、 课题研究的主要内容由于人们对信息的需求不断提高，对视听享受的要求也同样迫切需求，普通的2D平面上的影视效果已经无法满足人们的需求了，这样就要迫切需求一种实现3D的技术来满足。为了满足这种需要，大量的研究人员都致力于开发3D显示系统。许多基于不同方法的显示设备己经可以商业使用，但是研究工作的重点任然还处于改进和发展这些3D显示新技术的阶段。我们可以采用全息技术实现立体显示，光学全息的记录和再现过程可以真实的还原物体的信息，在这一方面更加能够满足社会需求，随着全息术的快速发展，影视的类别也出现了多元化，所以全息电影的出现也是必然的。本课题利用傅里叶变换全息实现立体显示，结合计算机显示技术制作的影

17、视效果较其他的视频效果在各方面都有很突出的优势，可以带给人们最真实的立体感受。主要介绍(jisho)了全息术的基本原理，全息术的记录和再现；全息术的不同的类型和利用全息术实现的不同的3D显示(xinsh)技术；傅里叶变换全息的基本原理及其相较于其他显示技术的优势。第三章是利用傅里叶变换全息的原理实现(shxin)物体的3D立体显示的设计，它是利用全息术理论应用到视频显示中，以全息术为核心，结合计算机实现物体的3D显示，呈现出物体真实的3D效果，利用这种原理可以使2D画面实现3D特效，将普遍的2D动画通过傅里叶变换全息转换为真实立体的实物特效，对实验结果的展示和分析，最后对未来全息术在影视方面的

18、发展做出了评价和展望。全息术的基本原理传统的光学成像系统，是由一些光学组件(z jin)和连续的几个透镜组成，如照相机、显微镜、望远镜、投影透镜等，这些透镜的作用是改变光场，使系统中的场分布的图像满足函数要求。传统的摄影图片的目的是使一个3D物体投影(tuyng)到一个二维的接收器平面上(如胶卷(jiojun)或数码样品平面)，在投影几何学原理上，使几何上的二维图像类似于原始的3D物体。许多光学系统成像虽具有三维立体性，当在原物不存在时不能显示出与原物同样的三维立体图像,不能将原物发出的物光波的所有信息“冻结”。传统的光学系统最突出的特征是对象被散焦时，直接影响到三维空间坐标的深度信息描述。在

19、经典光学中，无论用哪种类型的光学仪器，一个被散焦的对象会形成一个模糊不清的图像，而且模糊度很大程度上取决于所选用的光学仪器。在成像过程中，第三维深度信息的丢失，通过单一的照相图像的数字加工后只能被还原一部分。所以，普通照相所记录下来的物体光波(称信号光波)信息，只有振幅信息或者频率信息，根本不得到物体光波的位相信息，因此，显示出的物体影像只能是明暗强度变化的平面图像，而没有三维立体感。然而，人们在很长一段时间里，已经习惯地去观看被压缩在一个平面上的三维空间内的物理图像。电影演员、电视上人物的影像虽然生动逼真地呈现在屏幕上，但在任一时刻，这些影像与一张普通照片没有任何区别。现在各种类型的所谓”立

20、体摄影”，如立体电影也没有超过这个范围，它们只不过是在一张(或两张)照相底片上摄制立体景物的某几个方向的平面像，再由一个柱面透镜或偏振片做成的体视镜来观察，利用双目体视效应，就看到立体感的景物图像。总的来说，普通摄影，包括黑白摄影、彩色摄影、电影和电视，记录和再现的物体光波只是振幅或一些频率的信息，而对位相信息毫无反映。与普通照相不同，全息照相能够记录物体光波的振幅和相位，并在一定条件下再现，就可以看到物体的全部信息的三维图像，即使物体移动了，也可以看到原始物体本身所具有的全部信息，包括三维的感觉和视差。利用干涉原理，具体的物体发出的光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波波前的所有信息都储存到

