3d全息投影技术原理解析 全息投影技术的分类有哪些

总是有人抱有这样的幻想：在未来，人类可以完全抛弃电视、电脑、手机这些带有屏幕的显示产品。就像在各种各样的科幻、谍战大片中，用手一挥，巨大的显示屏上多页图表或者照片直接出现在面前，无需触碰屏幕，用手一挥，屏幕上的内容自然切换，甚至能够让不同时空的人面对面进行交谈。所有这些，都被统称为全息影像技术。

根据维基百科给出的定义，真正的全息影像技术是指通过相干光干涉原理记录和查看图像，当合适地将其呈现时，便可以精确地再现被记录物体的三维外观。是一种记录被摄物体反射（或透射）光波中全部信息（振幅、相位）的照相技术，而物体反射或者透射的光线可以通过记录胶片完全重建，仿佛物体就在那里一样。通过不同的方位和角度观察照片，可以看到被拍摄的物体的不同的角度，因此记录得到的像可以使人产生立体视觉。

全息影像技术的发展史

1947年，英国人丹尼斯盖博(Dennis Gabor)在研究电子显微镜的过程中，提出了全息摄影术(Holography)这样一种全新的成像概念，并获得了诺贝尔奖。全息术的成像利用了光的干涉原理，以条纹形式记录物体发射的特定光波，并在特殊条件下使其重现，形成逼真的三维图像，这幅图像记录了物体的振幅、相位、亮度、外形分布等信息，所以称之为全息术，意为包含了全部信息。但在当时的条件下，全息图像的成像质量很差，只是采用水银灯记录全息信息，但由于水银灯的性能太差，无法分离同轴全息衍射波，因此大量的科学家花费了十年的时间却没有使这一技术有很大进展。

1962年，美国人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息术的基础上，将通信行业中“侧视雷达”理论应用在全息术上，发明了离轴全息技术，带动全息技术进入了全新的发展阶段。这一技术采用离轴光记录全息图像，然后利用离轴再现光得到三个空间相互分离的衍射分量，可以清晰的观察到所需的图像，有效克服了全息图成像质量差的问题。

1969年，本顿发明了彩虹全息术，能在白炽灯光下观察到明亮的立体成像。其基本特征是，在适当的位置加入一个一定宽度的狭缝，限制再现光波以降低像的色模糊，根据人眼水平排列的特性，牺牲垂直方向物体信息，保留水平方向物体信息，从而降低对光源的要求。彩虹全息术的发明，带动全息术进入了第三个发展阶段。传统全息技术采用卤化银等材料制成感光胶片，完成全息图像信。

20世纪60年代末期，古德曼和劳伦斯等人提出了新的全息概念———数字全息技术，开创了精确全息技术的时代。

到了90年代，随着高分辨率CCD的出现，人们开始用CCD等光敏电子元件代替传统的感光胶片或新型光敏等介质记录全息图，并用数字方式通过电脑模拟光学衍射来呈现影像，使得全息图的记录和再现真正实现了数字化。数字全息技术的成像原理是，首先通过 CCD 等器件接收参考光和物光的干涉条纹场，由图像采集卡将其传入电脑记录数字全息图；然后利用菲涅尔衍射原理在电脑中模拟光学衍射过程，实现全息图的数字再现；最后利用数字图像基本原理再现的全息图进行进一步处理，去除数字干扰，得到清晰的全息图像。

数字全息技术是计算机技术、全息技术和电子成像技术结合的产物。它通过电子元件记录全息图，省略了图像的后期化学处理，节省了大量时间，实现了对图像的实时处理。同时，其可以进行通过电脑对数字图像进行定量分析，通过计算得到图像的强度和相位分布，并且模拟多个全息图的叠加等操作。 

必须需要认清的一点：真正的全息成像目前还没有真正进入应用阶段。其实，目前我们所能看到的关于全息3D的应用，大多运用的是一种伪装的全息技术——即全息投影。

真正的全息影像可以不通过过任何介质，从地平线上的空气中就能显示出来影像，而且观看角度可以随意变换，体验者能够从三维立体的画面之中穿梭自如。但是，目前世界上还没有直接通过空气不通过其他介质呈现的技术并没有出现。目前，绝大多数我们看到的舞台表演中运用的全息技术，都是“佩珀尔幻象”或是全息投影技术。

