全息影像技術(shù)概述

總是有人抱有這樣的幻想：在未來，人類可以完全拋棄電視、電腦、手機這些帶有屏幕的顯示產(chǎn)品。就像在各種各樣的科幻、諜戰(zhàn)大片中，用手一揮，巨大的顯示屏上多頁圖表或者照片直接出現(xiàn)在面前，無需觸碰屏幕，用手一揮，屏幕上的內(nèi)容自然切換，甚至能夠讓不同時空的人面對面進行交談。所有這些，都被統(tǒng)稱為全息影像技術(shù)。

根據(jù)維基百科給出的定義，真正的全息影像技術(shù)是指通過相干光干涉原理記錄和查看圖像，當(dāng)合適地將其呈現(xiàn)時，便可以精確地再現(xiàn)被記錄物體的三維外觀。是一種記錄被攝物體反射（或透射）光波中全部信息（振幅、相位）的照相技術(shù)，而物體反射或者透射的光線可以通過記錄膠片完全重建，仿佛物體就在那里一樣。通過不同的方位和角度觀察照片，可以看到被拍攝的物體的不同的角度，因此記錄得到的像可以使人產(chǎn)生立體視覺。

全息影像技術(shù)的發(fā)展史

1947年，英國人丹尼斯蓋博(Dennis Gabor)在研究電子顯微鏡的過程中，提出了全息攝影術(shù)(Holography)這樣一種全新的成像概念，并獲得了諾貝爾獎。全息術(shù)的成像利用了光的干涉原理，以條紋形式記錄物體發(fā)射的特定光波，并在特殊條件下使其重現(xiàn)，形成逼真的三維圖像，這幅圖像記錄了物體的振幅、相位、亮度、外形分布等信息，所以稱之為全息術(shù)，意為包含了全部信息。但在當(dāng)時的條件下，全息圖像的成像質(zhì)量很差，只是采用水銀燈記錄全息信息，但由于水銀燈的性能太差，無法分離同軸全息衍射波，因此大量的科學(xué)家花費了十年的時間卻沒有使這一技術(shù)有很大進展。

1962年，美國人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息術(shù)的基礎(chǔ)上，將通信行業(yè)中“側(cè)視雷達”理論應(yīng)用在全息術(shù)上，發(fā)明了離軸全息技術(shù)，帶動全息技術(shù)進入了全新的發(fā)展階段。這一技術(shù)采用離軸光記錄全息圖像，然后利用離軸再現(xiàn)光得到三個空間相互分離的衍射分量，可以清晰的觀察到所需的圖像，有效克服了全息圖成像質(zhì)量差的問題。

1969年，本頓發(fā)明了彩虹全息術(shù)，能在白熾燈光下觀察到明亮的立體成像。其基本特征是，在適當(dāng)?shù)奈恢眉尤胍粋€一定寬度的狹縫，限制再現(xiàn)光波以降低像的色模糊，根據(jù)人眼水平排列的特性，犧牲垂直方向物體信息，保留水平方向物體信息，從而降低對光源的要求。彩虹全息術(shù)的發(fā)明，帶動全息術(shù)進入了第三個發(fā)展階段。傳統(tǒng)全息技術(shù)采用鹵化銀等材料制成感光膠片，完成全息圖像信。

20世紀(jì)60年代末期，古德曼和勞倫斯等人提出了新的全息概念———數(shù)字全息技術(shù)，開創(chuàng)了精確全息技術(shù)的時代。

到了90年代，隨著高分辨率CCD的出現(xiàn)，人們開始用CCD等光敏電子元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的感光膠片或新型光敏等介質(zhì)記錄全息圖，并用數(shù)字方式通過電腦模擬光學(xué)衍射來呈現(xiàn)影像，使得全息圖的記錄和再現(xiàn)真正實現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)字全息技術(shù)的成像原理是，首先通過 CCD 等器件接收參考光和物光的干涉條紋場，由圖像采集卡將其傳入電腦記錄數(shù)字全息圖；然后利用菲涅爾衍射原理在電腦中模擬光學(xué)衍射過程，實現(xiàn)全息圖的數(shù)字再現(xiàn)；最后利用數(shù)字圖像基本原理再現(xiàn)的全息圖進行進一步處理，去除數(shù)字干擾，得到清晰的全息圖像。

