一张小小的卡片，伴随你对它不同角度的摆动，竟能展示出各异的画面，甚至让图像仿佛从卡片中“跳”出来。这种神奇的视觉体验，你肯定并很熟悉。在商场橱窗里、广告牌上，甚至动漫周围商品中，都能见到它的身影。这种名为“光栅卡”的光学器件，以其让人惊叹的视觉成效在各大平台卷起了火热浪潮，在每个范围得到了广泛的应用。相比于它本身的神奇视觉成效，其背后的光学原理更是值得大家一探到底。

在体验3D世界之前，大家先要知道，世界上所有可见物体都是三维的。人类的双眼相距大约6厘米，这使得每只双眼察看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叫做双目视差，是产生3D视觉的重点原因之一。如图所示，展示了一个立方体和一个锥体分别在察看者眼前的场景。因为眼睛的地方不同，左眼和右眼看到的立方体和锥体图像也有所不同。

图 1 双目图片感知

单独用左眼或右眼时，看到的只不过平面的图像。左眼看到的图像与右眼看到的图像在角度上略有差异，这是由于两眼之间的距离致使了视差。当两只双眼同时看时，大脑会结合这两幅图像，通过视差处置，生成一个具备深度的三维图像。

为了进一步增强3D视觉，大脑还需要借助其他物理深度线索，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，使大家可以明确地看到不同距离的物体。会聚则是眼睛在察看同一物体时内转的角度差异，近物体需要更大的会聚角度。运动视差是指当大家移动头部时，近处物体看着移动得比远处物体更快，这也为大家提供了深度感。

光栅卡的达成正是借助了这类原理，主要通过狭缝光栅和柱镜光栅两种方法来达成。第一大家来认识，什么是光栅，柱面光栅与狭缝光栅有哪些差异。光栅，是一种应用广泛且尤为重要的衍射光学元件，一般基于夫琅禾费衍射效应工作。光栅由很多等宽、等间隔的狭缝构成，是一种可以对入射光的振幅或相位产生周期性调制的光学元件。光栅的由来可以追溯到1819年，由夫朗和费制作的金属丝栅网。在目前，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，伴随理论和技术的进步，光栅衍射单元不只限于狭缝，还包含晶体光栅、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。当大家通过这类狭缝看图像时，不一样的图像带会分别进入大家的左右眼。因为这类图像带被狭缝分开，左右眼所看到的图像会有的许不同。大脑通过处置这类差异，合成出一个三维的图像。狭缝光栅的原理简单，制作本钱低，但由于狭缝不透明的特质，致使部分光线被遮挡，从而引起画面亮度减少，观看者需要在特定地方观看才能看到立体成效，不然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很多小柱镜组成的阵列，图像通过这类柱镜折射后分别进入左右眼。柱镜光栅依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一样的图像。

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。这类图像被切割成细条，并按特定顺序排列在一块。光栅透镜则覆盖在这类图像之上，每一个微小的柱状透镜会将光线分散到不一样的方向，使得每一个视角图像的细条都可以以正确的角度传送到察看者的双眼。因此，当大家从不同角度观看光栅立体画时，左眼和右眼会看到不一样的视角图像，大脑会将这类图像组合成一个三维图像，从而产生立体视觉成效。

在知道光栅卡成像的光学原理后，大家可以进一步探索光栅卡制作的步骤，可以总结为以下几个主要步骤。

第一，为了保证最后呈现的成效更为立体，在图像选择上需要使用层次丰富且具备强烈纵向景深感的图像，并对图像的尺寸与精度有肯定的需要。选择好图像后，在Photoshop中对图像进行分层处置，依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，并对每一个部分进行修补，确保获得完整的图案。

在图像处置完成后，依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、中景和远景设定不一样的景深值。对选定的图层按设定好的景深值进行复制和移动，形成多张合适柱镜光栅的不同地方的图像。将这类图像进行栅格化合并，最后形成垂直于柱镜光栅的图像组合。

伴随3D显示技术的不断进步，光栅卡作为一种可以呈现立体图像的光学器件，其应用范围将变得愈加广泛。将来的3D显示技术将朝着全息投影和体积显示的方向进步。这类技术不只可以提供更真实、更具沉浸感的视觉体验，还可以克服现在很多3D显示技术所面临的限制，如视角和分辨率的局限。

光栅卡借助柱镜光栅材料的独特特质，通过精密的图像处置和高精度的印刷技术，达成了平面图像的立体成效。这种工艺不只丰富了印刷工艺的表现力，还为广告、娱乐、教育等范围带来了全新的视觉体验。将来，伴随计算机生成全息图（CGH）技术的成熟，光栅卡的进步前景也会充满愈加多的可能。

参考文献

Yang, Lin, et al. See in 3D: state of the art of 3D display technologies. Multimedia Tools and Applications 75 (2016): 17121-17155.

孙冠国, 白国民. 裸眼 3D 光栅技术在地图编制中的应用研究[J]. 测绘地理信息, 2021.

彭丽霞,刘坤宏.浅谈柱镜光栅立体成像技术研究[J].中国新技术新品,2022,(16):21-23.

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.

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