21、记录介质中，所以所记录的干涉条纹图样叫做全息图。当用光波照射全息图时，利用衍射原理能再现出原始物体的光波，形成逼真的三维图像2。全息术的基本原理是利用光波干涉同时记录物体的振幅和相位，由于全息再现象光波保留了原有光波的全部振幅和相位的信息，所以再现象与原物有着完全相同的三维特性。最初盖伯提出的的全息术理论是一个两步无透镜成像过程，第一步是用照相的方法记录从一个物体散射来的光和来自同一个光源的相干的参考波互相作业后产生的干涉图，称之为全息图，这张图同时记录了波的振幅和相位。第二步则是利用适当的光波照射所得的照相底片，得到物体的再现像。人们在观看全息像时会得到与原物时相同的视觉效果，也包括各种位置

22、视差，这就是全息三维显示的理论依据。由此看来，以这种方法，全息就可以得到真正的三维图像，但是由上述的的结论而言，等到的图像也仅仅是准三维图像(无垂直视差的感觉)。在20世纪80年代后，激光的出现，让激光全息术成为了一项迅速发展的高新科技产业。 (a) 波前记录(jl)(b) 用原始(yunsh)参考波照明 (c) 用共轭参考(cnko)波照明 图2.1 全息图的记录与再现 2.1 全息图的记录 图2.1(a)所表现的是波前记录，物光波波前信息包括光波的振幅和相位，现有的所有记录介质仅对光强产生响应，所以必须设法把相位信息转换成强度的变化才能记录下来，干涉法是将空间相位调制转换为空间强度调制的标

23、准方法。物体上的散射波和参考波都来自于同一光源，因而是相干的，它的复振幅，表示，在照相底片上物光波和参考波叠加后的场为： (2-1)其中(qzhng)振幅中分别包括(boku)物光波和参考波的振幅和相位信息； (2-2) (2-3)则别记录(jl)的总光强为： 或者 (2-4)上式结果中前两项仅仅取决于两个波的光强，第三项取决于两个波的振幅和相对相位。常用的记录介质是银盐感光干板，对两个波前的干涉图样曝光后，经过显影，定影处理等到全息图。因此，全息图实际上就是一幅干涉图。全息显示的感光材料很多，最常用的是由细微粒卤化银乳胶涂敷的超微粒干板，简称全息干板。假定全息干板的作用相当于一个线性变换器，

24、他把曝光期间内的入射光强线性地变换为显影后负片的振幅透过率，则可记为： (2-5)式中，均为常数，是t-E曲线支线部分的斜率，为曝光时间和的乘积。对于负片和正片，分别为负值和正值。假定参考光的强度在整个记录表面是均匀的，则： (2-6)式中，表示均匀偏置透过率。 t 1.0 0.5 0 E 图2.2 负片的t-E曲线 对于正片0，对于负片0。如果全息图的记录未能满足上面指出的线性记录条件，将影响再现光波的质量。2.2 物光波(gungb)的再现 用一束相干光波照射全息图，假定它在全息图平面上的复振幅(zhnf)分布为，则透过(tu u)全息图的光场为： (2-7),看作波前函数，它们分别代表照

25、明光波的直接透射波，物光波机器共轭波，将它们各自的系数分别看作一种波前变换或一种运行操作。先看的系数，其中为常数，由于参考波通常采用简单的球面波或平面波，所以近乎为常数，故中的两项系数的作用仅仅改变照明光波的振幅，并不改变的特性。系数中含有，是物光波单独存在时在底片上造成的强度分布，它是不均匀的，故代表振幅受到调制的照明波前，这实际上是波经历分布的一张底片的衍射，使照明波多少有些离散而出现的杂光，这就是“噪音”信息，这个可以通过适当调整照明度使其成为次要因素。总之，,基本上保留了照明光波的特性，这一项称为全息图衍射场中的0级波。 项，当照明光波是于参考波完全相同的平面波或球面波时（即），透射光

26、波中的第三项为： (2-8)由于R是均匀的参考光强度，所以相差一个常数因子外，U3是原来物波波前的准确再现，它与在波前记录时原始物体发出的光波的作用完全相同。当这一光波传到观测者眼睛时，可以看到原物的形象,由于原物光波是发散的,所以观测者看到的是虚像,这一项称为全息图衍射场中的+1级波。透射光中的第四项为： (2-9) 当照明光波与参考波完全相同时，中的相位因子一般无法消除。如果两者是平行波，则其相位因子是一个线性相位因子，使波成为并不严格与原物镜像对称的会聚波则人眼在偏离镜像对称的某处也可以接受到一个原物的实像。若照明光波与参考波是球面波，则中二次相位因子使波发生聚散，随之发生位移和缩放，人

