全息投影技術(shù)原理分析及其前景展望

謝煒杰

摘 要：在探索光影世界的道路上，人們不斷前進(jìn)，從繪畫到照相技術(shù)，從黑白相片到彩色電影，再到如今應(yīng)用越來(lái)越廣泛的全息投影技術(shù)。其中，全息投影更是已逐漸成為未來(lái)光影技術(shù)發(fā)展的新方向。因此，對(duì)其成像原理以及技術(shù)要素的探究便十分必要。因此分別從全息投影技術(shù)的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)應(yīng)用前景等方面對(duì)全息投影顯像技術(shù)展開(kāi)綜合性論述。

關(guān)鍵詞：全息投影;基本原理;改進(jìn)方法再影像技術(shù)

中圖分類號(hào)：TB???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.10.091

1 引言

廣義上的全息投影技術(shù)并不單指通過(guò)某種特定方法使物體成像的顯像技術(shù)（包括一些偽全息投影技術(shù)），而是一類能記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)三維影像的技術(shù)的總稱，本篇論文就選取全息投影技術(shù)作為研究對(duì)象。當(dāng)前的全息投影技術(shù)主要發(fā)展出透射全息投影技術(shù)、360度全息投影以及空氣投影與交互技術(shù)三種，但還是目前還存在一些問(wèn)題可以改進(jìn)，也是未來(lái)技術(shù)前進(jìn)的一個(gè)方向。

2 全息投影技術(shù)的成像原理

首先，簡(jiǎn)單描述一下全息照相的原理。以單色光為例，其波動(dòng)方程為：

x=Acos（ωt+φ-2πλr）

不同單色光相疊加之后，其波動(dòng)方程為：

x=∑ni=1Acos（ωit+φt-2πriλi）

（其中r為距離）

由公式可知每一列單色光都有相位和振幅（對(duì)應(yīng)光強(qiáng)）兩個(gè)信息。而普通照相之記錄了光強(qiáng)的信息，相位信息丟失了，從而普通照相不能體現(xiàn)三維效果。

而全息照相則不一樣，能夠同時(shí)記錄相位和光強(qiáng)信息。如圖，照相時(shí)，為保證物光與參考光的相干性，會(huì)用分光鏡將同一激光發(fā)生器的光分為兩束。一束光直接照射到底片上，作為參照光;一束光照射到物體上反射出物光，底片上記錄的是物光與參考光的合成。

物光的公式為：

E0x，y=A0（x，y）eiψ0（x，y）

對(duì)應(yīng)參考光的公式為：

ERx，y=AR（x，y）eiψR(shí)（x，y）

合成之后為：

Sx，y=Ox，y+R（x，y）

光強(qiáng)為：

I=S*S=[O+R][O+R]

I=A2O+A2R+2AoARcos （ψo(hù)-ψR(shí)）

由上式可知，相位信息也保存在了底片之上。底片經(jīng)過(guò)沖洗之后可以使用，成為全息照片。

3 全息投影技術(shù)的顯像過(guò)程

而顯像過(guò)程，就是利用參考光對(duì)物光的完全重現(xiàn)。

用k表示透射率，底片的透射率和照相過(guò)程中受照射的光強(qiáng)存在以下關(guān)系

k=t0+βI（x，y）

在底片完成后，使用照相時(shí)候的相干光源R照射全息照片，則有

Ux，y=ARx，yeiψR(shí)x，y*k

Ux，y=Rx，y*[t0+βIx，y]

將I代入，則得到其中一級(jí)分光

U+1=R*β*R*O=βA2O

即第一級(jí)光完全還原了物光，包括相位和振幅在內(nèi)的所有信息。即如果在第一級(jí)光出射方向觀察，就能看見(jiàn)一個(gè)三維立體的像。

4 全息投影技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

如上文所言，當(dāng)前全息投影技術(shù)主要發(fā)展出透射全息投影技術(shù)、360度全息投影以及空氣投影與交互技術(shù)三種。

其中，透射全息投影技術(shù)最先出現(xiàn)。但由于投射全息投影技術(shù)對(duì)光源相干性要求很高，所以其在激光的問(wèn)世之后才日益發(fā)展起來(lái)。與普通的照相不同，其攝像過(guò)程并不需要運(yùn)用透鏡，并且在對(duì)記錄對(duì)象進(jìn)行拍攝時(shí)，全息照相在物光之外加上了參考光，通過(guò)這種處理，膠片便在記錄下光強(qiáng)的同時(shí)也記錄下了光的相位。底片經(jīng)過(guò)顯像處理后，觀察者能體驗(yàn)到像所呈現(xiàn)出的縱深感。

