3d全息影像技术简介

　　3D全息影像技术

　　全息显示技术的问世给真正的立体三维电视带来了希望之光。全息电视与立体电视相比，其优越之处不仅仅在于立体三维图像更接近于物体自身，而且还要从人眼对物体深度感在生理上的心理暗示来加以考虑。

　　全息显示的基本机理

　　全息学(Holography)自20世纪60年代激光器问世后得到了迅速的发展。其基本机理是利用光波干涉法同时记录物光波的振幅与相位。由于全息再现象光波保留了原有物光波的全部振幅与相位的信息，故再现象与原物有着完全相同的三维特性。换句话说，人们观看全息像时会得到与观看原物时完全相同的视觉效果，其中包括各种位置视差，这即是全息三维显示的理论依据。从这种意义上来说，全息才是真正的三维图像，而上述的各种由体视对合成的图像充其量仅是准三维图像(并无垂直视差的感觉)。20世纪80年代后，激光全息技术的迅速发展，成为一种异军突起的高新技术产业。在激光全息技术中，全息显示技术由于更接近于人们的日常生活而倍受关注。它不仅可制出惟妙惟肖的立体三维图片美化人们的生活，还可将其用于证券、商品防伪、商品广告、促销、艺术图片、展览、图书插图与美术装潢、包装、室内装潢、医学、刑侦、物证照相与鉴别、建筑三维成像、科研、教学、信息交流、人像三维摄影及三维立体影视等众多领域，近年来还发展成为宽幅全息包装材料而得到了广泛的应用。由于白光再现全息技术可在白昼自然环境中或在普通白光照射条件下观看物体的三维图像，一直研究全息技术的最新发展及运用，期待自身的努力使得全息显示技术得到了迅速的发展。

　　透射式全息显示图像

　　透射式全息显示图像属于一种最基本的全息显示图像。记录时利用相干光照射物体，物体表面的反射光和散射光到达记录干板后形成物光波;同时引入另一束参考光波(平面光波或球面光波)照射记录干板。对记录干板曝光后便可获得干涉图形，即全息显示图像。再现时，利用与参考光波相同的光波照射记录干板，人眼在透射光中观看全息板，便可在板后原物处观看到与原物完全相同的再现像，此时该像属于虚像。假如利用与参考光波的共轭光波相同的光波照射记录干板，即从记录干板右方射向记录干板而会聚一点的球面光波，则经记录干板衍射后会聚而形成原物的实像。

　　透射式全息显示图像清晰逼真，景深较大(仅受光波相干长度的限制)，观看效果颇佳。但为确保光的相干性，需用激光记录与再现。采用激光也会带来其特有的散斑效应的弊病，即再现像面上附有微小而随机分布的颗粒状结构。

　　反射式全息显示图像

　　为克服透射式全息显示图像无法利用普通白光(非相干光)再现的缺陷，人们又发展了反射式全息显示图像。将物体置于全息板的右侧，相干点光源从左方照射全息板。将直接照射至全息板平面上的光作为参考光;而将透过全息板(未经处理过的全息板是透明的)的光射向物体，再由物体反射回全息板的光作为物光，两束光干涉后便形成全息显示图像。由于记录时物光与参考光分别从全息板两侧入射，故全息板上的干涉条纹层大致与全息板平面平行。再现时，利用光源从左方照射全息板，全息板中的各条纹层宛如镜面一样对再现光产生出反射，在反射光中观看全息板便可在原物处观看到再现的图像。

　　制作反射式全息显示图像时，通常采用较普通透射式全息显示图像更厚的记录介质(厚约15μm的感光乳胶层)。因干涉条纹层基本上与全息板平面平行，介质层内形成多层干涉条纹层，即反射层，故全息板的衍射相当于三维光栅的衍射，必须满足布拉格(Bragg)衍射条件，即仅有某些具有特定波长及角度的光才能形成极大的衍射角。由于具有这种选择性，反射式全息显示图象便可用普通白光扩展光源再现。这是其一大优点，同时亦消除了激光的散斑效应。近年来，该类全息显示图像已广泛应用于小型装饰物的三维显示，并已实现商品化，市面上将其称为“激光宝石”。反射式全息显示图象还可用作壁挂式显示，但制作屏幕较大的反射式全息显示图像技术难度较大;另一缺陷是其景深不太大，距记录介质平面较远处的图像有点模糊不清。