27、眼在偏离镜像对称位置的某处可能接受到一个与原物大小不同的实像。所以称项为全息衍射场中的-1级波。如果(rgu)照明光波恰好(qiho)是参考波的共轭波，则再现(zixin)波场的第三项和第四项为： (2-10) (2-11)此时再现了物光波前的共轭波，给出原始物体的一个实像，如图2.1(c)。再现的是物光波前，故给出原始物体的一个虚像，如图2.1(b)，由于的调制，虚像也会产生变形。波前记录是物波波前与参考波的干涉记录，它使振幅和相位调制的信息变成干涉图的强度调节，这种全息图被再现光照射时，它又起一个衍射光屏的作用。正由于这种光波通过这种衍射光屏而产生的衍射效应，使全息图上的强度调制信息还原为

28、波前的振幅和相位信息，再现了物光波前。所以，波前记录和波前再现的过程，实质上是光波的干涉和衍射的结果。以下讨论波前再现过程的线性性质：不论以哪种再现方式，除去所感兴趣的那个特定场分量外，总是伴随三项附加的场分量。所以，波前记录和波前再现看作是一个系统变化，记录时的物波场为输入，再现的再现波场为输出，这个系统所实现的变换是高度非线性的；若将记录时的物光波作为输出，再现时的透射场的单项分量或作为输出，这样定义的系统就是一个线性系统。利用线性系统的概念有助于简化对全息成像的分析14。 2.3 全息术的发展与基本类型 全息技术是一门以光学为基础的学科，利用光学原理制作出各种与生活和生产有关的产品，广泛

29、应用到人类社会中。全息术至盖伯于1948年提出至今，便有学者开始对全息术进行研究，由于当时的条件限制(没有很好的相干光源)，全息术的发展比较缓慢，50年代由罗杰斯等人的工作大大扩充了波阵面的再现理论，但是由于“孪生像”问题和光源相干性的限制，1955年以后，全息术进入了低潮期，直到1960年激光器的出现，全息术才得到了迅速发展。全息术的发展已经渗透到了社会生活中，广泛应用于近代科学研究和工业生产中，特别是现代测试、生物工程、艺术、商业、保安和存储技术等方面。有更多的全息术产品应用到实际生活和生产中，多多的走向市场。全息术的发展大致可分为4个阶段：2.3.1 同轴全息术盖伯最初提出和实现的全息图

30、就是一种同轴全息术。这一阶段主要是在1960年激光器出现之前，这种技术获得的物体再现像和照明光混合在一起，不容易观察。1948年，盖伯为了(wi le)提高电子显微镜的分辨率，在布拉格的“X射线(shxin)显微镜”和“泽尼克的相衬(xin chn)原理”的启示下，提出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方法(图2.3)，并用实验证实了这一想法。为了进一步证实这一想法，他又用了电子波和可见光进行了实验，在可见光中得到了证实，并得到了第一张全息图。一直到20世纪50年代末期，全息照相都是采用汞灯作为光源，这所谓的同轴全息图，它的1级衍射波的分不开的，这就是所说的“孪生像”问题，不能获得很好的全息

31、图像。这是第一代全息图，是全息术的萌芽时期，只要存在两个问题，一是再现的原物像与共轭像分不开，二是没有很好的相干性光源。 物体 衍射波光源S 直接透射波(a) 记录 y 虚像 x 实像 H光源S (b) 再现图2.3 同轴全息术的记录与再现2.3.2 离轴全息术为了消除全息图中孪生像的干扰，1962年美国密执安大学雷达实验室的利思和乌帕特立克斯提出了离轴全息术，也叫偏斜参考光全息图。由于激光器的出现，提供了高相干度的光源，离轴全息术是利用激光器作用的激光记录和激光再现的全息术。它利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生3个空间互相衍射的分量，其中一个复制出了原始物光，由此，解决了同轴全息图所产

