图像全息显示
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第9章 图像的全息显示
彩虹全息图 合成全息技术 1 9 彩0 6色全息术 全息图的复制
1
常见的立体图像显示方法
19 06
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
8
彩虹全息图的像质
19 06
（1）单色性：单色性描述全息像的色彩纯度，衍射光波长范围在 至+内，/称为全息像的单色性，狭缝窄，观察距离远， 参考光入射角度大，获得的单色性较好。 （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3~10mm) （3）线模糊：以人眼的分辨极限内，灯丝比较集中的白炽灯照明 下，全息像较清晰；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，狭缝不能太窄 （5）全源自文库像差：在再现波长与记录波长不同时，衍射波有较大的 像差。观看彩虹全息图时，由于人眼瞳孔的限制像差并不显著。 实际上彩虹全息像差还表现为像面弯曲，人眼沿狭缝方向移动时， 会发现全息像漂移。
19 06
用作记录合成全息的二维图片的制作方法如下图示
O
O
O 摄影底板
透镜阵列
左图是平排相机，中图相机排成圆弧状，或让物体转动时用 电影摄影机拍摄。 右图9.11是用小透镜阵列拍摄物体不同角度的像，这一列阵 可以是一维的，也可以是二维的。一维列阵与左图的作用一 样，二维列阵可以获得更多的信息量，用于记录反射全息
11
平面多路合成全息
19 06
记录平面多路合成全息的光路如下图示。透镜L1是照明系统，将激光照 射在二维照片O1上，透镜L2是成像透镜，将二维图片成像于毛玻璃散射 屏D，透过光即成为全息记录的物光。H是全息干板，干板前放置一狭缝 S，每换一张照片，狭缝换一个位置，记录一个单元全息图。再现时用 参考光照明，就能见到三维图像，如人眼在全息图上扫描，就能见到物 体不同侧面的三维像。
5
彩虹全息图消色模糊的必要条件
19 06
OA A
P
P
OB
B
OC
C
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
7
两步法和一步法记录彩虹全息比较
19 06
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
9
合成全息技术
19 06
用全息技术还可以实现体视三维显示，这一技术称为合 成全息，或准三维显示 它的基本方法是将一系列从不同角度拍摄的普通二维相 片通过全息记录的方法记录在一张全息软片或干板上 当用白光再现全息图时，人的双眼观察到的是不同角度 二维相片，以人眼的双眼视差实现三维显示
10
二维图片的记录
4
线全息图消色模糊原理
19 06
O B P
O A
P
图9 .2
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。
3
白光再现全息
19 06
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，全息图的大批量复 制技术起了很大作用
6
两步法彩虹全息图的记录
19 06
H2
I
H1
H2
红色狭缝像
I 蓝色狭缝像
H2置于H1的衍射实像附近，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H2的物，共轭再现H2时，将会再现出狭缝的实像， 图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
2
图像的全息显示
19 06
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
全息图像显示最直接的方式是激光再现全息，以激光作为 光源记录全息图，再以与原参考光一致的再现激光照明全 息图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，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,对相干长度较长的激光器，记录的场景可达数米
R x
CL
L1
O1
H
L2
E z
L3
S
y
13
360合成全息的再现光路
19 06
360合成全息的再现光路如下图示，将显影处理后的全息软片弯成圆 筒状，其半径等于像散系统与全息软片的距离，白光点光源位于圆筒 轴上，距圆筒的距离与原参考光发散点距软片的距离相等 进入观察者左、右眼的两个像来自带有水平视差的不同的窄条单元， 将圆筒装在一个电动机上，使全息图发生旋转，人眼就能通过不同的 全息单元观察到三维物体的不同侧面，如果拍摄的是活动图像，由于 人眼的视觉暂留，人眼观察到的将是三维活动图像
x
R H z
L2 O1
y S D
L1
12
360合成全息
19 06
下图是角度多路全息合成系统的光路，L1是照明系统， L2是投影成像透 镜，L3是作为场镜用的球面透镜，CL是柱面透镜，它们组合形成一个像 散成像系统。O1是二维照片，它被L2成像于场镜L3处。全息软片位于xy 平面，前面放置一狭缝S，全息软片与二维照片同步卷动，每一张二维 照片在狭缝后形成窄条基元全息图
彩虹全息图 合成全息技术 1 9 彩0 6色全息术 全息图的复制
1
常见的立体图像显示方法
19 06
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
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彩虹全息图的像质
19 06
