姜兴兴,孙 欣,梁 健,席思星,党军杰,程芹飞

(青岛大学物理科学学院,山东青岛266071)

全息柱面光栅的设计及其在立体显示技术的应用

姜兴兴,孙 欣,梁 健,席思星,党军杰,程芹飞

(青岛大学物理科学学院,山东青岛266071)

根据傅里叶全息光学的基本原理与柱面光栅的分光特性,提出了用马赫-曾德尔光路制作柱面光栅的方法,用其实现图像的立体化.全息柱面光栅是全息术与图像立体化技术的有机结合,制作方法简单,具有一定的实用价值.

柱面光栅;立体化;全息术

1 引 言

立体显示技术能够使缺乏层次感的平面图像再现三维立体世界的丰富多彩富有层次感的真实情景,因而很早就受到了人们的关注和研究.其中有一种立体图像显示的方法称之为柱面光栅成像法,该方法结合了摄影技术和近代光学的理论,能使平面图像逼真地再现具有层次感的三维信息,直接地观察现实分布状况[1],从而获得全真的信息,因此在医学、军事、广告以及立体电影等领域备受关注.

全息术是1948年英国科学家Dennis Gabo r为提高电子显微镜的分辨率在Bragg和 Zernik的基础上提出的[2],即利用光的干涉衍射原理,实现特定物光波信息的记录与再现.激光器的产生极大地促进了全息术的发展.全息光学元件,作为全息术的一个重要研究领域以其体积小、重量轻、制作简单、精度优良等特点在现实生产生活中有广泛的应用.

2 全息柱面光栅的成像原理及设计

人具有立体视觉的能力,是由于人有2只眼睛,他们从不同的方位获取同一景物的信息,各自得到景物的二维图像,这2幅图像有着微小的区别,称为像差.人的大脑通过对左右2幅图的像差进行分析和处理后,可以得到关于景物的形状、色彩、空间分布等信息[3].因此立体显示技术中,像差是一个非常重要的参量,其直接决定了图像的立体化效果.

传统的柱面光栅是基于几何光学的基本原理,现依据傅里叶变换光学的基本原理,通过多次曝光,设计一全息柱面光栅,并用其实现图像立体化的目的.

为达到传统柱面光栅的功能,采用全息透镜制作的同轴光路——马赫-曾德尔光路,见图1.

图1 马赫-曾德尔光路

激光器发出的红光(λ=632.8 nm)经过分束镜均分为2束:其中一束经过反射镜、扩束镜、准直物镜得到平面参考光;另一束经过反射镜、扩束镜、准直物镜以及柱面镜得到物光波——柱面光.感光底片记录下2束光干涉的结果.

制作如图2所示:将光学元件按马赫-曾德尔光路排好,调平光路,根据所要制作的全息柱面镜的焦距f=3 cm(相对λ=632.8 nm红光)与柱面镜的焦距 f′控制好柱面镜与感光底片的距离 s(s=f+f′).狭缝的宽度取作8 mm,曝光时间为45 s.完成1次曝光后,将底片平移8 mm,重复曝光过程,如此重复8次.曝光后的底片经过显影、定影、漂白及晾干就得到了全息柱面光栅.

图2 全息柱面光栅的制作

柱面光与平行光相干叠加得:

线性冲洗[2]:

全息柱面光栅记录的干涉条纹与衍射效果如图3所示.

图3 全息柱面光栅记录的干涉条纹与衍射效果

激光器发出的光经过扩束镜与准直物镜得到的平面参考光入射[2]:

部分光经过全息光栅的调制,发生了与传统柱面光栅折射作用下的相同的偏折,在前方发生了汇聚(图4).

把六镜头立体相机拍摄的不同图像通过精密仪器冲洗在同一相纸上或将普通的平面图像经过立体化编码后生成一定位错相间的图像信息,再用计算机将这些图像进行交叉处理,进行打印,便可得到立体化的平面图像.平面图像反射的部分光经过全息柱面光栅的调制作用,各像带发出的光按特定的方向出射,不同像带的光携带着像差入射到人的左右眼,形成立体像.

图4 全息柱面光栅的分光效果

人的左右眼通过柱面光栅可看到图片上连续的6个像带,每个像带的宽度为d.像带1是景物的最右边,6是景物的最左边.1与2,2与3,3与4……形成像对[4].图5所示的是3与4像对形成的立体像,当从另一个角度观察时看到的是其他像对形成的立体像.

图5 全息柱面光栅立体化功能示意图

3 结束语

用全息柱面光栅实现图像立体化在理论上是可行的.在观察用柱面光栅成像法实现的立体图时,观察者不需要佩戴特定的眼镜等辅助工具,眼睛不受限制,是完全自由的,故该立体成像法具有更大的灵活性和实用性.此外,用该方法制作柱面光栅简单易行,可操作性强,成本低廉,并且制得的光栅表面光滑,能够满足特定的应用需求.

要用全息柱面光栅达到清晰地立体成像的效果,其衍射效率还有待于进一步提高.另外,若在切割、移动感光底片时采用自动化装置(如精密切割机、步进机等),制得的光栅的平行度还可以进一步改善.同时,由于该光栅的分光是基于干涉-衍射的原理,对于不同颜色的光,其焦距是不同的,因此对于彩色图画,色差也是一个必须考虑的问题.

[1]陈君.基于光学/数字图像处理的平面图像立体化技术[J].光电子·激光,2005(2):1 550-1 552.

[2]赵凯华.新概念物理教程·光学[M].北京:高等教育出版社,2004:255-259.

[3]王元庆.基于LCD的自由立体显示技术[J].液晶与显示,2003,18(2):116-120.

[4]韩红梅.柱面光栅在立体画中的应用[J].河南科技学院学报:自然科学版,2006,34(4):74-76.

[责任编辑:郭 伟]

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

姜兴兴(1988-),男,山东昌邑人,青岛大学物理科学学院2006级基地班本科生.

孙 欣(1957-),女,山东青岛人,青岛大学物理科学学院教授,主要从事激光全息、计算全息方面的研究.