32、生的两大问题，产生了激光记录和激光再现的全息术，这就是第二代全息图。离轴全息术的出现让沉睡了十几年的全息术领域得到了新生，进入了迅速发展的年代，这之后也相相继出现了多种全息方法，在信息处理，全息干涉计量，全息显示，全息光学元件等方面等到了广泛的应用。由此可见高想干度激光的出现是全息术发展的巨大推动力。2.3.3 白光再现(zixin)全息术由于激光再现的全息图失去了色调信息，人们开始致力于研究第三代全息图，第三代全息图是利用激光记录和白光再现的全息图，例如反射全息，像全息，彩虹全息和模压全息等在一定条件(tiojin)下赋予全息图以鲜艳的色彩。一个叫班顿的人利用激光记录，再用白光还原影响还原的

33、方法，使这项技术逐步走向实用方向。2.3.4 白光全息术利用白光制作全息图，用激光或白光照射再现观察，这是全息术的最高阶段，尽管有不少人在这方面做出很多的工作(gngzu)，但是没有突破性的进展。激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件，光源和记录介质的相对位置严格保持不变，并且相干噪声也很严重，这对全息术的实际实用带来了种种不便。所以，科学家们又回过头来继续讨论白光记录的可能性，第四代全息图有可能是白光记录和白光再现的全息图，他最终会使全息术走进实验室，进入广泛的实用领域。以上大致介绍了全息术的发展历史和全息术的发展过程，其实全息术有很多不同的类型，按照不同的类型也分为很多不同的种类，例

34、如：根据记录媒质的厚度和条纹间距之比，可分为薄全息图和厚全息图；通过复振幅透过率的调制变量的不同，可分为振幅型全息图和位相型全息图；根据记录时物光和参考光的方位情况，可分为同轴全息图和离轴全息图；根据记录时物光和参考光在干板的同侧还是两侧，可分为透射全息图和反射全息图；还可以根据记录的物体与干板的距离，分为菲涅耳型和夫琅和费型全息图；根据制作时光源的性质，可分为连续波激光全息图和脉冲激光全息图等等。全息术不仅仅用于光波波段，也可用于电子波，X射线，声波和微波波段。其实离轴全息术的理论就是来自于微波领域的旁视雷达微波全息图。正如盖伯在获得诺贝尔奖时说的哪样，利思在雷达中用的电磁波长比光波波长长1

35、0万倍，而他自己本人在电子显微镜中所用的电子波长又比光波段10万倍。他们从一个事物的两个相反方向的研究，这说明科学的发展总是互相渗透，互相影响的10。2.4 基于全息术的3D显示全息显示利用的是全息照相技术能重现物体的三维立体图像的特点，重现出来的图像具有3D视觉，形象逼真，所以全息术的发展前景很可观，可以应用到各个领域中去。它用来复制历史艺术品，全息肖像等有很好的效果，也可用来超深景照相，使远距离和近距离的景物同时出现在底片中，从而实现再现像中的层次感，很好的达到3D效果。全息显示常用的有：透射和反射全息显示，像面全息，彩虹全息，真彩色全息，合成全息和模压全息等多种类型。其中透射全息需要激光

36、再现，其余的需要白光再现，从而在白昼自然环境中达到很好的三维图像。今年来模压全息进入到了人们的生活中，利用模压全息制作出的浮雕艺术和照相技术相结合，多层次体现三维效果，极具观赏价值，也便于携带和保存。现有的全息技术已经广泛应用于防伪标识，贺卡，商标和图书插图等方面，国内外都已形成了一个巨大的行业。以下介绍几种常用(chn yn)的全息显示技术：2.4.1 透射式全息(qunx)显示技术投射式全息是一种(y zhn)最基本的全息显示技术(图2.4)，记录时利用相干光照射物体，物体表面的反射光和散射光到达记录干板后形成物光波，同时引入另一参考光波照射记录干板，对记录干板曝光后就可形成干涉图样，就是

37、全息图像。再现时，利用与参考光相同的光波照射干板，则人眼可以在透射光中观看干板，就可以在与原物相同的位置看到原物的图像，此时的像是虚像，如果利用与参考光波的共轭波相同的光波照射记录干板，则从干板右侧射向记录干板而会聚一点的球面光波，经过记录干板衍射后所形成原物的实像。由于投射式全息显示的图像逼真，观看效果极佳。由于投射式全息需要利用激光记录和再现，所以在照射过程中会带来散斑效应的弊端，就会在再现图像上出现微微小而随机分布的颗粒状结构。 图2.4 透射式全息的记录(a)与再现(b)2.4.2 反射式全息显示技术 为了克服透射式全息无法利用白光再现的缺陷，人们又发展了反射式全息技术(图2.5)。反

