不一樣的3D——全息影像技術

總是有人抱有這樣的幻想：在未來，人類可以完全拋棄電視、電腦、手機這些帶有屏幕的顯示產品。就像在各種各樣的科幻、諜戰大片中，用手一揮，巨大的顯示屏上多頁圖表或者照片直接出現在面前，無需觸碰屏幕，用手一揮，屏幕上的內容自然切換，甚至能夠讓不同時空的人面對面進行交談。所有這些，都被統稱為全息影像技術。

根據維基百科給出的定義，真正的全息影像技術是指通過相干光幹涉原理記錄和查看圖像，當合適地將其呈現時，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，而物體反射或者透射的光線可以通過記錄膠片完全重建，仿佛物體就在那裡一樣。通過不同的方位和角度觀察照片，可以看到被拍攝的物體的不同的角度，因此記錄得到的像可以使人產生立體視覺。

全息影像技術的發展史

1947年，英國人丹尼斯蓋博(Dennis Gabor)在研究電子顯微鏡的過程中，提出了全息攝影術(Holography)這樣一種全新的成像概念，並獲得了諾貝爾獎。全息術的成像利用了光的幹涉原理，以條紋形式記錄物體發射的特定光波，並在特殊條件下使其重現，形成逼真的三維圖像，這幅圖像記錄了物體的振幅、相位、亮度、外形分布等信息，所以稱之為全息術，意為包含了全部信息。但在當時的條件下，全息圖像的成像質量很差，只是採用水銀燈記錄全息信息，但由於水銀燈的性能太差，無法分離同軸全息衍射波，因此大量的科學家花費了十年的時間卻沒有使這一技術有很大進展。

1962年，美國人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息術的基礎上，將通信行業中「側視雷達」理論應用在全息術上，發明了離軸全息技術，帶動全息技術進入了全新的發展階段。這一技術採用離軸光記錄全息圖像，然後利用離軸再現光得到三個空間相互分離的衍射分量，可以清晰的觀察到所需的圖像，有效克服了全息圖成像質量差的問題。

1969年，本頓發明了彩虹全息術，能在白熾燈光下觀察到明亮的立體成像。其基本特徵是，在適當的位置加入一個一定寬度的狹縫，限制再現光波以降低像的色模糊，根據人眼水平排列的特性，犧牲垂直方向物體信息，保留水平方向物體信息，從而降低對光源的要求。彩虹全息術的發明，帶動全息術進入了第三個發展階段。傳統全息技術採用滷化銀等材料製成感光膠片，完成全息圖像信。

20世紀60年代末期，古德曼和勞倫斯等人提出了新的全息概念———數字全息技術，開創了精確全息技術的時代。

到了90年代，隨著高解析度CCD的出現，人們開始用CCD等光敏電子元件代替傳統的感光膠片或新型光敏等介質記錄全息圖，並用數字方式通過電腦模擬光學衍射來呈現影像，使得全息圖的記錄和再現真正實現了數位化。數字全息技術的成像原理是，首先通過 CCD 等器件接收參考光和物光的幹涉條紋場，由圖像採集卡將其傳入電腦記錄數字全息圖；然後利用菲涅爾衍射原理在電腦中模擬光學衍射過程，實現全息圖的數字再現；最後利用數字圖像基本原理再現的全息圖進行進一步處理，去除數字幹擾，得到清晰的全息圖像。

數字全息技術是計算機技術、全息技術和電子成像技術結合的產物。它通過電子元件記錄全息圖，省略了圖像的後期化學處理，節省了大量時間，實現了對圖像的實時處理。同時，其可以進行通過電腦對數字圖像進行定量分析，通過計算得到圖像的強度和相位分布，並且模擬多個全息圖的疊加等操作。

必須需要認清的一點：真正的全息成像目前還沒有真正進入應用階段。其實，目前我們所能看到的關於全息3D的應用，大多運用的是一種偽裝的全息技術——即全息投影。

真正的全息影像可以不通過過任何介質，從地平線上的空氣中就能顯示出來影像，而且觀看角度可以隨意變換，體驗者能夠從三維立體的畫面之中穿梭自如。但是，目前世界上還沒有直接通過空氣不通過其他介質呈現的技術並沒有出現。目前，絕大多數我們看到的舞臺表演中運用的全息技術，都是「佩珀爾幻象」或是全息投影技術。

3D全息投影的技術原理

1. 幹涉原理

在投影之前，需對所投的「影」進行錄製，這是全息投影技術的第一步，即利用幹涉的原理對光波信息進行記錄，完成拍攝的過程。在拍攝的過程中，一部分雷射輻照被攝物體使之形成漫射式的物光束，另一部分雷射作為參考光束射到全息底片上並與物光束相疊加產生幹涉，幹涉作用將物體光波上各點的相位和振幅轉換成在空間上變化的強度，並利用幹涉條紋間的反差和間隔將其全部信息記錄下來，記錄著幹涉條紋的底片經過顯影、定影等處理後，便成為一張全息圖，即全息照片。

