一张小小的光栅卡，为什么能让人体验丰富的立体世界？

一张小小的卡片，随着你对它不同角度的摆动，竟能展现出各异的画面，甚至让图像仿佛从卡片中“跳”出来。这种神奇的视觉体验，你一定并不陌生。在商场橱窗里、广告牌上，甚至动漫周边产品中，都能见到它的身影。这种名为“光栅卡”的光学器件，以其令人惊叹的视觉效果在各大平台卷起了火热浪潮，在各个领域得到了广泛的应用。相比于它本身的神奇视觉效果，其背后的光学原理更是值得我们一探究竟。

在体验3D世界之前，我们先要了解，世界上一切可见物体都是三维的。人类的眼睛相距大约6厘米，这使得每只眼睛观察物体的角度稍有差异，看到的图像稍有不同。这种微小的视角差异被称为双目视差，是产生3D视觉的关键因素之一。如图所示，展示了一个立方体和一个锥体分别在观察者眼前的场景。由于双眼的位置不同，左眼和右眼看到的立方体和锥体图像也有所区别。

图 1 双目图片感知

单独使用左眼或右眼时，看到的只是平面的图像。左眼看到的图像与右眼看到的图像在角度上略有差异，这是因为两眼之间的距离导致了视差。当两只眼睛同时看时，大脑会结合这两幅图像，通过视差处理，生成一个具有深度的三维图像。

为了进一步增强3D视觉，大脑还需要利用其他物理深度线索，如调节、会聚和运动视差。调节是指眼部肌肉调整晶状体的形状以改变焦距，使我们能够清晰地看到不同距离的物体。会聚则是双眼在观察同一物体时内转的角度差异，近物体需要更大的会聚角度。运动视差是指当我们移动头部时，近处物体看起来移动得比远处物体更快，这也为我们提供了深度感。

光栅卡的实现正是利用了这些原理，主要通过狭缝光栅和柱镜光栅两种方式来实现。首先我们来了解，什么是光栅，柱面光栅与狭缝光栅有什么差异。光栅，是一种应用广泛且非常重要的衍射光学元件，通常基于夫琅禾费衍射效应工作。光栅由大量等宽、等间隔的狭缝构成，是一种能够对入射光的振幅或相位产生周期性调制的光学元件。光栅的起源可以追溯到1819年，由夫朗和费制作的金属丝栅网。在现在，光栅一般通过在平板玻璃或金属板上刻划出等宽、等间距的刻痕制成，随着理论和技术的发展，光栅衍射单元不仅限于狭缝，还包括晶体光栅、超声光栅和晶体折射率光栅等新型光栅。

狭缝光栅会在图像前面加上一层狭缝阵列。当我们通过这些狭缝看图像时，不同的图像带会分别进入我们的左右眼。由于这些图像带被狭缝分开，左右眼所看到的图像会有些许不同。大脑通过处理这些差异，合成出一个三维的图像。狭缝光栅的原理简单，制作成本低，但因为狭缝不透明的特性，导致部分光线被遮挡，从而引起画面亮度降低，观看者需要在特定位置观看才能看到立体效果，否则会使观测结果重叠或失真。

柱镜光栅则是在图像前面加上一层由许多小柱镜组成的阵列，图像通过这些柱镜折射后分别进入左右眼。柱镜光栅根据其功能分为立体光栅和变画光栅：立体光栅的厚度更大，立体感强。变画光栅的厚度小，主要用来在不同角度呈现不同的图像。

图 2 柱面光栅立体成像原理

在制作光栅卡时，会拍摄或生成多幅从不同角度拍摄的图像。这些图像被切割成细条，并按特定顺序排列在一起。光栅透镜则覆盖在这些图像之上，每个微小的柱状透镜会将光线分散到不同的方向，使得每个视角图像的细条都能够以正确的角度传送到观察者的眼睛。因此，当我们从不同角度观看光栅立体画时，左眼和右眼会看到不同的视角图像，大脑会将这些图像组合成一个三维图像，从而产生立体视觉效果。

在了解光栅卡成像的光学原理后，我们可以进一步探索光栅卡制作的流程，可以归纳为以下几个主要步骤。

首先，为了保证最后呈现的效果更为立体，在图像选择上需要采用层次丰富且具有强烈纵向景深感的图像，并对图像的尺寸与精度有一定的要求。选择好图像后，在Photoshop中对图像进行分层处理，根据图像的远近关系和色彩明暗程度将图案分开到单独的图层，并对每个部分进行修补，确保获得完整的图案。

在图像处理完成后，根据柱镜光栅的线数计算出栅距，确定图像分辨率。设定景深值，针对近景、中景和远景设定不同的景深值。对选定的图层按设定好的景深值进行复制和移动，形成多张适合柱镜光栅的不同位置的图像。将这些图像进行栅格化合并，最终形成垂直于柱镜光栅的图像组合。

随着3D显示技术的不断进步，光栅卡作为一种能够呈现立体图像的光学器件，其应用领域将变得更加广泛。未来的3D显示技术将朝着全息投影和体积显示的方向发展。这些技术不仅能够提供更真实、更具沉浸感的视觉体验，还能够克服目前许多3D显示技术所面临的限制，如视角和分辨率的局限。

光栅卡利用柱镜光栅材料的独特特性，通过精密的图像处理和高精度的印刷技术，实现了平面图像的立体效果。这种工艺不仅丰富了印刷工艺的表现力，还为广告、娱乐、教育等领域带来了全新的视觉体验。未来，随着计算机生成全息图（CGH）技术的成熟，光栅卡的发展前景也会充满越来越多的可能。

参考文献

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谭祺瑞,路海明,卢增祥.基于柱镜光栅的超多视点大幅面立体画设计[J].清华大学学报(自然科学版),2019,59(04):249-255.

作者：蔡文垂中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核：李明中国科学院高能物理研究所 研究员

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