38、射式全息是将物体放于全息板的右侧，相干光源从左侧照射全息板，将直接照射到全息板上的平面光作为参考光，而将透射过全息板的光照射物体，再由物体反射回全息板的光作为物光，这两束光干涉后就可形成全息图像。记录时物光和参考光由全息板两侧入射，所以全息板上的干涉条纹与全息板是平行的，再现时，利用光源从左方照射全息板，全息板上的各条纹层对再现光产生反射，在反射光中观看全息板，就可在原物上看到再现的图像。 图2.5 反射式全息技术(jsh)的记录(a)与再现(zixin)(b)2.4.3 像面式全息显示(xinsh)技术对于普通投射式全息图而言，当再现光波长与记录时的光波长不同时，或再现光源为非理想点光源而有

39、一定空间扩展时，再现像点将会发生弥散变得模糊，由这两种原因造成的像点模糊量都与像点和全息板的距离成正比，所以，假如记录时让物点落在在全息板上或很靠近全息板，则有普通白光扩展光源再现时，像点的模糊量让然可以小至可以接受的范围。因实际物体无法嵌入全息板，所以可以采用通过透镜成像于全息板的附近，同时引入参考光波与其干涉的方法记录全息显示图像，即可等到全息显示图像。这种成像技术有两种方法，一种是透镜成像，另一种则是利用全息图的再现实像作为物光波。后者通常先对物体记录一张菲涅耳全息图，然后用参考波的共轭光波照射全息图，再现物体的实像。2.4.4 彩虹全息显示技术彩虹全息和像全息一样，也可以用白光照射再现

40、。不同的是，像全息的记录要求成像光束的像面与记录干板的距离非常小，而彩虹全息则没有这种限制。彩虹全息是利用记录时在光路的适当位置加狭缝像，观察物体时收受到狭缝再现像的限制。当用白光照明再现时，对不同颜色的光，狭缝和物体的再现像位置都不同，在不同的位置能看到不同颜色的像，颜色的排列位置与波长的顺序相同，像彩虹一样，所以这种就叫做彩虹全息。由于彩虹全息术的出现，给全息显示注入了新的活力，众多研究人员对其进行改进，如将单狭缝改为多狭缝，就可以在同一角度观看到的再现像具有与实物一样的色彩，或对黑白图像进行假彩色编码。因人眼对色彩的分辨能力远远超过对灰度的分辨能力，这种假彩色化法可以极大提高对图像的判读

41、能力。现今还提出了双孔径彩虹全息显示图像和大角度环孔径彩虹式显示图像。前一种是在普通光源下，将再现像的分辨率大大提高，并能由一体视对平面图像合成无需佩戴眼镜观看的立体三维图像。后一种则是将单缝孔径变为大直径的环形孔径，从而实现360环视的再现像，在白光照射下，可绕全息板一周以观看物体所有侧面的再现像。2.4.5 模压式全息显示(xinsh)技术模压(my)全息术是20世纪(shj)70年代提出的用模压方法复制全息图的一项新技术。模压全息与凸版印刷术类似，所以又成为全息印刷术。全息印刷术的出现解决了全息图的复制问题，利用这项技术可以使全息图大规模生产，使全息图迅速商品化。模压全息图的制作，从技术

42、上来说可分为三个阶段：白光再现浮雕型全息图的制作，电铸金属模板和模压复制。模压式全息显示图像最大的优点是可以大规模生产，一个优质的模板可连续印压100万次以上，故全息显示图像的成本大大降低。2.4.6 计算机全息显示技术最后简单介绍一下近年来发展颇为迅速的计算机全息显示图像，简称为CGH。既然全息显示图像属于一种干涉图样，假如能利用计算机直接产生出这种图样，则无需再采用光学设备实地记录了。计算机全息显示图像目前已在图像处理和干涉计量等领域内获得了广泛的应用。它同样亦可应用于立体三维图像显示，仅是成像质量仍需作进一步的改进。值得指出的是将光学与电子学技术有机结合一起，发挥其各自的优势，将是实现立

