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不一样的3D——全息影像技术

时间:2018-07-06 23:06:36点击:1070次

总是有人抱有这样的幻想:在未来,人类可以完全抛弃电视、电脑、手机这些带有屏幕的显示产品。就像在各种各样的科幻、谍战大片中,用手一挥,巨大的显示屏上多页图表或者照片直接出现在面前,无需触碰屏幕,用手一挥,屏幕上的内容自然切换,甚至能够让不同时空的人面对面进行交谈。所有这些,都被统称为全息影像技术。

根据维基百科给出的定义,真正的全息影像技术是指通过相干光干涉原理记录和查看图像,当合适地将其呈现时,便可以精确地再现被记录物体的三维外观。是一种记录被摄物体反射(或透射)光波中全部信息(振幅、相位)的照相技术,而物体反射或者透射的光线可以通过记录胶片完全重建,仿佛物体就在那里一样。通过不同的方位和角度观察照片,可以看到被拍摄的物体的不同的角度,因此记录得到的像可以使人产生立体视觉。

全息影像技术的发展史

1947年,英国人丹尼斯盖博(Dennis Gabor)在研究电子显微镜的过程中,提出了全息摄影术(Holography)这样一种全新的成像概念,并获得了诺贝尔奖。全息术的成像利用了光的干涉原理,以条纹形式记录物体发射的特定光波,并在特殊条件下使其重现,形成逼真的三维图像,这幅图像记录了物体的振幅、相位、亮度、外形分布等信息,所以称之为全息术,意为包含了全部信息。但在当时的条件下,全息图像的成像质量很差,只是采用水银灯记录全息信息,但由于水银灯的性能太差,无法分离同轴全息衍射波,因此大量的科学家花费了十年的时间却没有使这一技术有很大进展。

1962年,美国人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息术的基础上,将通信行业中“侧视雷达”理论应用在全息术上,发明了离轴全息技术,带动全息技术进入了全新的发展阶段。这一技术采用离轴光记录全息图像,然后利用离轴再现光得到三个空间相互分离的衍射分量,可以清晰的观察到所需的图像,有效克服了全息图成像质量差的问题。

1969年,本顿发明了彩虹全息术,能在白炽灯光下观察到明亮的立体成像。其基本特征是,在适当的位置加入一个一定宽度的狭缝,限制再现光波以降低像的色模糊,根据人眼水平排列的特性,牺牲垂直方向物体信息,保留水平方向物体信息,从而降低对光源的要求。彩虹全息术的发明,带动全息术进入了第三个发展阶段。传统全息技术采用卤化银等材料制成感光胶片,完成全息图像信。

20世纪60年代末期,古德曼和劳伦斯等人提出了新的全息概念———数字全息技术,开创了精确全息技术的时代。

到了90年代,随着高分辨率CCD的出现,人们开始用CCD等光敏电子元件代替传统的感光胶片或新型光敏等介质记录全息图,并用数字方式通过电脑模拟光学衍射来呈现影像,使得全息图的记录和再现真正实现了数字化。数字全息技术的成像原理是,首先通过 CCD 等器件接收参考光和物光的干涉条纹场,由图像采集卡将其传入电脑记录数字全息图;然后利用菲涅尔衍射原理在电脑中模拟光学衍射过程,实现全息图的数字再现;最后利用数字图像基本原理再现的全息图进行进一步处理,去除数字干扰,得到清晰的全息图像。

数字全息技术是计算机技术、全息技术和电子成像技术结合的产物。它通过电子元件记录全息图,省略了图像的后期化学处理,节省了大量时间,实现了对图像的实时处理。同时,其可以进行通过电脑对数字图像进行定量分析,通过计算得到图像的强度和相位分布,并且模拟多个全息图的叠加等操作。

必须需要认清的一点:真正的全息成像目前还没有真正进入应用阶段。其实,目前我们所能看到的关于全息3D的应用,大多运用的是一种伪装的全息技术——即全息投影

真正的全息影像可以不通过过任何介质,从地平线上的空气中就能显示出来影像,而且观看角度可以随意变换,体验者能够从三维立体的画面之中穿梭自如。但是,目前世界上还没有直接通过空气不通过其他介质呈现的技术并没有出现。目前,绝大多数我们看到的舞台表演中运用的全息技术,都是“佩珀尔幻象”或是全息投影技术。

3D全息投影的技术原理

干涉原理

在投影之前,需对所投的“影”进行录制,这是全息投影技术的第一步,即利用干涉的原理对光波信息进行记录,完成拍摄的过程。在拍摄的过程中,一部分激光辐照被摄物体使之形成漫射式的物光束,另一部分激光作为参考光束射到全息底片上并与物光束相叠加产生干涉,干涉作用将物体光波上各点的相位和振幅转换成在空间上变化的强度,并利用干涉条纹间的反差和间隔将其全部信息记录下来,记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理后,便成为一张全息图,即全息照片。

衍射原理

完成拍摄过程形成全息照片后,第二步便是基于该全息图利用衍射的原理再现物体光波信息,完成成像过程。在成像过程中,全息图受相干激光照射,形成原始象和共轭象两个图像,其再现的图像具有很强的立体性和视觉效果。由于全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,因此全息图的每一部分都能再现原物体的整个图像,经多次曝光后还可以在同一张底片上记录多个不同的图像,而且能互不干扰地分别显示出来。