基于激光的3D全息技术原理解析

摘要 ：自从激光技术问世以来，全息技术在基于激光良好的相干性的基础上得到了蓬勃的发展。全息技术的日渐成熟，使得投影技术逐渐走向真正的3D世界。

一、全息技术的发展

1948年，英籍物理学家伽博（Gabor）首先提出了全息学原理，从而为全息术的诞生奠定了理论基础。

（一）全息技术的提出

全息术的发展至今已经历三个阶段：第一阶段是全息术的初始阶段，这一阶段主要是理论研究和少量的实验。

光全息术是由D.Gabor发明的。他早期的工作是致力于提高电子显微镜的分辨率，那时科学家们认为新的显示时代已到来。1947年D.伽柏从事提高电子显微镜分辨本领的工作，受W.L.布喇格在X射线金属学方面工作及F.泽尔尼克的关于引入相干背景来显示位相的工作的启发，伽柏提出了全息术的设想以提高电子显微镜的分辨本领。1948年他利用水银灯首次获得了全息图及其再现象，从而创立了全息术。但由于当时没有足够强的相干辐射源，全息术的发展陷入了休眠状态。面临着巨大的障碍和仅有的一点结果，使它的早期研究者不得不放弃了这种光学显示技术.

50年代G.L.罗杰斯等人的工作大大扩充了波阵面再现理论。但是由于“孪生像”问题和光源相干性的限制，1955年以后全息术进入低潮阶段。

(二) 激光记录激光再现时期

第二阶段是在激光出现以后，用激光记录并以激光再现的时期。

全息术黯淡的前途直至60年代初由于美国密执安大学雷达实验室进行的工作才使它重放光彩。该实验室从事综合孔径天线研究的E.N.Leith和J.Upatnieks几乎在Javen等人制成氦氖激光器的同时，对Gabor的技术做了划时代的改进，同时成功地进行了三维立体漫射物的记录和再现实验。

激光的出现，为全息术的发展开辟了广阔的前景，1961～1962年，E.N.利思等人对伽柏全息图进行了改进，引入“斜参考光束法”一举解决了“孪生像”问题，用氦氖激光器成功地拍摄了第一张实用的激光全息图。这样就使得全息术在1963年以后成为光学领域中最活跃的分支之一。1964年利思等人又提出了漫射全息图的概念，并得到三维物体的再现。与此同时，苏联的物理学家根据李普曼彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息图的概念。

（三）激光记录白光再现时期

20世纪80年代以后至今是全息术发展的第三阶段，这个阶段是进行激光记录而用白光再现的研究，如反射全息、像全息、彩虹全息、模压全息及合成全息等。

1962年，前苏联科学家Y.N.Denisyuk根据G.Lippmann的驻波天然彩色照相法提出了白光反射全息图。从此应用研究不断发展，许多科学工作者开始了他们自己的研究以探讨全息术的应用潜力及其应用领域，如全息干涉计量术、全息存储、全息光学元件、全息显微术、显示全息、计算全息等等。这期间，S.A.Benton彩虹全息术的发明揭开了显示全息图的应用序幕。他们的成功，使Gabor的全息思想在1971年获得诺贝尔物理学奖。

二、3D技术原理

（一）偏光眼镜法

它以人眼观察景物的方法，利用两台并列安置的电影摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两条略带水平视差的电影画面 。

当观众戴上特制的偏光眼镜时，使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通过双眼汇聚功能将左、右像叠和在视网膜上，由大脑神经产生三维立体的视觉效果 。这种3D技术并不是真正意义上的3维技术，其成像依旧是建立在二维平面上的投影技术。

（二）全息3D技术

1.全息照相原理

全息照相分为两步：波前的干涉记录和波前的衍射重建。以菲涅耳全息为例，首先是波前的干涉记录，如图1就是菲涅耳全息照相的记录光路。

图1.全息照相的记录光路

如图，激光束通过快门后经过分束板分为两束：透射的一束经平面镜M2反射、扩束镜L2扩束后作为参考光投射到全息干板E上；反射的一束经平面镜M1反射、扩束镜L1扩束后照到被摄物上，再经过物体的漫反射作为物光束也投射到E上。整个光路光轴在同一个水平面上，光束通过各元件中心。物光与参考光夹角在45°左右。