2. 衍射原理

完成拍攝過程形成全息照片後，第二步便是基於該全息圖利用衍射的原理再現物體光波信息，完成成像過程。在成像過程中，全息圖受相干雷射照射，形成原始象和共軛象兩個圖像，其再現的圖像具有很強的立體性和視覺效果。由於全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，因此全息圖的每一部分都能再現原物體的整個圖像，經多次曝光後還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而且能互不幹擾地分別顯示出來。

全息投影技術的分類

全息投影技術主要可以分為雷射束投射實體的3D影像技術、空氣投影和交互技術、360度全息顯示屏技術三種。

1. 雷射3D影像技術

日本Science and Technology公司發明了一種可以用雷射束來投射實體的3D影像，這種技術是利用氮氣和氧氣在空氣中散開時，混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質，並在空氣中形成一個短暫的3D圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進行小型爆破來實現的。

2. 空氣投影和交互技術

這是美國麻省名叫Chad Dyne的29歲理工研究生發明的，是顯示技術上的一個裡程碑，它可以在氣流形成的牆上投影出具有交互功能的圖像。此技術來源海市蜃樓的原理，將圖像投射在水蒸氣上，由於分子震動不均衡，可以形成層次和立體感很強的圖像。

3. 360度全息顯示

它是由南加利福尼亞大學創新科技研究院的研究人員當前宣布他們成功研製的，這種技術是將圖像投影在一種高速旋轉的鏡子上從而實現三維圖像，只是會有些危險。

全息影像技術的優勢

利用全息照片來重現十分逼真的物體的三維圖像。這個領域是商業價值較高的領域，尤其是白光再現全息術，它是走出實驗室的最實用的全息術。

全息攝影與普通攝影的區別主要有：

類別	全息攝影	普通攝影
記錄方式	物束光與參考光束	光學鏡頭成像（物束光）
記錄內容	物體散射光的強度及相位信息	物體本身或反射光的強度
成像介質	記錄後稱全息片（全灰色調）	感光膠片
影像觀察方式	一般藉助雷射還原觀看	眼睛直接觀看
色彩表現	色彩幹涉條紋圖像	彩色物體圖
影像特點	3D空間立體感的景物 只有散射光線而沒有實物	平面物體圖像

與普通攝影相比，全息成像具有如下優點：再造出來的立體影像有利於保存珍貴的藝術品資料進行收藏。拍攝時每一點都記錄在全息片的任何一點上，一旦照片損壞也關係不大。

全息照片的景物立體感強，形象逼真，藉助雷射器可以在各種展覽會上進行展示，會得到非常好的效果。

對比一下全息投影與3D技術，可以發現：全息投影是記錄了物體所有圖像信息來重塑整個物體，使人能夠360°無死角地觀看而產生立體感；3D技術則是通過記錄物體部分圖像信息，再通過模擬「雙目效應」，使人產生立體感。

打個比方，全息投影猶如再造機，它記錄下物體所有圖像信息後，便在造出一模一樣的個體；3D技術猶如複印機，它記錄下物體某一面的圖像信息，重新複印一次。由此可知，全息投影技術的技術含量遠高於3D立體投影技術。

不僅從技術含量上全息投影更為先進，在投影質量上，全息投影同樣是更勝一籌。 我們知道，3D不論立體感再如何強，它始終需要巨大的銀幕作為背投，這便給觀眾一種非真實感，即感覺上始終是二維平面上的特技處理。

其次，3D只記錄了物體部分的圖像信息，因此畫面並不完整，它只有120°左右的觀看視角。比如，畫面中有人物正對觀眾，如果觀眾想看看人物後背，他是不可能走到銀幕背後去看人物的後背的，因為那裡的圖像信息並沒有被3D記錄下來，它丟失了。而全息投影則不同，它根本就不需要銀幕，因為整個畫面是投影在空中的，這邊不會產生3D的非真實感，

另外，全息投影記錄了物體所有圖像信息，它的觀賞視角是360°無死角的，這就意味著，我們在3D中是不能走到畫面背後去看人物後背，但在全息投影中，不僅僅是後背，人物的側面、頂部、下部，一切視角的圖像我們都可以看到，如同一個真實的人站在那裡有我們觀察，因為全息投影記錄了物體的所有圖像信息，它不存在丟失的情況。

3D全息投影技術的應用

1. 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，我們都是採用佩帶偏振光眼鏡而實現3D技術。但我們都知道這並不是真正的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，那麼真正的3D電影將脫離銀屏在立體三維空間中上演，並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。

2. 應用到通訊設備中

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。從桌上型電腦到筆記本，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，同時運用雷射傳感技術讓我們能夠在虛擬的鍵盤上進行操作。

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後的又一個偉大的裡程碑。

3. 在醫學中的應用

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。無需製備標本物的切片。尤其對一些活的標本物可以用高功率的連續光或者脈衝雷射照全息圖，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」，解決了顯微鏡中解析度本領與景深的矛盾，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，採用不同波長，衍射角不同，這等於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於醫學，生物學，科研方面。

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。雷射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於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，利用雷射全息成像技術可以提供整個眼睛的三維立體圖像，並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。也可以利用雷射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，有利於癌症的早期診斷和治療。

4. 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年代隨著雷射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、高解析度和高保真度。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。

5. 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飛彈，是潛艇還是魚雷，對採取對策極其重要。全息術應用於軍事使通訊、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。

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來源：傳感器技術

編輯：aloysius