3D全息投影的技术原理

干涉原理 

在投影之前，需对所投的“影”进行录制，这是全息投影技术的第一步，即利用干涉的原理对光波信息进行记录，完成拍摄的过程。在拍摄的过程中，一部分激光辐照被摄物体使之形成漫射式的物光束，另一部分激光作为参考光束射到全息底片上并与物光束相叠加产生干涉，干涉作用将物体光波上各点的相位和振幅转换成在空间上变化的强度，并利用干涉条纹间的反差和间隔将其全部信息记录下来，记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理后，便成为一张全息图，即全息照片。

衍射原理

完成拍摄过程形成全息照片后，第二步便是基于该全息图利用衍射的原理再现物体光波信息，完成成像过程。在成像过程中，全息图受相干激光照射，形成原始象和共轭象两个图像，其再现的图像具有很强的立体性和视觉效果。由于全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，因此全息图的每一部分都能再现原物体的整个图像，经多次曝光后还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。

全息投影技术的分类

全息投影技术主要可以分为激光束投射实体的3D影像技术、空气投影和交互技术、360度全息显示屏技术三种。

1、激光3D影像技术

日本Science and Technology公司发明了一种可以用激光束来投射实体的3D影像，这种技术是利用氮气和氧气在空气中散开时，混合成的气体变成灼热的浆状物质，并在空气中形成一个短暂的3D图像。这种方法主要是不断在空气中进行小型爆破来实现的。

2、空气投影和交互技术

这是美国麻省名叫Chad Dyne的29岁理工研究生发明的，是显示技术上的一个里程碑，它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。此技术来源海市蜃楼的原理，将图像投射在水蒸气上，由于分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像。

3、360度全息显示

它是由南加利福尼亚大学创新科技研究院的研究人员当前宣布他们成功研制的，这种技术是将图像投影在一种高速旋转的镜子上从而实现三维图像，只是会有些危险。

全息影像技术的优势 

利用全息照片来重现十分逼真的物体的三维图像。这个领域是商业价值较高的领域，尤其是白光再现全息术，它是走出实验室的最实用的全息术。

全息摄影与普通摄影的区别主要有：

类别	全息摄影	普通摄影
记录方式	物束光与参考光束	光学镜头成像（物束光）
记录内容	物体散射光的强度及相位信息	物体本身或反射光的强度
成像介质	记录后称全息片（全灰色调）	感光胶片
影像观察方式	一般借助激光还原观看	眼睛直接观看
色彩表现	色彩干涉条纹图像	彩色物体图
影像特点	3D空间立体感的景物 只有散射光线而没有实物	平面物体图像

与普通摄影相比，全息成像具有如下优点：再造出来的立体影像有利于保存珍贵的艺术品资料进行收藏。拍摄时每一点都记录在全息片的任何一点上，一旦照片损坏也关系不大。

全息照片的景物立体感强，形象逼真，借助激光器可以在各种展览会上进行展示，会得到非常好的效果。 

对比一下全息投影与3D技术，可以发现：全息投影是记录了物体所有图像信息来重塑整个物体，使人能够360°无死角地观看而产生立体感；3D技术则是通过记录物体部分图像信息，再通过模拟“双目效应”，使人产生立体感。

打个比方，全息投影犹如再造机，它记录下物体所有图像信息后，便在造出一模一样的个体；3D技术犹如复印机，它记录下物体某一面的图像信息，重新复印一次。由此可知，全息投影技术的技术含量远高于3D立体投影技术。 

不仅从技术含量上全息投影更为先进，在投影质量上，全息投影同样是更胜一筹。 我们知道，3D不论立体感再如何强，它始终需要巨大的银幕作为背投，这便给观众一种非真实感，即感觉上始终是二维平面上的特技处理。

其次，3D只记录了物体部分的图像信息，因此画面并不完整，它只有120°左右的观看视角。比如，画面中有人物正对观众，如果观众想看看人物后背，他是不可能走到银幕背后去看人物的后背的，因为那里的图像信息并没有被3D记录下来，它丢失了。而全息投影则不同，它根本就不需要银幕，因为整个画面是投影在空中的，这边不会产生3D的非真实感，

另外，全息投影记录了物体所有图像信息，它的观赏视角是360°无死角的，这就意味着，我们在3D中是不能走到画面背后去看人物后背，但在全息投影中，不仅仅是后背，人物的侧面、顶部、下部，一切视角的图像我们都可以看到，如同一个真实的人站在那里有我们观察，因为全息投影记录了物体的所有图像信息，它不存在丢失的情况。 

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

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。

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

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。

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。

编辑：黄飞