專(zhuān)利名稱(chēng)：計(jì)算機(jī)合成全息圖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)合成全息圖，具體地說(shuō)，涉及制作比較簡(jiǎn)單、分辨率高的優(yōu)質(zhì)三維圖像再生用的計(jì)算機(jī)合成全息圖。
背景技術(shù)：
很久以來(lái)就有在平面上記錄三維圖像的欲望，作為其中一例開(kāi)發(fā)了全息照相術(shù)。所謂全息照相術(shù)，就是用相干性高的激光光源拍攝物體的立體圖像的技術(shù)。利用全息照相術(shù)制作的立體圖像顯示介質(zhì)，稱(chēng)為全息圖。全息圖是通過(guò)把激光照射在被拍攝的物體上，記錄在感光材料上的步驟而制成的，所以作為對(duì)象的物體必須真實(shí)存在，這是一個(gè)限制。另外，拍攝中要求達(dá)到光波長(zhǎng)級(jí)的靜止，所以柔軟的物體或人物等容易活動(dòng)的物體就難以拍攝。另一方面，還有立體圖，根據(jù)利用數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(CG)等得到的多個(gè)二維圖像，進(jìn)行立體觀看。所謂立體圖，就是觀察者能從不同的觀察方向觀察時(shí)會(huì)看到的不同圖像的介質(zhì)。若它的圖像是某個(gè)物體從多個(gè)方向觀察的視差圖像，則在不同的觀察方向上就會(huì)看到相應(yīng)的物體圖像，于是便有了立體感。
現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的，在印刷介質(zhì)上配置柱狀透鏡和蠅眼透鏡等透鏡陣列，形成立體圖，但用全息照相術(shù)也可以制作立體圖，這稱(chēng)為全息照相術(shù)立體圖。至今開(kāi)發(fā)的全息照相術(shù)立體圖按其拍攝工序數(shù)大體分為兩類(lèi)兩步全息照相術(shù)立體圖和單步全息照相術(shù)立體圖。
兩步全息照相術(shù)立體圖，正如其名稱(chēng)所表明的，要通過(guò)兩次拍攝制成。詳細(xì)的制作方法記載于專(zhuān)利文獻(xiàn)1。簡(jiǎn)單地說(shuō)，由三個(gè)步驟組成(1)制備從離開(kāi)作為被拍攝體的物體的許多位置看到的二維圖像；(2)把第一感光材料分成多個(gè)區(qū)域，在各個(gè)區(qū)域中按全息照相術(shù)記錄在步驟(1)制備的圖像中與該區(qū)域?qū)?yīng)的圖像，制成第一立體圖，(3)用重現(xiàn)照明光照射第一立體圖，把重現(xiàn)的圖像記錄在第二感光材料上，以此制成第二立體圖。另一方面，單步全息照相術(shù)立體圖，正如其名稱(chēng)所表明的，只要一個(gè)拍攝步驟即可制成。詳細(xì)制作方法記載于專(zhuān)利文獻(xiàn)2和專(zhuān)利文獻(xiàn)3。簡(jiǎn)單地說(shuō)，由兩個(gè)步驟組成(1)求出要從感光材料上的許多位置發(fā)射的光線，(2)把感光材料分成多個(gè)區(qū)域，在各個(gè)區(qū)域中記錄在(1)中求出的要從該區(qū)域重現(xiàn)的光線。
另外，作為可以重現(xiàn)立體圖像的立體圖，已知的還有本發(fā)明人提出的三維圖像重現(xiàn)用計(jì)算機(jī)合成全息圖(CGH)(專(zhuān)利文獻(xiàn)4，專(zhuān)利文獻(xiàn)5，專(zhuān)利文獻(xiàn)6，專(zhuān)利文獻(xiàn)7)。CGH通過(guò)用點(diǎn)光源或線光源的集合取代物體的表面，計(jì)算全息圖面上的相位和振幅并加以記錄而成。
再有，關(guān)于采用用點(diǎn)光源和線光源的集合取代物體表面的方法的CGH，在專(zhuān)利文獻(xiàn)8中提出了在用白光重現(xiàn)時(shí)再現(xiàn)彩色的方法。
特開(kāi)昭52-4855號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)2]特許2,884,646號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)3]特開(kāi)平6-266274號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)4]特開(kāi)平9-319290號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)5]特開(kāi)平11-202741號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