超星·期刊 第47卷第4湖 红外与激光工程 2018年4月 Vol.47 No.4 Infrared and Laser Engineering Apr.2018 全息打印技术研究进展 黄应清1，苏健，陈精贝，闫兴鹏，蒋晓瑜 (1.陆军装甲兵学院，北京100072；2.陆军装甲兵学院信息通信系，北京100072) 摘要：全息打印技术可以实现场景的真三维显示，根据千涉纹样的不同来源及不同记录方式，可将 其归类为合成全息体视图打印、计算全息图打印与全息波前打印。合成全息体视图打印无法准确记录 三雏场景的深度信息，因而全息图再现时存在会聚一调节矛盾；计算全息图打印能够准确记录与再现 场景的深度信息，继而解决会聚-调节矛盾，然而仅能得到薄的透射型全息图，因而无法实现白光再 现：令息被前打印既可以解决会聚一调节子盾，又可以得到原的反射型息图实现且有良好观察效 果的白光再现。首先介绍了各类全息打印技术的基本原理，着重分析了各自的研究现状，然后讨论了 它们的优缺点，以说明各类全息打印技术的特性。 关键词：全息：全息打印：体视图：全息单元 中图分类号：0438.1 文献标志码：A D0I:10.3788/RLA201847.040600 Progress in holographic printing technique Huang Yingqing',Su Jian',Chen Yibei',Yan Xingpeng",Jiang Xiaoyu' (1.Academy of Army Armored Forces.Beijing 100072.China: 2.Department of Information Communication.Academy of Army Armored Forces.Beijing 100072.China) Abstract:Holographic printing technique can achieve a true three-dimensional display of the scene well Based on different sources and different recording methods of interference patterns.holographic printing techniques can be classified as synthetic holographic stereogram printing computer-gen printing.and wavefront printing.Synthetic holographic stereogram printing can't record the depth information of the three-dimensional scene accurately,so there occurs the vergence-accommodation conflicts during the the.Computer-generated printing can re the depth information of the scene accurately,and solve the vergence-accommodation conficts.However the hologram is only a thin transmission hologram which can't be reconstructed by white light.Wavefront printing can not only solve the vergence-accommodation conflicts,but also achieve a thick reflection hologram for white-light recons with god observation effect.Principles of different holographie printing techniques were introduced,then research status of each technique was analyzed.Finally.the advantages and disadvantages of them were discussed to illustrate their own properties. Key words:holography:holographic printing: stereogram:holographic element(Hogel) 收日期：2017-11-12：修订日期：2017-12-10 基金项目：家重点所发计划(2017YFB10450):风家自然科学基金(617520)：全优秀博士学位论文作者专项资金(201432 作者简介：黄应清(19心6-).男，教授，顾士，主要从事信息光学及日标探测与识别方面的研究。Emai:huangyingqingl105@163.con 通讯作者：蒋晓瑜(967-)，男.教授，博士，主要从事光电图像处理及三堆数字全息等方雨的研究。Email:jiangxiaoyu2007@gmil.com 0406008-1
