合成全息的计算机设计及自动化记录
摘 要：应用计算机图形设计软件3Ds max 设计的三维立体模型具有任意角度间隔的二维视差图片，用以替代传统用胶片相机或数码相机获得二维视差图片，实现动态三维虚拟物体或场景的全息合成。 应用液晶空间光调制器和自动分区伺服系统构造了记录主全息图的自动化装置，取代了传统的人工干预，解决了传统合成全息术步骤繁琐的问题，提高了合成全息图的质量和制作效率。
关键词：合成全息；液晶空间光调制器；自动化；计算机图形设计
合成全息术能够实现大视场、大景深、全彩色（或真彩色）的动态三维立体显示，是实现全息显示的重要技术。 传统的合成全息术步骤繁琐、人为干预因素多，制作周期长，影响了合成全息图的质量，限制了它的应用前景。 随着计算机技术和光电技术的不断进步，针对传统合成全息过程的弊端，把计算机图形技术，光电技术和计算机自动控制技术引入到合成全息过程中。 用计算机图形设计软件替代以往用胶片相机或数码相机获得二维视差图片的方式；采用液晶空间光调制器和自动分区伺服系统构造的记录主全息图的自动化装置取代传统的人为干预，使整个过程在计算机的控制下自动完成，优化了合成全息的记录过程。
1 3Ds max 生成二维视差图片
使用Discreel公司开发的3Ds max 7.0（中文版本）设计二维视差图片。 主界面使用3Ds max 生成一个虚拟的旋转三维物体动画，利用三维立体建模创建基本的静态三维模型。 用关键帧动画中的自动记录方法记录该虚拟物体的一段旋转动画，选定物体要旋转的部分，并且在关键帧处，控制旋转参数，使物体按照需要的角度旋转。 最后打开渲染场景窗口，调整照明和阴影效果，增加三维图像的立体感和反差，增大液晶空间光调制器输出相干光图像的反衬度，提高全息图及其再现像的信噪比。调整输出图像的大小，以适应空间光调制器的分辨力。最后进入渲染输出对话栏，选择合适的路径，输出一系列特定视差的二维图片。
2 合成全息自动记录系统
2.1 合成全息术原理与系统组成
合成全息图的记录分两步完成。 首先把一系列带视差的二维图片分步记录在同一张主全息图上，每幅图片在主全息图上占据一条狭缝的位置；然后利用主全息图的再现实像和彩虹全息图记录光路，记录白光再现的合成全息图。记录主全息图的系统光路。系统光路主要由液晶空间光调制器SLM、成像透镜: 和散射屏DS 组成的物光波生成子系统；元件1、元件2、元件3组成的自动分区伺服与曝光子系统以及计算机全自动监控子系统。
2.2 物光波生成子系统
物光波生成子系统的关键元件是液晶空间光调制器，其作用是将计算机产生的一系列二维视差图片实时转换为液晶屏上的透射比分布，并用激光束读出，然后经透镜L成像，在散射屏DS上形成一个放大的实像。 实验中采用Sony公司生产的电寻址透射式液晶空间光调制器。 有效显示窗口长度为26.62mm，宽度为20mm，有效像素为1024x768，分辨力达40lp/mm。它与计算机的显卡VGA 输出相连，相当于一个微型显示器，但是只能显示灰度图像。 使用视频分配器将显卡输出的VGA 信号分为两路，一路送显示器，一路送空间光调制器。 这样可以实时监控整个记录过程。
2.3 自动分区伺服与曝光子系统
实验采用的自动分区伺服和曝光子系统由青岛海洋大学物理系设计制造，由计算机控制的狭缝移动装置和光电快门组成。 这套自动系统可以自由调节狭缝宽度，预置狭缝初始位置，按程序控制狭缝的移动速度、移动步长和移动距离。 在自动分区伺服系统控制下，与光电快门结合，可以灵活控制曝光时间和静台时间，并且可以实现记录面上分区曝光。
2.4 自动程序监控
合成全息系统自动记录过程是由控制系统操作和监视系统运作的软件平台共同执行。在计算机上运行该自动监控软件，主要包括：①把处理后的带视差的系列二维图片按顺序输出到空间光调制器；②设定每幅图像的曝光时间及两次曝光之间的静台时间；③设定自动分区伺服系统中狭缝的初始位置、移动步长、停留时间；④在曝光过程中，对系统状态进行监控并输出监控信息，包括已经曝光的图像个数、伺服系统的狭缝位置、工作进度等信息；⑤随时暂停、恢复、复位、动态调整整个系统。
3 实验结果及分析
运用3Ds max设计了动态三维模型，并生成20幅相邻视差为3°的二维图片。
把这些二维图片按顺序导入系统软件平台，启动自动监控程序，系统会自动换页，按序刷新空间光调制器上的二维图片；同时移动狭缝到预定位置，并控制每幅全息图的曝光时间。 实验中，选用的狭缝宽度为5 mm，对主全息图分4个区间曝光，静台时间为6s，曝光时间根据记录平面的干涉光强和记录材料的灵敏度而定，整个记录时间不超过20min。利用主全息图的再现像记录透射式合成彩虹全息图的光路示意图。
白光再现合成彩虹全息图的再现像。 实际观察的再现像是色彩均匀饱满的彩虹像，用数码相机从左、中、右三个角度拍摄下来的灰度图。 把实验结果与传统合成全息图进行比较分析，制作的合成全息图再现图像清晰，衍射效率高，单色性好，动感效果明显连贯，能够看到模型60°的连续旋转变化。
4 结束语