)6]特開(kāi)2001-13858號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)7]特開(kāi)2001-13859號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)8]特開(kāi)2000-214751號(hào)公報(bào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)9]特開(kāi)2002-72837號(hào)公報(bào)[非專(zhuān)利文獻(xiàn)1]辻內(nèi)順平著「物理學(xué)選書(shū)22.ホロゲラフイ-」pp.33-36((株)裳華房發(fā)行(1997年11月5日))上述傳統(tǒng)的立體圖像重現(xiàn)方法各有長(zhǎng)短。帶有柱狀透鏡和蠅眼透鏡等透鏡陣列的印刷品，具有不必全息照相的優(yōu)點(diǎn)，但由于必須有透鏡陣列等像素結(jié)構(gòu)，故有分辨率低、制品厚的缺點(diǎn)。
另外，兩步全息照相術(shù)立體圖，在全息圖面上不具有像素結(jié)構(gòu)，故分辨率高，但是全息照相次數(shù)多，另外還有圖像失真的問(wèn)題。
單步全息照相術(shù)立體圖，圖像沒(méi)有失真，視差數(shù)可以多，但是有全息圖面上的像素結(jié)構(gòu)明顯，全息照相術(shù)次數(shù)多，必須進(jìn)行特殊的圖像處理的問(wèn)題。
本發(fā)明人等人提出的三維重現(xiàn)CGH，具有分辨率非常高、視差數(shù)也多、也無(wú)圖像失真問(wèn)題、不需要全息照相同優(yōu)點(diǎn)，但存在需要特殊的圖像處理(消隱處理、亮度修正)等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決上述先有技術(shù)各種方式的缺點(diǎn)，目的在于提供一種分辨率非常高、視差數(shù)多、沒(méi)有圖像失真問(wèn)題、不必進(jìn)行全息照相、圖像處理簡(jiǎn)單的三維圖像重現(xiàn)用的計(jì)算機(jī)合成全息圖。
達(dá)到上述目的的本發(fā)明第一種計(jì)算機(jī)合成全息圖，是記錄了物體光的復(fù)數(shù)振幅的、可重現(xiàn)立體物的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，在與全息圖觀察側(cè)相反一側(cè)的空間上設(shè)置虛擬點(diǎn)光源群，并設(shè)定從上述虛擬點(diǎn)光源群的各虛擬點(diǎn)光源向觀察側(cè)發(fā)散的發(fā)散光的亮度角度分布TWLci(θxz，θyz)與從觀察側(cè)看到該虛擬點(diǎn)光源時(shí)要記錄的物體表面的亮度角度分布相同，且從上述各個(gè)虛擬點(diǎn)光源發(fā)散的初始相位分別設(shè)為一定的發(fā)散光相互疊加作為物體光，在上述虛擬點(diǎn)光群的觀察側(cè)的任何位置進(jìn)行記錄。
在這種場(chǎng)合，虛擬點(diǎn)光源群的各個(gè)虛擬點(diǎn)光源是光的擴(kuò)散方向?yàn)橐痪S的點(diǎn)光源，可由在與該擴(kuò)散方向正交的方向上延伸的直線狀光源構(gòu)成。
再有，最好設(shè)定從各個(gè)虛擬點(diǎn)光源發(fā)散的發(fā)散光的初始相位彼此無(wú)關(guān)，于是從全部光源發(fā)出的光合成的物體波的振幅分布平均化，從而減小重現(xiàn)像的不希望有的噪聲。
本發(fā)明的第二計(jì)算機(jī)合成全息圖是記錄了物體光的復(fù)數(shù)振幅的、可重現(xiàn)立體物的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，使預(yù)定的重現(xiàn)照明光入射時(shí)，重現(xiàn)如同從與全息圖觀察側(cè)相反一側(cè)的空間虛擬點(diǎn)群的各個(gè)點(diǎn)向其觀察側(cè)發(fā)散的衍射光，從各虛擬點(diǎn)向全息圖觀察側(cè)發(fā)散地前進(jìn)的光的亮度角度分布與從所記錄的物體表面通過(guò)上述虛擬點(diǎn)群的各個(gè)點(diǎn)，或者從物體表面在與觀察側(cè)相反一側(cè)延伸的光線通過(guò)上述虛擬點(diǎn)群的各個(gè)點(diǎn)，在其觀察側(cè)發(fā)散的光的亮度角度分布相同。