全息打印技术研究进展 黄应清 1 ，苏 健 2 ，陈祎贝 2 ，闫兴鹏 2 ，蒋晓瑜 2 (1. 陆军装甲兵学院，北京 100072；2. 陆军装甲兵学院 信息通信系，北京 100072) 摘 要： 全息打印技术可以实现场景的真三维显示，根据干涉纹样的不同来源及不同记录方式，可将 其归类为合成全息体视图打印、计算全息图打印与全息波前打印。合成全息体视图打印无法准确记录 三维场景的深度信息，因而全息图再现时存在会聚-调节矛盾；计算全息图打印能够准确记录与再现 场景的深度信息，继而解决会聚-调节矛盾，然而仅能得到薄的透射型全息图，因而无法实现白光再 现；全息波前打印既可以解决会聚-调节矛盾，又可以得到厚的反射型全息图，实现具有良好观察效 果的白光再现。首先介绍了各类全息打印技术的基本原理，着重分析了各自的研究现状，然后讨论了 它们的优缺点，以说明各类全息打印技术的特性。 关键词： 全息； 全息打印； 体视图； 全息单元 中图分类号： O438.1 文献标志码： A DOI： 10.3788/IRLA201847.0406008 Progress in holographic printing technique Huang Yingqing1 , Su Jian2 , Chen Yibei2 , Yan Xingpeng2 , Jiang Xiaoyu2 (1. Academy of Army Armored Forces, Beijing 100072, China; 2. Department of Information Communication, Academy of Army Armored Forces, Beijing 100072, China) Abstract: Holographic printing technique can achieve a true three-dimensional display of the scene well. Based on different sources and different recording methods of interference patterns, holographic printing techniques can be classified as synthetic holographic stereogram printing, computer-generated hologram printing, and wavefront printing. Synthetic holographic stereogram printing can′ t record the depth information of the three-dimensional scene accurately, so there occurs the vergence-accommodation conflicts during the reconstruction of the hologram. Computer-generated hologram printing can record and reconstruct the depth information of the scene accurately, and solve the vergence-accommodation conflicts. However, the hologram is only a thin transmission hologram which can′t be reconstructed by white light. Wavefront printing can not only solve the vergence-accommodation conflicts, but also achieve a thick reflection hologram for white-light reconstruction with good observation effect. Principles of different holographic printing techniques were introduced, then research status of each technique was analyzed. Finally, the advantages and disadvantages of them were discussed to illustrate their own properties. Key words: holography; holographic printing; stereogram; holographic element(Hogel) 收稿日期：2017-11-12； 修订日期：2017-12-16 基金项目：国家重点研发计划(2017YFB1104500)；国家自然科学基金(61775240)；全国优秀博士学位论文作者专项资金(201432) 作者简介：黄应清(1966-)，男，教授，硕士，主要从事信息光学及目标探测与识别方面的研究。 Email:huangyingqing1105@163.com 通讯作者：蒋晓瑜(1967-)，男，教授，博士，主要从事光电图像处理及三维数字全息等方面的研究。 Email:jiangxiaoyu2007@gmail.com 0406008-1 第 47 卷第 4 期 红外与激光工程 2018 年 4 月 Vol.47 No.4 Infrared and Laser Engineering Apr. 2018 ChaoXing
