真彩色动感立体模压全息术的研究

1.2 我国的模压全息与合成全息技术现状
激光模压全息防伪技术在上个世纪八十年代末九十年代初传入我国， 1990 年至 1994 年期间， 全国各地引进生产线上百条， 数量占当时世界生产厂家的一半 还多。在引进初期，这种防伪技术确实起到了一定的防伪作用，但随着激光全息 图像制作技术的迅速扩散，激光全息防伪标贴几乎完全失去了防伪能力，激光模 压设备也从最初的上千万美元一条剧降至几万元人民币一条。因此，如何提高激 光全息标识的防伪性能成为全息防伪产业生存的重要问题之一[16]。 近十年来，广大全息工作者经过不断的努力和探索，开发了一些新技术、新 工艺，并用于生产。如在照相技术方面，开发了光刻点阵全息技术，通过计算机 编程控制每个点即光栅象素的方向来实现图形的显示及变化。加密全息技术也得 到了成功应用，采用诸如随机位相编码加密、莫尔编码加密、激光散斑加密等技 术，对防伪图像进行加密而得到不可见或变成一些散斑的加密图像。另外，在模 压全息的记录材料上也不断创新，开发了全息烫印工艺。已在烟包印刷中成功地 应用了全息定位烫印技术、定位镂空定位烫印技术和全息透明介质烫印膜。 但是，我国模压全息记录的图像十分单一，市面上仍流行彩虹全息，平面图 像，顶多做到前后分层。由于我国的合成全息技术偏低，还不能应用于模压全息，
重庆大学 硕士学位论文 真彩色动感立体模压全息术的研究 姓名：袁霞 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：王丁 20060401
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摘
要
本文阐述了合成全息技术的发展历程及我国的合成全息和模压全息技术现 状，为了提高我国的合成全息技术，振兴模压全息行业，进行了真彩色动感立体 模压全息技术的研究。 本文开展了两部分的研究工作：第一，提出一种新的一步合成真彩色动感立 体全息图的技术。用三色光栅对彩色景物编码，4f 光学系统进行彩色解码，并在 光路中加上光栅进一步调制物光束，使用散射参考光，对景物的系列编码片做顺 序记录，合成一张真彩色动感立体全息图。实验工作在重庆大学进行； 第二，为全息生产企业引进数字合成全息技术。将全息技术与数字技术相结 合，采用新型空间光调制器----数字微反射镜器件（DMD） ，用计算机进行图形输 入和处理，并控制一套自动记录系统做全息记录，制成真彩色动感立体模压全息 图。相关实验在深圳大学反光材料厂进行。 结果表明： 两种技术都能实现单色激光记录， 白光再现， 并且图像色彩真实， 立体视觉强烈，有一定的动感效果。均可通过模压技术制成防伪力度高，艺术观 赏性强的商标，也可应用于商业广告、产品展示、艺术装潢等领域。技术领先， 应用前景广阔。 其中，一步合成真彩色动感立体全息技术记录过程十分简单，不需要三分色 片，曝光次数大为减少；DMD 数字合成全息系统实现了全息生产的自动化，图 像输入实时化，解决了对位难题，取材空间更广阔，处理更方便。但前者的手工 操作限制了该技术的产业化应用；后者的三狭缝编码合成真彩色原理使过程仍嫌 繁琐，有庞大的曝光数目。 结合两种技术的 DMD 一步合成真彩色动感立体全息系统是可行的。 如果将计 算机与全息显示技术进一步结合，用数字彩色编码技术取代光学彩色编码方法， 即可采用 DMD 数字合成全息系统一步合成真彩色动感立体全息。 新的技术更领先， 产品质量更好、更稳定，生产效率更高，劳动成本更低，将有更加广阔的应用前 景。
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1.前言
1.前言
1.1 合成全息技术发展简述
20世纪60年代初，激光器和离轴全息术的发明解决了全息照相的两大难题： 缺乏相干光源和产生孪生像。激光全息术得到迅猛发展，许多以实物模型拍摄的 全息图被制作出来，全息理论得到了很好的验证。 由于这种方法拍摄的全息图在再现时观察到的实物角度很小，为了实现三维 显示，1968年，De Bitetto提出了合成全息技术[1]。方法是在全息记录介质前放置 一可移的狭缝屏，通过移动狭缝屏和旋转物体，在记录介质上记录下一系列条形 全息图，分别对应物体的某个角度的像。在激光下再现时，人眼与全息图之间若 有相对运动，就能感觉到一种活动的三维景像。这种记录面积分割的全息术也叫 平面多路合成全息。 拍摄实物模型全息图有很多限制，例如不能记录外景和虚拟景物，难以记录 运动物体等， 1970年， M.C.King提出了用一系列二维透明片拍摄合成全息的方法[2]。 用计算机计算出三维物体的各幅二维视图，并用微缩胶片绘图仪显示出来，然后 顺序投射到毛玻璃屏上， 记录下一张合成全息图。 并且结合1969 年本顿 (Benton) 发明的彩虹全息术[3]，King制作出了在白光下可见的合成全息图。 1977年Lloyd Cross发明了柱面全息立体图,也叫Cross全息图[4]。二维透明片 上的图像被柱面镜在竖直方向成像在全息记录软片上，水平方向的成像光束被压 缩成一个窄条，用这种方式将物体各个角度的图像信息存储在全息记录软片上。 再现时，再现光源从弯成圆筒形的全息图的顶部照射，旋转全息图，观察者会感 受到一个活动的三维像。这种合成技术也叫角度多路合成全息。 Cross全息图因为几个技术难题限制了它在商业中的应用， 这些难题在以后的 时间里逐渐由其他人解决，如像的畸变[5-7]、像的线模糊[8]、与再现圆筒直径相关 的狭窄像[9]和彩虹像[10]等问题。1988年，Benton发明了能再现实像的合成全息[11]， 可以提供接近180°的观察角，并且可以用二步法记录大视角的彩虹全息图，作为 模压全息的母版，有较大的实用价值。 然而合成全息也使得全息图的制作变得十分繁杂，因为用这种方法制作一幅 全息图一般需要在拍摄光路中按一定顺序更换100多张图片，而且还要严格对准定 位。随着计算机技术、数字图像技术、空间光调制器及相关技术的迅速发展，从 上个世纪九十年代起，合成全息术进入了数字化发展阶段。 1992年，Spierings W. [12]首次使用液晶显示屏（LCD）作为空间调制器，使 图象直接从计算机中输出到光路里，实时而快捷。但LCD的光透过率低，输出图像 的灰阶特性、对比度等较差[13]，使得输出图像的质量受到影响。所以人们期望得