43、体三维显示的一种有效途径19。如今全息术应用于各种领域，这将会为全息术的发展提供好的基础，将全息术实现数字化，即可实现3D图像，视频等。光学全息术可望在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感，研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程（如爆炸和燃烧）等各个方面获得广泛应用。从全息思想的提出至今已经有了半个多世纪的时间，期间，全息术取得了很好的成就，相信在今后的生活和生产中起到很关键的作用。2.5 傅里叶变换全息2.5.1 傅里叶变换全息的记录假设放在前焦面上的物体分布为，则通过透镜后的后焦面上的频

44、谱函数为： (2-12)x，y分别是后焦面上(min shn)的坐标(如图2.6)。这样照在全息干板上的光振动(zhndng)是分为物体频谱光和参考光，则物频谱光为： (2-13)参考(cnko)光为： (2-14)则干板上得到的光强分布为： (2-15)之后可以进行对底片的处理，如果底片的处理是线性的，则底片的透过率可表示为： (2-16)其中透过率项中包含和两项，这两项经过透镜的傅里叶变换后得到原始像和共轭像。 图2.6 傅里叶变换全息的记录2.5.2 傅里叶变换全息的再现将全息干板还原，用波长为,振幅为平行光照射，则全息图上的光振动可分为四个部分： (2-17) (2-18) (2-19

45、) (2-20)其中(qzhng)项为一个(y )常数，它代表有一定振幅的平行于光轴的一束平行光，经过透镜L傅里叶变换后会在透镜后焦点上形成一个亮点；则是经过傅里叶变换(binhun)后物体分布的自相关函数，形成焦点附近的一种晕轮光。以下讨论和项，对项做傅里叶变换，除去常数项，则可以得到：，由此可以看出分布与物体分布一样，而且坐标反转，而且在方向上移动了个单位，这项称为原始像的复振幅，中心位于反射坐标系的处；对项做同样的处理，可以得出剩余项：，表示在方向上移动了b个单位，这项是共轭项的复振幅；其中这两项都是实像(如图2.7)。 为了使再现像不受光晕的影响，假设物体在y方向上的宽度为m，则必须使

46、，在记录光路过程中要保证这一点。图2.7 傅里叶变换全息的再现 2.5.3 傅里叶变换全息的特点傅里叶变换全息(qunx)过程中的衍射像能够分离出来，有利于加入参考光来进行再现过程，制作出来的傅里叶变换全息图的分辨率不受物体本身的精细程度的影响，而是取决于全息图中的光栅精细度，而再现像的分辨率取决于空间频率的高低，空间频率越高，则获得的信息越多，分辨率就越高，这一特性可由透镜的孔径大小来调节。由于傅里叶变换全息所产生的干涉条纹是有序的，所以我们可以结合计算全息，将产生的全息图呈现在计算机内，有利于记录全息图的形成过程。傅里叶变换全息采用(ciyng)的光源是激光光源，我们可以用实验室常用到的H

47、e-Ne激光器来提供(tgng)光源，所以采用傅里叶变换全息的实验设计方便，实验仪器上也很容易找到，操作方便，较其他全息原理易于实现。本课题利用傅里叶变换全息与数字全息相结合，充分利用了傅里叶变换全息的设计特点，结合数字全息来实现全息图的制作，将这一过程推广到影视的实现方面，真正实现裸眼全息显示。 第3章 傅里叶变换全息(qunx)制作影视的设计3D图像显示是人类多年来的理想，对它的研究已经有了很多年的历史，研究人员研究过各种立体图像的技术，并在彩色摄影和彩色电影的基础上出现了立体摄影和立体电影显示技术。为了实现全息电影，各国物理学家和电影技术专家们进行(jnxng)了研究，提出过多种方案：例

48、如散射板法，大透镜法，大反射镜法和有区域的全息屏幕法等，但是这些3D显示方案不是(b shi)影像亮度太低，就是视场范围有限，不能满足大量观众的观看需求，所以这些方案作为影院式全息电影是不合适的。为了满足这一需求，这可以利用傅里叶全息术。物体的信息都由物体光波所携带，则全息记录了物体光波，也就记录了物体的所有信息。事物的信号可以在空域中变现出来，也可以在频域中表示，也就是说物体或图像的光学信心表现在它的物体光波中和它的空间频域中，这种用全息方法记录空域中的物体光波，也可以在频域中记录物体频谱的全息记录叫做傅里叶全息。3.1 设计思路要实现傅里叶变换全息可以采用平行光照明和点光源照明两种基本方式