超星·期刊 红外与激光工程 第4期 www.irla cn 第47飞 0引言 全息术是一种基于光波干涉与衍射原理的直三 维显示技术，最早由D.Gabor提出并实现山。近年 Hoge -Hogel 来，计算机技术与全息术结合得更加紧密，全息打 技术得到了飞速发展相比传统的光学全息全息打 (a)主全息图的制作 (b)主全息图的再现 印技术可以将虚拟场景的三维信息存储于全息记录 (a）Production of master (b)Reconstruction of master 介质，全息打印技术已被广泛应用于商业、军事、医 hologram hologram 疗、广告业等领域。 根据干涉纹样的不同来源及不同记录方式，可 将全息打印技术分类为合成全息体视图打印、计算 全息图打印与全息波前打印。合成全息体视图打印 中，首先利用真实相机或者计算机渲染技术得到三 -Virtual pupi 维场景的多视角图片，再将含有视角图片信息的物 光光束与参考光光束干涉，干涉纹样存储于全息记 (心)主全息图拍至转移全息图 (d)转移全息图的再现 录介质，全息体视图再现时，通过观察含有视差信息 (d)Re 的不同视角图片，进而产生立体感，视差会随着人眼 位置的移动而改变调。计算全息图打印中，利用计 图1两步转换法全息体视图的制作与再现 算机直接算出全息条纹 再将条纹加载至空间光调 with two-step m 器(Spatial light modulator.SLM0,投射至全息记 录介质后被直接记录州，可以得到各类薄的透射型 自20世纪90年代起，美国麻省理工学院(MT 全息图，如菲涅耳(Fresnel)全息图，彩虹全息图，像全 的媒体实验室与日本东京工业大学的成像科学与 良图及全息体视图等。被前打印中同样需要利用计 工程实验室固绕合成全息体视图展开了积极的研 算机算出全息图，但算法不同于计算全息图打印，而 究吗。为简化两步转换法的制作过程，分别提出 且可以获得反射式体全息图四。 无限远相机法-与单步Lippmann全息体视图打 全息打印技术发展迅速、应用广泛，文中将重点 印方法阿 介绍其基本原理、研究现状，以及其它相关内容。 无限远相机法的核心思想是将视角图片转换成 与视差相关的图片，当相机采样平面与全息记录平 1合成全息体视图打印 面足够远时，可近似认为进入全息单元的光线均为 平行光，变换过程相当于对一系列数组的操作，变换 1.1基本原理 原理如图2所示。假设共有sx(s=1,2,.,M,= 合成全息体视图打印最早由D.DeBitetto提 出四，并由M.C.Kig等人发展I。通过两步转换 Perspective images Parallax related images 法，可以得到虚实结合的全息图，即再现像或凸出于 1.2 全息记录介质显示，或显示于记录介质内部。两步转 换法全息体视图的制作与再现过程如图1所示 P同 在非相干条件下拍摄三维场景的多视角全视差图 像，并将它们的Fresnel全息图依次记录于全息单 (Holographic element,HogeI),为了分离孔径光阅平 =1.2M 1.2m 面与观察平面，主全息图(master hologram)需要通过 困2无限远相机法视角图片支换原理 像全息图的方式翻拍至转移全息图(transfer Fig.2 Transformation principle of perspective images in infinite hologram),这意昧着必须经过两次曝光。 riewpoint camera method 0406008-2
红外与激光工程 第 4 期 www.irla.cn 第 47 卷 0406008-2 0 引 言 全息术是一种基于光波干涉与衍射原理的真三 维显示技术，最早由 D. Gabor 提出并实现[1]。 近年 来，计算机技术与全息术结合得更加紧密，全息打印 技术得到了飞速发展，相比传统的光学全息，全息打 印技术可以将虚拟场景的三维信息存储于全息记录 介质，全息打印技术已被广泛应用于商业、军事、医 疗、广告业等领域[2-6]。 根据干涉纹样的不同来源及不同记录方式，可 将全息打印技术分类为合成全息体视图打印、 计算 全息图打印与全息波前打印。 合成全息体视图打印 中， 首先利用真实相机或者计算机渲染技术得到三 维场景的多视角图片， 再将含有视角图片信息的物 光光束与参考光光束干涉， 干涉纹样存储于全息记 录介质，全息体视图再现时，通过观察含有视差信息 的不同视角图片，进而产生立体感，视差会随着人眼 位置的移动而改变[7-8]。 计算全息图打印中，利用计 算机直接算出全息条纹， 再将条纹加载至空间光调 制 器 (Spatial Light Modulator，SLM)， 投 射 至 全 息 记 录介质后被直接记录[9-10]，可以得到各类薄的透射型 全息图，如菲涅耳(Fresnel)全息图、彩虹全息图、像全 息图及全息体视图等。 波前打印中，同样需要利用计 算机算出全息图，但算法不同于计算全息图打印，而 且可以获得反射式体全息图[11]。 全息打印技术发展迅速、应用广泛，文中将重点 介绍其基本原理、研究现状，以及其它相关内容。 1 合成全息体视图打印 1.1 基本原理 合成全息体视图打印最早由 D. J. DeBitetto 提 出[12]，并由 M. C. King 等人发展[13]。 通过两步转换 法，可以得到虚实结合的全息图，即再现像或凸出于 全息记录介质显示，或显示于记录介质内部。 两步转 换法全息体视图的制作与再现过程如图 1 所示[14]。 在 非 相 干 条 件 下 拍 摄 三 维 场 景 的 多 视 角 全 视 差 图 像，并将它们的 Fresnel 全息图依次记录于全息单元 (Holographic element，Hogel)， 为了分离孔径光阑平 面与观察平面，主全息图(master hologram)需要通过 像 全 息 图 的 方 式 翻 拍 至 转 移 全 息 图 (transfer hologram)，这意味着必须经过两次曝光。 (a) 主全息图的制作 (b) 主全息图的再现 (a) Production of master (b) Reconstruction of master hologram hologram (c) 主全息图翻拍至转移全息图 (d) 转移全息图的再现 (c) Reproduction of master hologram (d) Reconstruction of to transfer hologram transfer hologram 图 1 两步转换法全息体视图的制作与再现 Fig.1 Production and reconstruction of holographic stereogram with two-step method 自 20 世纪 90 年代起，美国麻省理工学院(MIT) 的 媒 体 实 验 室 与 日 本 东 京 工 业 大 学 的 成 像 科 学 与 工程 实 验 室 围 绕 合 成 全 息 体 视 图 展 开 了 积 极 的 研 究[15]。 为简化两 步 转 换 法 的 制 作 过 程 ，分 别 提 出 了 无 限 远 相 机 法 [16-17]与单步 Lippmann 全息体视图打 印方法[18-19]。 无限远相机法的核心思想是将视角图片转换成 与视差相关的图片， 当相机采样平面与全息记录平 面足够远时， 可近似认为进入全息单元的光线均为 平行光，变换过程相当于对一系列数组的操作，变换 原理如图 2 所示[14]。 假设共有 s×t(s=1，2，. ，M，t= 图 2 无限远相机法视角图片变换原理 Fig.2 Transformation principle of perspective images in infinite viewpoint camera method ChaoXing
超星·期刊 红外与激先工程 第4期 www irla cn 第47春 1,2,.,幅视角图片，每幅图片含有ix(i=1,2. 效果通过对有效视角图片段的拼接组合得到最然 m广户1,2，.，m个像素，视角图片矩阵表示为P》 的合成有效视角图片，该方法的图片处理方式简单 将所有视角图片矩阵相同位置处的像素提取出来组 且再现像的分排率较高。 成新的矩阵H(,),表示与视差相关的图片，全息体 视图再现像的分辨率等于全息单元的个数 单步Lippmann全息体视图打印方法中，用于全 息单元的躁光图片不是相机采样，而是通过视角投 影获得的，基本原理如图3所示。根据全息单元的 中心位置，将各物点依次投影至液品显示屏(LCD) (幻)单个虚拟全息单元对应的有效图片段的提取 投影时需要考虑空问物点的遮挡关系，移除消隐面 g to 全息图再现时，全息单元向各个方向衔射光线，与曝 signal virtual Hogel 光图片计算生成的方向相反，继而观察者将会感知 到三维场最。 a)母光图片的计算与生成 b光学打印系统 )多个虚救全息单元有效图片段拼接组合得到合成有效视角图 (a)Caultion of image (b)Opical p of t (b)Synthetic effective perspective image mosaicked by effective mages segments of multiple virtual Hogels printing system 图4基于EPSM算法的全息体视图原理 LCD Fig Principle of the EPISM based holo Scen 1.2合成全息体视图打印的研究现状 121大标面、大视场、无畸变的全息显示 MT团队对大幅面、大视场合成全息体视图的制 (c)三维场景的再现 作原理进行了研究，并对再现像中的透视畸变间题提 出了解决方案，提出了所谓的“超全息图"(Ultragram) 图3单步ippmann全息体视图剂作原理 改善了水平视差全息体视图的晴变特性可。S.A」 Fig3 Principle of th Benton等通过拼接全息单元实现了平方米级幅面的 stereogram method 全总显示 两步转换法过程复杂，且由于二次曝光时难以 俄罗斯学者A.Y.Z小herdev等从能量利用率利 获得大幅面的平行光，制作大尺寸的全息图较为困 视场角角度比较了传统的基于散射与折射原理的全 雄：采用无限远相机法与单步Lippmann全息体视图 息体视图打印系统，提出采用衍射透镜来扩大视场 打印方法时仅需要通过单次曝光，但前者的再现图 角，研制了复合全息透镜(Composite Holographic 像分辨率较低，特别是对于小幅面的全息图，后者的 Lens,CHIL)与振辐型衍射透镜(Amplitude Diffractive 图像处理过程较为复杂。笔者提出了一种基于有效 Lens,ADL).将这两种特殊的光学衍射透镜应用于 视角图片分割重组(Effective Perspective Images 全息打印，获得了120°视场角的全息体视图效果 Segmentation and mosaicking.EPISM)算法的全息体 在合成全息体视图打印系统中使用物镜、远心镜 视图打印方法，其基本原理如图4所示。根据光线 头等光学器件后，经SLM后的图像将会产生畸变四， 追迹原理和光路的可逆性模拟人眼的锥状放射观察 韩国学者J.Pak等讨论了图像畸变何题，模拟了径 0406008-3