黑暗中把全息干板夹在干板架上，使感光乳剂面朝向物光和参考光，静置一分钟后启动定时曝光器。取下干板，在暗室中显影，水洗后定影一段时间用水冲洗干净，最后晾干，全息图就制作好了。

下面说全息图的再现，菲涅耳激光全息是用激光再现的。观察虚像的方法如图2所示：

图2.虚像的观察

将制作好的全息图放回拍摄时原物体的位置，用参考光照射全息图，在全息图后面原物所在位置上可以观察到物体的虚像。

若要观察到原物体的实像，就要改用参考光的共轭光线来照射全息图，则可以用光屏在全息图后面接受到物的实像，如图3所示光路。

图3.实像的观察

2.全息成像原理

全息投影技术的成像是不需要传统的银屏的技术，而是采用在空气雾幕上投影。空气雾幕投影成像是一种全新的空气成像设备。该设备是利用海市蜃楼的成像原理借助空气中存在的微粒将光影图像呈现。使用一层很薄的水雾墙代替传统的投影幕，使您能在该屏幕影像中随意穿梭，达到真人可进入视频画面的虚幻效果。使用雾化设备产生大量人工雾，结合空气流动学原理而制造出来的能产生形成平面雾气的屏幕，再将投影设备投射在该屏幕上，便可以在空间中形成虚幻立体的影像，形成一种三位空间立体图像，给人一种新的立体视觉享受，其影象给人的感受如同人行画中，画在人中，亦真亦幻，如置身仙境身处瑶池般。忽隐忽现，神秘诱人的特性开发一些令人称奇的展示项目。在迷茫的雾屏上，放映如幻似真的神话故事。将带给观众前所未有的视听体验。

空气雾幕立体成像展示特点：1.空气雾幕成像系统包括一台投影机和一个空气屏幕系统，空气屏幕系统可以制造出由水蒸气形成的雾墙，采用背投技术将影像投映至几乎看不见的空气墙中，观看者看到的将会是漂浮在空气中的影像或影片。2.空气雾屏成像发生装置可将计算机、程序、红外线、激光、雷达通过投影机光速和风场投射到雾屏上，形成多种动感、虚拟图像。3. 空气雾屏成像系统内部采用集成式超音波机芯，无机械驱动、宁静无噪音、雾化效率高、产生一定浓度负离子，故障率低、维护简单。

空气雾幕立体成像系统原理：这套系统包括专有的投影机和基本零件，其中空中图像显示从正面看起来使用，该系统不需要任何额外的屏幕，形成图像的主要原理是利用空气以及一个小型机柜。不使用特殊的化学物质或有害影响的环境。Heliodisplay投影系统的设计灵感来自于海市蜃楼的成像原理，一套投影系统包括一台投影机和一个空气屏幕系统，空气屏幕系统可以制造出由水蒸气形成的雾墙，投影机将画面投射在上面，由于空气与雾墙的分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像

三、3D全息投影技术的应用

（一）实现真正意义上的裸眼3D电影

我们都知道，目前为止在电影投影技术中，我们都是采用佩带偏振光眼镜而实现3D技术。但我们都知道这并不是真正的3D，因为它最终成像是在二维银屏上成像的。如果把全息技术应用到电影技术上，那么真正的3D电影将脱离银屏在立体三维空间中上演，并且完全摘掉偏振眼镜，实现裸眼3D技术。在2010年日本的《初音未来》演唱会上，就是通过全息技术虚拟出来的动漫歌手。随着全息技术的日渐成熟，全息3D走进电影院指日可待。

（二）应用到通讯设备中

1.虚拟键盘

随着科技的进步，微电子以及集成电路的发展。各种电子设备都逐渐从以往大型设备过度到高度集成的迷你型。从台式电脑到笔记本，再到如今苹果公司领军开发的Ipad。电子产品已经发展到一个高度集成的领域。但是我们在享受高度集成带来的方便的同时，也颠覆了我们对PC的传统定义。比如键盘改为触屏式等等。而运用全息技术可以虚拟出一个键盘，同时运用激光传感技术让我们能够在虚拟的键盘上进行操作。

