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光學工程
基于激光的3D全息技術

一、全息技術的發展

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

(一)全息技術的提出

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

光全息術是由D.Gabor發明的。他早期的工作是致力于提高電子顯微鏡的分辨率,那時科學家們認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的工作,受W.L.布喇格在X射線金屬學方面工作及F.澤爾尼克的關于引入相干背景來顯示位相的工作的啟發[2],伽柏提出了全息術的設想以提高電子顯微鏡的分辨本領。1948年他利用水銀燈首次獲得了全息圖及其再現象,從而創立了全息術。但由于當時沒有足夠強的相干輻射源,全息術的發展陷入了休眠狀態。面臨著巨大的障礙和僅有的一點結果,使它的早期研究者不得不放棄了這種光學顯示技術.

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

(二) 激光記錄激光再現時期

第二階段是在激光出現以后,用激光記錄并以激光再現的時期。

全息術黯淡的前途直至60年代初由于美國密執安大學雷達實驗室進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[3],對Gabor的技術做了劃時代的改進,同時成功地進行了三維立體漫射物的記錄和再現實驗。

激光的出現,為全息術的發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行了改進,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。這樣就使得全息術在1963年以后成為光學領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。與此同時,蘇聯的物理學家根據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)激光記錄白光再現時期

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

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

二、3D技術原理

(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、右像疊和在視網膜上,由大腦神經產生三維立體的視覺效果 。這種3D技術并不是真正意義上的3維技術,其成像依舊是建立在二維平面上的投影技術。

(二)全息3D技術

 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[7]。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。


如圖,激光束通過快門后經過分束板分為兩束:透射的一束經平面鏡M2反射、擴束鏡L2擴束后作為參考光投射到全息干板E上;反射的一束經平面鏡M1反射、擴束鏡L1擴束后照到被攝物上,再經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45o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。

 

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。

 

2.全息成像原理

全息投影技術的成像是不需要傳統的銀屏的技術,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備。該設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。使用一層很薄的水霧墻代替傳統的投影幕,使您能在該屏幕影像中隨意穿梭,達到真人可進入視頻畫面的虛幻效果。使用霧化設備產生大量人工霧,結合空氣流動學原理而制造出來的能產生形成平面霧氣的屏幕,再將投影設備投射在該屏幕上,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,神秘誘人的特性開發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. 空氣霧幕成像系統包括一臺投影機和一個空氣屏幕系統,空氣屏幕系統可以制造出由水蒸氣形成的霧墻,采用背投技術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. 空氣霧屏成像發生裝置可將計算機、程序、紅外線、激光、雷達通過投影機光速和風場投射到霧屏上,形成多種動感、虛擬圖像。3. 空氣霧屏成像系統內部采用集成式超音波機芯,無機械驅動、寧靜無噪音、霧化效率高、產生一定濃度負離子,故障率低、維護簡單。

空氣霧幕立體成像系統原理:這套系統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。不使用特殊的化學物質或有害影響的環境。Heliodisplay投影系統的設計靈感來自于海市蜃樓的成像原理,一套投影系統包括一臺投影機和一個空氣屏幕系統,空氣屏幕系統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全息投影技術的應用

(一) 實現真正意義上的裸眼3D電影

我們都知道,目前為止在電影投影技術中,我們都是采用佩帶偏振光眼鏡而實現3D技術。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。如果把全息技術應用到電影技術上,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,實現裸眼3D技術。在2010年日本的《初音未來》演唱會上,就是通過全息技術虛擬出來的動漫歌手。隨著全息技術的日漸成熟,全息3D走進電影院指日可待。

(二)應用到通訊設備中

1.虛擬鍵盤

隨著科技的進步,微電子以及集成電路的發展。各種電子設備都逐漸從以往大型設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軍開發的Ipad。電子產品已經發展到一個高度集成的領域。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的傳統定義。比如鍵盤改為觸屏式等等。而運用全息技術可以虛擬出一個鍵盤,同時運用激光傳感技術讓我們能夠在虛擬的鍵盤上進行操作。

2.全息視頻

隨著3G時代的到來,視頻聊天已經不是電腦的專利。我們可以通過手機來實現視頻的聊天。在全息技術中,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)在醫學中的應用

1.全息顯微術

全息顯微術是全息和顯微相結合的技術,與一般顯微技術相比,能儲存標本物的整體。無需制備標本物的切片。尤其對一些活的標本物可以用高功率的連續光或者脈沖激光照全息圖,長期保存,再現像具有立體性,能顯示樣品的細節。全息顯微術主要有兩種:一種是將全息技術和顯微鏡結合,稱為“全息顯微鏡”,解決了顯微鏡中分辨率本領與景深的矛盾,避免了像差影響而達到很小衍射極限,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的調整,可以實現圖像放大。全息顯微術廣泛應用于醫學,生物學,科研方面。

2.醫療設備

全息以它獨特的優點解決了許多其他技術難以解決的問題,為疾病的診治作出了貢獻。激光全息技術首先在眼科疾病診治的應用中獲得了成功,一張全息照片提供的信息相當于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、玻璃體以及視網膜等)進行逐層觀察和研究。也可以利用激光全息成像技術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。甚至聯想的功能結合起來,也就是可以把信息存儲和信息處理結合起來。全息信息存儲是20世紀60年代隨著激光信息發展而出現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,而且數據傳輸速率快,尋址時間短等特點。

(五) 軍事領域的利用

 全息技術可以彌補一般的空中、水下監視系統的不足。例如,一般雷達系統只能探測到目標的遠近、方位和運動速度等,而全息監視系統能提供目標的三維圖像。這是國防軍事上具有重要意義,因為及時識別目標是飛機還是導彈,是潛艇還是魚雷,對采取對策極其重要。全息術應用于軍事使通訊、導航、定為檢測等技術發生實質性的變化。全息術是正在蓬勃發展的光學分支,其應用正向縱深方向發展,已滲透到多個領域。成為近代科學研究工業及經濟建設中有效的測試工具。

四.展望

光全息術的問世至今已有半個世紀的歷程尤其是世界上第一臺激光器誕生以后,光全息術的發展更十分引人注目,其應用領域之廣泛和對其他現代技術的影響理應寫入20世紀高科技成果之列。除上述幾個領域之外,諸如:取代古老的光柵元件的全息光柵,其體積薄、重量輕,在現代軍事和宇航中獲得了重要應用;全息平視顯示器也已裝備了現代軍用設備[15];全息顯微術和X射線全息術的結合可用來研究物質的微觀結構和生命現象細微過程,等等。又如,計算機全息圖可再現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,實現各種波前錯位干涉,等等。再如,全息光學元件,全息空間濾波器,光纖全息等可用于光學神經網絡,掃描器,光盤讀寫頭和現代通訊系統等,這諸多領域的研究和應用近年來都有了很大的進展。70年代初以來,我國的激光全息工作者就在光全息術及其應用的各個領域里起步和跟蹤。通過堅持不懈的努力,在科研和教學中做了大量的工作,取得了不少成績,為激光全息學科及其產業的發展作出了貢獻。在人類各項科學與技術的發展和沉積中,在當前科技飛速發展的數字化的氛圍中,我國未來的光全息術及其產業一定會有一個更加光輝燦爛的前景。

 


 


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