红外与激光工程 第 4 期 www.irla.cn 第 47 卷 0406008-3 1，2，.，N)幅视角图片，每幅图片含有 i×j(i=1，2，.， m，j=1，2，.，n)个像素，视角图片矩阵表示为 Pst(i，j)， 将所有视角图片矩阵相同位置处的像素提取出来组 成新的矩阵 Hij(s，t)，表示与视差相关的图片，全息体 视图再现像的分辨率等于全息单元的个数。 单步 Lippmann 全息体视图打印方法中，用于全 息单元的曝光图片不是相机采样， 而是通过视角投 影获得的，基本原理如图 3 所示[14]。 根据全息单元的 中心位置， 将各物点依次投影至液晶显示屏(LCD)， 投影时需要考虑空间物点的遮挡关系，移除消隐面， 全息图再现时，全息单元向各个方向衍射光线，与曝 光图片计算生成的方向相反， 继而观察者将会感知 到三维场景。 (a) 曝光图片的计算与生成 (b) 光学打印系统 (a) Calculation of the exposing image (b) Optical setup of the printing system (c) 三维场景的再现 (c) Reconstruction of the hologram 图 3 单步 Lippmann 全息体视图制作原理 Fig.3 Principle of the single-step Lippmann holographic stereogram method 两步转换法过程复杂， 且由于二次曝光时难以 获得大幅面的平行光， 制作大尺寸的全息图较为困 难；采用无限远相机法与单步 Lippmann 全息体视图 打印方法时仅需要通过单次曝光， 但前者的再现图 像分辨率较低，特别是对于小幅面的全息图，后者的 图像处理过程较为复杂。 笔者提出了一种基于有效 视 角 图 片 分 割 重 组 (Effective Perspective Images′ Segmentation and Mosaicking，EPISM) 算法的全息体 视图打印方法[14]，其基本原理如图 4 所示。 根据光线 追迹原理和光路的可逆性模拟人眼的锥状放射观察 效果， 通过对有效视角图片段的拼接组合得到最终 的合成有效视角图片，该方法的图片处理方式简单， 且再现像的分辨率较高。 (a) 单个虚拟全息单元对应的有效图片段的提取 (a) Extraction of effective image segment corresponding to a signal virtual Hogel (b) 多个虚拟全息单元有效图片段拼接组合得到合成有效视角图片 (b) Synthetic effective perspective image mosaicked by effective images segments of multiple virtual Hogels 图 4 基于 EPISM 算法的全息体视图原理 Fig.4 Principle of the EPISM based holographic stereogram method 1.2 合成全息体视图打印的研究现状 1.2.1 大幅面、大视场、无畸变的全息显示 MIT 团队对大幅面、 大视场合成全息体视图的制 作原理进行了研究， 并对再现像中的透视畸变问题提 出了解决方案，提出了所谓的“超全息图”(Ultragram)， 改善了水平视差全息体视图的畸变特性[16-17]。 S. A. Benton 等通过拼接全息单元实现了平方米级幅面的 全息显示[20]。 俄罗斯学 者 A. Y. Zherdev 等 从 能 量 利 用 率 和 视场角角度比较了传统的基于散射与折射原理的全 息体视图打印系统， 提出采用衍射透镜来扩大视场 角 ， 研 制 了 复 合 全 息 透 镜 (Composite Holographic Lens，CHL)与振幅型衍射透 镜(Amplitude Diffractive Lens，ADL)， 将这两种特殊的光学衍射透镜应用于 全息打印，获得了 120°视场角的全息体视图效果[21]。 在合成全息体视图打印系统中使用物镜、远心镜 头等光学器件后，经 SLM 后的图像将会产生畸变[22]， 韩国学者 J. Park 等讨论了图像畸变问题，模拟了径 ChaoXing
超星·期刊 红外与激光工程 第4期 www irle on 第47飞 向暗变对于全视差全彩色自光可见全息体视图再现 料的动态范围四：后者是首先对全息单元进行空间 像效果的影响，并提出使用峰值信噪比(Peak Signal 分制，再对每个子区城进行某单色激光的噪光，由 to-Noise Ratio,PSNR)与结构相似度(Structural 记录密度的降低，采用该方法时RGB三色中的某色 Similarity,SSM)作为图像质量评判的标准- 衍射光强度将会下降至全单色全息单元光时的13 1.2.2打印效率 M.Yamaguchi团队提出了一种基于高密度光场 全息体视图打印时需要对全息单元进行逐点曝 重建的全视差全彩色全息显示方法并从角分辨 光，打印效率十分关健。俄罗斯学者A.V.Morozov 率、全息单元阵列结构的可见性等角度分析讨论了 等分析了全息打印总时间与全息单元尺计材料感 全息单元尺十对再现效果的影响结果表明当全息 光灵敏度，激光功率，噪光时间，静台时问、位移平台 单元尺寸为50mx50μm时，全息图可提供1.08°的 移动时间等因素之间的关系，提出了空间复用与时 角分辨率，满足人眼视觉系统的需求。 