在這種場(chǎng)合，虛擬點(diǎn)群的各個(gè)虛擬點(diǎn)是發(fā)散光擴(kuò)散方向?yàn)橐痪S的點(diǎn)，可由在與該發(fā)散光的擴(kuò)散方向正交的方向上延伸的直線構(gòu)成。
本發(fā)明的第三計(jì)算機(jī)合成全息圖是記錄了物體光的復(fù)數(shù)振幅的、可重現(xiàn)立體物的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，在全息圖觀察側(cè)空間地設(shè)置虛擬聚光點(diǎn)群，使在上述虛擬聚光點(diǎn)群的各虛擬聚光點(diǎn)上從與觀察側(cè)相反一側(cè)入射的會(huì)聚光的亮度角度分布TWLci(θxz，θyz)與通過(guò)該虛擬聚光點(diǎn)從觀察側(cè)看到時(shí)要記錄的物體表面的亮度角度分布相同，且使入射到上述各個(gè)虛擬聚光的會(huì)聚點(diǎn)上聚光的相位分別為一定的會(huì)聚光相互疊加，作為物體光在與上述虛擬聚光點(diǎn)群的觀察側(cè)相反一側(cè)的任何位置上加以記錄。
在這種場(chǎng)合，虛擬聚光點(diǎn)群的各虛擬聚光點(diǎn)是入射的會(huì)聚光的會(huì)聚方向?yàn)橐痪S的聚光點(diǎn)，可以由在與該聚光的會(huì)聚方向正交的方向上延伸的直線聚光線構(gòu)成。
再有，最好假定入射到各虛擬聚光點(diǎn)的會(huì)聚光在聚光點(diǎn)上的相位彼此無(wú)關(guān)，從而由全部入射到聚光點(diǎn)的光合成的物體波的振幅分布被平均化，因此可減小重現(xiàn)圖像的不希望有的噪聲。
本發(fā)明的第四計(jì)算機(jī)合成全息圖是記錄了物體光的復(fù)數(shù)振幅的、可重現(xiàn)立體物的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，使預(yù)定的重現(xiàn)照明光入射時(shí)，重現(xiàn)如同通過(guò)在全息圖觀察側(cè)的空間上的虛擬點(diǎn)群的各個(gè)點(diǎn)在其觀察側(cè)發(fā)散的衍射光，使從各虛擬點(diǎn)發(fā)散的光的亮度角度分布與從所記錄的物體表面通過(guò)上述虛擬點(diǎn)群的各個(gè)點(diǎn)在其觀察側(cè)發(fā)散的光的亮度角度分布相同。
在這種場(chǎng)合，虛擬點(diǎn)群各個(gè)虛擬點(diǎn)是發(fā)散光的擴(kuò)散方向?yàn)橐痪S的點(diǎn)，也可以由在與發(fā)散光的擴(kuò)散方向正交的方向上延伸的直線構(gòu)成。
在本發(fā)明中，提供一種計(jì)算機(jī)合成全息圖，由于重現(xiàn)從全息圖衍射的重現(xiàn)光的會(huì)聚光點(diǎn)的位置與重現(xiàn)的物體及全息圖面分離，故可得到在全息圖面上沒(méi)有像素結(jié)構(gòu)、視差數(shù)可以多、分辨率飛躍提高、無(wú)圖像失真問(wèn)題、重現(xiàn)圖像優(yōu)質(zhì)的計(jì)算機(jī)合成全息圖。另外，不必進(jìn)行全息照相，圖像處理簡(jiǎn)單，可用市售軟件得到三維物體的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像，作為立體圖像加以利用。
至于本發(fā)明的其他目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)，部分是顯而易見(jiàn)的，部分在本說(shuō)明書(shū)有明顯描述。
本發(fā)明相應(yīng)地包括結(jié)構(gòu)特征、各要素的結(jié)合以及部件的配置，以下將舉例說(shuō)明，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書(shū)定義。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1說(shuō)明本發(fā)明的計(jì)算機(jī)合成全息圖的原理；圖2說(shuō)明由圖1所示計(jì)算機(jī)合成全息圖重現(xiàn)立體圖像的方法；圖3說(shuō)明制作圖1所示的計(jì)算機(jī)合成全息圖的方法；圖4說(shuō)明本發(fā)明其他形態(tài)的計(jì)算機(jī)合成全息圖；圖5說(shuō)明由圖4所示計(jì)算機(jī)合成全息圖重現(xiàn)立體圖像的方法；圖6說(shuō)明制作圖4所示計(jì)算機(jī)合成全息圖的方法。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式本發(fā)明的計(jì)算機(jī)合成全息圖的基本原理是，為了消除全息圖面上的像素結(jié)構(gòu)，在離開(kāi)全息圖面的位置上定義許多其發(fā)射亮度因發(fā)射方向不同而不同的、具有與物體表面上該方向的亮度相同的發(fā)射亮度的虛擬點(diǎn)光源，或者其發(fā)射亮度因聚光方向不同而不同的、具有與物體表面上該方向的亮度相同的發(fā)射亮度的虛擬聚光點(diǎn)；以從這些虛擬點(diǎn)光源發(fā)射的光或者在這些虛擬聚光點(diǎn)上會(huì)聚的光作為虛擬的物體光，制成計(jì)算機(jī)合成全息圖，以此制成高分辨率，不必全息照相的計(jì)算機(jī)合成全息圖(CGH)。
