CN103376724B - 全息影像的合成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全息影像的合成系统，其包括一发光单元、一分光单元、一参考光单元、一影像产生单元、一物光单元以及一底片，其中，由参考光单元输出的参考光光波带有目标物体的影像信息并入射至底片，可以减少底片重复曝光的次数，提高重建的全息影像的亮度。
Description
技术领域
本发明有关于一种全息片的合成系统，特别是有关于一种光学全息片的合成系统。
背景技术
现有的光学全息片，利用一道同调光照射物体，物体面上的反射光或直接穿透光即物光会射向感光平板，然后再利用此束同调光的另一部分作为参考光投射在感光平板上，由于物光及参考光是来自同一束同调光，所以会在感光平板上形成干涉(Interference)，形成许多明暗的干涉条纹，感光平板会把这些图加以记录而形成一张全息片，其中干涉花样的形狀所代表的意义为物光与参考光之间的相位关系，而其明暗对比程度，则反映了光束的强度关系。
现有圆盘型复合全息术的光学拍摄系统中，包含了一圆柱透镜，因此每次拍摄制作出的全息片是一狭长扇形的小全息片。当观察者观看重建影像时，整个影像是透过许多小全息片所重建的部分影像组合而成，故不可避免地会产生影像变形。又，重建的影像会有一条条的暗纹重叠在其上，即所谓的“栅栏效应”。
又，现有所谓的成像面圆盘型复合全息术不同于圆盘型复合全息术之处，在于它以简单的光学系统，去除了圆柱透镜，将物体影像以重复曝光的方式，成像于一张全息底片面上。但底片受到重复曝光，其可能导致重建的影像亮度不足，造成全息影像的可观性不佳，且无法制作出较大尺寸的重建影像。因此，有必要对于底片重复曝光所造成的问题提出解决的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种全息影像的合成系统，可形成带有目标物体的影像信息的参考光，以减少参考光于底片与物光产生不必要的干涉条纹，进而减少底片上重复曝光的次数，以提高重建影像的亮度，并可应用于制作大尺寸的全息片。
本发明要解决的技术问题之一在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种全息影像的合成系统，可形成带有目标物体的影像信息的参考光，并配合利用半圆柱镜设置于物光到达底片前的光路径上，以减少物光于底片与参考光产生不必要的干涉条纹，进而减少底片上重复曝光的次数，以提高重建影像的亮度，并可应用于制作大尺寸的全息片。
本发明要解决的技术问题之一在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种全息影像的合成系统，可形成带有目标物体的影像信息的参考光，并配合利用影像抽离的方式，使得目标物体的两帧影像的像素值减少且互补，减少物光于底片与参考光产生不必要的干涉条纹，进而减少底片上重复曝光的次数，以提高重建影像的亮度，并可应用于制作大尺寸的全息片。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种全息影像的合成系统，其包括：提供一同调光束的发光单元；将该同调光束分为一参考光束以及一物光光束的分光单元；参考光单元；影像产生单元；物光单元以及底片。该参考光单元包括影像产生器，该影像产生器接收该参考光束以输出带有一目标物体的影像信息的一参考光光波。该影像产生单元提供该目标物体的至少一影像。该物光单元将该物光光束引导至该影像产生单元以产生一物光光波。该参考光光波以及该物光光波入射至该底片上以产生多条干涉条纹。
较佳地，该发光单元包括气体激光发射器、二氧化碳激光发射器、液态激光发射器、固态激光发射器或半导体激光发射器。
较佳地，该同调光束包括一可见光光束或一不可见光光束。
较佳地，该分光单元包括光束分离镜。
