透射光栅和反射光栅的工作原理及应用

透射光栅和反射光栅

Transmittance Grating and Reflection Grating

与传统的二维平面电影相比，3D影片可以创造出更加逼真震撼的视听效果。但是在观看3D电影时，需要佩戴特殊的红蓝眼镜或者偏振光眼镜，这会使画面色彩不够艳丽逼真，而且眼镜戴久了会头晕，也不是很方便。那么，有没有方法不需要佩戴任何眼镜，裸眼就能得到3D效果呢？通过光栅技术就可以实现，这也将是未来3D影视设备发展的一个重要方向。那么，小小的光栅是如何得到立体效果的呢？

实验装置

透射光栅变换画（图1）、透射光栅立体画、反射光栅变换画（图2）、反射光栅立体画。

图1　两种效果混杂的透射光栅变换画

图2　两种效果混杂的反射光栅变换画

现象观察

1.透射光栅变化画和立体画的现象观察

透射光栅显示画面需要背景光源。点亮背景灯箱后，站在透射光栅变换画前面不同的位置，可以看到两幅截然不同的画并随着角度的不同而交替出现。图3是图1所示的变换画的两种画面，（a）是春天景色，（b）是秋天景色。图4是透射光栅立体画的图像，站在画前可以看到立体效果。

图3　透射光栅变换画的两种不同画面

2.反射光栅变化画和立体画的现象观察

反射光栅不需要背景光源照亮，所以在正常的光照条件下就可以观察。图5是上述图2所示的反射光栅变换画在不同观察角度看到的图像。图6是反射光栅立体画的观察效果。

图4　透射光栅立体画

(www.xing528.com)

图5　反射光栅变换画的两种不同画面

现象解密

图6　反射光栅立体画

上述图画之所以有变换和立体的效果，都是因为采用了特殊的光学元件——光栅。根据成像原理的不同，变换画或立体画主要采用狭缝光栅和柱镜光栅。通过透射光成像的变换画或立体画采用狭缝光栅，其工作原理如图7所示。将两幅不同的图画，按一定的顺序交错排列在一个画面上，通过背景光照亮画面，在画面的前方覆盖上遮光和透光交替排列的狭缝光栅。狭缝光栅使得某些方向的光被遮挡，某些方向的光可以透过，这样在不同的角度，只能看到某些位置发出的光，所以人改变在透射光栅前的观察角度，就可以在不同的范围内看到变换的画面。类似地，如果把同一个对象的不同视角图像按一定顺序交错显示在一幅画面上，通过狭缝光栅的选择性隔离和透过，进入人的左右眼的图像是不同的。我们知道，人观察物体之所以有立体感，是因为两眼分别从不同的角度对物体成像，这两个像经大脑合成为立体像。在这里，狭缝光栅的作用就是使人的两眼同时看到一个物体的不同视角图像，从而具有立体的效果。

图7　透射光栅的工作原理

图8　反射光栅的工作原理

透射光栅成像需要背景光源照亮，狭缝光栅的遮挡，影响了出射光的亮度，为克服这些缺点，人们根据折射原理制造出了反射光栅。这种光栅的工作原理图如图8所示，它不同于透射光栅的地方，就是用柱镜光栅代替了狭缝光栅。这样它就不再需要背景光源，按特定顺序排列的不同图画或者同一幅图的不同角度的画面，其出射光线通过柱镜光栅时会形成折射，使得画面上的不同点的像，经过柱镜后其出射光线在一个特定的范围内，这样在不同的角度，只能看到某一种像。同样会得到变换或立体的效果。

应用拓展

目前，透射光栅和反射光栅的变换画和立体画，已经广泛应用于3D摄影、户外广告等领域，未来重要的应用是裸眼观看的立体显示技术，这种技术已经初具雏形，但清晰度、信号控制等方面还需要进一步改进。但可以预见，在不久的将来，人们不用戴眼镜，也可以看到逼真的3D影像。

图9　未来的立体电视

思考题

1.从光栅的原理考虑，离光栅画的距离不同，看到的图像效果一样吗？

2.列举在生活中透射光栅和反射光栅有哪些应用？