　　像面式全息显示图像

　　根据全息学的理论，对于普通透射式全息显示图像而言，当再现光波长与记录时的光波长不同，或再现光源为非理想点光源而有一定的空间扩展时，再现像点将会发生弥散而变得模糊，由上述两种因素造成的像点模糊量皆与象点和全息板的距离成正比。因此，假如记录时让物点落在全息板上或很靠近于全息板，则用普通白光扩展光源再现时，像点的模糊量仍小至可接受的程度。因实际物体难以直接“嵌入”全息板，故人们采用将物体通过透镜成像于全息板的附近，同时引入参考光波与其干涉的办法来记录全息显示图像，这样记录的全息显示图像称为像面全息显示图像，它可用普通白光扩展光源再现。显然，这种全息显示图像的景深也是有限的，距全息板平面愈远的像点愈模糊不清。

　　彩虹式全息显示图象

　　20世纪70年代末，一种新型全息显示图像即彩虹式全息显示图像(Rainbow Hologram)问世，它可采用白光再现，图像清晰明亮，尤其适用于立体三维显示，倍受人们的重视。彩虹式全息显示图像是采用激光记录全息显示图像，用白光照射再现单色图像的一种全息显示技术。其基本特点是在记录系统中适当的位置加入一个狭缝，其作用是限制再现光波，以降低图像的色模糊，从而实现白光再现单色图像。有人曾系统地分析过彩虹式全息显示图像的成像过程。其基本记录方式以一步法为例，物体通过透镜成像于全息板附近，同时光路中设置一个狭缝来限制成像光的孔径。利用白光点光源以共轭方式照射全息板，便会同时再现物像与缝隙的实像。由于全息显示图像的基本作用相当于光栅，在白光照射下具有色散的作用，故不同颜色的狭缝像分布于不同的方位。当人眼从缝隙像左方观看全息板时，通过不同颜色的缝隙像便可观看到该种颜色的物像。当人眼上下移动时，物象会产生出宛如彩虹一样的颜色变化，这也是此种全息显示图像名称的由来。

　　彩虹式全息显示图像技术的问世给全息显示注入了新的活力，众多研究者对其进行了不断的改进与发展，并在众多领域得到了应用。如将记录时的单缝变为多缝，可使同一角度观看的再现像具有与实物一样的彩色，或对黑白图像进行假彩色编码。因人们对色彩的分辨能力远远超过对灰度级的分辨能力，此种假彩色化法可极大提高对图像的判读能力。近年来还提出并实现了新型的双孔径彩虹式全息显示图像和大角度环形孔径彩虹式全息显示图像。前一种可在普通白光扩展光源下，将再现象的分辨率大大提高，并能由一体视对平面图像合成无需配戴眼镜观看的立体三维图像。后一种则将单缝孔径变为大直径的环形孔径，从而可实现360°环视的再现像，即在白光照射下，可绕全息板转一周以观看物体所有侧面的再现像。

　　合成式全息显示图像

　　合成式全息显示图像是指将一系列由普通拍摄物体的二维底片借助全息方法记录在一块全息软片(或干板)上，再现时实现原物体的准立体三维显示的一种技术。实现再现物体360°环视像的另一种有效方法便是合成式全息显示图像。它可制成圆筒式，亦可制成平面式。这里以旋转物体为例说明合成式全息显示图像的制作技术。显然，假若将物体变为实际场景，则可制作立体电视;假若将转动物体变为一系列连续变化的二维图片，则可制成活动的动画。

　　这种合成式全息显示图像实际上是彩虹式全息显示图像与合成技术的有机结合。利用这种方法在平面全息板上再现环视或立体活动图像，是极其诱人的。其缺陷是记录过程较为复杂，但随着计算机技术的发展与普及，这一缺陷已不再成为严重的问题。近年来，研制出一套由计算机控制的合成式全息显示图像自动记录系统，并成功地由它制出像质颇佳的360°环视合成式全息显示图像。