较佳地，该影像产生单元包括可处理影像的电子装置，该可处理影像的电子装置将该影像分色处理以输出一第一单色成分像以及一第二单色成分像，该第一单色成分像的一第一单色异于该第二单色成分像的一第二单色。又，该物光单元包括角度调整元件，该角度调整元件调整带有该第一单色成分像或该第二单色成分像的该物光光波与该参考光光波之间的夹角度，使得在该参考光光波的入射角固定的条件下，对应该第一单色成分像的该物光光波与该参考光光波之间的该夹角度异于对应该第二单色成分像的该物光光波与该参考光光波之间的该夹角度。
较佳地，该物光单元包括具有一半圆柱镜的物光成像系统，该物光光波通过该半圆柱镜后入射至该底片，且该底片设置于该物光成像系统的一焦平面距离附近的一景深范围中但不包括该焦平面距离上。
较佳地，该影像产生单元以一撷取像素的设定撷取该目标物体的一第一影像以及一第二影像，并且以一投影像素的设定处理该第一影像以及该第二影像后由该物光光束投射以产生该物光光波，其中该投影像素的像素值少于该撷取像素的像素值。又，基于该投影像素的该第一影像的一影像信息互补于基于该投影像素的该第二影像的一影像信息。
较佳地，该底片为平面状、圆盘状、圆柱状或圆锥状。
较佳地，该影像包括该目标物体的多帧影像，该些帧影像由从不同撷取视角撷取该目标物体得到。
本发明全息影像的合成系统通过形成带有目标物体的影像信息的参考光，以减少参考光于底片与物光产生不必要的干涉条纹，进而减少底片上重复曝光的次数，以提高重建影像的亮度，并可应用于制作大尺寸的全息片。此外，本发明全息影像的合成系统在形成带有目标物体的影像信息的参考光的同时，还可选择配合利用半圆柱镜设置于物光到达底片前的光路径上和/或利用影像抽离的方式使得目标物体的两帧影像的像素值减少且互补等方式，进一步地减少参考光于底片与物光产生不必要的干涉条纹，进而减少底片上重复曝光的次数，以提高重建影像的亮度。
附图说明
图1为本发明的一第一实施例的系统示意图。
图2为本发明的一第二实施例的系统示意图。
图3为本发明的一第二实施例的物光单元与底片设置距离的示意图。
图4为本发明的一第二实施例的底片第一曝光示意图。
图5为本发明的一投影影像示意图。
图6为本发明的一底片第二曝光示意图。
图7为本发明的一第三实施例的系统示意图。
具体实施方式
本发明以下所称的全息影像的合成系统，可以应用于不同成像原理的全息合成系统，例如彩虹全息片、反射式全息片、多视角全息片、真彩全息片或是积成式全息片等等。虽然以下所列的图式中为特定的全息合成系统，然此仅用以说明本发明的技术，并非用以限定本发明的应用范围。
本发明以下所称的参考光角度，是指参考光与底片法线的夹角，当底片为一平面时，法线为单一，但当底片卷成圆柱状或圆锥状时，法线则有多条，然本发明不限于此，亦可采用参考光与底片切面的夹角作为定义，于本发明中，参考光角度为一固定的角度。
图1为本发明的一较佳实施例的系统示意图。参照图1，全息影像的合成系统2包括一发光单元10、分光单元12、参考光单元14、影像产生单元16、物光单元18以及一底片20。
发光单元10用以提供一同调光束101，可提供同调光束101者，例如各种激光发射器，其中激光若以介质来看，可以是气体激光(如氦氖激光)、二氧化碳激光、液态激光、固态激光或是半导体激光等。又，以波长来看，可以是可见光或不可见光激光。
分光单元12接收发光单元10提供的同调光束101，并将该同调光束101分为一参考光束121以及一物光光束123。分光单元12可以包括一光束分离镜(BeamSplitter，BS)122，亦更可由多个光学元件组成，例如反射镜124设置于适当的位置导引同调光束101，其作用皆在于将同调光束101分成参考光束121以及物光光束123。
参考光单元14接收分光单元12的参考光束121，并基于参考光束121输出一参考光光波141。于一实施例中，参考光单元14可以包括一空间滤波器(SpaceFilter，SF)142以去除空间噪声对于参考光束121的干扰，例如由共焦点凸透镜组与针孔所组成，但本发明不限于此。
