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1、第9章 图像的全息显示 彩虹全息图合成全息技术彩色全息术全息图的复制1常见的立体图像显示方法 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 层析复合图像立体显示器 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2图像的全息显示 全息技术的立体显示再现的是物光波，不是一对或几对 立体图像无须其他光学器件辅助 全息图图像显显示最直接的方式是激光再现现全息，以激光作 为为光源记录记录 全息图图，再以与原参考光一致的再现现激光照 明全息图图得到与原记录记录 物光完全一致的再现现光 对对相干长长度有
2、限的激光器，被记录记录 物体的大小或景深非 常有限，这时应这时应 采取对对物体分区照明的方法扩扩大被摄摄物 体的景深,对对相干长长度较长较长 的激光器，记录记录 的场场景可达 数米3白光再现现全息 用白光再现全息图，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 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 近几年来，出现了一种新的与计算机紧密结合的数字像 素全息，制作方法与常规的显示全息不同，效果很难用 通常的全息技术得到 全息技术正逐渐从实验室走向市场，全息图的大批量
3、复 制技术起了很大作用4线线全息图图消色模糊原理 设记录的物光是点光源，白光再现时，像o和o的波长分别对应A 和B。人眼看到的色散像是全息图不同区域衍射的不同波长光 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 窄条全息图，或称为线全息图能有效地消除色模糊。PPOOAB图9 .25彩虹全息图图消色模糊的必要条件 多点线全息图中每一点的信息都限制在不同的窄条上，当每一窄条同 一波长的衍射光会聚于同一点，就能观察到完整的单色像 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，颜色 的分布就象雨过天晴的彩虹一样，所以又称为彩虹全息 以
4、彩虹全息方式观察到完整像有两个必要条件：实现线全息图和线全 息图的同一波长的衍射光会聚于空间同一狭长区域 POAOBOCABCP6两步法彩虹全息图图的记录记录 H2置于H1的衍射实实像附近，实实像上的每一点的信息均被限制在不同的 窄条区域上，实现实现 了线线全息图图 另一方面，每一线线全息图图的物光均来自同一狭缝缝，当H2由共轭轭光路再 现时现时 ，每一线线全息图图的同一波长长衍射光将会聚同一狭缝缝位置 所以带带狭缝缝的两步记录记录 方法满满足了彩虹全息的两个必要条件，实际实际 上，狭缝缝S可以看成是H2的物，共轭轭再现现H2时时，将会再现现出狭缝缝的实实 像， 图图中只画出了红红色和蓝蓝色狭
5、缝缝，人眼在狭缝缝的实实像处观处观 察，进进入人 眼瞳孔仅仅是单单色光，看到的是单单色的清晰图图像H1IH2IH2红色狭缝像蓝色狭缝像7两步法和一步法记录记录 彩虹全息比较 二步法优点：记录全息图的观察范围比较大采取合适的记录光路有较大的能量利用率缺点：二步记录制作过程比较烦琐全息图的噪声较大 一步法优点：噪声小，制作步骤简单缺点：观察范围受成像透镜相对口径限制制作大体积物体需成本高昂的高质量大口 径 透镜 除一步法和二步法外，还有像散彩虹全息，综合狭缝法 ，条形散斑屏法，零光程法，一步掩膜法等 实际工作中最常用的还是二步法 8彩虹全息图图的像质质 （1）单色性：单单色性描述全息像的色彩纯纯度
