全息投影技術(shù)的原理解析與應(yīng)用展望

王潔

摘 要：隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，全息投影技術(shù)作為一種新型三維成像技術(shù)在不同行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。不同于以往的投影技術(shù)，運(yùn)用全息投影技術(shù)，人眼能直接看到空間中的三維圖像。本文詳細(xì)介紹了全息投影技術(shù)的基本原理，結(jié)合具體光路結(jié)構(gòu)對全息投影過程進(jìn)行介紹，分析全息投影技術(shù)相較與其它三維顯示技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比，對全息投影的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，結(jié)合全息投影技術(shù)在影視等領(lǐng)域的進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，分析目前全息投影技術(shù)發(fā)展的瓶頸，并對全息投影技術(shù)的發(fā)展和未來進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：全息投影;三維圖像;應(yīng)用展望

0 引言

全息投影技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種新型的三維成像技術(shù)，利用干涉記錄和衍射再現(xiàn)原理還原物體真實(shí)三維圖像的一種技術(shù)。隨著全息投影技術(shù)的不斷發(fā)展，被人們廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的諸多領(lǐng)域，給我們的生活帶來了很大的變化，并且也讓我們的世界變得更加的精彩了。

1947年，英國物理學(xué)家丹尼斯·蓋伯發(fā)明全息投影技術(shù)，1962年蘇聯(lián)科學(xué)家獲得了第一張光學(xué)三維全息投影圖。1967年，Goodman又提出了數(shù)字全息的概念，CCD或CMOS等光電轉(zhuǎn)換器件代替銀鹽干板來記錄干涉后的全息圖，通過計(jì)算機(jī)模擬衍射過程實(shí)現(xiàn)物體的全息再現(xiàn)。雖然全息投影出現(xiàn)的時(shí)間很早，但是受到記錄介質(zhì)和再現(xiàn)介質(zhì)的限制，一直很難得到商業(yè)化應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，性能優(yōu)良介質(zhì)的出現(xiàn)和越來越廣泛的應(yīng)用極大的促進(jìn)了全息投影技術(shù)的發(fā)展。

本文詳細(xì)介紹了全息投影技術(shù)的基本原理，結(jié)合具體光路結(jié)構(gòu)對全息投影過程進(jìn)行介紹，并在此基礎(chǔ)上分析了全息投影技術(shù)相較與其它三維顯示技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比，結(jié)合全息投影技術(shù)在影視等領(lǐng)域的進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，分析目前全息投影技術(shù)發(fā)展的瓶頸，并對全息投影技術(shù)的發(fā)展和未來進(jìn)行展望。對于全息投影技術(shù)的發(fā)展有著積極的意義。

1 基本原理

通過對攜載物體三維信息的物光波進(jìn)行記錄，并且還原出物體的波前信息就可以實(shí)現(xiàn)對原先記錄物體的三維成像。全息投影技術(shù)是利用光的干涉和衍射原理，將記錄樣本的信息以干涉條紋的形式記錄下來，并通過再現(xiàn)光照射記錄介質(zhì)還原記錄樣本的一種技術(shù)。核心原理包括干涉記錄和衍射再現(xiàn)兩個(gè)過程。

1.1 干涉記錄

首先是利用干涉原理進(jìn)行記錄，把光源一分為二，一束光照射物體獲得反射或者散射的物光波，另一部分光源作為參考光波照射到記錄介質(zhì)，兩束光發(fā)生干涉形成一系列明暗相間的條紋。記錄條紋的介質(zhì)經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為全息圖，對于數(shù)字全息來說，則是用CCD，CMOS等光電傳感器代替記錄介質(zhì)。

記錄過程表達(dá)式如下所示：

1.2 衍射再現(xiàn)

通過再現(xiàn)光波照射記錄介質(zhì)實(shí)現(xiàn)衍射再現(xiàn)：全息圖是一系列明暗相間的條紋，當(dāng)再現(xiàn)光波進(jìn)行照射時(shí)，會產(chǎn)生一對孿生像，分別是再現(xiàn)像和共軛像。再現(xiàn)像具有高度真實(shí)的三維立體感覺。產(chǎn)生的過程如下所示：

再現(xiàn)過程：用另一束參考光來照射全息圖，可以得到原來的物光波信息。

2 優(yōu)劣勢對比

近年來，數(shù)字全息顯示技術(shù)的發(fā)展為三維立體顯示提供了新的平臺，其中VR、AR、MR也是廣泛使用的三維顯示技術(shù)，下面我們進(jìn)行具體的對比。

