TWI452453B - 彩色全像影像的合成系統 - Google Patents

Description

彩色全像影像的合成系統

本創作係有關於一種全像片的合成系統，特別是有關於一種光學全像片的合成系統。

習知的光學全像片，利用一道同調光照射物體，物體面上的反射光或直接穿透光即物光會射向感光平板，然後再利用此束同調光的另一部份作為參考光投射在感光平板上，由於物光及參考光是來自同一束同調光，所以會在感光平板上形成干涉(Interference )，形成許多明暗的干涉條紋，感光平板會把這些圖加以記錄而形成一張全像片，其中干涉花樣的形狀所代表之意義為物光與參考光之間的相位關係，而其明暗對比程度，則反映了光束的強度關係。

習知圓盤型複合全像術的光學拍攝系統中，包含了一圓柱透鏡，因此每次拍攝製作出之全像片是一狹長扇形的小全像片。當觀察者觀看重建影像時，整個影像是透過許多小全像片所重建的部份影像組合而成，故不可避免地會產生影像變形。又，重建的影像會有一條條的暗紋重疊在其上，即所謂的「柵欄效應」。

又，習知所謂的成像面圓盤型複合全像術不同於圓盤型複合全像術之處，在於它以簡單的光學系統，去除了圓柱透鏡，將物體影像以重複曝光的方式，成像於一張全像底片面上。但底片受到重複曝光，其可能導致重建的影像亮度不足，造成全像影像的可觀性不佳，且無法製作出較大尺寸的重建影像。

此外，台灣新型專利號M390525揭露一種多彩全像之影像合成設備及光偏移補償裝置，藉由調整參考光光波的照射角度，改變綠色與藍色影像記錄於底片的繞射角度，藉以修正重建影像時綠色與藍色影像的投射角度偏差現象。

上述的重建全像影像的尺寸、亮度、色彩效果的改進，仍有必要提出較佳的解決之道。

本案的目的之一，在於提供一種彩色全像影像的合成系統，利用固定參考光光波的參考光角度，但改變不同波長可見光的物光光波與參考光光波的夾角，製作出觀察者固定位置即可觀賞的彩色全像片。

本案的目的之一，在於提供一種彩色全像影像的合成系統，可應用於一反射式彩色全像影像的合成系統或是一穿透式彩色全像影像的合成系統，其利用改變不同波長可見光的物光光波與參考光光波的夾角，結合半圓柱鏡設置於物光到達底片前的光路徑上，減少物光於底片與參考光產生不必要的干涉條紋，進而減少底片上重複曝光的次數，以提高重建影像的亮度以及色彩效果，並可應用於製作大尺寸的全像片。

本案的目的之一，在於提供一種彩色全像影像的合成系統，利用改變不同波長可見光的物光光波與參考光光波的夾角，結合影像抽離的方式，使得目標物體的兩幀影像的像素值減少且互補，減少物光於底片與參考光產生不必要的干涉條紋，進而減少底片上重複曝光的次數，以提高重建影像的亮度以及色彩效果，並可應用於製作大尺寸的全像片。

本案的目的之一，在於提供一種彩色全像影像的合成系統，利用改變不同波長可見光的物光光波與參考光光波的夾角，結合形成帶有目標物體之影像資訊的參考光，減少參考光於底片與物光產生不必要的干涉條紋，進而減少底片上重複曝光的次數，以提高重建影像的亮度以及色彩效果，並可應用於製作大尺寸的全像片。

依據上述，一種彩色全像影像的合成系統，包括：提供一同調光束的一發光單元；將該同調光束分為一參考光束以及一物光光束的一分光單元；接收該參考光束並基於該參考光束輸出一參考光光波的一參考光單元；提供至少一影像的一第一單色成分像以及一第二單色成分像的一影像產生單元，其中該第一單色成分像的一第一單色異於該第二單色成分像的一第二單色；物光單元包括一角度調整元件將該物光光束引導至該影像產生單元以產生一物光光波；以及該參考光光波與該物光光波入射一底片以於該底片上形成複數條干涉條紋，該參考光光波以一固定參考光角度入射該底片，該物光光波以與該參考光光波之間所成的一夾角度入射該底片以與該參考光光波產生干涉條紋於該底片上，其中對應該第一單色成分像的該夾角度異於對應該第二單色成分像的該夾角度。

