1、 武汉轻工大学毕 业 设 计（论 文）设计 (论文)题目：基于光学全息的影视显示技术研究姓 名 张磊 学 号 101204324 院（系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 李鸣 2014年 6 月 10 日目 录摘要.IAbstract.II第1章 概述.11.1 光学全息研究背景 .11.2 全息术与3D 显示发展现状. 21.3 课题研究的主要内容.3第2章 全息术的基本原理 .52.1 全息图的记录.62.2 物光波的再现.82.3 全息术的发展与基本类型.92.3.1 同轴全息术.92.3.2 离轴全息术.102.3.3 白光再现全息术.102.3.4 白光全
2、息术.112.4 基于全息术的3D 显示. 112.4.1 透射式全息显示技术.122.4.2 反射式全息显示技术.122.4.3 像面式全息显示技术.132.4.4 彩虹全息显示技术.132.4.5 模压式全息显示技术.142.4.6 计算机全息显示技术.142.5 傅立叶变换全息原理. 142.5.1 傅里叶变换全息的记录.142.5.2 傅里叶变换全息的再现.15 2.5.3 傅里叶变换全息的特点.16第3章 傅里叶变换全息制作影视的设计.183.1 设计思路. 183.2 实验步骤. 19 3.3 影视的放映. 213.4 设计结果和分析. 22总结.23谢辞.24参考文献.25摘 要
3、全息术是一种用干涉和衍射原理来记录和再现物体光波的技术。首先，进行拍摄过程，就是利用干涉原理记录物体的光波信息；其次，利用激光作为参考波，和物光束重合产生干涉，把物体光波上的各个点的信息转换成空间上的信息，从而利用干涉条纹的信息记录下了物体的全部信息。本论文介绍了全息术的诞生，发展和历史背景，全息术的各种类型及其全息技术在生产和生活中的应用。主要研究了利用傅里叶变换全息原理实现物体的3D 显示，利用激光照射小孔，用透镜对物体的分布作傅里叶变换，记录参考光和频谱的干涉条纹。实验结束后对产生的效果进行观察，与实物进行对比，进而分析实验结果以及对全息术的未来展望。关键词：全息术；记录；再现；3D 显
4、示IAbstract Holography is a technology which memorizes and represent wavefront taking advantage of interference and diffraction. Firstly, the filming process is the use of light waves witch from interference principle record object information; Secondly, using laser as a reference wave and beam overl
5、ap interference. The object of each point on the light information into space to record the information of interference fringe is used all the information.This paper introduces the birth of holography, development and historical background, the derived during the various types of holography and holo
6、graphic technology in the application of the production and life. By using Fourier transform hologram is the main research method for 3D display of objects, using laser holes, with the distribution of the object lens Fourier transform, the reference light interference fringes and spectrum. After the
7、 experiment to observe the effect of the compared with physical, then analysis the results and the prospect of the future of holography.Keywords: Holography; Memorizes; Represents; 3D display0第 1 章 概 述随着信息技术的快速发展，出现了很多高新科技产品，对于光学领域来说，量子学的初步发展，也出现了不少光学系统相关的产品，它逐步应用到了人类的社会生活中，满足人们的各种生活需求，最为突出的就是全息技术了，