Virtual Reality，簡稱VR，稱為虛擬現(xiàn)實(shí)。通過電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供包括視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者身臨其境，在虛擬世界中進(jìn)行互動。在VR系統(tǒng)中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR），目的是將虛擬的世界和現(xiàn)實(shí)的世界進(jìn)行疊加，以現(xiàn)實(shí)世界為主體，通過攝像機(jī)獲取真實(shí)世界的位置并進(jìn)行圖像處理獲得兩者的疊加互動。

MR，Mixed Reality，混合現(xiàn)實(shí)，一種將真實(shí)場景和虛擬場景非常自然地融合在一起，也可以看成為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一部分，但是在這里很難分清哪個(gè)是真實(shí)哪個(gè)是虛擬，兩者很好的融合為一個(gè)整體。

簡單來說，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是完全由計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的虛假的世界，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）所在的世界則是有真有假。無論是虛擬現(xiàn)實(shí)還是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，都是基于雙目立體視覺的原理，使左眼和右眼互不干擾，看到不同的圖像，然后兩者在大腦合成立體圖像。但是全息投影則是記錄的物光波信息，可以實(shí)現(xiàn)真正的三維信息的再現(xiàn)，通過單目也可以看到立體圖像，因此相比前者更加具有身臨其境的感覺。全息投影技術(shù)不需要佩帶任何硬件設(shè)備就可以看到真實(shí)的物體三維信息。全息技術(shù)可以用在電影放映中。如今，全息投影已經(jīng)成為了目前市場上應(yīng)用非?；馃岬囊环N多媒體投影技術(shù)。全息帶給傳統(tǒng)電影的影響是非常巨大的，觀眾觀看全息電影，首先體驗(yàn)到的就是身臨其境之感。全息是裸眼3D投影技術(shù)，因此在不同的位置觀看全息電影，看到的畫面是和現(xiàn)實(shí)毫無差別的。

3 應(yīng)用

全息投影技術(shù)可以更加直觀的觀測三維信息，在生物醫(yī)學(xué)方面得到了廣泛的應(yīng)用。1987年，Onural和Scott改善了數(shù)字全息技術(shù)的重構(gòu)算法，并應(yīng)用到了微粒測量，逐步發(fā)展下，如今可以用于對觀測樣本的細(xì)胞數(shù)目進(jìn)行定量和定性分析、用于記錄細(xì)胞分裂，融合等動態(tài)過程，其中數(shù)字全息顯微的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)在于它的動態(tài)性。

關(guān)于全息三維成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，并得到了廣泛應(yīng)用。全息投影技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)和虛擬環(huán)境的結(jié)合，將真實(shí)的人和虛擬的人進(jìn)行配合完成演出。2015年春晚節(jié)目《蜀繡》，就是采用了全息投影技術(shù)。舞臺中央放置著傾斜45°的全息薄膜，起到衍射再現(xiàn)的作用。三維圖像經(jīng)過前期的干涉記錄過程和后期的特效處理，在演出過程中進(jìn)行精密的配合，才出現(xiàn)了演出時(shí)華麗的視覺效果。但是這并不是完全意義上的全息投影技術(shù)，因?yàn)橥ㄟ^全息膜得到的圖像仍然不是一個(gè)完整意義的三維物體，目前投影介質(zhì)仍然是一個(gè)困擾的問題。

4 總結(jié)

本文介紹了全息投影技術(shù)的基本原理、光路結(jié)構(gòu)，分析了全息投影技術(shù)相較與其它三維顯示技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比，對全息投影的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。全息投影技術(shù)是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ娜S成像技術(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)裸眼三維成像，可以得到更加身臨其境的感覺。然后目前全息投影技術(shù)距離大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用仍然具有很大的距離，具體原因主要包括：

（1）全息成像工藝相當(dāng)復(fù)雜，制作成本高，投影記錄介質(zhì)和再現(xiàn)介質(zhì)的成本都非常昂貴。

（2）全息投影的成像目前仍然受到場地的限制，很容易受到周圍環(huán)境的影響。

然而，目前隨著工藝的不斷提高，性能優(yōu)良性價(jià)比更高的全息投影介質(zhì)和再現(xiàn)介質(zhì)的出現(xiàn)只是時(shí)間的問題，相信在不久的將來，全息投影技術(shù)能真正惠及到普通家庭當(dāng)中。

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