全息影像技術(shù)的發(fā)展史！3D全息投影的技術(shù)原理

總是有人抱有這樣的幻想：在未來(lái)，人類可以完全拋棄電視、電腦、手機(jī)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(yè)圖表或者照片直接出現(xiàn)在面前，無(wú)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(shí)空的人面對(duì)面進(jìn)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(guò)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(shí)，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(guò)記錄膠片完全重建，仿佛物體就在那里一樣。通過(guò)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(jué)。

全息影像技術(shù)的發(fā)展史

1947 年，英國(guó)人丹尼斯蓋博(Dennis Gabor)在研究電子顯微鏡的過(guò)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(jiǎng)。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(shí)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(wú)法分離同軸全息衍射波，因此大量的科學(xué)家花費(fèi)了十年的時(shí)間卻沒(méi)有使這一技術(shù)有很大進(jìn)展。

1962 年，美國(guó)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(dá)”理論應(yīng)用在全息術(shù)上，發(fā)明了離軸全息技術(shù)，帶動(dòng)全息技術(shù)進(jìn)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(gè)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(wèn)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€(gè)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(duì)光源的要求。彩虹全息術(shù)的發(fā)明，帶動(dòng)全息術(shù)進(jìn)入了第三個(gè)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(kāi)創(chuàng)了精確全息技術(shù)的時(shí)代。

到了 90 年代，隨著高分辨率 CCD 的出現(xiàn)，人們開(kāi)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(guò)電腦模擬光學(xué)衍射來(lái)呈現(xiàn)影像，使得全息圖的記錄和再現(xiàn)真正實(shí)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(guò) CCD 等器件接收參考光和物光的干涉條紋場(chǎng)，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(guò)程，實(shí)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(jìn)行進(jìn)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(jì)算機(jī)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(guò)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的實(shí)時(shí)處理。同時(shí)，其可以進(jìn)行通過(guò)電腦對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行定量分析，通過(guò)計(jì)算得到圖像的強(qiáng)度和相位分布，并且模擬多個(gè)全息圖的疊加等操作。

必須需要認(rèn)清的一點(diǎn)：真正的全息成像目前還沒(méi)有真正進(jìn)入應(yīng)用階段。其實(shí)，目前我們所能看到的關(guān)于全息 3D 的應(yīng)用，大多運(yùn)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(guò)過(guò)任何介質(zhì)，從地平線上的空氣中就能顯示出來(lái)影像，而且觀看角度可以隨意變換，體驗(yàn)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(méi)有直接通過(guò)空氣不通過(guò)其他介質(zhì)呈現(xiàn)的技術(shù)并沒(méi)有出現(xiàn)。目前，絕大多數(shù)我們看到的舞臺(tái)表演中運(yùn)用的全息技術(shù)，都是“佩珀?duì)柣孟蟆被蚴侨⑼队凹夹g(shù)。

3D全息投影的技術(shù)原理

干涉原理

在投影之前，需對(duì)所投的“影”進(jìn)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(duì)光波信息進(jìn)行記錄，完成拍攝的過(guò)程。在拍攝的過(guò)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(diǎn)的相位和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強(qiáng)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(lái)，記錄著干涉條紋的底片經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)程。在成像過(guò)程中，全息圖受相干激光照射，形成原始象和共軛象兩個(gè)圖像，其再現(xiàn)的圖像具有很強(qiáng)的立體性和視覺(jué)效果。由于全息圖的每一部分都記錄了物體上各點(diǎn)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(gè)圖像，經(jīng)多次曝光后還可以在同一張底片上記錄多個(gè)不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來(lái)。

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(shí)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(lái)投射實(shí)體的 3D 影像，這種技術(shù)是利用氮?dú)夂脱鯕庠诳諝庵猩㈤_(kāi)時(shí)，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(gè)短暫的 3D 圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進(jìn)行小型爆破來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

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2、空氣投影和交互技術(shù)

這是美國(guó)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(gè)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(lái)源海市蜃樓的原理，將圖像投射在水蒸氣上，由于分子震動(dòng)不均衡，可以形成層次和立體感很強(qiáng)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(shí)現(xiàn)三維圖像，只是會(huì)有些危險(xiǎn)。

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全息影像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

利用全息照片來(lái)重現(xiàn)十分逼真的物體的三維圖像。這個(gè)領(lǐng)域是商業(yè)價(jià)值較高的領(lǐng)域，尤其是白光再現(xiàn)全息術(shù)，它是走出實(shí)驗(yàn)室的最實(shí)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(diǎn)：再造出來(lái)的立體影像有利于保存珍貴的藝術(shù)品資料進(jìn)行收藏。拍攝時(shí)每一點(diǎn)都記錄在全息片的任何一點(diǎn)上，一旦照片損壞也關(guān)系不大。