於一較佳實施例中，該發光單元包括一氣體雷射發射器、二氧化碳雷射發射器、液態雷射發射器、固態雷射發射器或是半導體雷射發射器。

於一較佳實施例中，該同調光束包括一可見光光束或是一不可見光光束。

於一較佳實施例中，該分光單元包括一光束分離鏡。

於一較佳實施例中，該影像產生單元包括一可處理影像的電子裝置將該影像分色處理以輸出該第一單色成分像以及該第二單色成分像。

於一較佳實施例中，該可處理影像的電子裝置更包括以一影像抽離的方式減少該影像的至少一像素。

於一較佳實施例中，該影像包括一目標物體的複數幀影像，該些幀影像由不同擷取視角擷取該目標物體得到。

於一較佳實施例中，該影像包括一目標物體的複數幀影像，該些幀影像由不同擷取視角擷取該目標物體得到。

於一較佳實施例中，該角度調整元件包括可調整的一或多個反射鏡。

於一較佳實施例中，該物光單元包括一半圓柱鏡設置於該影像產生單元與該角度調整元件之間的光路徑上。

於一較佳實施例中，該底片設置於包括該半圓柱鏡的一物光成像系統的一焦平面距離附近的一景深範圍中但不包括該焦平面距離上。

於一較佳實施例中，該參考光單元包括一影像產生器，將該參考光束引導入射至該影像產生器後形成帶有該影像的一影像資訊的該參考光光波。

於一較佳實施例中，包括一反射式彩色全像影像的合成系統或是一穿透式彩色全像影像的合成系統。

於一較佳實施例中，該影像產生單元更包括以一擷取像素的設定擷取一目標物體的複數幀該影像，並且以一投影像素的設定處理該複數幀影像後被記錄於該底片上，其中該投影像素的像素值少於該擷取像素的像素值，基於該投影像素的該複數幀影像的複數影像資訊彼此互補。

本案以下所稱的全像影像的合成系統，可以應用於不同成像原理的全像合成系統，例如彩虹全像片、反射式全像片、多視角全像片、真彩全像片或是積成式全像片等等。雖然以下所列的圖式中為特定的全像合成系統，然此僅用以說明本案之技術，並非用以限定本案之應用範圍。

本案以下所稱的參考光角度，係指參考光與底片法線的夾角，當底片為一平面時，法線為單一，但當底片捲成圓柱狀或圓錐狀時，法線則有複數條，然本案不限於此，亦可採用參考光與底片切面的夾角作為定義，於本案中，參考光角度為一固定的角度。

圖1為本案之一較佳實施例的系統示意圖。參照圖1，全像影像的合成系統2包括一發光單元10、分光單元12、參考光單元14、影像產生單元16、物光單元18以及一底片20。

發光單元10用以提供一同調光束101，可提供同調光束101者，例如各種雷射光發射器，其中雷射若以介質來看，可以是氣體雷射(如氦氖雷射)、二氧化碳雷射、液態雷射、固態雷射或是半導體雷射等。又，以波長來看，可以是可見光或不可見光雷射。

分光單元12接收發光單元10提供的同調光束101，並將該同調光束101分為一參考光束121以及一物光光束123。分光單元12可以包括一光束分離鏡(Beam Splitter,BS)122，亦更複數個光學元件組成，例如反射鏡124設置於適當的位置導引同調光束101，其作用皆在於將同調光束101分成參考光束121以及物光光束123。

