合成全息圖的激光直寫(xiě)技術(shù)

0拍攝合成全息圖的激光打印技術(shù)20世紀(jì)90年代以來(lái)，巨大的全景圖質(zhì)量分析已成為世界各國(guó)顯示全貌研究的熱點(diǎn)之一。在美國(guó)mit媒體實(shí)驗(yàn)室的邁克爾a.kung提出了一種可用于合成全景圖的計(jì)算機(jī)合成技術(shù)，并發(fā)表了一種用于控制圖像視角的優(yōu)化技術(shù)。波士尼亞人bkropp根據(jù)掃描線(xiàn)提出了一種算法，以便快速生成完整的圖像數(shù)據(jù)。煙臺(tái)師范大學(xué)的陳建農(nóng)提出了用正光糾正成像的特點(diǎn)，并提出了一種生成基于濃縮光的雙重功能的彩色折射效果的算法。目前，國(guó)內(nèi)顯示全景的方法，尤其是大型合成顯示全景圖，仍處于開(kāi)發(fā)階段，落后于世界先進(jìn)水平。在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種用于記錄合成完整圖紙的激光直接文字技術(shù)和三維合成完整圖紙的激光打印技術(shù)。該技術(shù)支持合成完整圖的自動(dòng)采集設(shè)備，結(jié)合數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)，且無(wú)需制作完整圖。用激光連續(xù)疊加合成三維（動(dòng)態(tài)）全息圖的合成。該技術(shù)支持的全息圖可以分為幾個(gè)單元進(jìn)行構(gòu)建，然后連接并重建大型顯示的全息圖，以解決制作大型整個(gè)支持的全息圖的困難，顯著降低成本。此外，與國(guó)外預(yù)處理中使用的光線(xiàn)跟蹤等復(fù)雜算法相比，該方法簡(jiǎn)單、快速、易于實(shí)施。1全息照片的合成合成全息是通過(guò)對(duì)物體進(jìn)行多角度記錄,獲取一組滿(mǎn)足體視對(duì)關(guān)系的二維圖像序列,利用全息攝影技術(shù)和雙眼視差原理合成為一張全息照片,實(shí)現(xiàn)原物體立體感的三維顯示技術(shù).與用實(shí)物拍攝的全息圖不同,合成全息圖的立體感不是由于原三維物光波的波前再現(xiàn),而是來(lái)源于一系列二維圖像疊加形成的體視對(duì)集合.1.1觀(guān)察視場(chǎng)的生成目前國(guó)內(nèi)合成全息圖制作多采用兩步法,如圖1.采用兩步法制作,即先拍攝合成菲涅爾全息圖母版,再翻拍成白光再現(xiàn)全息圖.其缺點(diǎn)主要有兩點(diǎn):首先過(guò)程復(fù)雜,無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn).更重要的是,兩步法拍攝的全息圖在觀(guān)察時(shí),其母版菲涅爾全息圖的像會(huì)形成一個(gè)觀(guān)察窗口,只有觀(guān)察者在此窗口內(nèi)才能看到完整的圖像,而窗口大小,即原母版大小,受限于大口徑的透鏡、大面積的全息干版等因素,因而難以實(shí)現(xiàn)大視角再現(xiàn).對(duì)拼接方法制作的大面積全息圖而言,要求每一幅單元全息圖都要有很大視角,能夠使各個(gè)單元全息圖共有一個(gè)較大的觀(guān)察視場(chǎng).1.2合成立體圖像的再現(xiàn)針對(duì)這些問(wèn)題,在合成全息圖原理的基礎(chǔ)上提出激光直寫(xiě)拍攝技術(shù),即將一幅二維圖像經(jīng)過(guò)全息衍射元件壓縮,直接記錄在合成全息圖一個(gè)矩孔上,如圖2(a).由圖2(b)可以看出,記錄在干板上的是經(jīng)過(guò)信息壓縮變換的點(diǎn)像.全息圖再現(xiàn)時(shí),當(dāng)人眼緊貼全息圖時(shí)可看到原二維圖像,而位于觀(guān)察距離,如明視距離25cm,或大型全息圖觀(guān)察距離1m以上時(shí),從每一個(gè)矩孔只能看到每個(gè)“點(diǎn)”不完整的一小塊圖像,無(wú)法滿(mǎn)足觀(guān)察時(shí)原物波前再現(xiàn)要求.