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1.前言
到更好的光调制器。 数字微反射镜（DMD）是美国德洲仪器（TI）公司研制的利用微细加工和大 规模集成电路技术的电寻址空间光调制器， 成像质量与 LCD 相比有了很大的改进， 特别是全息技术中要求比较高的参数，如像素大小、灰阶数及光能利用率等方面 提高显著[14]。DMD 作为一种空间光调制器更适用于全息图的制作。 数字合成全息不仅使全息图彻底摆脱了实验室实物拍摄的束缚， 而且使全息 图在仿真显示和虚拟景物显示方面有了新的突破。 美国麻省理工学院的 media 实 验室从 1991 年开始研究大角度大视场合成全息图的制作方法， 在此基础上， 美国 Zebra 公司制作了各种各样用于不同领域的高质量数字合成全息图，并投入商业 应用。1999 年 Zebra 公司为 Ford 汽车公司制作了一辆概念车模型的全息图，16 英寸×4 英尺，真彩色，全视差，大视角，堪称世界全息图之最。该产品参加美 国底特律汽车展览会时引起全世界的瞩目[15]。 合成全息术的问世至今已有四十年的历程，在人类各项科学与技术的飞速发 展中，传统的显示全息与现代的数字技术相结合表现出了更广阔的应用前景。我 们有理由相信在不久的将来，合成全息图将会在医疗、制造业、建筑业、石油勘 探、空间技术、虚拟显示技术等各个领域得到更广泛的应用，合成全息术及其产 业一定会有一个更加光辉灿烂的前景！
关键词：真彩色动感立体模压全息；单色激光；三色光栅；数字微反射镜（DMD）
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英文摘要
Abstract
Research on true color embossing holography with multi-stereopair has been carried out for improving composite holography and embossing holography. Experiment works have been done in Chongqing University and Shenzhen University reflective material factory. The work includes tow parts: In the first part, a new one-step true color holography with multi-stereopair is proposed. With this method, 2D encoded photographs are taken first with a tricolor grating camera and then decoded with a 4f optical system where they are synthesized a true color holographic muti-stereogram by means of modulated object beam and scattered reference beam. In the second part, digital synthetic holography is presented. With this technique, computer images can be converted by late-model spatial light modulator (SLM) ---digital micromirror device (DMD) and integrated into true color 3D images by a automated control system. Furthermore, process of fabricating embossing holograms is described. It’ s proved that: Both methods can record holograms with one-wavelength laser and produce images of high quality in white light which makes it possible to develop applications to such versatile fields as anti-counterfeiting, advertisement, entertainment, art, etc.. However, there are drawbacks lying on these two methods. Although there’ s simple process in one-step true color holography with multi-stereopair, the artificial production limits it’ s industry application; Meanwhile, DMD digital synthetic hologram system overcome problem of handwork, but it has redundant process of pseudo-color encoding. Combining with two techniques, a one-step true color holograph with multi-stereopair using DMD digital synthetic system is realizable. It’ s only needed to replace optical encoding by digital encoding. This new method is more advanced and have wider application field. Key words: true color embossing holography with mutil-stereopair; one-wavelength laser; tricolor grating; digital micromirror device (DMD)