其次，参考光单元14更包括一影像产生器148，将参考光束121由光学元件146’引导入射影像产生器148后形成带有目标影像信息并经过透镜组144的参考光光波141，如此可减少对应目标影像外的区域的参考光光波141入射至底片20上，进而减少不必要的干涉条纹的产生以及重复曝光的次数。
参考光单元14亦可包括其它的光学元件以引导或优化参考光束121以输出一参考光光波141，例如包括焦距不等的透镜144等等。参考光单元14亦可以包括可调变光的部件，例如调变振幅、相位或角度的部件。参考光单元14处理参考光束121后输出一参考光光波141，并且调整参考光光波141入射至一底片20的角度，使得参考光光波141以一参考光角度入射底片20。
影像产生单元16提供至少一影像。于本发明中，一影像可以为被记录的一目标物体162的单一角度的影像或多角度的多帧影像。其次，目标物体162可以是单色或多色或具有灰阶。于一实施例中，影像产生单元16包括一摄像元件164、一可处理影像的电子装置166以及一显像器168。摄像元件164，例如CCD摄影机，撷取一目标物体162的单一角度的影像或多角度的多帧影像，其中摄像元件164或是目标物体162可被移动调整，藉以撷取所需的角度的影像。可处理影像的电子装置166，例如一电脑，接收摄像元件164撷取的影像161，并进行影像处理。
其次，此实施例中，由于参考光单元14设置影像产生器148以产生带有目标影像信息的参考光光波141，因此，摄像元件164撷取的影像161亦可与影像产生器148连接，或是可处理影像的电子装置166将影像161进行完影像处理后再传送至参考光单元14的影像产生器148。
再者，显像器168，例如一液晶屏幕，可以显示可处理影像的电子装置166处理后的影像163。
接着，物光单元18将来自分光单元12的物光光束123引导至影像产生单元16以产生一物光光波181。于本发明中，物光单元18包括若干光学元件，举例但不限于的，透镜182或反射镜184，将物光光束123引导至影像产生单元16的显像器168以输出成像成物光光波181。
接着，参考光光波141与物光光波181入射底片20以于底片20上形成多条干涉条纹。依据上述，带有影像信息的参考光光波141可减少底片重复曝光的次数，可以提高重建全息影像的亮度。
图2为本发明的一第二实施例的系统示意图。与第一实施例的差异，在于全息影像的合成系统4的物光单元18’包括一半圆柱镜186与匹配的透镜组182，形成适当的物光成像系统。请同时参考图3，所谓的物光单元181包括适当的物光成像系统，即焦平面位于适当的距离内，于图上以距离半圆柱镜186的中心为d1表示，但本发明的底片20并不设置于物光成像系统的焦平面距离d1上来产生干涉。本发明的底片20是设置于邻近焦平面的一离焦距离d2或d3的位置，亦可谓此物光成像系统的一景深(depthoffield)范围(介于d2与d3之间)内。当底片20设置于此离焦距离上时，物光光波与参考光光波形成的干涉条纹仍可重建出人眼可辨识的全息影像。
参考图4，本发明的物光单元采用半圆柱镜186与匹配的透镜组182形成适当的物光成像系统，当将底片20置于物光成像系统的景深范围中但不包括焦平面的距离上，于底片上曝光的范围分别为曝光干涉区域163a、163b。要说明的是，曝光干涉区域163a、163b分别为一目标物体的不同视角的第一影像以及第二影像，其可以经过前述的影像抽离处理或是没有经过影像抽离处理。然透过本发明的半圆柱镜186与匹配的透镜组182所形成的物光成像系统后，入射至底片20的物光光波的曝光干涉区域163a、163b小于未设置半圆柱镜或圆柱透镜的现有系统，因此可以减少底片被重复曝光的次数，进而得到亮度较高的重建影像。除了减少底片被重复曝光的次数，本发明更优于现有系统者，在于将底片设置于景深范围，可以消除栅栏效应，使得底片上所记录的干涉条纹能够重建出人眼可辨识的清晰影像。
又，第一实施例、第二实施例或是后述的全息影像的合成系统的影像产生单元16的可处理影像的电子装置166采用的影像处理说明如后。