8、它的技术产品广泛应用于人类生活中。全息术经历了一代又一代人的发展，现在已经步入了更高的领域，本论文着重介绍了全息术的基本理论和实际应用，利用全息术实现 3D 显示。在原理上，经过光的照射实现记录和再现过程，保留原物的所有信息，所以人们在观看全息图时可以看到与原物完全一样的图像，包括各种视觉上的视差，在这种意义上来说，全息图才是真正的 3D 图像。1.1 光学全息研究背景全息术是由英国 Thomson-Houston 公司工作的盖伯（Dennis Gabor）于 1948 年提出的全息术理论，他开始的目的是为了提高显微镜的分辨率，他研究了全息术对显微镜的应用。他所提出的这一理论是第一代全息术（即
9、同轴全息术） 。全息学自 20 世纪 60 年代激光器的问世后等到了迅速的发展，激光提供了一种相干性很高的光源，1962 年美国科学家利思（Leith）和乌帕特尼克斯（Upatnieks）将通信理论中的载频概念推广到空域中，提出了离轴全息术，这是第二代全息术。后来相继出现了第三代全息术，1969 年，本顿发明了彩虹全息术，它可以利用白炽灯光的照射观察到立体的物体成像，这种方法牺牲了垂直方向上的信息，保留了物体水平方向上的信息，这样就降低了对光源的要求，而且还实现了全息图的鲜艳的色彩效果，彩虹全息术的出现，带动全息术进入了第三个发展阶段。由于研究设备和要求的种种不便，人们开始致力于下一代全息术的
10、研究，采用白光记录和再现让全息术的研究能在实验室中进行，让全息术的研究更加方便。古德曼和劳伦斯等人提出了新的全息概念 数字全息技术，引领了精确全息技术的时代。数字全息技术是计算机技术、全息技术和电子成像技术相结合起来的一种技术。直到 90 年代，出现了高分辨率 CCD，人们开始用 CCD 等光敏电子元件替换传统的感光胶片或新型光敏等介质来记录全息图，并用数字方式通过电脑模拟出光学衍射现象来呈现影像，它通过电子元件实现记录过程，省去了全息图后期的显影和定影等化学处理过程，为全息图的制作节省了大量时间，实现了对图像的实时处理，可以实现对全息图的叠加，使得全息图的记录和再现实现了真正的数字化 9。全
11、息术在科学领域中有着很高的地位，它慢慢地融入到了人们的生活中，全息1显示技术的出现给真正的三维立体电视带来了希望。全息电视与 3D 电视相比，它的优势之处不仅在于立体三维图像更接近于对象本身，而且对象从人眼的深度感在生理上的心理更加强烈。1.2 全息术与 3D 显示发展现状人对物质世界中的感知对象是一个 3D 立体的。遗憾的是，如今主流的视频显示技术采用的是 2D 屏幕，只能显示一幅 2D 图像，但当处理后的数据变得越来越复杂之后，人们对标准的 2D 显示系统的不满意程度越来越大，不管绘图软件输出的图像变得如何快或者和照片一样真实，只要结果只能在平面屏幕上观看，未能充分利用人的视觉系统的能力。
12、全息术在实际应用中有很多特点和优势：1.立体影像的再造功能有利于保存珍贵的艺术品资料，进而收藏；2.拍摄时的每一点都记录在全息图片的任何一点上，一旦照片损坏也关系不大，这就体现出了其可分割性，不会因为照片的损坏而失去图像的完整性；3.全息照片的景物立体感强，形象逼真，另外利用激光器可以在各种展览会上进行展示，会得到非常好的效果，这一性质与用现有的偏振镜片观看电影有着本质上的区别；4.去储存的信息量很大，远大于光盘和磁盘所储存的信息量11。全息影视与 3D 影视也有很多的不同点，现今主要是利用激光技术实现物体的3D 画面传输。激光全息技术的研究已有 40 多年的历史，应用激光全息摄影技术拍摄成的
13、全息图，它在普通室内漫射光照射下并不呈现明显的图像，如果用定向白光照明( 多媒体投影机灯泡发出的白光)后可在空间再现出的三维图像，可看到的物体不同侧面和不同深度(左、右、上、下、内面等)。犹如看到原物一样。物像的后半部以虚像形式呈现在图版的后方，前半部分以实像的形式呈现在图版前方的空间。实像和虚像都是看得见摸不着的，它实际上是由全息图版再现出来的一束光波所形成的 13。全息术在影视方面的研究有有着不少的困难，现在也只局限于在电影院利用 3D眼镜来实现，对于制作商来说，3D 视频的制作成本较高， 3D 视频中的内容匮乏，3D 视频储存量大。对于服务提供商来说，现有的网络带宽无法支持 3D 视频播
14、放，部分媒体在升级到 HD 标准之后，并不急于投入 3D 行业。对于产品制造商来说，部分商品还是需要佩戴 3D 眼睛来观看，终端产品的显示也是很贵的。对于现在的3D 影视技术还不成熟，技术繁多，混杂，3D 的影视制作内容，格式，压缩方式也是不统一的 12。全息术的研究和发展，促进了科技的进步，近年来国内外采用数字全息三维成像 6 技术，以光学全息理论作为基础，以 CCD 为记录材料，对所记录的全息图数字化，再输入计算机，结合图像合成技术，可以获得高质量的三维图像。全息术的出2现大大提高了科技的进步，让人们所普遍了解的 2D 今日到 3D 时代，尽管如今的3D 技术还不是很成熟，但在科技发达的现
15、在，将来会达到很高的高度，更会在人们的生活中起到很好的作用，尽管将来的发展困难重重，人类社会的高科技也会将他们一一克服。目前全息术在相关产业上应用广泛：1.全息干涉计量，这是全息术诞生以来应用最广泛的领域，它在微应力分析、表面微位移测量、形状和等高线的检测、振动分析和无损检测等方面应用广泛。它解决了一般的干涉计量术以及其他干涉手段所不能解决的问题，所以该技术很快的渗透到了机械学、流体力学、空气动力学、声学、航空航天、化工、高分子化学、医学和生物学等科学领域。2.全息存储，它在存储容量方面有着巨大的优势，加上其具有冗度高、数据读取速度高和并行读取的特点。在全息术诞生时起就得到了广泛关注，在记录和