參考光單元14接收分光單元12的參考光束121，並基於參考光束121輸出一參考光光波141。於一實施例中，參考光單元14可以包括一空間濾波器(Space Filter,SF)142以去除空間雜訊對於參考光束121的干擾，例如由共焦點凸透鏡組與針孔所組成，但本案不限於此。參考光單元14亦可包括其他的光學元件以引導或優化參考光束121以輸出一參考光光波141，例如包括反射鏡146、焦距不等的透鏡組144等等。參考光單元14亦可以包括可調變光的部件，例如調變振幅、相位或角度的部件。參考光單元14處理參考光束121後輸出一參考光光波141，並且調整參考光光波141入射至一底片20的角度，使得參考光光波141以一參考光角度入射底片20。

影像產生單元16提供至少一影像。於本案中，一影像可以為被記錄的一目標物體162的單一角度的影像或多角度的多幀影像。其次，目標物體162可以是單色或多色或具有灰階。於一實施例中，影像產生單元16包括一攝像元件164、一可處理影像的電子裝置166以及一顯像器168。攝像元件164，例如CCD攝影機，擷取一目標物體162的單一角度的影像或多角度的多幀影像，其中攝像元件164或是目標物體162可被移動調整，藉以擷取所須的角度的影像。可處理影像的電子裝置166，例如一電腦，接收來自攝像元件164擷取的影像161，並進行影像處理。

對於目標物體162，本案中的影像處理可包括將影像161分色處理，以分離影像中的各色像素，進而集成影像161的一第一單色成分像以及一第二單色成分像，其中該第一單色成分像的一第一單色異於該第二單色成分像的一第二單色。舉例來說，將影像分成紅色、綠色以及藍色的二維影像以分別作為第一單色成分像、第二單色成分像以及第三單色成分像。

再者，顯像器168，例如一液晶螢幕，可以顯示可處理影像的電子裝置166處理後的影像163，影像163可以是經過分色處理的第一單色成分像、第二單色成分像或是第三單色成分像。

接著，物光單元18將來自分光單元12的物光光束123引導至影像產生單元16以產生一物光光波181。於本案中，物光單元18包括若干光學元件，舉例但不限於的，透鏡組182或反射鏡184，將物光光束123引導至影像產生單元16的顯像器168以輸出成像成物光光波181。

其次，物光單元18包括一角度調整元件188，例如搭配驅動模組來調整的一或多反射鏡，其設置於物光光波181入射至底片20前，藉以調整物光光波181入射至底片20的角度。舉例來說，前述第一單色成分像、第二單色成分像分別為紅色成分像，綠色成分像時，則角度調整元件188調整物光光波181入射至底片20的角度，使得對應紅色成分像的物光光波181與參考光光波141的夾角度為一第一夾度，對應綠色成分像的物光光波181與參考光光波141的夾角度為一第二夾角度；同理，對應藍光成分像的物光光波181與參考光光波141的夾角度為一第三夾角度，其中參考光光波141入射底片20的角度並未改變，因此被調整者為對應不同色光成分像的物光光波181，且對應三色成分像入射至底片20的曝光區域可以相同、部分重疊或是不重疊。

蓋因全像拍攝的光學系統調整不易，一旦固定後欲調整其中之一光學元件時，重建光路相當費時，本案於物光光波進入底片前，利用角度調整元件188調整物光的入射角度，此種調整方式的優點在於，成像的光學系統可以保持固定，減少重建光路的時間。再者，一彩色影像可以於底片20固定未移動至下一個位置時，即可完成三色的曝光干涉，因此，相較傳統須分色完成一全角度的曝光後方可進行另一色的曝光而言，本案的系統製作全像拍攝的時間可以大幅減少。

根據上述，改變不同單色成分像與固定入射角度的參考光光波的夾角度，物光光波與參考光光波入射至底片以形成干涉條紋，利用底片重建目標物體的影像時，參考光源固定，所呈現的重建影像表現彩色的效果。

接著，參考光光波141與物光光波181入射底片20以於底片20上形成複數條干涉條紋。於此實施例中，參考光光波141以一固定參考光角度入射底片20，物光光波以與該參考光光波之間所成的一夾角度入射該底片以與該參考光光波產生干涉條紋於該底片上，其中對應該第一單色成分像的夾角度異於對應該第二單色成分像的夾角度。

