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1、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
2、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
3、它的使用。SFO；激光器（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
4、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
5、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0的波长分别对应九和九。人眼在P点观察，白光AB照射在全息图A点，该点仅有波长为九的衍射光进入人眼，而在全息图B点仅有波长为九AB的衍射光进入人眼。人眼同时观察到了 0和0，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
6、的光进入眼睛造成的。九和九的大小由A点和B点处全息图的空间频率以AB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，仅有九进入人眼，A这时人眼看到的像是单色像0,也就是消除了色模糊。如人眼在F点观察，进入人眼的波长 为为另一波长九，对应的像是0。所以人眼沿着与窄条垂直方向移动时，观察到的像的颜色B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。ABCOc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0 、A0、0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，BC并
7、且每一线全息图的同一衍射波长九衍射至同一观察位置P点，则人眼将能同时观察到三个A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。如果人眼不在观察点P,而是离P点有一距离，如图中的P点，则每一会聚于该 点的线全息图的衍射波长各不相同，人眼观察到的全息像的单色性与P点观察的不同，像的 不同部分的颜色各不相同，颜色的分布就象雨过天晴的彩虹一样，所以这一类全息图又称为 彩虹全息。因此，以彩虹全息方
8、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。9.2.2 彩虹全息图的记录 按实现彩虹全息的两个必要条件，实现彩虹全息图有多种方法，其中最典型的方法是二 步法9-2和一步法9-3彩虹全息。二步法彩虹全息的记录与再现光路如图 9.4 所示。在二步法 中，先记录一张如图 9.1a 所示的激光再现全息图 H 。第二步用参考光的共轭光再现全息图1H，得到共轭实像I (参考图9.4(a)。在实像附近放置另一记录材料H，记录第二张全息12图。记录时在H上放置一狭缝光栏，狭缝方向与记录H的参考光入射面垂直。参考光R通12常是会聚光。由图9.4(a)可见，H置
9、于H的衍射实像附近，实像上的每一点的信息均被限制在不同 21的窄条区域上，实现了线全息图。另一方面，每一线全息图的物光均来自同一狭缝，当 H2 由如图9.4(b)所示的共轭光路再现时，每一线全息图的同一波长衍射光将会聚同一狭缝位 置。所以带狭缝的两步记录方法满足了彩虹全息的两个必要条件。实际上，狭缝 S 可以看成 是H的物，共轭再现H时，将会再现出狭缝的实像，实像的位置由第5章的物像关系式(5.21) 22计算，由式(5.21)可看出不同波长的狭缝像出现在不同的空间位置。图9.4 (b)中只画 出了红色和蓝色狭缝，人眼在狭缝的实像处观察，进入人眼瞳孔仅是单色光，看到的是单色 的清晰图像，当人眼
10、在狭缝位置处沿垂直方向移动时会看到像的颜色发生变化。( a)( b)图 9.4 二步彩虹全息图一步法彩虹全息的记录光路如图9.5所示，物体0置透镜L的两倍焦距处，它的实像为0,，狭缝光阑S距透镜的距离大于透镜焦距，其实像S，位于透镜后大于两倍焦距处，在物 的实像附近置全息记录干板，用发散光源作为参考光进行全息记录。从图中看出，像0,的每 一点信息被限制在窄条区域上。全息图再现时，再现光与原参考光一致，再现情况与二步法一步法与二步法彩虹全息图各有其特点。二步法记录全息图的观察范围比较大，采取合适的记录光路可能有较大的能量利用率，它的不足之处是二步记录制作过程比较烦琐，而且 由于两步记录，全息图的
