基于全息术的全色三维展示器的设计和前景展望

摘 要：简述利用全息照相的原理，设计出白光全息照相的拍摄光路，探索出能成功拍出全息图的方法以及能实现白光再现的实验参数，在此基础上设计出全色三维展示器，并且讨论视差、角度、光谱等因素对成像效果的影响，提出解决方法。总结出拍摄白光全息图片的条件，提及到大视角数字全息的制作，展望全息术的应用前景和开拓领域。

关键词：白光全息术 全息干板 溴钨灯 视差 全息光学元件

中图分类号：O438.1 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-104-02

1 概述

全息照相发展到现在可分为四个阶段：

第一阶段是水银灯记录同轴全息图，即全息照相的萌芽时期，没有好的相干光源，再现像和共轭像不能分离。

第二阶段是激光记录、激光再现的全息照相，已可分离原始像和共轭像。

第三阶段是激光记录、白光再现的全息照相，主要有反射全息、彩虹全息。

第四阶段是当前所致力的方向，即白光记录全息图。

本文主要介绍了白光全息，利用白光光源再现全息图片的技术。设计本课题——全色三维展示器，首先要求要了解和掌握以下几点知识和问题：

（1）白光记录技术及全息图片的制作流程和应注意要点。

（2）白光再现技术；由于乳胶有一定的厚度而且是透明的，故在其内部也存在物光波与参考光波的相互干涉，干涉条纹也被记录下来，经过处理后得到三维全息图，相当于三维衍射光栅。

（3）三维展示器的结构框架。

（4）三维展示器的设计要求。

（5）三维展示器的参数影响。

在大体了解了这些问题以后，设计工作可以开始进行并且可以通过设计详细的讨论和解决这些问题。 对白光拍摄和再现全息术进行研究，并且对于白光全息像片的立体显示的应用进行设计，以寻找最简、最优的实用方法。由于白光记录和再现技术的实现光路较为简单，不需要暗室条件，对环境因素要求较低，可控性强且成功率高效果较好，所以在各个领域都有较高的应用价值。“全色三维展示器”的设计研究，对白光全息术地应用进行了初步的研究，以寻找一种可行性方案。

2 白光全息术简介

该全息图可以白光再现，这是因为反射全息图的光栅具有选色性，只有某种颜色的光波能反射回来形成像，其它颜色的光波透射过去，不会由于各种颜色的混迭产生色模糊。

通过白光全息，了解全息照相原理。这是应用激光照相技术拍摄的全息像，它与普通照相不同，普通照相是记录了光的强度，因此影像是平面的，而全息照相不仅记录光强度，还记录了光的位相，因此影像是立体的，影像与物体完全一样。结合影像合成技术在一幅全息图中可记录很多的图像，这样的图像会产生动感。

3 全色三维展示器

（1）设计主要是运用白光再现原理和二步成像法。白光再现原理前面已经介绍，这里详细介绍二步成像法。

先用激光再现全息照片H1，再现光R1*是从参考光R1的共轭方向投射到全息照片H1的背面，这样，在H1的左边产生一实像。将感光胶片H2放置在实像处。再从左到右，将一束参考光R2投射到H2上，参考光R2与H1的法线方向（即物光方向） 的夹角为57？即布鲁斯特角），这束光起参考光的作用，又因为所用感光材料的乳胶层比较厚，因此是体积全息图，服从布拉格衍射规律，可以用白光再现。

（2）结构图及介绍。

该展示器主要由外置再现光源——溴钨灯和展示器本身构成。展示器高7.5cm，长宽各12.5cm，主要由两层银盐感光胶片，电源开关构成。上层为银盐感光胶片（可抽取），下层是用于放置可以更换的全息图片的。外置的溴钨灯角度固定，放置在凸透镜的焦点处，以保证光线基本平行射向感光胶片。打开一级电源开关，可打开外置溴钨灯，抽取掉上层胶片，可以直接观察全息图片的成像；打开二级开关，可打开溴钨灯和激光灯，通过二步成像的原理，可以由上层银盐感光胶片观察到立体实像。

该设计主要有以下几种影响参数：再现光源及宽度的影响、视差、再现图像颜色与体积光栅波长的关系及干涉条纹面倾斜角的改变对衍射效率的影响。

4 结论及展望

全色三维展示器主要运用了白光再现技术，对于再现光源，光谱，观察角度都有一定的要求，通过合理的设计，可以在再现光下观察到三维的实物的立体象。在本次设计工作中，主要总结有以下几点：

（1）白光记录是目前所励志的方向，由于结构复杂，目前仍没有很完善的装置实现。

（2）白光再现：条纹的明暗程度和图样反映了物光波的振幅和位相分布，相当于一个复杂的光栅，只有经过适当再照明才能重现原来的物光波。

（3）讨论了二步成像法。并不是所有的全息图片都可以白光重现的，白光再现的全息图要求有较高的衍射效率并色模糊量小，本文讨论了各种情况。

（4）通过对白光全息知识的掌握，设计出全色三维展示器结构图和原理图，并加以完善。

（5）研究了全色三维展示器的参数：光源，光谱，视差及波长和角度对再现像观察的影响。通过白光以布鲁斯诺角入射到全息图像上，基本可以观察到三维立体的实像。

白光全息术在三维显示领域具是非常具有发展潜力的。显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图，如白光反射全息图、白光透射全息图等，而各种类型的显示全息图又可以广泛用于舞台布景、室内装饰、建筑、投影等；再如，以动态显示的全息技术，层面X 射线照相术、3DCAD 技术、3D 动画片、雷达显示、导向和模拟系统等在近几年的发展中也均得到了多方关注。