根據上述，改變不同單色成分像與固定入射角度的參考光光波的夾角度，物光光波與參考光光波入射至底片以形成干涉條紋，利用底片重建目標物體的影像時，以白光作為固定投射光源時，觀察者位於一固定位置時，即可觀賞所呈現的重建影像表現彩色的效果。

圖2為本案之一第二實施例的系統示意圖。與第一實施例不同之處，在於全像影像的合成系統4的參考光單元14更包括一影像產生器148，其將參考光束121經由光學元件146’引導入射影像產生器148後形成帶有目標影像資訊的參考光光波141，如此可減少對應目標影像外的區域的參考光光波141入射至底片20上，進而減少不必要的干涉條紋的產生以及重複曝光的次數。

圖3為本案之一第三實施例的系統示意圖。與第一實施例不同之處，在於全像影像的合成系統6的物光單元18更包括匹配透鏡組182的一半圓柱鏡186設置於物光光波181入射至底片20前，半圓柱鏡186與透鏡組182形成適當的物光成像系統，即焦平面位於適當的距離內。參考圖4，於圖上以距離半圓柱鏡186的中心為d1表示，但本案的底片20並不設置於物光成像系統的焦平面距離d1上來產生干涉。本案的底片20係設置於鄰近焦平面的一離焦距離d2或d3的位置，亦可謂此物光成像系統的一景深(depth of field)範圍(介於d2與d3之間)內。當底片20設置於此離焦距離上時，物光光波與參考光光波形成的干涉條紋仍可重建出人眼可辨識的全像影像。

參考圖5，本案的物光單元採用半圓柱鏡186與匹配的透鏡組182所形成適當的物光成像系統，當將底片20置於物光成像系統的景深範圍中但不包括焦平面的距離上，於底片上曝光的範圍分別為曝光干涉區域163a、163b。要說明的是，曝光干涉區域163a、163b分別為一目標物體之不同視角的第一影像以及第二影像。透過本案之半圓柱鏡186與匹配的透鏡組182，所形成的物光成像系統後，入射至底片20的物光光波之曝光干涉區域163a、163b小於未設置半圓柱鏡或圓柱透鏡的習知系統，因此可以減少底片被重複曝光的次數，進而得到亮度較高的重建影像。除了減少底片被重複曝光的次數，本案更優於習知系統者，在於將底片設置於景深範圍，可以消除柵欄效應，使得底片上所記錄的干涉條紋能夠重建出人眼可辨識的清晰影像。

依據上述，習知的圓盤型複合全像術的光學拍攝系統中包含了圓柱透鏡，但將底片設置於物光成像系統的焦平面上，因此產生柵欄效應的不良效果，成像面圓盤型複合全像系統則去除了圓柱透鏡，將物體影像以重複曝光的方式，成像於一張全像底片面上，如此的底片之重複曝光的次數仍有過多的疑慮。本案的物光單元採用半圓柱鏡，可以消除柵欄效應，並且兼顧減少底片之重複曝光的次數，進而得到亮度較高的重建影像。其次，物光光波181通過該半圓柱鏡186後入射底片20。於本案中，應用半圓柱鏡減少底片之重複曝光的優點下，甚至可以將影像記錄於底片20上特定的位置，例如當底片20為一圓盤狀底片時，將影像記錄於特定的圓盤半徑上，則於不同的半徑上可包括其他的目標物體的影像，如此可產生分軌道的影像，即重建影像時，可觀察到不同的軌道所記錄下來的目標影像，使得重建的影像更多變化。

舉例來說，傳統拍攝下與製作全像片，因考量底片的重複曝光造成繞射效率不佳，因此僅能製作較小尺寸目標物體的全像片，但應用本案的影像抽離像素的方式，降低底片的重複曝光次數，甚至可為目標物體製作多通道(multi-channel)的影像，或是製作多視角的影像以產生具有動態效果的影像。上述重建影像的效果，例如觀察者可由15~45視角觀察重建的影像，或是位於底片前的不同觀察者觀察到不同的重建影像。