數(shù)字全息技術(shù)是計算機技術(shù)、全息技術(shù)和電子成像技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它通過電子元件記錄全息圖，省略了圖像的后期化學(xué)處理，節(jié)省了大量時間，實現(xiàn)了對圖像的實時處理。同時，其可以進行通過電腦對數(shù)字圖像進行定量分析，通過計算得到圖像的強度和相位分布，并且模擬多個全息圖的疊加等操作。

必須需要認(rèn)清的一點：真正的全息成像目前還沒有真正進入應(yīng)用階段。其實，目前我們所能看到的關(guān)于全息3D的應(yīng)用，大多運用的是一種偽裝的全息技術(shù)——即全息投影。

真正的全息影像可以不通過過任何介質(zhì)，從地平線上的空氣中就能顯示出來影像，而且觀看角度可以隨意變換，體驗者能夠從三維立體的畫面之中穿梭自如。但是，目前世界上還沒有直接通過空氣不通過其他介質(zhì)呈現(xiàn)的技術(shù)并沒有出現(xiàn)。目前，絕大多數(shù)我們看到的舞臺表演中運用的全息技術(shù)，都是“佩珀爾幻象”或是全息投影技術(shù)。

3D全息投影的技術(shù)原理

干涉原理

在投影之前，需對所投的“影”進行錄制，這是全息投影技術(shù)的第一步，即利用干涉的原理對光波信息進行記錄，完成拍攝的過程。在拍攝的過程中，一部分激光輻照被攝物體使之形成漫射式的物光束，另一部分激光作為參考光束射到全息底片上并與物光束相疊加產(chǎn)生干涉，干涉作用將物體光波上各點的相位和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強度，并利用干涉條紋間的反差和間隔將其全部信息記錄下來，記錄著干涉條紋的底片經(jīng)過顯影、定影等處理后，便成為一張全息圖，即全息照片。

衍射原理

完成拍攝過程形成全息照片后，第二步便是基于該全息圖利用衍射的原理再現(xiàn)物體光波信息，完成成像過程。在成像過程中，全息圖受相干激光照射，形成原始象和共軛象兩個圖像，其再現(xiàn)的圖像具有很強的立體性和視覺效果。由于全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，因此全息圖的每一部分都能再現(xiàn)原物體的整個圖像，經(jīng)多次曝光后還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來。

全息投影技術(shù)的分類

全息投影技術(shù)主要可以分為激光束投射實體的3D影像技術(shù)、空氣投影和交互技術(shù)、360度全息顯示屏技術(shù)三種。

1、激光3D影像技術(shù)

日本Science and Technology公司發(fā)明了一種可以用激光束來投射實體的3D影像，這種技術(shù)是利用氮氣和氧氣在空氣中散開時，混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質(zhì)，并在空氣中形成一個短暫的3D圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進行小型爆破來實現(xiàn)的。

2、空氣投影和交互技術(shù)

這是美國麻省名叫Chad Dyne的29歲理工研究生發(fā)明的，是顯示技術(shù)上的一個里程碑，它可以在氣流形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。此技術(shù)來源海市蜃樓的原理，將圖像投射在水蒸氣上，由于分子震動不均衡，可以形成層次和立體感很強的圖像。

3、360度全息顯示

它是由南加利福尼亞大學(xué)創(chuàng)新科技研究院的研究人員當(dāng)前宣布他們成功研制的，這種技術(shù)是將圖像投影在一種高速旋轉(zhuǎn)的鏡子上從而實現(xiàn)三維圖像，只是會有些危險。