以下說(shuō)明本發(fā)明的計(jì)算機(jī)合成全息圖的原理。
如圖1原理圖所示，沿著z軸在正方向上，按順序配置虛擬點(diǎn)光源群11、物體10、CGH 12和觀察者M(jìn)，CGH 12的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸、y軸相互正交，定在與z軸正交的方向上。虛擬點(diǎn)光源群11的坐標(biāo)設(shè)為(x1，y1，z1)，物體10的坐標(biāo)設(shè)為(x0，y0，z0)，CGH 12的坐標(biāo)設(shè)為(x2，y2，z2)，第i虛擬點(diǎn)光源Qi(x1，y1，z1)和CGH 12的第j單元Pj(x2，y2，z2)的連線QiPj與物體10的交點(diǎn)中，可從觀察者M(jìn)觀察的點(diǎn)S(x0，y0，z0)上的θxz，θyz方向的物體的發(fā)射亮度設(shè)為T(mén)WLci(θxz，θyz)。式中θxz是把直線QiPj投影在x-z面上時(shí)，與z軸形成的角度。θyz是把直線QiPj投影在y-z面上時(shí)，與z軸形成的角度。
設(shè)波長(zhǎng)為λc，虛擬點(diǎn)光源Qi的波長(zhǎng)λc的振幅為AWLci，初始相位為ΦWLci，設(shè)rij為Qi和Pj的距離，Pj(x2，y2，z2)上物體波1的復(fù)數(shù)振幅值OWLc(x2，y2，z2)為OWLc(x2，y2，z2)OWLc(x2,y2,z2)=Σi=1M{AWLciTWLci(θxz,θyz)/|rij|}]]>×exp[j{(2π/λc)rij+ΦWLci}]…(1)再有，也可一般地將振幅AWLci全都同樣設(shè)定為1。
這里，若設(shè)從入射到CGH 12的平行光組成的參照光2的入射矢量為(Rx，Ry，Rz)，其波長(zhǎng)λc的振幅為RWLc0，其坐標(biāo)原點(diǎn)上的相位為ΦRWc0，則參照光2的復(fù)數(shù)振幅為RWLc(x2，y2，z2)成為RWLc(x2，y2，z2)＝RWLc0·exp[j{(2π/λc)×(Rxx2+Ryy2+Rzz2)/(Rx2+Ry2+Rz2)1/2+ΦRWLc}]…(2)Pj(x2，y2，z2)處的物體波1與參照光干涉條紋的強(qiáng)度值IWLc(x2，y2，z2)成為IWLc(x2，y2，z2)＝|OWLc(x2，y2，z2)+RWLc(x2，y2，z2)|2…(3)
以上Qi和Pj的距離rij為rij＝{(x2-xi)2+(y2-yi)2+(z2-zi)2}1/2…(4)直線QiPj投影在x-z面時(shí)與z軸的角度θxz為θxz＝tan-1{(x2-x1)/(z2-z1)}…(5)直線QiPj投影在y-z面時(shí)與z軸的角度θyz為θyz＝tan-1{(y2-y1)/(z2-z1)}…(6)另外，虛擬點(diǎn)光源Qi的初始相位ΦWLci在虛擬點(diǎn)光源Qi之間相互無(wú)關(guān)地設(shè)為一定。
從以上的說(shuō)明可知，作為CGH 12在可記錄、重現(xiàn)的三維物10的觀察側(cè)的相反一側(cè)設(shè)置多個(gè)虛擬點(diǎn)光源Qi(x1，y1，z1)，設(shè)置從各虛擬點(diǎn)光源Qi發(fā)散的發(fā)散光的亮度角度分布為T(mén)WLci(θxz，θyz)，使之與從觀察側(cè)通過(guò)該三維物體10看到該虛擬點(diǎn)光源Qi時(shí)的三維物體10表面的亮度角度分布相同，且虛擬點(diǎn)光源Qi的初始相位ΦWLci在虛擬點(diǎn)光源Qi之間相互無(wú)關(guān)地設(shè)置為一定，使從這樣的虛擬點(diǎn)光源Qi發(fā)散的發(fā)散光在CGH 12面上相互疊加，用全息照相術(shù)記錄這樣疊加后的相位和振幅(與參照光的干涉記錄)，可得到可重現(xiàn)三維物體的本發(fā)明的CGH 12。
再有，在圖1的配置上，CGH 12的位置未必一定要在物體10的觀察側(cè)上，只要在虛擬點(diǎn)光源群11的觀察側(cè)的位置即可。另外，物體10的位置也未必一定要在虛擬點(diǎn)光源群11的觀察側(cè)。