又，在影像包括多幀不同角度的影像的情形，每幀影像於擷取後具有相同的二維像素陣列(擷取像素)。參考圖6，本案採取減少影像的像素的方式來減少將來底片被重複曝光的次數，例如影像抽離像素的方式。舉例來說，攝像元件以一擷取像素10*10的設定擷取目標物體162的前後三幀影像，每幀影像經過影像抽離處理後成為影像163，依照攝像順序，影像163為第一幀處理過的影像1631時，僅保留投影像素16311、16312；影像163為第二幀處理過的影像1632時，僅保留投影像素16321、16322；影像163為第三幀處理過的影像1633時，僅保留投影像素16331、16332。上述投影像素16311、16312、16321、16322、16331、16332為互補的影像資訊以建構目標物體162的完整多視角影像。故每幀影像163(1631、1632、1633)經過影像抽離處理後的投影像素的像素值少於擷取像素的像素值，但每幀影像都有目標物體162的全部輪廓。是以，本案採用規則的方式減少像素數量並兼顧互補影像資訊，其中每幀影像須保留多少數量的投影像素則可視設計所須。

參考圖7，底片20上，對應影像1631的物光光波181入射底片20且與參考光光波141產生干涉的區域為曝光干涉區域16311’、16312’，其中曝光干涉區域16311’為記錄投影像素16311的影像資訊，曝光干涉區域16312’為記錄投影像素16312的影像資訊。由於物光光波181經過影像抽離處理，因此在記錄影像1631時，曝光干涉區域16311’、16312’以外的區域並不產生干涉。同理，對應影像1632的物光光波181，其產生干涉的區域為曝光干涉區域16321’、16322’；對應影像1633的物光光波181，其產生干涉的區域為曝光干涉區域16331’、16332’。因此，上述方法可減少無投影像素的位置的重複曝光次數。

依據上述，實際上，一方面，影像抽離像素的處理並不會造成重建後的影像會有明顯的不連貫情形，另一方面，每幀影像減少像素，可減少後續底片重複曝光的次數，因此可以製作出許多傳統全像片因曝光次數過多而無法呈現的效果或是尺寸過小與亮度不夠的缺點。本案之影像抽離處理，可以搭配半圓柱鏡的使用，使得對應每幀影像的物光光波之曝光區域較小，可減少後續底片重複曝光的次數。

要說明的是，本案的半圓柱鏡的設置或是影像抽離的方式，皆可減少底片之重複曝光的次數，對於單幀影像或是數量較少幀的影像，可以採用半圓柱鏡的設置或是影像抽離的方式，對於多幀影像者，可同時應用此兩種方式於系統中，以得到亮度較高的重建影像。

本案雖藉由上述實施例描述，但仍可變化其形態與細部設計，於不脫離本案之創作精神而達成。熟悉此項技藝之人士可以理解的，上述本案之較佳實施例，僅為藉由本案之原理可以具體實施的方式之一，但並不以此為限制，應依後附之申請專利範圍所界定為準。