合成全息的计算机设计及自动化记录系统是现代计算机图形技术、计算机控制技术、现代光电技术和传统全息术的结合，实验结果充分显示了这种新技术在改进合成全息图的性能、质量及提高工作效率方面的优越性。应用这套系统，通过对主全息图精心设计的横向和纵向面积分割，可以更容易地制作出大场景、大视场、大景深、全彩色或真彩色的动态三维合成全息图。
关键词：合成全息；液晶空间光调制器；自动化；计算机图形设计
合成全息术能够实现大视场、大景深、全彩色（或真彩色）的动态三维立体显示，是实现全息显示的重要技术。 传统的合成全息术步骤繁琐、人为干预因素多，制作周期长，影响了合成全息图的质量，限制了它的应用前景。 随着计算机技术和光电技术的不断进步，针对传统合成全息过程的弊端，把计算机图形技术，光电技术和计算机自动控制技术引入到合成全息过程中。 用计算机图形设计软件替代以往用胶片相机或数码相机获得二维视差图片的方式；采用液晶空间光调制器和自动分区伺服系统构造的记录主全息图的自动化装置取代传统的人为干预，使整个过程在计算机的控制下自动完成，优化了合成全息的记录过程。
1 3Ds max 生成二维视差图片
使用Discreel公司开发的3Ds max 7.0（中文版本）设计二维视差图片。 主界面使用3Ds max 生成一个虚拟的旋转三维物体动画，利用三维立体建模创建基本的静态三维模型。 用关键帧动画中的自动记录方法记录该虚拟物体的一段旋转动画，选定物体要旋转的部分，并且在关键帧处，控制旋转参数，使物体按照需要的角度旋转。 最后打开渲染场景窗口，调整照明和阴影效果，增加三维图像的立体感和反差，增大液晶空间光调制器输出相干光图像的反衬度，提高全息图及其再现像的信噪比。调整输出图像的大小，以适应空间光调制器的分辨力。最后进入渲染输出对话栏，选择合适的路径，输出一系列特定视差的二维图片。
2 合成全息自动记录系统
2.1 合成全息术原理与系统组成
合成全息图的记录分两步完成。 首先把一系列带视差的二维图片分步记录在同一张主全息图上，每幅图片在主全息图上占据一条狭缝的位置；然后利用主全息图的再现实像和彩虹全息图记录光路，记录白光再现的合成全息图。记录主全息图的系统光路。系统光路主要由液晶空间光调制器SLM、成像透镜: 和散射屏DS 组成的物光波生成子系统；元件1、元件2、元件3组成的自动分区伺服与曝光子系统以及计算机全自动监控子系统。
2.2 物光波生成子系统
物光波生成子系统的关键元件是液晶空间光调制器，其作用是将计算机产生的一系列二维视差图片实时转换为液晶屏上的透射比分布，并用激光束读出，然后经透镜L成像，在散射屏DS上形成一个放大的实像。 实验中采用Sony公司生产的电寻址透射式液晶空间光调制器。 有效显示窗口长度为26.62mm，宽度为20mm，有效像素为1024x768，分辨力达40lp/mm。它与计算机的显卡VGA 输出相连，相当于一个微型显示器，但是只能显示灰度图像。 使用视频分配器将显卡输出的VGA 信号分为两路，一路送显示器，一路送空间光调制器。 这样可以实时监控整个记录过程。
2.3 自动分区伺服与曝光子系统
实验采用的自动分区伺服和曝光子系统由青岛海洋大学物理系设计制造，由计算机控制的狭缝移动装置和光电快门组成。 这套自动系统可以自由调节狭缝宽度，预置狭缝初始位置，按程序控制狭缝的移动速度、移动步长和移动距离。 在自动分区伺服系统控制下，与光电快门结合，可以灵活控制曝光时间和静台时间，并且可以实现记录面上分区曝光。
2.4 自动程序监控
合成全息系统自动记录过程是由控制系统操作和监视系统运作的软件平台共同执行。在计算机上运行该自动监控软件，主要包括：①把处理后的带视差的系列二维图片按顺序输出到空间光调制器；②设定每幅图像的曝光时间及两次曝光之间的静台时间；③设定自动分区伺服系统中狭缝的初始位置、移动步长、停留时间；④在曝光过程中，对系统状态进行监控并输出监控信息，包括已经曝光的图像个数、伺服系统的狭缝位置、工作进度等信息；⑤随时暂停、恢复、复位、动态调整整个系统。
3 实验结果及分析
运用3Ds max设计了动态三维模型，并生成20幅相邻视差为3°的二维图片。
把这些二维图片按顺序导入系统软件平台，启动自动监控程序，系统会自动换页，按序刷新空间光调制器上的二维图片；同时移动狭缝到预定位置，并控制每幅全息图的曝光时间。 实验中，选用的狭缝宽度为5 mm，对主全息图分4个区间曝光，静台时间为6s，曝光时间根据记录平面的干涉光强和记录材料的灵敏度而定，整个记录时间不超过20min。利用主全息图的再现像记录透射式合成彩虹全息图的光路示意图。
白光再现合成彩虹全息图的再现像。 实际观察的再现像是色彩均匀饱满的彩虹像，用数码相机从左、中、右三个角度拍摄下来的灰度图。 把实验结果与传统合成全息图进行比较分析，制作的合成全息图再现图像清晰，衍射效率高，单色性好，动感效果明显连贯，能够看到模型60°的连续旋转变化。
4 结束语
合成全息的计算机设计及自动化记录系统是现代计算机图形技术、计算机控制技术、现代光电技术和传统全息术的结合，实验结果充分显示了这种新技术在改进合成全息图的性能、质量及提高工作效率方面的优越性。应用这套系统，通过对主全息图精心设计的横向和纵向面积分割，可以更容易地制作出大场景、大视场、大景深、全彩色或真彩色的动态三维合成全息图。