49、，激光是一种高相干性的平行光，实验设计采用He-Ne激光器做照明光源，利用分束镜分别照射物体和小孔，将物体放置于透镜前焦面上，经过激光照射后在共轭面位置可以得到物体光波傅里叶频谱，再引入参考光与之产生干涉，经过调制(包括干扰信息的过滤)，干涉图样上就可以记录光波傅里叶变换光场的全部信息，这样就可以在点源的共轭面上傅里叶变换全息图的再现。 图3.1 实验设计结构图He-Ne激光器提供照明光源，经过分束镜形成照射物体的光和参考光，利用(lyng)傅里叶变换全息原理实现物体的记录和再现过程，再将信号接入CCD中直接(zhji)传输到计算机，充分利用CCD的带宽特点，物体的高频(o pn)信号被充分记

50、录下来，计算机中就可以显示出所获得的全息图(如图3.1)。 图3.2 空间滤波器空间滤波器(图3.2)可以提高信息光波的亮度，获得高频信息，将干扰信息过滤，移除干扰信息的影响，将频谱光移动至频谱面中心，从而等到全息面上的频谱光分布。3.2 实验(shyn)步骤实验(shyn)仪器：He-Ne激光器，分束镜，反射镜，空间(kngjin)滤波器，透镜，全息干板等。第一步：打开激光器，调节激光器使射出的光线与试验台平台平行，激光束的与小孔相匹配，由于小孔和透镜的变化范围很小，所以激光束的高度与中心最高的透镜为标准；第二步：放入反射镜和分束镜，调节镜面的角度，使经过分束镜和反射镜的激光束与实验平台平行

51、；第三步：放入显微物镜，调节高度，使射出的激光束呈现对称分布，放入空间滤波器，调节其与透镜的相对位置，使其位于透镜的焦点面上，调节透镜与镜面的位置，让激光束穿过透镜的光心；第四步：此时形成一个光场被压缩的空间像，它位于透镜的焦点附近，调节参考光路的反射镜位置，要求物体光路的光程与参考光的光程相等，两者在同一点上，用一光屏放于的后焦点位置，就是全息干板；实验原理图(如图3.3)： 图3.3 实验原理图 图3.4 实验(shyn)光路图激光光束在经过分束镜后分别形成物体照射(zhosh)光和参考光，参考光经过透镜的傅里叶变换后与物体的频谱光干涉可在光屏上得到傅里叶全息图像，物体光是在傅里叶透镜的前

52、焦点(jiodin)附近形成一个三维图像，再通过透镜形成一个放大的空间图像，则屏幕上就会看到若干个点像，在不同的位置可以看到不同的像，所以人眼在移动过程中就会看到立体的物体图像(图3.4)。将图像信息接入CCD中，经过CCD的将物体的高频信号很好的记录下来，在计算机中显示数字全息图。注意事项：实验过程中要必须保持实验仪器一试验台的水平；尽量减少物体频谱光与参考光到达底片的光程差，在到达时使两者夹角尽量小，这样有助于消除光晕，参考光与频谱光应落在同一点上；实验中仪器的放置位置要准确；在实验过程中注意安全，不要让激光射入眼睛。3.3 影视的放映要使3D图像动起来，才能真正的获得全息影视，在全息图的

53、记录过程中，要消除其中的振动的影响，这一点可以利用激光消除，激光的稳定性高，产生的负面影响小，这样会使动态的画面不会产生停滞和画面缺失的效果，减少对被摄物体的限制，所以利用傅里叶变换全息完全可以做到这一点。我们可以利用傅里叶变换全息原理将一个2D动画转换成3D动画，这就是所说的3D电影。通过以上步骤可以在屏幕后面得到无数个来至于物体的点像，就像是在空间分布那样，通过底片上二维画面的动作，原物上一个点的变动就可以带动屏幕上那个点在空间上的变动，这样我们看到的屏幕上的物体就是三维立体的物体变化。 实际(shj)物体在通过傅里叶变换全息转换后可以等到一个与原始物体完全相同的像，当人眼在观察像时不时地