2,4,6．．．全像影像的合成系統

10．．．發光單元

101．．．同調光束

12．．．分光單元

121．．．參考光束

122．．．光束分離鏡

123．．．物光光束

124．．．反射鏡

14．．．參考光單元

141．．．參考光光波

142．．．空間濾波器

144．．．透鏡組

146．．．反射鏡

148．．．影像產生器

146’．．．光學元件

16．．．影像產生單元

161．．．影像

162．．．目標物體

163,1631,1632,1633．．．影像

16311,16312,16321,16322,16331,16332．．．投影像素

16311’,16312’,16321’,16322’,16331’,16332’,163a,163b,．．．曝光干涉區域

164．．．攝像元件

166．．．可處理影像的電子裝置

168．．．顯像器

18．．．物光單元

181．．．物光光波

182．．．透鏡組

184．．．反射鏡

186．．．半圓柱鏡

188．．．角度調整元件

20．．．底片

d1,d2,d3．．．距離

圖1為本案之一第一實施例的系統示意圖。

圖2為本案之一第二實施例的系統示意圖。

圖3為本案之一第三實施例的系統示意圖。

圖4為本案之一第三實施例的物光單元與底片設置距離的示意圖。

圖5為本案之一第三實施例的底片第一曝光示意圖。

圖6為本案之一第三實施例的一投影影像示意圖。

圖7為本案之一第三實施例的底片第二曝光示意圖。

2．．．全像影像的合成系統

10．．．發光單元

101．．．同調光束

12．．．分光單元

121．．．參考光束

122．．．光束分離鏡

123．．．物光光束

124．．．反射鏡

14．．．參考光單元

141．．．參考光光波

142．．．空間濾波器

144．．．透鏡組

146．．．反射鏡

16．．．影像產生單元

161．．．影像

162．．．目標物體

163．．．影像

164．．．攝像元件

166．．．可處理影像的電子裝置

168．．．顯像器

18．．．物光單元

181．．．物光光波

182．．．透鏡組

184．．．反射鏡

188．．．角度調整元件

20．．．底片

Claims (12)

1. 一種彩色全像影像的合成系統，包括：一發光單元，提供一同調光束；一分光單元，將該同調光束分為一參考光束以及一物光光束；一參考光單元，接收該參考光束並基於該參考光束輸出一參考光光波；一影像產生單元，提供至少一影像的一第一單色成分像以及一第二單色成分像，其中該第一單色成分像的一第一單色異於該第二單色成分像的一第二單色；一物光單元，其包括一角度調整元件將該物光光束引導至該影像產生單元以產生一物光光波；以及一底片，該參考光光波以一固定參考光角度入射該底片，該物光光波以與該參考光光波之間所成的一夾角度入射該底片以與該參考光光波產生干涉條紋於該底片上，其中對應該第一單色成分像的該夾角度異於對應該第二單色成分像的該夾角度。
2. 如請求項1所述之彩色全像影像的合成系統，其中該發光單元包括一氣體雷射發射器、二氧化碳雷射發射器、液態雷射發射器、固態雷射發射器或是半導體雷射發射器。
3. 如請求項1所述之彩色全像影像的合成系統，其中該同調光束包括一可見光光束或是一不可見光光束。
4. 如請求項1所述之彩色全像影像的合成系統，其中該分光單元包括一光束分離鏡。
5. 如請求項1所述之彩色全像影像的合成系統，其中該影像產生單元包括一可處理影像的電子裝置將該影像分色處理以輸出該第一單色成分像以及該第二單色成分像。
6. 如請求項5所述之彩色全像影像的合成系統，其中該可處理影像的電子裝置更包括以一影像抽離的方式減少該影像的至少一像素。
7. 如請求項1所述之彩色全像影像的合成系統，其中該影像包括一目標物體的複數幀影像，該些幀影像由不同擷取視角擷取該目標物體得到。
8. 如請求項1所述之彩色全像影像的合成系統，其中該角度調整元件包括可調整的一或多個反射鏡。
9. 如請求項1所述之彩色全像影像的合成系統，其中該物光單元包括一半圓柱鏡設置於該影像產生單元與該角度調整元件之間的光路徑上。
10. 如請求項9所述之彩色全像影像的合成系統，其中該底片設置於包括該半圓柱鏡的一物光成像系統的一焦平面距離附近的一景深範圍中但不包括該焦平面距離上。
11. 如請求項1所述之彩色全像影像的合成系統，包括一反射式彩色全像影像的合成系統或是一穿透式彩色全像影像的合成系統。
12. 如請求項1所述之彩色全像影像的合成系統，其中該影像產生單元更包括以一擷取像素的設定擷取一目標物體的複數幀該影像，並且以一投影像素的設定處理該複數幀影像後被記錄於該底片上，其中該投影像素的像素值少於該擷取像素的像素值，基於該投影像素的該複數幀影像的複數影像資訊彼此互補。