16、存储信息时可以达到很高的数量级，记录数据的密度之高，让它逐步走向实用方向。3.显示全息，这是光学全息应用的一个重要方面，全息显示图已经出现在了实际生活中，可以等到栩栩如生的 3D 立体图像，所以在艺术领域等到更为广泛的应用。他可以通过各种立体显示技术呈现出具有真实感的立体图像，彩虹全息术的出现让这一技术逐步的进入商品化。4.模压全息，它广泛应用于安全防伪领域，在身份证、护照、信用卡、优质产品和名牌服装商标上，以及各类证件上应用广泛，模压全息制作的防伪标识具有不可去除性，价格低廉，容易验证等特点，它还可以与现代印刷术相结合，制作出更加容易让消费者接受的包装和标贴。全息术问世至今已有了半个多世纪，
17、在其他方面也等到了很好的应用，它可以取代古老的光栅元件的全息光栅，在现代军事和航空领域也有很重要的应用。在显微方面可以采用全息显微术来研究物质的微观结构和生命活动等细微过程，计算机全息还可以再现不存在的物体图样。全息术在诸多领域等到了很好的应用，多年来有了很大的发展。1.3 课题研究的主要内容由于人们对信息的需求不断提高，对视听享受的要求也同样迫切需求，普通的2D 平面上的影视效果已经无法满足人们的需求了，这样就要迫切需求一种实现 3D的技术来满足。为了满足这种需要，大量的研究人员都致力于开发 3D 显示系统。许多基于不同方法的显示设备己经可以商业使用，但是研究工作的重点任然还处于改进和发展这
18、些 3D 显示新技术的阶段。我们可以采用全息技术实现立体显示，光学全息的记录和再现过程可以真实的还原物体的信息，在这一方面更加能够满足社会需求，随着全息术的快速发展，影视的类别也出现了多元化，所以全息电影的出现也是必然的。本课题利用傅里叶变换全息实现立体显示，结合计算机显示技术制作的影视效果较其他的视频效果在各3方面都有很突出的优势，可以带给人们最真实的立体感受。第 2 章主要介绍了全息术的基本原理，全息术的记录和再现；全息术的不同的类型和利用全息术实现的不同的 3D 显示技术；傅里叶变换全息的基本原理及其相较于其他显示技术的优势。第三章是利用傅里叶变换全息的原理实现物体的 3D 立体显示的设
19、计，它是利用全息术理论应用到视频显示中，以全息术为核心，结合计算机实现物体的 3D 显示，呈现出物体真实的 3D 效果，利用这种原理可以使 2D 画面实现 3D 特效，将普遍的 2D 动画通过傅里叶变换全息转换为真实立体的实物特效，对实验结果的展示和分析，最后对未来全息术在影视方面的发展做出了评价和展望。4第 2 章 全息术的基本原理传统的光学成像系统，是由一些光学组件和连续的几个透镜组成，如照相机、显微镜、望远镜、投影透镜等，这些透镜的作用是改变光场，使系统中的场分布的图像满足函数要求。传统的摄影图片的目的是使一个 3D 物体投影到一个二维的接收器平面上(如胶卷或数码样品平面)，在投影几何学
20、原理上，使几何上的二维图像类似于原始的 3D 物体。许多光学系统成像虽具有三维立体性，当在原物不存在时不能显示出与原物同样的三维立体图像,不能将原物发出的物光波的所有信息“冻结”。传统的光学系统最突出的特征是对象被散焦时，直接影响到三维空间坐标的深度信息描述。在经典光学中，无论用哪种类型的光学仪器，一个被散焦的对象会形成一个模糊不清的图像，而且模糊度很大程度上取决于所选用的光学仪器。在成像过程中，第三维深度信息的丢失，通过单一的照相图像的数字加工后只能被还原一部分。所以，普通照相所记录下来的物体光波(称信号光波)信息，只有振幅信息或者频率信息，根本不得到物体光波的位相信息，因此，显示出的物体影
21、像只能是明暗强度变化的平面图像，而没有三维立体感。然而，人们在很长一段时间里，已经习惯地去观看被压缩在一个平面上的三维空间内的物理图像。电影演员、电视上人物的影像虽然生动逼真地呈现在屏幕上，但在任一时刻，这些影像与一张普通照片没有任何区别。现在各种类型的所谓”立体摄影” ，如立体电影也没有超过这个范围，它们只不过是在一张(或两张)照相底片上摄制立体景物的某几个方向的平面像，再由一个柱面透镜或偏振片做成的体视镜来观察，利用双目体视效应，就看到立体感的景物图像。总的来说，普通摄影，包括黑白摄影、彩色摄影、电影和电视，记录和再现的物体光波只是振幅或一些频率的信息，而对位相信息毫无反映。与普通照相不同
22、，全息照相能够记录物体光波的振幅和相位，并在一定条件下再现，就可以看到物体的全部信息的三维图像，即使物体移动了，也可以看到原始物体本身所具有的全部信息，包括三维的感觉和视差。利用干涉原理，具体的物体发出的光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波波前的所有信息都储存到记录介质中，所以所记录的干涉条纹图样叫做全息图。当用光波照射全息图时，利用衍射原理能再现出原始物体的光波，形成逼真的三维图像 2。全息术的基本原理是利用光波干涉同时记录物体的振幅和相位，由于全息再现象光波保留了原有光波的全部振幅和相位的信息，所以再现象与原物有着完全相同的三维特性。最初盖伯提出的的全息术理论是一个两步无透镜成像过程，第一步是用照相的方法记录从一个物体散射来的光和来自同一个光源的相干的参考波互相作业后产生的干涉图，称之为全息图，这张图同时记录了波的振幅和相位。第二步则是利用适当的光波照射所得的照相底片，得到物体的再现像。人们在观看全息像时