54、移动，就可以在不同的方向看到物体不同的部位，但是当人眼不动时，怎样才能看到物体的3D动画，这个就要(ji yo)利用2D画面的特性，我们(w men)可以将正在播放的2D画面当成原始物体，这样经过傅里叶变换全息后就可以看到一个动态的3D画面。 图3.5 人眼观看全息电影时的水平剖面图物光束经过透镜L2傅里叶变换后在前焦点形成一个3D影像，再经过放映镜L1形成一个空间影像O1(如图3.5)。则人眼就会在银幕上看到物体的点像，在每个观察带都可以看到一个单一的影像，但是由于人眼的透视特性，人眼发生一定的偏转就会使透视发生改变，如同真实物体发生的一样。3.4 设计结果和分析根据CCD型号和单位像素采集

55、到全息图，如图3.6(a)，再利用像素数值重现全息图的再现像，如图3.6(b)，得到再现像后，再对其进行图片增强和图片质量的处理得到再次处理后的全息图，如图3.6(c)。(a) 数字(shz)全息图 (b) 处理(chl)后的再现像 (c) 二次处理(chl)的再现像图3.6 计算机获得的全息图 此次实验相对于其他全息显示来说，实验设计的光路装置简单、易于操作、便于实用，实验过程中也充分利用了CCD的空间带宽，严格遵循实验的要求就可以得到效果极佳的全息图。利用傅里叶变换全息可以将2D的动画转换为3D立体动画，但是这种方法也存在很大的困难，它所需要的材料很苛刻，影视的声音和画面质量也不好等到很好

56、的保证，由于是利用激光再现，这样就会在再现的画面中产生噪声，传输的速率慢，会给声音的记录和再现带来困难。上述实验是利用傅里叶变换数字全息实现3D立体影像，这只是将来完成这一任务的初步研究，实验中的照明光源可以用其他光源来替代也可以实现傅里叶变换全息，再利用其他设备的组合来实现。总 结重新理解了光学全息术的知识，也收集了不少其他书籍来一起了解。了解了光学全息术在各种类型，及其产生方法和用途，开阔了知识面，也知道了现今出现的3D电影也是依靠全息术的基础才产生的，知道了全息术的用途广泛，生活中也碰到过由全息术所制作的产品，开始慢慢地感慨人类科学的进步，它与人类的社会生活息息相关，更多的促进社会的发展

57、。了解了傅里叶变换在科学研究中的作用，傅里叶变换是制作全息视频的核心基础，在科研中傅立叶变换是多么的重要，它是实现光学全息电影的保证，有了这个基础，在今后的不断发展中，会出现更多先进的社会产物来促进人类的进步的。 论文设计了利用傅里叶变换全息实现物体的3D图像显示，根据傅里叶变换全息的原理利用透镜成像在狭缝中实现拍摄，这种设计的实验简单，直接可以在实验室中实现操作，较普通的光学实验复杂，需要严格的实验操作，但是对实验总体来说，完成实验也是很简单的，只要规范实验操作，就可以得出很好的实验效果。此次实验设计是利用傅里叶变换全息来实现3D显示，这是实现全息电影的最初步骤，其次由于实验本身的方便性，可

58、以在短时间内实现多次实验，方便得出跟好的结论和分析。全息术的发展是一个时代的进步，它注定在未来的生活中起到很高的作用，不管在物质和精神方面。我相信将来的全息术产品会应用到各个领域中去，数字全息术的开发和发展，必将带动全息术进入更加高新的领域，不管在军事，人类生活，化学工业等方面得到很好的应用，目前的全息术广泛应用于多媒体业，商业展示等领域，利用投影技术实现立体显示，实现穿越空间的全息显示，在商业方面可以实现立体空间悬浮展示，更加丰富了人们的视听享受。全息术在影视方面的发展必将取代3D显示，它更能直接的让人们体验到立体图像的神奇效果，未来全息术的发展会更加多元化，能够普遍适用于人类社会，甚至会普及(pj)到人们的家庭影视中去，我们可以直接在家里看到立体显示的影视，尽管现在的全息术发展存在很大的困难，我相信在未来的时间里，它会给我们带来更多的“惊喜(