全息投影技術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，從繪畫到照相技術，從黑白相片到彩色電影，再到如今應用越來越廣泛的全息投影技術。其中，全息投影更是已逐漸成為未來光影技術發展的新方向。因此，對其成像原理以及技術要素的探究便十分必要。因此分別從全息投影技術的基本原理、發展現狀及未來應用前景等方面對全息投影顯像技術展開綜合性論述。

關鍵詞：全息投影;基本原理;改進方法再影像技術

中圖分類號：TB???? 文獻標識碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.10.091

1 引言

廣義上的全息投影技術并不單指通過某種特定方法使物體成像的顯像技術（包括一些偽全息投影技術），而是一類能記錄并再現物體真實三維影像的技術的總稱，本篇論文就選取全息投影技術作為研究對象。當前的全息投影技術主要發展出透射全息投影技術、360度全息投影以及空氣投影與交互技術三種，但還是目前還存在一些問題可以改進，也是未來技術前進的一個方向。

2 全息投影技術的成像原理

首先，簡單描述一下全息照相的原理。以單色光為例，其波動方程為：

x=Acos（ωt+φ-2πλr）

不同單色光相疊加之后，其波動方程為：

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（對應光強）兩個信息。而普通照相之記錄了光強的信息，相位信息丟失了，從而普通照相不能體現三維效果。

而全息照相則不一樣，能夠同時記錄相位和光強信息。如圖，照相時，為保證物光與參考光的相干性，會用分光鏡將同一激光發生器的光分為兩束。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）

對應參考光的公式為：

ERx，y=AR（x，y）eiψR（x，y）

合成之后為：

Sx，y=Ox，y+R（x，y）

光強為：

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

I=A2O+A2R+2AoARcos （ψo-ψR）

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

3 全息投影技術的顯像過程

而顯像過程，就是利用參考光對物光的完全重現。

用k表示透射率，底片的透射率和照相過程中受照射的光強存在以下關系

k=t0+βI（x，y）

在底片完成后，使用照相時候的相干光源R照射全息照片，則有

Ux，y=ARx，yeiψRx，y*k

Ux，y=Rx，y*[t0+βIx，y]

將I代入，則得到其中一級分光

U+1=R*β*R*O=βA2O

即第一級光完全還原了物光，包括相位和振幅在內的所有信息。即如果在第一級光出射方向觀察，就能看見一個三維立體的像。

4 全息投影技術發展現狀

如上文所言，當前全息投影技術主要發展出透射全息投影技術、360度全息投影以及空氣投影與交互技術三種。

其中，透射全息投影技術最先出現。但由于投射全息投影技術對光源相干性要求很高，所以其在激光的問世之后才日益發展起來。與普通的照相不同，其攝像過程并不需要運用透鏡，并且在對記錄對象進行拍攝時，全息照相在物光之外加上了參考光，通過這種處理，膠片便在記錄下光強的同時也記錄下了光的相位。底片經過顯像處理后，觀察者能體驗到像所呈現出的縱深感。

360度全息投影同樣能給人帶來極強的三維立體的效果，但實際上卻是一種偽全息顯像技術。因為根據維基百科的定義真正的全息影像技術是指通過相干光（激光就是其中一種）干涉原理對圖像進行處理，以便可以精確地再現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。而360度全息投影技術便相對簡單。其中關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它清晰地看到其中的像。周杰倫與“鄧麗君”的同臺對唱便利用了這樣的全息膜。兩者的原理也相差無幾，它們都利用了一種光學現象，即佩波爾幻象，來實現虛擬和現實的疊加。它要求觀察者既能看到材料上映出的像，又能透過材料看到另一邊，性能優良的全息膜便是極好的材料。再加上現代高超的數字渲染技術，不同的畫面在空間中疊加便呈現出了極好的演示效果。與其說它的進步體現了全息投影技術的進步，不如說其代表了智能渲染技術的日臻成熟。

空氣投影和交互技術與360度全息投影技術同屬偽全息投影技術，但也是現今發展前景最好的一種顯像技術。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。利用特殊機器吸入空氣，經過加熱處理將其噴出，來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，進行投影，使物體仿佛浮在空中。觀察者便能從各個方向觀察物體。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，當氣體溫度發生變化，氣體的折射率便也會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。當光線從冷空氣（光密介質）入射進入熱空氣（光疏介質）時，全反射便也有了發生的條件。而在兩種介質間也會由于折射率不同而發生折射。于是，在折射與反射的共同作用下，同時加以高性能計算機的協作，空氣投影和交互技術便能實現物體的三維成像工作。

5 對全息投影技術未來的展望

當今的全息投影技術也存在一些可以改進的地方，這也是未來發展的方向。透射全息投影技術對攝像設備及顯像設備穩定性要求極高，微小的位移便會導致拍攝或顯像質量下降，所以這種全息技術的操作需要一個相對穩定的環境。同時，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粗。考慮到透射全息投影技術的特點，未來這種全息技術更可能會用于科研領域，特別是在對微觀物體的研究方面（配備He-Ne激光器），透射全息投影技術能通過向科研工作者提供更直觀的三維影像給他們在微生物研究，新材料研究方面提供很大的幫助。

360度全息投影相比另兩種全息技術有著無與倫比的操作便利的優勢，它的顯像過程幾乎能在任何時間任何地點進行。唯一需要注意的便是根據不同環境對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，這種三維顯像技術已經得到了極廣泛的應用，從珠寶、汽車的展示、到室內外景觀的美化工作，各處都能看到它的身影。

空氣投影和交互技術是如今世界各國都想搶占的科技制高點，它的商業前景較另兩種種顯像技術更加廣闊。加上動作捕捉設備，它便可以真正實現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，這樣的成像技術在工業設計和游戲開發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光影技術發展的新方向。通過本文的討論，對于全息投影技術的基本原理、發展現狀與未來應用前景進行了詳細的介紹。相信不久之后，全息投影技術將發展得更加完善，極大地提升人們的生活品質。

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