　　在合成式全息显示技术中，有一种可显示被拍摄物体动态过程的角度多路合成式全息显示技术，它是一种电影拍摄与全息拍摄完美结合的技术。它使用电影摄影机进行第一步记录，再在激光照射下用“全自动合成全息拍摄系统”将记录的二维电影片制成全息显示图像，它是一种实现了白光记录和白光再现被记录物动态过程的高层次全息显示技术。纵向多路合成的全息显示图像，由于采用了不同角度的视像进行合成，故称为角度多路合成式全息显示图像。它是一项集电影特技摄影、激光全息、光机电一体化、微机控制及纳米感光材料等高新技术于一体的最新技术。还有另一类纵向多路合成的全息显示图像，它是由对客体不同深度的一系列平面层拍摄的底片合成的。如医学中用X射线断层摄影(CT)或超声波断层摄影，可得到垂直于人体轴线方向的一系列平面图片。利用全息显示技术将其按原顺序、原间隔制成合成式全息显示图象，再现时则可观看到一系列纵向平行排列的透明平面图像。当这些像的纵向间隔小到一定程度时，观看者便如同观看原物的透明立体三维图像一样。纵向多路合成的全息图像亦可利用计算机技术进行制作。

　　角度多路合成式全息显示技术具有发展前景的潜力。它可将计算机图像信息处理、光学图像信息处理、纳米感光化学信息处理、影视技术多年来积累的视觉心理学及生理学深度感等方面的经验融合一体，对采集的图像信息进行处理，从而获得优质的三维空间立体影像。观看这种角度多路合成式全息显示立体影象时，无需配戴眼镜等附加装置。它是目前记录并显示伴有活动图象的三维立体影像的最佳方法。随着液晶显示技术及纳米级实时记录介质材料的研制开发，角度多路合成式全息显示技术将会发展成为新一代具有可持续发展的科研项目及值得巨大投入的研究课题。

　　模压式全息显示图像

　　上述各种全息显示图像的共同缺陷是复制较为烦琐，通常需采用激光源及光学器件，而且每复制一次皆需曝光、显影和定影等过程。为解决这一问题，20世纪80年代开发出一种可象印书一样大批量快速复制的模压式全息显示图像。其制作工艺过程可分为如下三步：

　　记录原版全息显示图像，这种全息显示图像的记录过程类似于彩虹式全息显示图像，但它属于浮雕型，即与光强分布相应的干涉条纹已转变为凹凸型沟槽状分布;

　　制作金属压模，即由原版全息显示图像经电镀和铸模等工序转为金属模板;

　　压印复制，通常是在透明塑料片上利用金属模板进行热压以得到复制的全息显示图像。这种模压式全息显示图像既可制成透射式，亦可将其表面镀以高反射率金属膜，使其变成反射式。模压复制技术涉及到光刻胶母版制作、电铸及全息模压技术，是全息显示技术中难度最大的一种技术，它属于高层次的全息显示技术。

　　模压式全息显示图像的最大优点是可大批量生产。一个优质的模板可连续压印一百万次以上，故全息显示图像的成本大为降低。这种全息显示图像的制作现已成为一个颇具规模的产业，其产品广泛应用于防伪商标、各种证卡及艺术性显示等。常见的各种防伪标志便是一种反射式模压彩虹全息显示图像，从不同的角度观看时，其色彩会发生一些变化。拟将合成式全息显示技术与模压技术有机结合一起，制成一种可360°环视或动画式模压全息显示图像。

　　计算机全息显示图像

　　最后简单介绍一下近年来发展颇为迅速的计算机全息显示图像(ComputerGenerated Hologram)，简称为CGH。既然全息显示图像属于一种干涉图样，假如能利用计算机直接产生出这种图样，则无需再采用光学设备实地记录了。这种方法既可完全节省光源及要求相当精密的光路设置，又能模拟实际上并不存在的各种物体，故具有明显的简易性与灵活性。

　　计算机全息显示图像目前已在图像处理和干涉计量等领域内获得了广泛的应用。它同样亦可应用于立体三维图像显示，仅是成像质量仍需作进一步的改进。值得指出的是将光学与电子学技术有机结合一起，发挥其各自的优势，将是实现立体三维显示的一种有效途径。