参考图5，在影像包括多帧不同角度的影像的情形下，每帧影像于撷取后具有相同的二维像素数组(撷取像素)。本发明采取减少影像的像素的方式来减少将来底片被重复曝光的次数，例如影像抽离像素的方式。举例来说，摄像元件以一撷取像素10*10的设定撷取目标物体162的前后三帧影像，每帧影像经过影像抽离处理后成为影像163，依照摄像顺序，影像163为第一帧处理过的影像1631时，仅保留投影像素16311、16312；影像163为第二帧处理过的影像1632时，仅保留投影像素16321、16322；影像163为第三帧处理过的影像1633时，仅保留投影像素16331、16332。上述投影像素16311、16312、16321、16322、16331、16332为互补的影像信息以建构目标物体162的完整多视角影像。故每帧影像163(1631、1632、1633)经过影像抽离处理后的投影像素的像素值少于撷取像素的像素值，但每帧影像都有目标物体162的全部轮廓。是以，本发明采用规则的方式减少像素数量并兼顾互补影像信息，其中每帧影像需保留多少数量的投影像素则可视设计所需。
依据上述，实际上，一方面，影像抽离像素的处理并不会造成重建后的影像会有明显的不连贯情形，另一方面，每帧影像减少像素，可减少后续底片重复曝光的次数，因此可以避免许多传统全息片因曝光次数过多而无法呈现其效果或是尺寸过小与亮度不够的缺点。
参考图6，底片20上，对应影像1631的物光光波181入射底片20且与参考光光波141产生干涉的区域为曝光干涉区域16311’、16312’，其中曝光干涉区域16311’为记录投影像素16311的影像信息，曝光干涉区域16312’为记录投影像素16312的影像信息。由于物光光波181经过影像抽离处理，因此在记录影像1631时，曝光干涉区域16311’、16312’以外的区域并不产生干涉。同理，对应影像1632的物光光波181，其产生干涉的区域为曝光干涉区域16321’、16322’；对应影像1633的物光光波181，其产生干涉的区域为曝光干涉区域16331’、16332’。因此，上述方法可减少无投影像素的位置的重复曝光次数。
要说明的是，本发明的半圆柱镜186的设置或是影像抽离的方式，皆可减少底片的重复曝光的次数，对于单帧影像或是数量较少帧的影像，可以采用半圆柱镜186的设置或是影像抽离的方式，对于多帧影像者，可同时应用此两种方式于系统中，以得到亮度较高且清晰的重建影像。
在应用影像抽离处理影像以及半圆柱镜减少底片的重复曝光的优点下，甚至可以将影像记录于底片20上特定的位置，例如当底片20为一圆盘状底片时，将影像记录于特定的圆盘半径上，则于不同的半径上可包括其它的目标物体的影像，如此可产生分轨道的影像，即重建影像时，可观察到不同的轨道所记录下来的目标影像，使得重建的影像更多变化。
举例来说，传统拍摄下制作全息片，因考虑底片的重复曝光造成绕射效率不佳，因此仅能制作较小尺寸目标物体的全息片，但应用本发明的影像抽离像素的方式，降低底片的重复曝光次数，甚至可为目标物体制作多信道(multi-channel)的影像，或是制作多视角的影像以产生具有动态效果的影像。上述重建影像的效果，例如观察者可由15～45度视角观察重建的影像，或是位于底片前的不同观察者观察到不同的重建影像。
图7为本发明的一第三实施例的系统示意图。对于彩色的目标物体162，第三实施例的全息影像的合成系统6中的影像处理可包括将影像161分色处理，以分离影像中的各色像素，进而集成影像161的一第一单色成分像以及一第二单色成分像，其中该第一单色成分像的一第一单色异于该第二单色成分像的一第二单色。举例来说，将影像分成红色、绿色以及蓝色的二维影像以分别作为第一单色成分像、第二单色成分像以及第三单色成分像。影像163可以是不同视角前后帧经过影像抽离的影像，或是经过分色处理的第一单色成分像、第二单色成分像以及第三单色成分像。