（1）单色性：单色性描述全息像的色彩纯度，衍射光波长范围在 至+内，/称为全息像的单色性，狭缝窄，观察距离远， 参考光入射角度大，获得的单色性较好。 （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3~10mm) （3）线模糊：以人眼的分辨极限内，灯丝比较集中的白炽灯照明 下，全息像较清晰；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，狭缝不能太窄 （5）全源自文库像差：在再现波长与记录波长不同时，衍射波有较大的 像差。观看彩虹全息图时，由于人眼瞳孔的限制像差并不显著。 实际上彩虹全息像差还表现为像面弯曲，人眼沿狭缝方向移动时， 会发现全息像漂移。
19 06
用作记录合成全息的二维图片的制作方法如下图示
O
O
O 摄影底板
透镜阵列
左图是平排相机，中图相机排成圆弧状，或让物体转动时用 电影摄影机拍摄。 右图9.11是用小透镜阵列拍摄物体不同角度的像，这一列阵 可以是一维的，也可以是二维的。一维列阵与左图的作用一 样，二维列阵可以获得更多的信息量，用于记录反射全息
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平面多路合成全息
19 06
记录平面多路合成全息的光路如下图示。透镜L1是照明系统，将激光照 射在二维照片O1上，透镜L2是成像透镜，将二维图片成像于毛玻璃散射 屏D，透过光即成为全息记录的物光。H是全息干板，干板前放置一狭缝 S，每换一张照片，狭缝换一个位置，记录一个单元全息图。再现时用 参考光照明，就能见到三维图像，如人眼在全息图上扫描，就能见到物 体不同侧面的三维像。
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彩虹全息图消色模糊的必要条件
19 06
OA A
P
P
OB
B
OC
C
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
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两步法和一步法记录彩虹全息比较
19 06
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
9
合成全息技术
19 06
用全息技术还可以实现体视三维显示，这一技术称为合 成全息，或准三维显示 它的基本方法是将一系列从不同角度拍摄的普通二维相 片通过全息记录的方法记录在一张全息软片或干板上 当用白光再现全息图时，人的双眼观察到的是不同角度 二维相片，以人眼的双眼视差实现三维显示
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二维图片的记录
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线全息图消色模糊原理
19 06
O B P
O A
P
图9 .2
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。
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白光再现全息
19 06
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，全息图的大批量复 制技术起了很大作用
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两步法彩虹全息图的记录
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H2
I
H1
H2
红色狭缝像
I 蓝色狭缝像
H2置于H1的衍射实像附近，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H2的物，共轭再现H2时，将会再现出狭缝的实像， 图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
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图像的全息显示
19 06
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
全息图像显示最直接的方式是激光再现全息，以激光作为 光源记录全息图，再以与原参考光一致的再现激光照明全 息图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，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,对相干长度较长的激光器，记录的场景可达数米
R x
CL
L1
O1
H
L2
E z
L3
S
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360合成全息的再现光路
19 06
360合成全息的再现光路如下图示，将显影处理后的全息软片弯成圆 筒状，其半径等于像散系统与全息软片的距离，白光点光源位于圆筒 轴上，距圆筒的距离与原参考光发散点距软片的距离相等 进入观察者左、右眼的两个像来自带有水平视差的不同的窄条单元， 将圆筒装在一个电动机上，使全息图发生旋转，人眼就能通过不同的 全息单元观察到三维物体的不同侧面，如果拍摄的是活动图像，由于 人眼的视觉暂留，人眼观察到的将是三维活动图像
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R H z
L2 O1
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360合成全息
19 06
下图是角度多路全息合成系统的光路，L1是照明系统， L2是投影成像透 镜，L3是作为场镜用的球面透镜，CL是柱面透镜，它们组合形成一个像 散成像系统。O1是二维照片，它被L2成像于场镜L3处。全息软片位于xy 平面，前面放置一狭缝S，全息软片与二维照片同步卷动，每一张二维 照片在狭缝后形成窄条基元全息图