360度全息投影同樣能給人帶來(lái)極強(qiáng)的三維立體的效果，但實(shí)際上卻是一種偽全息顯像技術(shù)。因?yàn)楦鶕?jù)維基百科的定義真正的全息影像技術(shù)是指通過(guò)相干光（激光就是其中一種）干涉原理對(duì)圖像進(jìn)行處理，以便可以精確地再現(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360度全息投影技術(shù)便相對(duì)簡(jiǎn)單。其中關(guān)鍵的顯像部分便是全息膜，它在保證了顯像清晰的情況下使觀察者能透過(guò)它清晰地看到其中的像。周杰倫與“鄧麗君”的同臺(tái)對(duì)唱便利用了這樣的全息膜。兩者的原理也相差無(wú)幾，它們都利用了一種光學(xué)現(xiàn)象，即佩波爾幻象，來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的疊加。它要求觀察者既能看到材料上映出的像，又能透過(guò)材料看到另一邊，性能優(yōu)良的全息膜便是極好的材料。再加上現(xiàn)代高超的數(shù)字渲染技術(shù)，不同的畫面在空間中疊加便呈現(xiàn)出了極好的演示效果。與其說(shuō)它的進(jìn)步體現(xiàn)了全息投影技術(shù)的進(jìn)步，不如說(shuō)其代表了智能渲染技術(shù)的日臻成熟。

空氣投影和交互技術(shù)與360度全息投影技術(shù)同屬偽全息投影技術(shù)，但也是現(xiàn)今發(fā)展前景最好的一種顯像技術(shù)。迄今為止，它也是最接近科幻電影中全息投影效果的成像技術(shù)。利用特殊機(jī)器吸入空氣，經(jīng)過(guò)加熱處理將其噴出，來(lái)改變空氣的成像特性（比如密度），之后再由特定方向射入光線，進(jìn)行投影，使物體仿佛浮在空中。觀察者便能從各個(gè)方向觀察物體。這種成像模式在某種程度上也與海市蜃樓的形成原理類似，當(dāng)氣體溫度發(fā)生變化，氣體的折射率便也會(huì)隨著溫度的改變而改變。一般情況下，由于冷空氣的密度比熱空氣大，其折射率便也顯著大于熱空氣。當(dāng)光線從冷空氣（光密介質(zhì)）入射進(jìn)入熱空氣（光疏介質(zhì)）時(shí)，全反射便也有了發(fā)生的條件。而在兩種介質(zhì)間也會(huì)由于折射率不同而發(fā)生折射。于是，在折射與反射的共同作用下，同時(shí)加以高性能計(jì)算機(jī)的協(xié)作，空氣投影和交互技術(shù)便能實(shí)現(xiàn)物體的三維成像工作。

5 對(duì)全息投影技術(shù)未來(lái)的展望

當(dāng)今的全息投影技術(shù)也存在一些可以改進(jìn)的地方，這也是未來(lái)發(fā)展的方向。透射全息投影技術(shù)對(duì)攝像設(shè)備及顯像設(shè)備穩(wěn)定性要求極高，微小的位移便會(huì)導(dǎo)致拍攝或顯像質(zhì)量下降，所以這種全息技術(shù)的操作需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境。同時(shí)，為了保證顯像的效果，兩條相干光源的光程差要盡可能減小。為了達(dá)到最好的記錄效果，底片上的用于相干光源的銀化物顆粒不能過(guò)粗?？紤]到透射全息投影技術(shù)的特點(diǎn)，未來(lái)這種全息技術(shù)更可能會(huì)用于科研領(lǐng)域，特別是在對(duì)微觀物體的研究方面（配備He-Ne激光器），透射全息投影技術(shù)能通過(guò)向科研工作者提供更直觀的三維影像給他們?cè)谖⑸镅芯?，新材料研究方面提供很大的幫助?/p>

360度全息投影相比另兩種全息技術(shù)有著無(wú)與倫比的操作便利的優(yōu)勢(shì)，它的顯像過(guò)程幾乎能在任何時(shí)間任何地點(diǎn)進(jìn)行。唯一需要注意的便是根據(jù)不同環(huán)境對(duì)不同種全息膜選擇的考量（例如灰色投影膜，鏡面投影膜，魔鏡投影膜等）。如今，這種三維顯像技術(shù)已經(jīng)得到了極廣泛的應(yīng)用，從珠寶、汽車的展示、到室內(nèi)外景觀的美化工作，各處都能看到它的身影。

空氣投影和交互技術(shù)是如今世界各國(guó)都想搶占的科技制高點(diǎn)，它的商業(yè)前景較另兩種種顯像技術(shù)更加廣闊。加上動(dòng)作捕捉設(shè)備，它便可以真正實(shí)現(xiàn)電影中的全息投影效果，即不借助觸控屏幕或手柄而直接操控浮于空中的三維影像，這樣的成像技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)和游戲開(kāi)發(fā)方面有著極大的潛力。

在探索光影世界的道路上，全息投影已逐漸成為未來(lái)光影技術(shù)發(fā)展的新方向。通過(guò)本文的討論，對(duì)于全息投影技術(shù)的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)應(yīng)用前景進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。相信不久之后，全息投影技術(shù)將發(fā)展得更加完善，極大地提升人們的生活品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]3D全息投影技術(shù)發(fā)展應(yīng)用[J].演繹科技，2015，（01）.

[2]全息投影技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011，（08）.

[3]探究3D成像的原理及電視技術(shù)應(yīng)用分析[J].中國(guó)傳媒科技，2016，（08）.

[4]數(shù)字全息技術(shù)的原理和應(yīng)用[J].物理，2004，（11）.

[5]3D電影的成像原理簡(jiǎn)介和聲音制作探討[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2009，（11）.

[6]全息光學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[7]3D電視的原理與發(fā)展現(xiàn)況[J].通訊世界，2016，（03）.