在這樣記錄的CGH 12上，如圖2所示，若使與參照光2相同波長(zhǎng)λc的重現(xiàn)照明光15以與參照光2同一入射角入射，則從CGH 12衍射的衍射光16會(huì)把物體(三維物體)10重現(xiàn)為虛像(根據(jù)CGH 12相對(duì)于物體10的位置，也有形成實(shí)像的情況)，觀察者M(jìn)可觀察到該三維物體10。觀察者可通過(guò)移動(dòng)視點(diǎn)，觀察到該物體10富有立體感。再有，衍射光16如同從虛擬點(diǎn)光源群11發(fā)出地行進(jìn)，但是從各虛擬點(diǎn)光源發(fā)出的光的亮度因方向而不同，所以虛擬點(diǎn)光源群11難以被直接認(rèn)識(shí)。
接著，參照?qǐng)D3說(shuō)明制作這樣的CGH 12作為二元全息圖的方法。步驟ST1，確定進(jìn)行CGH化的物體10的形狀。接著，步驟ST2，確定虛擬點(diǎn)光源群11、物體10、CGH 12、參照光2的空間配置，并確定虛擬點(diǎn)光源群11的采樣點(diǎn)(Qi)和CGH 12的采樣點(diǎn)(Pj)。接著，步驟ST3，把每一個(gè)虛擬點(diǎn)光源的亮度角度分布TWLci(θxz，θyz)設(shè)置得等于物體10表面的亮度角度分布。然后，步驟ST4，由式(1)和(2)計(jì)算CGH 12面上物體光的復(fù)數(shù)振幅值OWLc(x2，y2，z2)和參照光2的復(fù)數(shù)振幅值RWLc(x2，y2，z2)。此后，步驟ST5，由式(3)求出確定在CGH 12面上的各采樣點(diǎn)上物體光與參照光干涉條紋的強(qiáng)度，得到干涉條紋的數(shù)據(jù)。接著，在步驟ST6將所得到的干涉條紋量化后，在步驟ST7變換為EB印刷矩形數(shù)據(jù)，在步驟ST8，用EB印刷裝置記錄在介質(zhì)上而得到CGH 12。
再有，在圖1的情況下，全部來(lái)自虛擬點(diǎn)光源Qi的物體波入射到CGH 12的單元Pj，但是也可把虛擬點(diǎn)光源群11和CGH 12分割為在y軸上的垂直的多個(gè)條面，將物體波的入射范圍限制在這些條面內(nèi)。
另外，在圖1中作為虛擬點(diǎn)光源采用二維面內(nèi)的點(diǎn)光源，但是也可采用光不在y方向上擴(kuò)散(在x方向上擴(kuò)散)的y方向上延伸的線光源。
而且，在圖1的情況下，物體光的復(fù)數(shù)振幅OWLc(x2，y2，z2)作為全息圖固定，采用的是與參照光干涉的方式，但是也可以用直接重現(xiàn)物體波的復(fù)數(shù)振幅的Lohmann法和Lee法(非專(zhuān)利文獻(xiàn)1)，另外，也可采用本發(fā)明人在專(zhuān)利文獻(xiàn)9中提出的方法。
在圖4中，說(shuō)明本發(fā)明的計(jì)算機(jī)合成全息圖的另一方式。本實(shí)施例是，調(diào)換圖1的虛擬點(diǎn)光源群11和CGH 12，并用虛擬聚光點(diǎn)群13替換虛擬點(diǎn)光源群11。如圖4所示，沿著z軸正方向按順序配置CGH 12、物體10、虛擬聚光點(diǎn)群13、觀察者M(jìn)，以CGH 12的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，確定x軸和y軸相互正交且與z軸正交的方向。設(shè)虛擬聚光點(diǎn)群13的坐標(biāo)為(x1，y1，z1)，物體10的坐標(biāo)為(x0，y0，z0)，CGH12的坐標(biāo)設(shè)為(x2，y2，z2)，在第i虛擬聚光點(diǎn)Qi(x1，y1，z1)(使用與虛擬點(diǎn)光源相同的符號(hào))和CGH 12的第j單元Pj(x2，y2，z2)的連線QiPj與物體10的交點(diǎn)中，從觀察者M(jìn)可觀察到的點(diǎn)S(x0，y0，z0)上的θxz，θyz方向的物體10的發(fā)散亮度設(shè)為T(mén)WLci(θxz，θyz)。式中θxz是把直線QiPj投影在x-z面上時(shí)與z軸形成的角度。θyz是把直線QiPj投影在y-z面上時(shí)與z軸形成的角度。