间复用的多全息单元打印技术，打印10cm×10cm 12.4成像质量 幅面全息图时，可以将传统打印方法所需的250min M.Lucente分析了水平视差全息体视图中全息 分别缩短到67min和32min 单元尺寸与精向分辨率之间的关系KH0g等提 哈尔滨师范大学的关承祥团队提出多通道全息 出采用全息单元交叠的方法提高全息体视图再现像 图记录的方法，将SLM分割成多个通道，采集到的 的分辨率，位移平台的移动间隔小于全息单元尺 多视角图片也相应分制成多幅子图，子图重新组合 寸，可叠加的最大全息单元数目取决于全息记录介 后加载至SLM的多个通道，多通道同时曝光，显著 质的动态范围，但是由于频谱混叠，这种硬交叠方式 减少了制作大幅面全息图所需的时间。 将会导致再现图像出现是状模糊。M.Yamaguchi团 日本的M.Yamaguchi团队采用透镜阵列，对 队提出在全息单元之前加入限带的散射膜来提高全 12个全息单元同时曝光，总的打印时间可缩短至传 息体视图的显示分辨率四，但是引入了一定的附加 统时间的1/10画。 声 相比连续激光器，脉冲激光器对于振动或者微 1.2.5衍射效率 小的温度变化并不敏感，屡光过程中静台时间可忽 全息图的衍射效率与许多因素有关，比如记录 路已有多位学者和公司采用脉冲激光器实现了合 介质特性，物光与参考光的光强比，物光及参考光的 成全息体税图的打印 偏振特性，及后续处理工艺等。当物光与参考光光 123备衫还师胜性 出接近1·】时全息图的衍射效果最佳。由于诱镜健 伴随新型全息感光材料的发展，近些年彩色反 里叶平面处物光的谱很窄，M.A.KIug等提出采 射全息图打印一直是研究的热点。浙江师范大学王 用伪随机散射膜来提高衍射效率。此外，在光学全 辉团队分析了反射全息图衍射效率随波长的变化规 息中，有学者从记录介质材料特性的角度出发，在材 律与色度学原理，提出了反射全息彩色 E维显示的 料内添加纳米颗粒，提高了全息图的衍射效半，这些 颜色系统，并对再现像颜色质量进行了评价。M 研究成果同样活用于合成全息体视图的打印。例如 Yamaguchi团队通过对再现光的光谱测量，提出了一 日本的N.Suzuki团队在光致聚合物中添加13nm 种适用于全彩色全息体视图打印的色彩管理方法 的二氧化硅纳米颗粒侧，显著降低了能量的散射损 司时讨论了照明光束角度的改变对色彩变化的影 失，获得了高对比度的折射率调制：清华大学的曹良 响，指出入射光在 定范围内变化时，特定的色仍 才团队在光致聚合物内添加金纳米颗粒-，有效 可以再现出来山。 地抑制了体全息光栅角度选择中的旁瓣衍射 根据记录材料的感光特性，制作彩色全息图时 (sidelobe diffraction),提高了全息图的衔射效率。 可采用多重噪光记录(muli-exposure)四或空间分制 1.2.6全息记录介质的发展 曝光(space-d击ivision exposure)1两种方法。前者是将 传统的全息记录材料包括银盐，重铬酸盐明鞍 三色激光(Red,Green and Blue,RGB)合成一束激光 及光致聚合物等。采用传统全息记录介质时，全息 后同时曝光于全息单元，记录的效果取决于感光材 图一旦被写入将无法更改，导致了高昂的成本，限制 0406008-4
红外与激光工程 第 4 期 www.irla.cn 第 47 卷 0406008-4 向畸变对于全视差全彩色白光可见全息体视图再现 像效果的影响，并提出使用峰值信噪比(Peak Signalto-Noise Ratio，PSNR) 与 结 构 相 似 度 (Structural Similarity，SSIM)作为图像质量评判的标准[22-23]。 1.2.2 打印效率 全息体视图打印时需要对全息单元进行逐点曝 光，打印效率十分关键。 俄罗斯学者 A. V. Morozov 等分析了全息打印总时间与全息单元尺寸、 材料感 光灵敏度、激光功率、曝光时间、静台时间、位移平台 移动时间等因素之间的关系， 提出了空间复用与时 间复用的多全息单元打印技术， 打印 10 cm×10 cm 幅面全息图时，可以将传统打印方法所需的 250 min 分别缩短到 67 min 和 32 min[24]。 哈尔滨师范大学的关承祥团队提出多通道全息 图记录的方法，将 SLM 分割成多个通道，采集到的 多视角图片也相应分割成多幅子图， 子图重新组合 后加载至 SLM 的多个通道，多通道同时曝光，显著 减少了制作大幅面全息图所需的时间[25]。 日 本 的 M. Yamaguchi 团 队 采 用 透 镜 阵 列 ， 对 12个全息单元同时曝光， 总的打印时间可缩短至传 统时间的 1/10[26]。 相比连续激光器， 脉冲激光器对于振动或者微 小的温度变化并不敏感， 曝光过程中静台时间可忽 略， 已有多位学者和公司采用脉冲激光器实现了合 成全息体视图的打印[27-29]。 1.2.3 色彩还原特性 伴随新型全息感光材料的发展， 近些年彩色反 射全息图打印一直是研究的热点。 浙江师范大学王 辉团队分析了反射全息图衍射效率随波长的变化规 律与色度学原理， 提出了反射全息彩色三维显示的 颜色系统，并对再现像颜色质量进行了评价[30]。 M. Yamaguchi 团队通过对再现光的光谱测量，提出了一 种适用于全彩色全息体视图打印的色彩管理方法， 同 时 讨 论 了 照 明 光 束 角 度 的 改 变 对 色 彩 变 化 的 影 响，指出入射光在一定范围内变化时，特定的颜色仍 可以再现出来[31]。 根据记录材料的感光特性， 制作彩色全息图时 可采用多重曝光记录(multi-exposure)[32]或空间分 割 曝光(space-division exposure)[31]两种方法。 