对于彩色目标物体来说，物光单元18”可更包括角度调整元件188，例如搭配驱动模块来调整的一或多个反射镜，藉以调整物光光波181入射至底片20的角度。举例来说，前述第一单色成分像、第二单色成分像分别为红色成分像、绿色成分像时，则角度调整元件188调整物光光波181入射至底片20的角度，使得对应红色成分像的物光光波181与参考光光波141的夹角度为一第一夹度，对应绿色成分像的物光光波181与参考光光波141的夹角度为一第二夹角度；同理，对应蓝光成分像的物光光波181与参考光光波141的夹角度为一第三夹角度，其中参考光光波141入射底片20的角度并未改变，因此被调整者为对应不同色光成分像的物光光波181，且对应三色成分像入射至底片20的曝光区域可以相同、部分重叠或是不重叠。
盖因全息拍摄的光学系统调整不易，一旦固定后欲调整其中的一光学元件时，重建光路相当费时，本发明于物光光波进入底片前，利用角度调整元件188调整物光的入射角度，此种调整方式的优点在于，成像的光学系统可以保持固定，减少重建光路的时间。再者，根据上述，改变不同单色成分像与固定入射角度的参考光光波的夹角度，物光光波与参考光光波入射至底片以形成干涉条纹，利用底片重建目标物体的影像时，参考光源固定，所呈现的重建影像表现彩色的效果。
本发明虽藉由上述实施例描述，但仍可变化其形态与细部设计，于不脱离本发明的发明精神而达成。本技术领域的普通技术人员可以理解的，上述本发明的较佳实施例，仅为藉由本发明的原理可以具体实施的方式之一，但并不以此为限制，应依本发明权利要求范围所界定为准。
Claims (11)
1.一种全息影像的合成系统，其特征在于，包括：
发光单元，提供一同调光束；
分光单元，将该同调光束分为一参考光束以及一物光光束；
参考光单元，其包括影像产生器，该影像产生器接收该参考光束以输出带有一目标物体的影像信息的一参考光光波；
影像产生单元，其提供该目标物体的至少一影像；
物光单元，将该物光光束引导至该影像产生单元以产生一物光光波；以及
底片，该参考光光波以及该物光光波入射至该底片上以产生多条干涉条纹。
2.如权利要求1所述的全息影像的合成系统，其特征在于，该发光单元包括气体激光发射器、液态激光发射器、固态激光发射器或半导体激光发射器。
3.如权利要求1所述的全息影像的合成系统，其特征在于，该同调光束包括一可见光光束或一不可见光光束。
4.如权利要求1所述的全息影像的合成系统，其特征在于，该分光单元包括光束分离镜。
5.如权利要求1所述的全息影像的合成系统，其特征在于，该影像产生单元包括可处理影像的电子装置，该可处理影像的电子装置将该影像分色处理以输出一第一单色成分像以及一第二单色成分像，该第一单色成分像的一第一单色异于该第二单色成分像的一第二单色。
6.如权利要求5所述的全息影像的合成系统，其特征在于，该物光单元包括角度调整元件，该角度调整元件调整带有该第一单色成分像或该第二单色成分像的该物光光波与该参考光光波之间的夹角度，使得在该参考光光波的入射角固定的条件下，对应该第一单色成分像的该物光光波与该参考光光波之间的该夹角度异于对应该第二单色成分像的该物光光波与该参考光光波之间的该夹角度。
7.如权利要求1所述的全息影像的合成系统，其特征在于，该物光单元包括具有一半圆柱镜的物光成像系统，该物光光波通过该半圆柱镜后入射至该底片，且该底片设置于该物光成像系统的一焦平面距离附近的一景深范围中但不包括该焦平面距离上。
8.如权利要求1所述的全息影像的合成系统，其特征在于，该影像产生单元以一撷取像素的设定撷取该目标物体的一第一影像以及一第二影像，并且以一投影像素的设定处理该第一影像以及该第二影像后由该物光光束投射以产生该物光光波，其中该投影像素的像素值少于该撷取像素的像素值。
9.如权利要求8所述的全息影像的合成系统，其特征在于，基于该投影像素的该第一影像的一影像信息互补于基于该投影像素的该第二影像的一影像信息。
10.如权利要求1所述的全息影像的合成系统，其特征在于，该底片为平面状、圆盘状、圆柱状或圆锥状。
11.如权利要求1所述的全息影像的合成系统，其特征在于，该影像包括该目标物体的多帧影像，该些帧影像由从不同撷取视角撷取该目标物体得到。
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