為此,必須對(duì)合成全息圖所用的二維圖像進(jìn)行相應(yīng)的變換.目的是使得變換后的圖像用于拍攝合成全息圖,再現(xiàn)時(shí),即使每一“點(diǎn)”再現(xiàn)時(shí)某一角度只能看到一小部分圖像信息.綜合整個(gè)全息圖,仍可看到滿(mǎn)足合成立體要求的完整圖像,同時(shí),有一個(gè)較大的觀(guān)察視場(chǎng),滿(mǎn)足大型全息圖的顯示要求,如圖3.將經(jīng)過(guò)圖像處理后的二維圖像序列按采樣時(shí)的角度記錄到全息干板相應(yīng)的點(diǎn)上.白光再現(xiàn)時(shí),當(dāng)觀(guān)察者在適當(dāng)位置觀(guān)察再現(xiàn)像時(shí),雙眼看到的來(lái)自不同“點(diǎn)”的兩幅平面圖像,這兩幅圖像形成的體視對(duì)關(guān)系在人腦中的合成效果形成了觀(guān)察者的立體感覺(jué),從而得到原物體某一角度的再現(xiàn).從圖3可以看出觀(guān)察者在不同位置將會(huì)看到原物體不同角度的立體再現(xiàn)像,從而獲得視覺(jué)上的立體效果.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)首先進(jìn)行圖像變換,然后利用數(shù)字合成全息拍攝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光直寫(xiě)拍攝技術(shù),拍攝全視差合成全息圖.2.1圖像矩陣的組成圖像變換分兩個(gè)步驟,首先進(jìn)行水平方向的變換,然后進(jìn)行豎直方向變換,此二過(guò)程可交換先后順序.在變換之前,需要對(duì)采樣得到的原始圖像進(jìn)行編號(hào),將采樣得到的所有二維圖像編組為一個(gè)二維圖像陣列,維數(shù)為I×J,每一幅圖像編號(hào)為Xij,i(=1,2,…,I)對(duì)應(yīng)水平方向的位置,j(=1,2,…,J)對(duì)應(yīng)豎直方向,每一幅圖像Xij維數(shù)相同,為M×N,即圖像的像素?cái)?shù)為M×N.在水平方向變換過(guò)程中,將水平方向維數(shù)為M的Xij以向量的方式表示為Xij=(xij1,xij2,xijk…,xijM),其中向量xijk是一個(gè)N階向量,表示圖像矩陣Xij中第k列像素,因此,此時(shí)Xij=(xij1,xij2,xijk…,xijM)是由M個(gè)像素列拼成的一幅二維圖像.水平方向變換的過(guò)程是:從(xij1,xij2,.xijk..,xijM)中提取某一像素列、從全部二維圖像陣列中提取I個(gè)像素列,組成一幅新圖像,例如,當(dāng)j=1,提取X11,X21,…,XI1中的每一個(gè)第1列,依次排列為(x111,x111,x111,…,xI11),組成新圖像矩陣,記為Y11;提取X11,X21,…,XI1中的每一個(gè)第2列,依次排列為(x112,x212,x312,…,xI12),組成新圖像矩陣,Y12;依次類(lèi)推,直到得到Y(jié)1M=(x11M,x21M,x31M,…,xI1M).此時(shí)得到一組新的二維圖像序列,Y11,Y12,…,Y1M.對(duì)每一個(gè)j=1,2,…,J,重復(fù)以上步驟,則可得到J組新的二維圖像序列.圖像陣列的水平變換可以表示為?????X11X21?XI1X12X22?XI2????X1JX2J?XIJ???????????Y11Y21?YJ1Y12Y22?YJ2????Y1MY2J?YJM?????(X11X12?X1JX21X22?X2J????XΙ1XΙ2?XΙJ)?(Y11Y12?Y1ΜY21Y22?Y2J????YJ1YJ2?YJΜ)豎直方向的變換原理和水平方向變換過(guò)程類(lèi)似,在豎直方向變換過(guò)程中,將豎直方向維數(shù)為N的Yij以向量的方式表示為Yij=(yij1,yij2,yijk…,yijN)T,T表示對(duì)矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)置,其中向量yijk是一個(gè)M階水平向量,表示圖像矩陣Yij中第k行像素,因此,此時(shí)Yij=(yij1,yij2,…,yijk,…,yijN)T是由N個(gè)像素行拼成的一幅二維圖像.