2.全息视频

随着3G时代的到来，视频聊天已经不是电脑的专利。我们可以通过手机来实现视频的聊天。在全息技术中，我们将把想要聊天的人的立体图形成像在我们面前。这将是人类继计算机通讯时代后的又一个伟大的里程碑。

（三）在医学中的应用

1.全息显微术

全息显微术是全息和显微相结合的技术，与一般显微技术相比，能储存标本物的整体。无需制备标本物的切片。尤其对一些活的标本物可以用高功率的连续光或者脉冲激光照全息图，长期保存，再现像具有立体性，能显示样品的细节。全息显微术主要有两种：一种是将全息技术和显微镜结合，称为“全息显微镜”，解决了显微镜中分辨率本领与景深的矛盾，避免了像差影响而达到很小衍射极限，可以获得更大的视野；一种是利用全息图本身的特点来进行放大，称为“全息放大”。如果拍摄时，采用不同波长，衍射角不同，这等于将全息图作了相应的调整，可以实现图像放大。全息显微术广泛应用于医学，生物学，科研方面。

2.医疗设备

全息以它独特的优点解决了许多其他技术难以解决的问题，为疾病的诊治作出了贡献。激光全息技术首先在眼科疾病诊治的应用中获得了成功，一张全息照片提供的信息相当于480张普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的诊断过程中，利用激光全息成像技术可以提供整个眼睛的三维立体图像，并可以用显微镜对整个眼睛图像的不同位置(如角膜、前房、晶状体、玻璃体以及视网膜等)进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息成像技术提供眼睛各个部位单独的三维立体图像以做深入的检查。在临床检查中、利用全息诊断方法可以查出直径在1mm的乳腺癌，有利于癌症的早期诊断和治疗。

（四）全息信息储存

光全息存储是依据全息的原理，将信息以全息照相的方式存储起来。利用2个之间的耦合和解耦合把信息存储和信息之间的比较、识别。甚至联想的功能结合起来，也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。全息信息存储是20世纪60年代随着激光信息发展而出现的一种全新的存储方式。其特点是大容量、高密度、高衍射率、低噪声、高分辨率和高保真度。光全息存储不仅容量大，而且数据传输速率快，寻址时间短等特点。

（五） 军事领域的利用

全息技术可以弥补一般的空中、水下监视系统的不足。例如，一般雷达系统只能探测到目标的远近、方位和运动速度等，而全息监视系统能提供目标的三维图像。这是国防军事上具有重要意义，因为及时识别目标是飞机还是导弹，是潜艇还是鱼雷，对采取对策极其重要。全息术应用于军事使通讯、导航、定为检测等技术发生实质性的变化。全息术是正在蓬勃发展的光学分支，其应用正向纵深方向发展，已渗透到多个领域。成为近代科学研究工业及经济建设中有效的测试工具。

四、展望

光全息术的问世至今已有半个世纪的历程尤其是世界上第一台激光器诞生以后，光全息术的发展更十分引人注目，其应用领域之广泛和对其他现代技术的影响理应写入20世纪高科技成果之列。除上述几个领域之外，诸如：取代古老的光栅元件的全息光栅，其体积薄、重量轻，在现代军事和宇航中获得了重要应用；全息平视显示器也已装备了现代军用设备；全息显微术和X射线全息术的结合可用来研究物质的微观结构和生命现象细微过程，等等。又如，计算机全息图可再现实际不存在的三维物体像，用于三维图像显示，制作微分滤波器，检测非球面透镜，实现各种波前错位干涉，等等。再如，全息光学元件，全息空间滤波器，光纤全息等可用于光学神经网络，扫描器，光盘读写头和现代通讯系统等，这诸多领域的研究和应用近年来都有了很大的进展。70年代初以来，我国的激光全息工作者就在光全息术及其应用的各个领域里起步和跟踪。通过坚持不懈的努力，在科研和教学中做了大量的工作，取得了不少成绩，为激光全息学科及其产业的发展作出了贡献。在人类各项科学与技术的发展和沉积中，在当前科技飞速发展的数字化的氛围中，我国未来的光全息术及其产业一定会有一个更加光辉灿烂的前景。

审核编辑：汤梓红