6、，衍射光波长长范围围 在至+内，/称为为全息像的单单色性，狭缝缝窄，观观察距离 远远，参考光入射角度大，获获得的单单色性较较好。 （2）色模糊：在人眼的分辨限度内,|I|=1mm, 前后景深可达 100mm。 (狭缝一般取310mm) （3）线线模糊：以人眼的分辨极限内，灯丝丝比较较集中的白炽炽灯照 明下，全息像较较清晰；面光源照明下，全息像会非常模糊 （4）衍射受限：彩虹全息图狭缝是光学系统的光栏，在狭缝方 向和垂直狭缝方向的分辨率不一样，狭缝缝不能太窄 （5）全息像差：在再现现波长长与记录记录 波长长不同时时，衍射波有较较 大的像差。观观看彩虹全息图时图时 ，由于人眼瞳孔的限制像差并不 显
7、显著。实际实际 上彩虹全息像差还表现为像面弯曲，人眼沿狭缝缝方 向移动时动时 ，会发现发现 全息像漂移。9合成全息技术术 l 用全息技术还术还 可以实现实现 体视视三维显维显 示，这这一技术术称为为 合成全息，或准三维显维显 示l 它的基本方法是将一系列从不同角度拍摄摄的普通二维维相 片通过过全息记录记录 的方法记录记录 在一张张全息软软片或干板上l 当用白光再现现全息图时图时 ，人的双眼观观察到的是不同角 度二维维相片，以人眼的双眼视视差实现实现 三维显维显 示 10二维图维图 片的记录记录 用作记录合成全息的二维图片的制作方法如下图示 左图图是平排相机，中图图相机排成圆圆弧状，或让让物体转
8、动转动 时时用电电影摄摄影机拍摄摄。 右图图9.11是用小透镜阵镜阵 列拍摄摄物体不同角度的像，这这一列 阵阵可以是一维维的，也可以是二维维的。一维维列阵阵与左图图的作 用一样样，二维维列阵阵可以获获得更多的信息量，用于记录记录 反射 全息OOO透镜阵列摄影底板11平面多路合成全息记录记录 平面多路合成全息的光路如下图图示。透镜镜L1是照明系统统，将激光 照射在二维维照片O1上，透镜镜L2是成像透镜镜，将二维图维图 片成像于毛玻璃 散射屏D，透过过光即成为为全息记录记录 的物光。H是全息干板，干板前放置 一狭缝缝S，每换换一张张照片，狭缝换缝换 一个位置，记录记录 一个单单元全息图图。 再现时
9、现时 用参考光照明，就能见见到三维图维图 像，如人眼在全息图图上扫扫描 ，就能见见到物体不同侧侧面的三维维像。SHxzyRL1L2DO112360合成全息 下图是角度多路全息合成系统统的光路，L1是照明系统统， L2是投影成像 透镜镜，L3是作为场镜为场镜 用的球面透镜镜，CL是柱面透镜镜，它们组们组 合形成一 个像散成像系统统。O1是二维维照片，它被L2成像于场镜场镜 L3处处。全息软软片 位于xy平面，前面放置一狭缝缝S，全息软软片与二维维照片同步卷动动，每 一张张二维维照片在狭缝缝后形成窄条基元全息图图SyL1O1 L2CLL3RHEzx13360合成全息的再现现光路 360合成全息的再
10、现现光路如下图图示，将显显影处处理后的全息软软片弯成 圆圆筒状，其半径等于像散系统统与全息软软片的距离，白光点光源位于 圆圆筒轴轴上，距圆圆筒的距离与原参考光发发散点距软软片的距离相等 进进入观观察者左、右眼的两个像来自带带有水平视视差的不同的窄条单单元 ，将圆圆筒装在一个电动电动 机上，使全息图发图发 生旋转转，人眼就能通过过不 同的全息单单元观观察到三维维物体的不同侧侧面，如果拍摄摄的是活动图动图 像 ，由于人眼的视觉暂视觉暂 留，人眼观观察到的将是三维维活动图动图 像 右眼左眼14彩色全息术术 单波长激光记录的全息图是单色的。彩色全息术的目的则 是记录和再现彩色三维全息图像。 彩色全息术
11、涉及两个基本问题：三原色信息的获取和再现 。 三原色信息的获取有两种方法： 一种是用含有三原色的复合激光作为光源照明彩色物体 另一种方法是对彩色二维图片进行分色处理，以黑白的三 原色图片作为全息记录的物 在获得三原色信息后，用三色激光再现时，每一波长的激 光将再现三幅不同大小和位置略有不同的全息图，三个波 长的激光将再现九幅全息图，发生色串扰。 解决色串扰是彩色全息的重要研究课题，激光再现彩色全 息常用编码技术或多方向参考光解决色串扰，而白光彩色 全息常采用彩虹全息或反射全息方法解决色串扰。15彩色全息的激光器 人眼的颜色感觉既包含生理过程，又包含心理过程 通常人们用三原色的刺激值来描述颜色，