11、噪声较大，但如采用低噪声的记录材料，或用低噪声的卤化银干板 漂白配方，全息图的噪声可以很好地被抑制。一步法虽然噪声小，制作步骤简单，但能量利 用率较低，观察范围受成像透镜焦比限制，制作大体积物体需成本高昂的高质量大口径透镜， 这一制作方法实用范围有限。除一步法和二步法外，还有其他多种方法9-49-5，例如像散彩 虹全息，综合狭缝法，条形散斑屏法，零光程法，一步掩膜法等。这些方法都具备彩虹全息 的两个基本要素，也各有优缺点。实际工作中最常用的还是二步法。9.2.3 彩虹全息图的像质9-6彩虹全息的波像差和普通的透射菲涅耳全息一样，有关菲涅耳全息图的像差公式都可在计算彩虹全息图时使用，但彩虹全息的
12、像质与许多因素有关，波像差仅是影响像质的一个因 素，其他因素的影响比它大得多。由于彩虹全息是由眼睛观察的，彩虹全息的像质应把人眼 作为光学系统的一部分，以下从五个方面讨论彩虹全息图的像质。(1)单色性 彩虹全息的单色性描述人眼看到的全息像的色彩纯度。如进入眼睛瞳孔的衍射光波长范 围在九至X+AX内，则把M/九称为全息像的单色性。图9.6表示了狭缝与线全息图的关系，点O代表记录的物点，AH为线全息图的宽度，0点距全息图平面距离为z，狭缝距全息图距离O为z，狭缝宽度为a,显然，Ez + za = OE A H(9.1)zO用图 9.7 分析彩虹全息的色散情况。 以 xoy 面为彩虹全息图平面， x
13、oy 平面为眼睛的观 11察平面，图9.7所示为yoz平面。设眼睛的瞳孔直径为D,其上下边缘点为A和B。在白光 再现下，像点色散成线段EF。EF并不与y轴平行，呈一角度a。这一角度可由成像关系式 (5.21)计算。由于线全息图的作用，色散线段未全部进入眼睛成像。显然，眼睛瞳孔的下端 B点与线全息图上端的连线和色散线的交点E，点是进入眼睛的色散线段的一个端点，A点与 线全息图下端的连线和色散线的交点F，点是另一个端点。EF，内包含的谱线即为进入眼睛的 衍射光波长范围。下面用成像关系式(5.21)对单色性作定量分析。图9.8显示的是彩虹全息像的色散线部分，色散线段EF对应的角色散Ap|为9.2)E
14、 F cos a cos p1z0线段E，F cosa由两部分组成，由图9.7的相似三角形关系E F cos a =z + zzO EAHOD9.3)图 9.6 线全息图的宽度与狭缝宽度的关系图 9.7 彩虹全息色散分析图 9.8 彩虹全息像的色散线再将式（5.21b）改写为入射角的形式sin卩I- sin 卩)R9.4)式中0 0 0 0为物光、参考光、再现参考光、再现物光在yoz平面内的入射角。再ORCI现光有一定波长范围，由于波长不同而引起的再现物光角色散可对式（9.4）微分得到AP i(9.5)九 cos P0Isin p 一 sin pOR由于一般记录彩虹全息时物光和再现物光常取正入
15、射，故Po=P 1=0。以式（9.2）和式（93）代入式（9.4），并利用式（9.1），得到也二上厶（9.6）尢 z sin卩ER式中取九=九。从式（9.6）看出，若要获得较好的单色性，就要求狭缝窄，观察距离远，参0考光入射角度大。（ 2）色模糊由于再现光存在带宽，再现像点会被扩展而变的模糊，这一现像称为色模糊或色差。由图9.7,彩虹全息像的色模糊量即为图中的线段EF ，如果把这一色差分为纵向色差和横向色差，如图9.8所示，横向色差即为E F cosa，记为入，并设札=0,则由式（9.3），并 利用式（9.1），9.7)D + a=z OzE上式中 z 为人眼观察全息图的距离，一般为明视距离，不能改变。以下讨论其他几个量对E色模糊的影响。首先，狭缝宽度a与色模糊有关，这一宽度越小，色模糊越小。但这一宽度 不能太小，因太窄的狭缝会导致激光散斑增大，反而影响图像的分辨率。一般狭缝取 3mm 至1cm。其次，像的色模糊与像点离全息图的距离有关，z等于零时，色模糊为零，这时即O为像面全息。当式（9.7）中其他量均一定时，从式（9.7）可以估算全息图的景深。在人眼