全息影像技術(shù)的優(yōu)勢

利用全息照片來重現(xiàn)十分逼真的物體的三維圖像。這個領(lǐng)域是商業(yè)價值較高的領(lǐng)域，尤其是白光再現(xiàn)全息術(shù)，它是走出實驗室的最實用的全息術(shù)。

全息攝影與普通攝影的區(qū)別主要有：

與普通攝影相比，全息成像具有如下優(yōu)點：再造出來的立體影像有利于保存珍貴的藝術(shù)品資料進行收藏。拍攝時每一點都記錄在全息片的任何一點上，一旦照片損壞也關(guān)系不大。

全息照片的景物立體感強，形象逼真，借助激光器可以在各種展覽會上進行展示，會得到非常好的效果。

對比一下全息投影與3D技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)：全息投影是記錄了物體所有圖像信息來重塑整個物體，使人能夠360°無死角地觀看而產(chǎn)生立體感；3D技術(shù)則是通過記錄物體部分圖像信息，再通過模擬“雙目效應(yīng)”，使人產(chǎn)生立體感。

打個比方，全息投影猶如再造機，它記錄下物體所有圖像信息后，便在造出一模一樣的個體；3D技術(shù)猶如復(fù)印機，它記錄下物體某一面的圖像信息，重新復(fù)印一次。由此可知，全息投影技術(shù)的技術(shù)含量遠高于3D立體投影技術(shù)。

不僅從技術(shù)含量上全息投影更為先進，在投影質(zhì)量上，全息投影同樣是更勝一籌。我們知道，3D不論立體感再如何強，它始終需要巨大的銀幕作為背投，這便給觀眾一種非真實感，即感覺上始終是二維平面上的特技處理。

其次，3D只記錄了物體部分的圖像信息，因此畫面并不完整，它只有120°左右的觀看視角。比如，畫面中有人物正對觀眾，如果觀眾想看看人物后背，他是不可能走到銀幕背后去看人物的后背的，因為那里的圖像信息并沒有被3D記錄下來，它丟失了。而全息投影則不同，它根本就不需要銀幕，因為整個畫面是投影在空中的，這邊不會產(chǎn)生3D的非真實感，

另外，全息投影記錄了物體所有圖像信息，它的觀賞視角是360°無死角的，這就意味著，我們在3D中是不能走到畫面背后去看人物后背，但在全息投影中，不僅僅是后背，人物的側(cè)面、頂部、下部，一切視角的圖像我們都可以看到，如同一個真實的人站在那里有我們觀察，因為全息投影記錄了物體的所有圖像信息，它不存在丟失的情況。

3D全息投影技術(shù)的應(yīng)用

一、實現(xiàn)真正意義上的裸眼3D電影

我們都知道，目前為止在電影投影技術(shù)中，我們都是采用佩帶偏振光眼鏡而實現(xiàn)3D技術(shù)。但我們都知道這并不是真正的3D，因為它最終成像是在二維銀屏上成像的。如果把全息技術(shù)應(yīng)用到電影技術(shù)上，那么真正的3D電影將脫離銀屏在立體三維空間中上演，并且完全摘掉偏振眼鏡，實現(xiàn)裸眼3D技術(shù)。在2010年日本的《初音未來》演唱會上，就是通過全息技術(shù)虛擬出來的動漫歌手。隨著全息技術(shù)的日漸成熟，全息3D走進電影院指日可待。

二、應(yīng)用到通訊設(shè)備中

虛擬鍵盤

隨著科技的進步，微電子以及集成電路的發(fā)展。各種電子設(shè)備都逐漸從以往大型設(shè)備過度到高度集成的迷你型。從臺式電腦到筆記本，再到如今蘋果公司領(lǐng)軍開發(fā)的Ipad。電子產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到一個高度集成的領(lǐng)域。但是我們在享受高度集成帶來的方便的同時，也顛覆了我們對PC的傳統(tǒng)定義。比如鍵盤改為觸屏式等等。而運用全息技術(shù)可以虛擬出一個鍵盤，同時運用激光傳感技術(shù)讓我們能夠在虛擬的鍵盤上進行操作。