設(shè)波長(zhǎng)為λc，虛擬點(diǎn)光源Qi上波長(zhǎng)λc的相位為ΦWLci，rij為Qi和Pj的距離，入射到Pj(x2，y2，z2)的物體波的復(fù)數(shù)振幅為OWLc(x2，y2，z2)，取代上述(1)式得到OWLc(x2,y2,z2)=Σi=1M{TWLci(θxz,θyz)/|rij|}]]>×exp[j{-(2π/λc)|rij|+ΦWLci}]…(1’)這里，設(shè)由入射到CGH 12的平行光組成的參照光2的入射矢量為(Rx，Ry，Rz)，其波長(zhǎng)為λc，振幅為RWLc0，其坐標(biāo)原點(diǎn)上的相位為ΦRWLc，參照光2的復(fù)數(shù)振幅為RWLc(x2，y2，z2)，與圖1一樣，RWLc(x2，y2，z2)＝RWLc0·exp[j{(2π/λc)×(Rxx2+Ryy2+Rzz2)/(Rx2+Ry2+Rz2)1/2+ΦRWLc}]…(2)Pj(x2，y2，z2)處的物體波與參照光2的干涉條紋的強(qiáng)度值IWLc(x2，y2，z2)，同樣地成為IWLc(x2，y2，z2)＝|OWLc(x2，y2，z2)+RWLc(Rx，Ry，Rz)|2…(3)以上Qi和Pj的距離rij為rij＝{(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2}1/2…(4)直線QiPj向x-z面投影時(shí)與z軸的角度θxz為θxz＝tan-1{(x2-x1)/(z2-z1)}…(5)直線QiPj向y-z面投影時(shí)與z軸的角度θyz為θyz＝tan-1{(y2-yi)/(z2-zi)}…(6)另外，虛擬聚光點(diǎn)Qi處的相位ΦWLci在虛擬聚光點(diǎn)Qi之間相互無(wú)關(guān)地設(shè)定為一定。
從以上說(shuō)明可知，在可作為CGH 12記錄重現(xiàn)的三維物體10的觀察側(cè)，設(shè)置許多虛擬聚光點(diǎn)Qi(x1，y1，z1)，將各個(gè)虛擬聚光點(diǎn)Qi上從物體側(cè)入射的會(huì)聚光的亮度角度分布TWLci(θxz，θyz)設(shè)定為與從觀察側(cè)通過(guò)虛擬聚光點(diǎn)Qi看到三維物體10時(shí)三維物體10表面的亮度角度分布相同，而且將虛擬聚光點(diǎn)Qi上的相位設(shè)為在虛擬聚光點(diǎn)Qi之間相互無(wú)關(guān)且為一定，使這樣入射到虛擬聚光點(diǎn)Qi的會(huì)聚光在CGH 12疊加，以全息照相方式記錄它們疊加后的相位和振幅(與參照光2的干涉記錄)，即可得到可重現(xiàn)三維物體10的本發(fā)明的CGH12。再有，在圖4的配置中，CGH 12的位置未必一定在物體10觀察側(cè)的相反一側(cè)，只要在虛擬聚光點(diǎn)群13的觀察側(cè)的相反一側(cè)即可。另外，物體10的位置也未必一定要在虛擬聚光點(diǎn)群12觀察側(cè)的相反一側(cè)。
再有，從物體側(cè)入射到上述虛擬聚光點(diǎn)Qi的會(huì)聚光的亮度角度分布TWLci(θxz，θyz)，如圖4所示，與設(shè)在虛擬聚光點(diǎn)Qi的位置上的制作計(jì)算機(jī)圖形用的照相機(jī)所生成的計(jì)算機(jī)圖像相同，因此，在上式(1’)的計(jì)算中，也可采用將視點(diǎn)設(shè)在虛擬聚光點(diǎn)Qi上用市售軟件制成的三維物體的計(jì)算機(jī)圖形(3DCG圖像)，從而簡(jiǎn)化(1’)式的計(jì)算。
在用上述方法記錄的本實(shí)施例的CGH 12中，如圖5所示，若使與參照光同一波長(zhǎng)λc的重現(xiàn)照明光15，以相同的入射角入射，則從CGH 12衍射的衍射光16把物體(三維物體)10(根據(jù)CGH 12物體10的所在位置，有時(shí)為虛像)重現(xiàn)為實(shí)像，觀察者M(jìn)可觀察到該三維物體10。觀察者可移動(dòng)視點(diǎn)，觀察到該物體10富有立體感。另外，衍射光16通過(guò)虛擬聚光點(diǎn)群13并由該處向前行進(jìn)，但是從各個(gè)虛擬聚光點(diǎn)出來(lái)的光線的亮度因方向而異，所以難以直接認(rèn)識(shí)虛擬聚光點(diǎn)群13。
作為圖4和圖5說(shuō)明的二元全息圖制作CGH 12的方法，如圖6所示。與圖3的情況不同點(diǎn)在于在步驟ST2中確定CGH 12、物體10、虛擬聚光點(diǎn)群13、參照光2的空間配置以及CGH 12的采樣點(diǎn)(Pj)；在步驟ST3中將各虛擬聚光點(diǎn)上亮度角度分布TWLci(θxz，θyz)求出，使之與物體10表面的亮度角度分布相同；在步驟ST4中，用式(1’)和(2)計(jì)算CGH 12面上物體光的復(fù)數(shù)振幅OWLc(x2，y2，z2)和參照光2的復(fù)數(shù)振幅值RWLc(x2，y2，z2)，與圖3的情況基本上相同，其說(shuō)明從略。
另外，在本實(shí)施例中，入射到全部虛擬聚光點(diǎn)Qi的物體波也入射到CGH 12的單元Pj，但也可以把CGH 12和虛擬聚光點(diǎn)群13分割為與y軸垂直的許多條面，使得物體波的入射范圍限制在這些條面內(nèi)。