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

對(duì)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(lái)重塑整個(gè)物體，使人能夠 360°無(wú)死角地觀看而產(chǎn)生立體感；3D 技術(shù)則是通過(guò)記錄物體部分圖像信息，再通過(guò)模擬“雙目效應(yīng)”，使人產(chǎn)生立體感。

打個(gè)比方，全息投影猶如再造機(jī)，它記錄下物體所有圖像信息后，便在造出一模一樣的個(gè)體；3D 技術(shù)猶如復(fù)印機(jī)，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(yuǎn)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(jìn)，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(qiáng)，它始終需要巨大的銀幕作為背投，這便給觀眾一種非真實(shí)感，即感覺(jué)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(duì)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?yàn)槟抢锏膱D像信息并沒(méi)有被 3D 記錄下來(lái)，它丟失了。而全息投影則不同，它根本就不需要銀幕，因?yàn)檎麄€(gè)畫面是投影在空中的，這邊不會(huì)產(chǎn)生 3D 的非真實(shí)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(wú)死角的，這就意味著，我們?cè)?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(gè)真實(shí)的人站在那里有我們觀察，因?yàn)槿⑼队坝涗浟宋矬w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(shí)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(shí)現(xiàn) 3D 技術(shù)。但我們都知道這并不是真正的 3D，因?yàn)樗罱K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(shí)現(xiàn)裸眼 3D 技術(shù)。在 2010 年日本的《初音未來(lái)》演唱會(huì)上，就是通過(guò)全息技術(shù)虛擬出來(lái)的動(dòng)漫歌手。隨著全息技術(shù)的日漸成熟，全息 3D 走進(jìn)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(jìn)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(guò)度到高度集成的迷你型。從臺(tái)式電腦到筆記本，再到如今蘋果公司領(lǐng)軍開(kāi)發(fā)的 Ipad。電子產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)高度集成的領(lǐng)域。但是我們?cè)谙硎芨叨燃蓭?lái)的方便的同時(shí)，也顛覆了我們對(duì) PC 的傳統(tǒng)定義。比如鍵盤改為觸屏式等等。而運(yùn)用全息技術(shù)可以虛擬出一個(gè)鍵盤，同時(shí)運(yùn)用激光傳感技術(shù)讓我們能夠在虛擬的鍵盤上進(jìn)行操作。

全息視頻

隨著 3G 時(shí)代的到來(lái)，視頻聊天已經(jīng)不是電腦的專利。我們可以通過(guò)手機(jī)來(lái)實(shí)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(jì)算機(jī)通訊時(shí)代后的又一個(gè)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(chǔ)存標(biāo)本物的整體。無(wú)需制備標(biāo)本物的切片。尤其對(duì)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(zhǎng)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(dá)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(diǎn)來(lái)進(jìn)行放大，稱為“全息放大”。如果拍攝時(shí)，采用不同波長(zhǎng)，衍射角不同，這等于將全息圖作了相應(yīng)的調(diào)整，可以實(shí)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)解決了許多其他技術(shù)難以解決的問(wèn)題，為疾病的診治作出了貢獻(xiàn)。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(guò)程中，利用激光全息成像技術(shù)可以提供整個(gè)眼睛的三維立體圖像，并可以用顯微鏡對(duì)整個(gè)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(jìn)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(gè)部位單獨(dú)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(chǔ)存

光全息存儲(chǔ)是依據(jù)全息的原理，將信息以全息照相的方式存儲(chǔ)起來(lái)。利用 2 個(gè)之間的耦合和解耦合把信息存儲(chǔ)和信息之間的比較、識(shí)別。甚至聯(lián)想的功能結(jié)合起來(lái)，也就是可以把信息存儲(chǔ)和信息處理結(jié)合起來(lái)。全息信息存儲(chǔ)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(chǔ)方式。其特點(diǎn)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(chǔ)不僅容量大，而且數(shù)據(jù)傳輸速率快，尋址時(shí)間短等特點(diǎn)。

五、軍事領(lǐng)域的利用

全息技術(shù)可以彌補(bǔ)一般的空中、水下監(jiān)視系統(tǒng)的不足。例如，一般雷達(dá)系統(tǒng)只能探測(cè)到目標(biāo)的遠(yuǎn)近、方位和運(yùn)動(dòng)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(guó)防軍事上具有重要意義，因?yàn)榧皶r(shí)識(shí)別目標(biāo)是飛機(jī)還是導(dǎo)彈，是潛艇還是魚(yú)雷，對(duì)采取對(duì)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(cè)等技術(shù)發(fā)生實(shí)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(gè)領(lǐng)域。成為近代科學(xué)研究工業(yè)及經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有效的測(cè)試工具。

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