前者是将 三色激光(Red, Green and Blue，RGB)合成一束激光 后同时曝光于全息单元， 记录的效果取决于感光材 料的动态范围[33]；后者是首先对全息单元进行空 间 分割，再对每个子区域进行某单色激光的曝光，由于 记录密度的降低，采用该方法时 RGB 三色中的某色 衍射光强度将会下降至全单色全息单元曝光时的 1/3。 M. Yamaguchi 团队提出了一种基于高密度光场 重建的全视差全彩色全息显示方法[34]，并从角分 辨 率、 全息单元阵列结构的可见性等角度分析讨论了 全息单元尺寸对再现效果的影响， 结果表明当全息 单元尺寸为 50 μm×50 μm 时，全息图可提供 1.08°的 角分辨率，满足人眼视觉系统的需求。 1.2.4 成像质量 M. Lucente 分析了水平视差全息体视图中全息 单元尺寸与横向分辨率之间的关系[35]。K. Hong 等提 出采用全息单元交叠的方法提高全息体视图再现像 的分辨率[36]，位移平台的移动间隔小于全息单元尺 寸， 可叠加的最大全息单元数目取决于全息记录介 质的动态范围，但是由于频谱混叠，这种硬交叠方式 将会导致再现图像出现晕状模糊。 M. Yamaguchi 团 队提出在全息单元之前加入限带的散射膜来提高全 息体视图的显示分辨率[37]，但是引入了一定的附加 噪声。 1.2.5 衍射效率 全息图的衍射效率与许多因素有关， 比如记录 介质特性，物光与参考光的光强比，物光及参考光的 偏振特性，及后续处理工艺等。 当物光与参考光光强 比接近 1:1 时，全息图的衍射效果最佳。 由于透镜傅 里叶平面处物光的频谱很窄，M. A. Klug 等提出采 用伪随机散射膜来提高衍射效率[38]。 此外，在光学全 息中，有学者从记录介质材料特性的角度出发，在材 料内添加纳米颗粒，提高了全息图的衍射效率，这些 研究成果同样适用于合成全息体视图的打印。 例如 日 本 的 N. Suzuki 团 队 在 光 致 聚 合 物 中 添 加 13 nm 的二氧化硅纳米颗粒[39]，显著降低了能量的散射损 失，获得了高对比度的折射率调制；清华大学的曹良 才团队在光致聚合物 内添加金纳米颗粒[40-41]，有 效 地 抑 制 了 体 全 息 光 栅 角 度 选 择 中 的 旁 瓣 衍 射 (sidelobe diffraction)，提高了全息图的衍射效率。 1.2.6 全息记录介质的发展 传统的全息记录材料包括银盐、 重铬酸盐明胶 及光致聚合物等[4]。 采用传统全息记录介质时，全息 图一旦被写入将无法更改，导致了高昂的成本，限制 ChaoXing
超星·期刊 红外与激先工程 第4期 www irla cn 第47卷 了其使用靠围因此学考们致力干研穷可刷新的 模网[。全息体祥图角进调控特性的研家能够有效 全息记录介质。美国的N.Peyghambarian团队将基 地指导全息打印系统的参数设计，提高打印质量 于全息单元的全息体视图直接写入光折变材料，实 1,2.9典型光学打印系统及全息图实例 现了每2s可动态刷新的全息体视图-。日本的 目前除实：验室研究以外，世界范围内主要有关 N,Tsutsumi团队在聚合物中添加特殊的有机化合 国的Zebra Imaging、欧洲的Geola和XYZ Imaging 物，提高了可刷新记录介质的响应时间及衍射效 三家公司从事并提供与全息打印有关的商业服务 率。上海大学的高洪跃团队研制了行射效率可 Zebra Imaging公司是由MT媒体实验室的科学家们 达90%的永久性光致聚合物记录材料m-可，他们团 创立，早已实现高质量的全息体视图打印.自2006年 队同样也进行动态全息三维显示方面的研究 起陆续为美军提供了数万张全息地图，图5为 12.7 声去除 Zebra Imaging公司制作的全息地图。英国的D 合成全息体视图打印时，由于使用振动隔离的 Brotherton-Ratcliffe等将脉冲激光器作为光源，研究 光学平台，影响全息打印效果的环境噪声主要来源 了合成全息图的自动拍摄技术，Geola公司与XY☑ 于全息单元逐点曝光时位移平台的机械移动，为提 1 naging公司合作.生产出了能够自动打印不同规 高打印系统抵抗环境噪声的鲁棒性，韩国的B.Le 格、高质量、真彩色全息图的激光全息打印机，第 团队采用振动隔离算法设计了可最大限度降低环境 代RGB三色脉冲激光全息打印机及打印的全息图 燥声影响的打印系统酬。 如图6所示 日本的M.Yamaguchi团队研究了散斑噪声对 全息再现效果的影响四，全息体视图打印时采用散 射膜可以均衡光场的强度分布，但不可避免地引人 散斑噪声，M.Yamaguchi等提出采用移动散射膜来降 低颗粒噪声，采用多次屡光的方法来降低高频噪声 2g频率响应特性分析 全息体视图系统是一种光学系统，若仅从儿何 光学角度对住分折研穷推以深入理解系统的工作 图5 Zebra Imaging公司制作的全息地图 机理，有学者从角谱的角度出发，建立全息单元的角 Fig.5 Holographic map roduced by Zebra Imag 谱调控模型，分析其调控机理，研究其频率响应特 性。P.SL.Hilaire等构建了水平祝差像面全息体视 图的调制传递函数(MT),讨论了在狭缝平面固定深 街物占的优化采样问题1新加坡南洋理工大学的 L.E.Helseth考察了三维显示系统的光学传递函数 (OTF),给出了人眼的斯泰尔斯-克劳福德效应 (Stiles-Crawford effect)对光学传递函数的影响到。草 图62001 年Ge公司生产的第一代RGB三色脉冲激光全 者分析了波前误差对全息体视图再现效果的影响 打印机(a)与打印的全息图b) 针对传统全息体视图普油采用的矩形光暗存在的颗 Fig.6 The first RGB pulsed-laser holographic printer madd 谱泄露问题，提出采用截新孔径的高斯和布莱克曼 by Geoa n01(a)and the printed bologram(b) 函数作为全息体祝图系统的出瞳函数，在中像差条 1.3讨论 件下，利用光学传递函数对出瞳尺寸进行优化，获得 合成全息体视图打印时不需要进行复杂的衍射 了三种出瞳函数的最优尺寸 截断孔径高斯光瞳和 计算，但不同于传统的光学全息，该打印系统仅仅产 布莱克曼光瞳能有效地改善全息体视图系统的颗 生场景的二维视差图像，不能够正确地重构物体的 率响应特性。北京邮电大学的桑新柱教授团队建立 完整波前信息，特别是其相位信息，从而导致全息体 了利用全息功能屏实现多视差显示的光学传递函数 视图的再现质量受到影响，会聚一调节矛盾 0406008-5