此外，在圖4中，作為虛擬聚光點(diǎn)，使用二維面內(nèi)的點(diǎn)光源，但是由于在y方向上光不擴(kuò)散(在x方向上擴(kuò)散)，所以也可采用在y方向上延伸的聚光線。
再者，在圖4的情況下，為把物體光的復(fù)數(shù)振幅OWLc(x2，y2，z2)作為全息照相固定，采用與參照光干涉的方法，但也可以采用直接重現(xiàn)物體波的復(fù)數(shù)振幅的Lohmann法和Lee法(非專(zhuān)利文獻(xiàn)1)，另外，也可以采用本發(fā)明人在專(zhuān)利文獻(xiàn)9中提出的方法。
作為以上的本發(fā)明的CGH 12，已經(jīng)就作為記錄的三維物體10，根據(jù)在計(jì)算機(jī)中定義的三維形狀(3DCG)生成立體圖像的方法進(jìn)行了說(shuō)明。但是本發(fā)明的應(yīng)用不限于此。例如，在圖4的配置中，作為T(mén)WLci(θxz，θyz)的分布，不是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的圖像，而是采用在各虛擬聚光點(diǎn)Qi上配置透鏡的照相機(jī)拍攝現(xiàn)實(shí)物體后經(jīng)數(shù)字化的圖像作為T(mén)WLci(θxz，θyz)，則可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)物體像可重現(xiàn)的計(jì)算機(jī)合成全息圖。
此外，每改變一次虛擬聚光點(diǎn)Qi的位置(亦即，照相機(jī)的位置)，逐漸使立體物移動(dòng)而生成圖像，即可附加上可以見(jiàn)到改變觀察位置時(shí)立體像逐漸移動(dòng)的動(dòng)畫(huà)效果。這可用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的情況，或者任何拍攝現(xiàn)實(shí)物體的情況。
再有，上述應(yīng)用在以前單步全息照相術(shù)立體圖也能做到，但是在用本發(fā)明計(jì)算機(jī)合成全息圖的情況下，使CGH面與虛擬點(diǎn)光源群或虛擬聚光點(diǎn)群的位置分離，從而取得使分辨率飛躍提高、無(wú)失真且重現(xiàn)圖像質(zhì)量高的效果。
上面已經(jīng)根據(jù)原理說(shuō)明了本發(fā)明的計(jì)算機(jī)合成全息圖，但是本發(fā)明不受限于這些實(shí)施例，而可以作出種種變化。
在產(chǎn)業(yè)上利用的可能性從以上說(shuō)明可知，若采用本發(fā)明的計(jì)算機(jī)合成全息圖，則由于從全息圖衍射的重現(xiàn)光的會(huì)聚光點(diǎn)的位置與被重現(xiàn)物體和全息圖面分離，可使全息圖面上不具有像素結(jié)構(gòu)，視差數(shù)可增多，分辨率飛躍提高，沒(méi)有圖像失真問(wèn)題，從而可得到高質(zhì)量重現(xiàn)圖像的計(jì)算機(jī)合成全息圖。另外，本發(fā)明可提供這樣的計(jì)算機(jī)合成全息圖，它不需要進(jìn)行全息照相術(shù)攝影，圖像處理簡(jiǎn)單，且可利用記錄用市售的軟件獲得的三維物體的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像的立體像來(lái)形成。
權(quán)利要求
1.一種記錄了物體光的復(fù)數(shù)振幅的、可重現(xiàn)立體物的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，在空間上在與全息圖觀察側(cè)相反一側(cè)設(shè)定虛擬點(diǎn)光源群，設(shè)定成從所述虛擬點(diǎn)光源群的各個(gè)虛擬點(diǎn)光源向觀察側(cè)發(fā)散的發(fā)散光的亮度角度分布TWLci(θxz，θyz)與從觀察側(cè)看到該虛擬點(diǎn)光源時(shí)要記錄的物體表面的亮度角度分布相同，且從各個(gè)所述虛擬點(diǎn)光源發(fā)散的發(fā)散光的初始相位分別設(shè)為一定的發(fā)散光相互疊加，作為物體光在所述虛擬點(diǎn)光源群的觀察側(cè)的任何位置上進(jìn)行記錄。
2.權(quán)利要求1的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，所述虛擬點(diǎn)光源群的各虛擬點(diǎn)光源是光擴(kuò)散的方向?yàn)橐痪S的點(diǎn)光源，由在與該擴(kuò)散方向正交的方向上延伸的直線狀光源構(gòu)成。