豎直方向變換的過(guò)程是:從(yij1,yij2,…,yijk,…,yijN)T中提取某一像素行、從全部圖像二維陣列中提取J個(gè)像素行,組成一幅新圖像,具體過(guò)程和水平方向變換類(lèi)似,直到得到一組新的二維圖像序列,ZM1,ZM2,…,ZMN.圖像陣列的豎直變換可以表示為?????Y11Y21?YM1Y12Y22?YM2????Y1JY2J?YMJ???????????Z11Z21?ZM1Z12Z22?ZM2????Z1NZ2N?ZMN?????(Y11Y12?Y1JY21Y22?Y2J????YΜ1YΜ2?YΜJ)?(Ζ11Ζ12?Ζ1ΝΖ21Ζ22?Ζ2Ν????ΖΜ1ΖΜ2?ΖΜΝ)此時(shí)的圖像陣列將適用于合成全息圖的拍攝.原始圖像序列由軟件生成,象素?cái)?shù)500×500px2,見(jiàn)圖4,經(jīng)變換后的新圖像見(jiàn)圖5.2.2全息光學(xué)元件的制作實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字微反射鏡DMD作為空間光調(diào)制器,將圖像投射于空間作為物光,經(jīng)過(guò)自制全息光學(xué)元件(HolographicOpticalElement,HOE)會(huì)聚于矩孔位置,同時(shí)參考光來(lái)自全息干板另一面,單光束以45°角左右投射到矩孔上,保持兩束光光程差約為0(全息光學(xué)元件的制作方法將另文敘述).干板前后均有擋板,擋板中心為矩孔,調(diào)整矩孔大小使其與圖像會(huì)聚點(diǎn)的尺寸相同(大約為1×1mm2).使用計(jì)算機(jī)控制移動(dòng)干板、改變輸出圖像、控制快門(mén)曝光的協(xié)調(diào)運(yùn)作,自動(dòng)完成全息圖的激光直寫(xiě)記錄.光路示意圖如圖6(1.激光器;2.反射鏡;3.分束鏡;4.擴(kuò)束鏡;5.準(zhǔn)直透鏡;6.DMD空間光調(diào)制器;7.成像鏡頭;8.全息光學(xué)元件(HOE);9.矩孔;10.自動(dòng)走位全息干板架).3合成全息圖的張角分析實(shí)驗(yàn)所采用的激光器為氦氖激光器,功率70mW,記錄材料為銀鹽干板.干板上下左右移動(dòng)步長(zhǎng)設(shè)定為1mm,曝光50×50次,每個(gè)點(diǎn)曝光時(shí)間3s,最終得到全息圖尺寸為5×5cm2.全息圖的照片如圖7.前文提到兩步法制作大面積拼接合成全息圖,再現(xiàn)時(shí)其視場(chǎng)張角(以水平方向?yàn)槔?會(huì)受到母版的限制,如圖8,假設(shè)由兩塊寬度為10cm的單元全息圖拼合而成一幅大面積合成全息圖,對(duì)應(yīng)的單元母版寬度為20cm,單元全息圖和單元母版距離為25cm,經(jīng)計(jì)算可知,該合成全息圖的公共視場(chǎng)角為23°,較為狹小.而用激光直寫(xiě)方法制作大面積拼接合成全息圖,如圖9,所拍攝單幅圖像大小大約為5×5cm2,距離干板為5cm,則該圖像的視場(chǎng)張角(以水平方向?yàn)槔?經(jīng)計(jì)算為57°.當(dāng)拍攝多幅合成全息圖時(shí),其公共視場(chǎng)角保持不變,為57°,可見(jiàn)激光直寫(xiě)方法的視場(chǎng)角遠(yuǎn)優(yōu)于二步法.對(duì)此張角進(jìn)行分析,當(dāng)人站在距離干板1m處觀(guān)察此全息圖時(shí),其公共視場(chǎng)寬度達(dá)到了1m,該視場(chǎng)寬度可以基本滿(mǎn)足各種要求.同時(shí)還可以通過(guò)修改基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從而得到更大的視場(chǎng)張角.4合成全息圖的自動(dòng)化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)