红外与激光工程 第 4 期 www.irla.cn 第 47 卷 了其使 用 范 围 ，因 此 ，学 者 们 致 力 于 研 究 可 刷 新 的 全息记录介质。 美国的 N. Peyghambarian 团队将基 于全息单元的全息体视图直接写入光折变材料，实 现了每 2 s 可动态刷新的全息体视图[ 42-43]。 日本的 N.Tsutsumi 团 队 在 聚 合 物 中 添 加 特 殊 的 有 机 化 合 物 ， 提 高 了 可 刷 新 记 录 介 质 的 响 应 时 间 及 衍 射 效 率 [44-45]。 上海大学的高洪跃团队研制了衍射效率可 达 90％的永久性光致聚合物记录材料[46-47]，他们 团 队同样也进行动态全息三维显示方面的研究[48]。 1.2.7 噪声去除 合成全息体视图打印时， 由于使用振动隔离的 光学平台， 影响全息打印效果的环境噪声主要来源 于全息单元逐点曝光时位移平台的机械移动， 为提 高打印系统抵抗环境噪声的鲁棒性， 韩国的 B. Lee 团队采用振动隔离算法设计了可最大限度降低环境 噪声影响的打印系统[49]。 日 本 的 M. Yamaguchi 团 队 研 究 了 散 斑 噪 声 对 全息再现效果的影响[37]，全息体视图打印时采用散 射膜可以均衡光场的强度分布， 但不可避免地引入 散斑噪声，M. Yamaguchi 等提出采用移动散射膜来降 低颗粒噪声，采用多次曝光的方法来降低高频噪声。 1.2.8 频率响应特性分析 全息体视图系统是一种光学系统， 若仅从几何 光学角度对其分析研究， 难以深入理解系统的工作 机理，有学者从角谱的角度出发，建立全息单元的角 谱调控 模 型 ，分 析 其 调 控 机 理 ，研 究 其 频 率 响 应 特 性[50]。 P. St. Hilaire 等构建了水平视差像面全息体视 图的调制传递函数(MTF)，讨论了在狭缝平面固定深 度物点的优化采样问题[51]。 新加坡南洋理工大学的 L. E. Helseth 考察了三维显示系统的光学传递函数 (OTF)， 给 出 了 人 眼 的 斯 泰 尔 斯 - 克 劳 福 德 效 应 (Stiles-Crawford effect)对光学传递函数的影响[52]。 笔 者分析了波前误差对全息体视图再现效果的影响[53]， 针对传统全息体视图普遍采用的矩形光瞳存在的频 谱泄露问题， 提出采用截断孔径的高斯和布莱克曼 函数作为全息体视图系统的出瞳函数， 在中像差条 件下，利用光学传递函数对出瞳尺寸进行优化，获得 了三种出瞳函数的最优尺寸， 截断孔径高斯光瞳和 布莱克曼光瞳能够有效地改善全息体视图系统的频 率响应特性。 北京邮电大学的桑新柱教授团队建立 了利用全息功能屏实现多视差显示的光学传递函数 模型[54]。 全息体视图角谱调控特性的研究能够有效 地指导全息打印系统的参数设计，提高打印质量。 1.2.9 典型光学打印系统及全息图实例 目前，除实验室研究以外，世界范围内主要有美 国 的 Zebra Imaging、 欧 洲 的 Geola 和 XYZ Imaging 三家公司从事并提供与全息打印有关的商业服务[4]。 Zebra Imaging 公司是由 MIT 媒体实验室的科学家们 创立，早已实现高质量的全息体视图打印，自 2006 年 起 陆 续 为 美 军 提 供 了 数 万 张 全 息 地 图 [ 55 ] ， 图 5 为 Zebra Imaging 公 司 制 作 的 全 息 地 图 。 英 国 的 D. Brotherton-Ratcliffe 等将脉冲激光器作为光源， 研究 了合成全息图的自动拍摄 技 术 ，Geola 公 司 与 XYZ Imaging 公司合作， 生产出了能够自动打 印不同规 格、高质量、真彩色全息图的激光全息打印机，第一 代 RGB 三色脉冲激光全息打印机及打印的全息图 如图 6 所示[4,27,56]。 图 5 Zebra Imaging 公司制作的全息地图 Fig.5 Holographic map produced by Zebra Imaging Inc 图 6 2001 年 Geola 公司生产的第一代 RGB 三色脉冲激光全息 打印机(a)与打印的全息图(b) Fig.6 The first RGB pulsed-laser holographic printer made by Geola in 2001 (a) and the printed hologram (b) 1.3 讨 论 合成全息体视图打印时不需要进行复杂的衍射 计算，但不同于传统的光学全息，该打印系统仅仅产 生场景的二维视差图像， 不能够正确地重构物体的 完整波前信息，特别是其相位信息，从而导致全息体 视 图 的 再 现 质 量 受 到 影 响 ， 会 聚 - 调 节 矛 盾 0406008-5 ChaoXing