全息視頻

隨著3G時代的到來，視頻聊天已經(jīng)不是電腦的專利。我們可以通過手機來實現(xiàn)視頻的聊天。在全息技術(shù)中，我們將把想要聊天的人的立體圖形成像在我們面前。這將是人類繼計算機通訊時代后的又一個偉大的里程碑。

三、在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

全息顯微術(shù)

全息顯微術(shù)是全息和顯微相結(jié)合的技術(shù)，與一般顯微技術(shù)相比，能儲存標(biāo)本物的整體。無需制備標(biāo)本物的切片。尤其對一些活的標(biāo)本物可以用高功率的連續(xù)光或者脈沖激光照全息圖，長期保存，再現(xiàn)像具有立體性，能顯示樣品的細(xì)節(jié)。全息顯微術(shù)主要有兩種：一種是將全息技術(shù)和顯微鏡結(jié)合，稱為“全息顯微鏡”，解決了顯微鏡中分辨率本領(lǐng)與景深的矛盾，避免了像差影響而達到很小衍射極限，可以獲得更大的視野；一種是利用全息圖本身的特點來進行放大，稱為“全息放大”。如果拍攝時，采用不同波長，衍射角不同，這等于將全息圖作了相應(yīng)的調(diào)整，可以實現(xiàn)圖像放大。全息顯微術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，生物學(xué)，科研方面。

醫(yī)療設(shè)備

全息以它獨特的優(yōu)點解決了許多其他技術(shù)難以解決的問題，為疾病的診治作出了貢獻。激光全息技術(shù)首先在眼科疾病診治的應(yīng)用中獲得了成功，一張全息照片提供的信息相當(dāng)于480張普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的診斷過程中，利用激光全息成像技術(shù)可以提供整個眼睛的三維立體圖像，并可以用顯微鏡對整個眼睛圖像的不同位置(如角膜、前房、晶狀體、玻璃體以及視網(wǎng)膜等)進行逐層觀察和研究。也可以利用激光全息成像技術(shù)提供眼睛各個部位單獨的三維立體圖像以做深入的檢查。在臨床檢查中、利用全息診斷方法可以查出直徑在1mm的乳腺癌，有利于癌癥的早期診斷和治療。

四、全息信息儲存

光全息存儲是依據(jù)全息的原理，將信息以全息照相的方式存儲起來。利用2個之間的耦合和解耦合把信息存儲和信息之間的比較、識別。甚至聯(lián)想的功能結(jié)合起來，也就是可以把信息存儲和信息處理結(jié)合起來。全息信息存儲是20世紀(jì)60年代隨著激光信息發(fā)展而出現(xiàn)的一種全新的存儲方式。其特點是大容量、高密度、高衍射率、低噪聲、高分辨率和高保真度。光全息存儲不僅容量大，而且數(shù)據(jù)傳輸速率快，尋址時間短等特點。

五、軍事領(lǐng)域的利用

全息技術(shù)可以彌補一般的空中、水下監(jiān)視系統(tǒng)的不足。例如，一般雷達系統(tǒng)只能探測到目標(biāo)的遠近、方位和運動速度等，而全息監(jiān)視系統(tǒng)能提供目標(biāo)的三維圖像。這是國防軍事上具有重要意義，因為及時識別目標(biāo)是飛機還是導(dǎo)彈，是潛艇還是魚雷，對采取對策極其重要。全息術(shù)應(yīng)用于軍事使通訊、導(dǎo)航、定為檢測等技術(shù)發(fā)生實質(zhì)性的變化。全息術(shù)是正在蓬勃發(fā)展的光學(xué)分支，其應(yīng)用正向縱深方向發(fā)展，已滲透到多個領(lǐng)域。成為近代科學(xué)研究工業(yè)及經(jīng)濟建設(shè)中有效的測試工具。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：不一樣的3D——全息影像技術(shù)

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