全息三维显示技术简介.doc

第9章 图像的全息显示 9.1 引言 众所周知，人们对物体的三维立体视觉是由双眼视差产生的，一切能使人眼产生双眼视差的光学装置或结构就能产生三维立体视觉。自出现三维立体显示技术以来，三维立体显示方法和技术已越来越丰富多彩，现在常见的立体显示光学装置有红绿眼镜、正交偏振片眼镜、利用全反射原理的柱面光栅、专用光学立体图像观察装置以及最近出现的层析复合图像立体显示器等等。其他实现立体显示的技术还有由快速电子快门实现左右眼图像分离的屏幕立体显示、人眼光轴调节实现双眼视差的计算机设计立体图片等等。在诸多的三维显示技术中，全息技术的立体显示更显特别，它在全息记录材料上记录的是物光波的振幅和位相信息，全息图再现的是物光波，不是一对或几对立体图像。此外，用全息方法也可实现体视三维图像显示，它的特点是观察时无须其他光学器件辅助。 全息图像显示最直接的方式是激光再现全息，如图9.1所示。以激光作为光源记录全息图H，再以与原参考光一致的再现激光照明全息图，在全息图平面上得到与原记录物光完全一致的再现光。对相干长度有限的激光器，如He-Ne激光，被记录物体的大小或景深非常有限，这时应采取对物体分区照明的方法扩大被摄物体的景深，详见参考文献[9-1]。对相干长度较长的激光器，如带标准具的Ar+激光器，记录的场景可达数米。激光再现全息图的缺点是再现光必须用激光，这在很大程度上限制了它的使用。 （a） （b） 图9.1激光全息的记录与再现 （a）记录 (b) 再现 激光再现全息的另一种类型是脉冲全息，全息记录通常在防震的全息台上进行，记录的物体一般为静物，而脉冲全息无须在全息台上记录，并可对生物或其他运动物体进行全息记录，它的记录光源是脉冲的宽度相当窄的脉冲激光器。脉冲全息在在全息干涉计量和全息电影中有广泛的应用。 第五章中已介绍过，用白光再现原来应当用激光再现的全息图，会出现严重的色模糊。研究如何用白光再现全息图像是显示全息的主要研究内容之一。现在实现白光再现全息通常有三种方法：像面全息；彩虹全息；反射全息。用这些手段又可制作多种类型的全息图，例如彩色全息，合成全息，消色差全息等等。三种白光再现方法分别采用了不同的原理消除色模糊，本章节中将主要介绍彩虹全息以及其他几种白光显示全息。近几年来，一种新的与计算机紧密结合的数字像素全息出现在市场上。在制作方法上，它与常规的显示全息不同，它的效果很难用通常的全息技术得到，在本章的最后将对此略作介绍。 随着全息技术的不断成熟和发展，全息技术正逐渐从实验室走向市场。市场上已见到越来越多的全息防伪标贴、全息贺卡、全息包装材料、全息艺术图片等等。可以认为，全息显示技术是一项非常有前途的三维立体显示技术。随着材料科学的进步和光电器件的发展，它已显示出强大的生命力。在不久的将来，大幅全息图片广告，全息艺术人像照片，甚至全息电影、全息电视、全息激光打印机、全息立体显示屏幕、全息显微显示等全息三维显示技术会越来越多地走进我们的日常生活。 9.2 彩虹全息图 9.2.1线全息图消色模糊原理 为理解彩虹全息实现消除色模糊的原理，先分析白光再现普通全息图产生色模糊的过程。图9.2是用白光点光源再现普通全息图的示意图。为分析简便起见，设记录的物光是点光源，再现时被衍射成色散的像。像O(和O(的波长分别对应(A和(B。人眼在P点观察，白光照射在全息图A点，该点仅有波长为(A的衍射光进入人眼，而在全息图B点仅有波长为(B的衍射光进入人眼。人眼同时观察到了O(和O(，所以人眼看到的色散像是由全息图的不同区域衍射不同波长的光进入眼睛造成的。(A和(B的大小由A点和B点处全息图的空间频率以及再现光源和观察位置确定。如果把记录物光波的面积限制在一窄条上，仅有(A进入人眼，这时人眼看到的像是单色像O(，也就是消除了色模糊。如人眼在P(点观察，进入人眼的波长为为另一波长(B，对应的像是O(。所以人眼沿着与窄条垂直方向移动时，观察到的像的颜色发生变化。从以上说明看出，窄条全息图，或称为线全息图能有效地消除色模糊。 图9.3 多点构成的线全息图 以下再分析一下由多点构成的线全息图的情况。如图9.3所示，连续分布物光场中OA、OB、OC对应的线全息图为A、B、C。显然，如果线全息图A、B、C的空间频率不完全相同，并且每一线全息图的同一衍射波长(A衍射至同一观察位置P点，则人眼将能同时观察到三个点的单色像。如果物光场中的每一点都是如此，物光场上的每一点的信息都被限制在不同的窄条上，并每一窄条同一波长的衍射光会聚于同一点，则人眼在该点观察时，就能同时观察到完整的单色像。与观察单点像类似，人眼在垂直于线全息图方向移动时，将观察到不同颜色全息像。