3.一種記錄了物體光的復(fù)數(shù)振幅的、可重現(xiàn)立體物的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，使預(yù)定的重現(xiàn)照明光入射時(shí)，重現(xiàn)作為從與全息圖觀察側(cè)相反一側(cè)的空間上的虛擬點(diǎn)群的各點(diǎn)向觀察側(cè)發(fā)散的衍射光，其從各個(gè)虛擬點(diǎn)向全息圖觀察側(cè)發(fā)散地前進(jìn)的光的亮度角度分布，與從所記錄的從物體表面通過(guò)所述虛擬點(diǎn)群的各個(gè)點(diǎn)，或者從物體表面向觀察側(cè)相反一側(cè)延長(zhǎng)的光線通過(guò)所述虛擬點(diǎn)群的各個(gè)點(diǎn)，向觀察側(cè)發(fā)散的光的亮度角度分布相同。
4.權(quán)利要求3的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，所述虛擬點(diǎn)群的各虛擬點(diǎn)是其發(fā)散光的擴(kuò)散方向?yàn)橐痪S的點(diǎn)，由在與該擴(kuò)散光的擴(kuò)散方向正交的方向上延伸的直線構(gòu)成。
5.一種記錄了物體光的復(fù)數(shù)振幅的、可重現(xiàn)立體物的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，在全息圖觀察側(cè)空間上的設(shè)定虛擬聚光點(diǎn)群，設(shè)定成在所述虛擬聚光點(diǎn)群的各虛擬聚光點(diǎn)上從與觀察側(cè)相反一側(cè)入射的會(huì)聚光的亮度角度分布TWLci(θxz，θyz)與通過(guò)該虛擬聚光點(diǎn)從觀察側(cè)看到時(shí)要記錄的物體表面的亮度角度分布相同，且入射到所述虛擬聚光點(diǎn)的各會(huì)聚光的聚光點(diǎn)上的相位分別設(shè)為一定的會(huì)聚光相互疊加，作為物體光在與所述虛擬聚光點(diǎn)群的觀察側(cè)相反一側(cè)的任何位置上加以記錄。
6.權(quán)利要求5的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，所述虛擬聚光點(diǎn)群的各個(gè)虛擬聚光點(diǎn)是入射的會(huì)聚光的會(huì)聚方向?yàn)橐痪S的聚光點(diǎn)，由在與該會(huì)聚光的會(huì)聚方向正交的方向上延伸的直線聚光線構(gòu)成。
7.一種記錄了物體光的復(fù)數(shù)振幅的、可重現(xiàn)立體物的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，使預(yù)定的重現(xiàn)照明光入射時(shí)，重現(xiàn)作為全息圖觀察側(cè)通過(guò)空間上的虛擬點(diǎn)群的各個(gè)點(diǎn)在該觀察側(cè)發(fā)散的衍射光，其從各虛擬點(diǎn)發(fā)散的光的亮度角度分布，與從記錄的物體表面通過(guò)所述虛擬點(diǎn)群的各個(gè)點(diǎn)在該觀察側(cè)發(fā)散的光的亮度角度分布相同。
8.權(quán)利要求7的計(jì)算機(jī)合成全息圖，其特征在于，所述虛擬點(diǎn)群的各虛擬點(diǎn)是發(fā)散光的擴(kuò)散方向?yàn)橐痪S的點(diǎn)，由在與該發(fā)散光的擴(kuò)散方向正交的方向上延伸的直線構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分辨率高、視差數(shù)多、無(wú)圖像失真問(wèn)題、不必進(jìn)行全息照相術(shù)攝影、圖像處理簡(jiǎn)單的三維圖像重現(xiàn)用的計(jì)算機(jī)合成全息圖，在記錄物體光的復(fù)數(shù)振幅的、可重現(xiàn)立體物的計(jì)算機(jī)合成全息圖(12)中，在與全息圖(12)觀察側(cè)相反一側(cè)空間上地設(shè)定虛擬點(diǎn)光源群(11)，從所述虛擬點(diǎn)光源群的各個(gè)虛擬點(diǎn)光源向觀察側(cè)發(fā)散的發(fā)散光的亮度角度分布T
文檔編號(hào)G03H1/08GK1771470SQ20048000942
公開(kāi)日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2004年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月12日
發(fā)明者北村滿(mǎn) 申請(qǐng)人:大日本印刷株式會(huì)社