基于激光的3D全息技術(shù)原理解析

摘要：自從激光技術(shù)問世以來，全息技術(shù)在基于激光良好的相干性的基礎(chǔ)上得到了蓬勃的發(fā)展。全息技術(shù)的日漸成熟，使得投影技術(shù)逐漸走向真正的3D世界。

一、全息技術(shù)的發(fā)展

1948年，英籍物理學(xué)家伽博（Gabor）首先提出了全息學(xué)原理，從而為全息術(shù)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。

（一）全息技術(shù)的提出

全息術(shù)的發(fā)展至今已經(jīng)歷三個階段：第一階段是全息術(shù)的初始階段，這一階段主要是理論研究和少量的實驗。

光全息術(shù)是由D.Gabor發(fā)明的。他早期的工作是致力于提高電子顯微鏡的分辨率，那時科學(xué)家們認(rèn)為新的顯示時代已到來。1947年D.伽柏從事提高電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的工作，受W.L.布喇格在X射線金屬學(xué)方面工作及F.澤爾尼克的關(guān)于引入相干背景來顯示位相的工作的啟發(fā)，伽柏提出了全息術(shù)的設(shè)想以提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)。1948年他利用水銀燈首次獲得了全息圖及其再現(xiàn)象，從而創(chuàng)立了全息術(shù)。但由于當(dāng)時沒有足夠強的相干輻射源，全息術(shù)的發(fā)展陷入了休眠狀態(tài)。面臨著巨大的障礙和僅有的一點結(jié)果，使它的早期研究者不得不放棄了這種光學(xué)顯示技術(shù).

50年代G.L.羅杰斯等人的工作大大擴(kuò)充了波陣面再現(xiàn)理論。但是由于“孿生像”問題和光源相干性的限制，1955年以后全息術(shù)進(jìn)入低潮階段。

(二) 激光記錄激光再現(xiàn)時期

第二階段是在激光出現(xiàn)以后，用激光記錄并以激光再現(xiàn)的時期。

全息術(shù)黯淡的前途直至60年代初由于美國密執(zhí)安大學(xué)雷達(dá)實驗室進(jìn)行的工作才使它重放光彩。該實驗室從事綜合孔徑天線研究的E.N.Leith和J.Upatnieks幾乎在Javen等人制成氦氖激光器的同時，對Gabor的技術(shù)做了劃時代的改進(jìn)，同時成功地進(jìn)行了三維立體漫射物的記錄和再現(xiàn)實驗。

激光的出現(xiàn)，為全息術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊的前景，1961～1962年，E.N.利思等人對伽柏全息圖進(jìn)行了改進(jìn)，引入“斜參考光束法”一舉解決了“孿生像”問題，用氦氖激光器成功地拍攝了第一張實用的激光全息圖。這樣就使得全息術(shù)在1963年以后成為光學(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一。1964年利思等人又提出了漫射全息圖的概念，并得到三維物體的再現(xiàn)。與此同時，蘇聯(lián)的物理學(xué)家根據(jù)李普曼彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息圖的概念。

（三）激光記錄白光再現(xiàn)時期

20世紀(jì)80年代以后至今是全息術(shù)發(fā)展的第三階段，這個階段是進(jìn)行激光記錄而用白光再現(xiàn)的研究，如反射全息、像全息、彩虹全息、模壓全息及合成全息等。

1962年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Y.N.Denisyuk根據(jù)G.Lippmann的駐波天然彩色照相法提出了白光反射全息圖。從此應(yīng)用研究不斷發(fā)展，許多科學(xué)工作者開始了他們自己的研究以探討全息術(shù)的應(yīng)用潛力及其應(yīng)用領(lǐng)域，如全息干涉計量術(shù)、全息存儲、全息光學(xué)元件、全息顯微術(shù)、顯示全息、計算全息等等。這期間，S.A.Benton彩虹全息術(shù)的發(fā)明揭開了顯示全息圖的應(yīng)用序幕。他們的成功，使Gabor的全息思想在1971年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

二、3D技術(shù)原理

（一）偏光眼鏡法

它以人眼觀察景物的方法，利用兩臺并列安置的電影攝影機，分別代表人的左、右眼，同步拍攝出兩條略帶水平視差的電影畫面 。

當(dāng)觀眾戴上特制的偏光眼鏡時，使觀眾的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通過雙眼匯聚功能將左、右像疊和在視網(wǎng)膜上，由大腦神經(jīng)產(chǎn)生三維立體的視覺效果 。這種3D技術(shù)并不是真正意義上的3維技術(shù)，其成像依舊是建立在二維平面上的投影技術(shù)。

（二）全息3D技術(shù)

1.全息照相原理

全息照相分為兩步：波前的干涉記錄和波前的衍射重建。以菲涅耳全息為例，首先是波前的干涉記錄，如圖1就是菲涅耳全息照相的記錄光路。

圖1.全息照相的記錄光路

如圖，激光束通過快門后經(jīng)過分束板分為兩束：透射的一束經(jīng)平面鏡M2反射、擴(kuò)束鏡L2擴(kuò)束后作為參考光投射到全息干板E上；反射的一束經(jīng)平面鏡M1反射、擴(kuò)束鏡L1擴(kuò)束后照到被攝物上，再經(jīng)過物體的漫反射作為物光束也投射到E上。整個光路光軸在同一個水平面上，光束通過各元件中心。物光與參考光夾角在45°左右。

黑暗中把全息干板夾在干板架上，使感光乳劑面朝向物光和參考光，靜置一分鐘后啟動定時曝光器。取下干板，在暗室中顯影，水洗后定影一段時間用水沖洗干凈，最后晾干，全息圖就制作好了。

