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星之光|不一樣的3D——全息影像技術(shù)的發(fā)展史

2022-09-05

  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(chǎn)品。就像在各種各樣的科幻、諜戰(zhàn)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(xiàn)在面前,無需觸碰屏幕,用手一揮,屏幕上的內(nèi)容自然切換,甚至能夠讓不同時空的人面對面進(jìn)行交談。所有這些,都被統(tǒng)稱為全息影像技術(shù)。


  根據(jù)維基百科給出的定義,真正的全息影像技術(shù)是指通過相干光干涉原理記錄和查看圖像,當(dāng)合適地將其呈現(xiàn)時,便可以精確地再現(xiàn)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(shù),而物體反射或者透射的光線可以通過記錄膠片完全重建,仿佛物體就在那里一樣。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(chǎn)生立體視覺。

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  全息影像技術(shù)的發(fā)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(shù)(Holography)這樣一種全新的成像概念,并獲得了諾貝爾獎。全息術(shù)的成像利用了光的干涉原理,以條紋形式記錄物體發(fā)射的特定光波,并在特殊條件下使其重現(xiàn),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(shù),意為包含了全部信息。但在當(dāng)時的條件下,全息圖像的成像質(zhì)量很差,只是采用水銀燈記錄全息信息,但由于水銀燈的性能太差,無法分離同軸全息衍射波,因此大量的科學(xué)家花費了十年的時間卻沒有使這一技術(shù)有很大進(jìn)展。


  1962年,美國人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息術(shù)的基礎(chǔ)上,將通信行業(yè)中“側(cè)視雷達(dá)”理論應(yīng)用在全息術(shù)上,發(fā)明了離軸全息技術(shù),帶動全息技術(shù)進(jìn)入了全新的發(fā)展階段。這一技術(shù)采用離軸光記錄全息圖像,然后利用離軸再現(xiàn)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(zhì)量差的問題。


  1969年,本頓發(fā)明了彩虹全息術(shù),能在白熾燈光下觀察到明亮的立體成像。其基本特征是,在適當(dāng)?shù)奈恢眉尤胍粋€一定寬度的狹縫,限制再現(xiàn)光波以降低像的色模糊,根據(jù)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(shù)的發(fā)明,帶動全息術(shù)進(jìn)入了第三個發(fā)展階段。傳統(tǒng)全息技術(shù)采用鹵化銀等材料制成感光膠片,完成全息圖像信。


  20世紀(jì)60年代末期,古德曼和勞倫斯等人提出了新的全息概念———數(shù)字全息技術(shù),開創(chuàng)了精確全息技術(shù)的時代。

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  到了90年代,隨著高分辨率CCD的出現(xiàn),人們開始用CCD等光敏電子元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的感光膠片或新型光敏等介質(zhì)記錄全息圖,并用數(shù)字方式通過電腦模擬光學(xué)衍射來呈現(xiàn)影像,使得全息圖的記錄和再現(xiàn)真正實現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)字全息技術(shù)的成像原理是,首先通過CCD等器件接收參考光和物光的干涉條紋場,由圖像采集卡將其傳入電腦記錄數(shù)字全息圖;然后利用菲涅爾衍射原理在電腦中模擬光學(xué)衍射過程,實現(xiàn)全息圖的數(shù)字再現(xiàn);最后利用數(shù)字圖像基本原理再現(xiàn)的全息圖進(jìn)行進(jìn)一步處理,去除數(shù)字干擾,得到清晰的全息圖像。


  數(shù)字全息技術(shù)是計算機技術(shù)、全息技術(shù)和電子成像技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它通過電子元件記錄全息圖,省略了圖像的后期化學(xué)處理,節(jié)省了大量時間,實現(xiàn)了對圖像的實時處理。同時,其可以進(jìn)行通過電腦對數(shù)字圖像進(jìn)行定量分析,通過計算得到圖像的強度和相位分布,并且模擬多個全息圖的疊加等操作。


  必須需要認(rèn)清的一點:真正的全息成像目前還沒有真正進(jìn)入應(yīng)用階段。其實,目前我們所能看到的關(guān)于全息3D的應(yīng)用,大多運用的是一種偽裝的全息技術(shù)——即全息投影。


  真正的全息影像可以不通過過任何介質(zhì),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(zhì)呈現(xiàn)的技術(shù)并沒有出現(xiàn)。目前,絕大多數(shù)我們看到的舞臺表演中運用的全息技術(shù),都是“佩珀爾幻象”或是全息投影技術(shù)。