12、每一种颜色都用 三刺激值表示，每一种颜色都可用色度图的一点（x，y） 来表示 用三个光谱色按比例变化来混合成的彩色都在这三个光谱 色围成的三角形内，这个三角形面积越大，配出的颜色越 多 氩离子激光器的457.9nm和514.5nm以及氦氖激光器的 632.8nm一组，氪离子激光器的647.1nm和520.8nm以及氦 镉激光器的441.6nm又是一组，这两种选择既能在色品图 上获得较大的三角形面积，又仅使用两种激光器比较经济 16彩色彩虹全息记录二维彩色照片彩虹全息实现彩色全息在一张全息记录材料上记录三张彩虹全息图， 它们分别是三基色全息图像，三基色中的每一基色对应的狭缝在空间 重合，三基色的
13、全息图像的复合就形成了彩色全息用彩虹全息方法记录二维彩色照片的方法如下图示。母全息图HM的记 录光路如左图，其中O1、O2、O3分别是二维彩色照片的三原色分色反 转片，对全息干板的不同部分分别曝光，得到三个狭窄子全息图H1、 H2和H3，作为母全息图记录彩虹全息，光路如右图。HMH1H2H3O1,O2,O3HRH1H2H3RO1O2O3HM17彩虹全息方法制作三维维彩色全息 二步法记录彩色彩虹全息的光路如下图，左图是记录物体的三基色激 光母全息图H1i的光路，参考光用平行光。记录时分别用氦氖激光和氩 离子激光的两条谱线记录红、绿、蓝三基色的三张母全息图右图是第二步记录光路，以共轭光再现母全息图
14、，用三种激光顺序将 三个再现像记录在同一张全息干板H上。当用一发散白光按共轭方向照 明H时，在适当的位置可观察到物体的彩色像。He-NeAr+R1yH1OHe-NeAr+yH1H O 18全息图图的复制 全息图的制作需要激光器以及许多特殊的设备，每一张全 息图都从头至尾用激光器制作是不经济的，全息图的廉价 复制也是全息显示技术的重要方面 全息图的光学复制 全息图像被H的透过光再现，入射激光直接入射至H的光作 为参考光，HM的再现像与参考光干涉形成反射全息 OHM扩束激光H 图9.20反射全息的复制光路19全息图图的模压压复制 模压全息类似于凹凸印刷技术，复制成本相当低廉。模压全息 的基本过程分
15、三个阶段:彩虹全息光致抗蚀剂母板制作、电铸 金属母板、模压复制 制作模压压全息的第一个过过程是制作表面浮雕型全息图图。模压压 全息是在白光再现现下观观察的全息图图，母板是彩虹全息，记录记录 材料通常是光致抗蚀剂蚀剂 。在模压压全息制板中绝绝大部分采用二 步法多色彩虹全息。 多色彩虹全息的制作方法与二维维彩色彩虹全息的制作方法相 似，只是二维图维图 片不是采用彩色分色片，而是设计设计 好的二维维 黑白透明片。多色彩虹的物体也可以是三维维物体，或同时时存 在三维维物体和二维图维图 片，制作方法大同小异，母全息图图的狭 缝缝数量可以超过过三个，多色全息图图的色彩和层层次也可以有多 个。 20电铸电铸
16、 模板的制造 电铸的目的是把光刻胶表面上的浮雕形条纹转移到金属板上， 它也分三个过程 第一个过程是对光刻胶表面金属化:通常采用化学沉积方法。 化学沉积的过程是：先对光刻胶板表面进行清洁敏化处理，使 光刻胶表面离子化，形成均匀分布的离子颗粒（即反应中心） ，再使用硝酸银溶液在光刻胶表面发生银镜反应，在光刻胶表 面形成一薄层银导电层，完成金属沉积过程 第二个过程是电铸:用化学电镀的方法使金属层加厚。经十小 时左右的时间电铸后，金属沉积厚度约0.1mm。在金属层与光 致抗蚀剂剥离后，金属表面上就具有了浮雕型条纹，得到“头 板” 第三个过程是翻铸工作板:先将头板在钝化液中作钝化处理， 使表面生成一层金属氧化物，然后在头板上用电镀的方法沉积 镍，制成第二道板。再几次经同样的过程，即得到直接用于模 压的工作镍板。21模