下面說全息圖的再現(xiàn)，菲涅耳激光全息是用激光再現(xiàn)的。觀察虛像的方法如圖2所示：

圖2.虛像的觀察

將制作好的全息圖放回拍攝時原物體的位置，用參考光照射全息圖，在全息圖后面原物所在位置上可以觀察到物體的虛像。

若要觀察到原物體的實像，就要改用參考光的共軛光線來照射全息圖，則可以用光屏在全息圖后面接受到物的實像，如圖3所示光路。

圖3.實像的觀察

2.全息成像原理

全息投影技術(shù)的成像是不需要傳統(tǒng)的銀屏的技術(shù)，而是采用在空氣霧幕上投影。空氣霧幕投影成像是一種全新的空氣成像設(shè)備。該設(shè)備是利用海市蜃樓的成像原理借助空氣中存在的微粒將光影圖像呈現(xiàn)。使用一層很薄的水霧墻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的投影幕，使您能在該屏幕影像中隨意穿梭，達(dá)到真人可進(jìn)入視頻畫面的虛幻效果。使用霧化設(shè)備產(chǎn)生大量人工霧，結(jié)合空氣流動學(xué)原理而制造出來的能產(chǎn)生形成平面霧氣的屏幕，再將投影設(shè)備投射在該屏幕上，便可以在空間中形成虛幻立體的影像，形成一種三位空間立體圖像，給人一種新的立體視覺享受，其影象給人的感受如同人行畫中，畫在人中，亦真亦幻，如置身仙境身處瑤池般。忽隱忽現(xiàn)，神秘誘人的特性開發(fā)一些令人稱奇的展示項目。在迷茫的霧屏上，放映如幻似真的神話故事。將帶給觀眾前所未有的視聽體驗。

空氣霧幕立體成像展示特點：1.空氣霧幕成像系統(tǒng)包括一臺投影機和一個空氣屏幕系統(tǒng)，空氣屏幕系統(tǒng)可以制造出由水蒸氣形成的霧墻，采用背投技術(shù)將影像投映至幾乎看不見的空氣墻中，觀看者看到的將會是漂浮在空氣中的影像或影片。2.空氣霧屏成像發(fā)生裝置可將計算機、程序、紅外線、激光、雷達(dá)通過投影機光速和風(fēng)場投射到霧屏上，形成多種動感、虛擬圖像。3. 空氣霧屏成像系統(tǒng)內(nèi)部采用集成式超音波機芯，無機械驅(qū)動、寧靜無噪音、霧化效率高、產(chǎn)生一定濃度負(fù)離子，故障率低、維護(hù)簡單。

空氣霧幕立體成像系統(tǒng)原理：這套系統(tǒng)包括專有的投影機和基本零件，其中空中圖像顯示從正面看起來使用，該系統(tǒng)不需要任何額外的屏幕，形成圖像的主要原理是利用空氣以及一個小型機柜。不使用特殊的化學(xué)物質(zhì)或有害影響的環(huán)境。Heliodisplay投影系統(tǒng)的設(shè)計靈感來自于海市蜃樓的成像原理，一套投影系統(tǒng)包括一臺投影機和一個空氣屏幕系統(tǒng)，空氣屏幕系統(tǒng)可以制造出由水蒸氣形成的霧墻，投影機將畫面投射在上面，由于空氣與霧墻的分子震動不均衡，可以形成層次和立體感很強的圖像

三、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(jìn)電影院指日可待。

（二）應(yīng)用到通訊設(shè)備中

1.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(jìn)行操作。

2.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

1.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(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來進(jìn)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。

2.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(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(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(dá)系統(tǒng)只能探測到目標(biāo)的遠(yuǎn)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(jì)建設(shè)中有效的測試工具。

四、展望

光全息術(shù)的問世至今已有半個世紀(jì)的歷程尤其是世界上第一臺激光器誕生以后，光全息術(shù)的發(fā)展更十分引人注目，其應(yīng)用領(lǐng)域之廣泛和對其他現(xiàn)代技術(shù)的影響理應(yīng)寫入20世紀(jì)高科技成果之列。除上述幾個領(lǐng)域之外，諸如：取代古老的光柵元件的全息光柵，其體積薄、重量輕，在現(xiàn)代軍事和宇航中獲得了重要應(yīng)用；全息平視顯示器也已裝備了現(xiàn)代軍用設(shè)備；全息顯微術(shù)和X射線全息術(shù)的結(jié)合可用來研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象細(xì)微過程，等等。又如，計算機全息圖可再現(xiàn)實際不存在的三維物體像，用于三維圖像顯示，制作微分濾波器，檢測非球面透鏡，實現(xiàn)各種波前錯位干涉，等等。再如，全息光學(xué)元件，全息空間濾波器，光纖全息等可用于光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，掃描器，光盤讀寫頭和現(xiàn)代通訊系統(tǒng)等，這諸多領(lǐng)域的研究和應(yīng)用近年來都有了很大的進(jìn)展。70年代初以來，我國的激光全息工作者就在光全息術(shù)及其應(yīng)用的各個領(lǐng)域里起步和跟蹤。通過堅持不懈的努力，在科研和教學(xué)中做了大量的工作，取得了不少成績，為激光全息學(xué)科及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。在人類各項科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展和沉積中，在當(dāng)前科技飛速發(fā)展的數(shù)字化的氛圍中，我國未來的光全息術(shù)及其產(chǎn)業(yè)一定會有一個更加光輝燦爛的前景。

審核編輯：湯梓紅