全息投影
2020-06-01 12:14

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  全息投影技术(front-projected holographic display)属于3D技术的一种,原指利用干涉原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。而后随着科幻电影与商业宣传的引导,全息投影的概念逐渐延伸到舞台表演、展览展示等商用活动中。但我们平时所了解到的全息往往并非严格意义上的全息投影,而是使用珮珀尔幻像、边缘消隐等方法实现3D效果的一种类全息投影技术。

  “全息”来自希腊字“holo”,含义是“完全的信息”,即包含光波中的振幅和相位信息。普通的摄影技术仅能记录光的强度信息(振幅),深度信息(相位)则会丢失。而全息技术的干涉过程中,波峰与波峰的叠加会更高,波峰波谷叠加会削平因此会产生一系列不规则的,明暗相间的条纹,从而把相位信息转换为强度信息记录在感光材料上。2019年5月16日,第三届世界智能大会上,展出全息投影技术。

  了全息投影术,他因此项工作获得了1971年的诺贝尔物理学奖。其它的一些科学家在此之前也曾做过一些研究工作,解决了一些技术上的的问题。全息投影的发明是盖伯在英国BTH公司研究增强电子显微镜性能手段时的偶然发现,而这项技术由该公司在1947年12月申请了专利(专利号GB685286)。这项技术从发明开始就一直应用于电子显微技术中,在这个领域中被称为电子全息投影技术,但由于光波的相干性与大强度光源等问题的限制,全息投影技术一直到1960年激光的发明才取得了实质性的进展。

  第一张实际记录了三维物体的光学全息投影照片是在1962年由苏联科学家尤里·丹尼苏克拍摄的。与此同时,美国密歇根大学雷达实验室的工作人员艾米特·利思和尤里斯·乌帕特尼克斯也发明了同样的技术。尼古拉斯·菲利普斯改进了光化学加工技术,以生产高质量的全息投影图片。

  全息投影可以分为如下若干类。透射全息投影,如利思和乌帕特尼克斯所发明的技术,这种技术通过向全息投影胶片照射激光,然后从另一个方向来观察重建的图像。后来经过改进,彩虹全息投影可以使用白色光来照明,以观察重建的图像。彩虹全息投影广泛的应用于诸如信用卡安全防伪和产品包装等领域。这些种类的彩虹全息投影通常在一个塑料胶片形成了表面浮雕图案,然后通过在背面镀上铝膜使光线透过胶片以重建图像。另一种常见的全息投影技术称为反射全息投影,或称为丹尼苏克全息投影。这种技术可以通过使用白色光源从和观察者相同的方向来照射胶片,通过反射来重建彩色的图像,以重建图像。镜面全息投影是一种通过控制镜面在二维表面上的运动来制造三维图像的相关技术。它通过控制反射光线或者折射光线来构造全息图像,而盖伯的全息投影是通过衍射光来重建波前的。

  促使全息投影在短短的一段时间内就蓬勃发展的关键原因是低成本的固体激光器的大规模生产,如DVD播放机和其他的一些常用设备中所使用的激光器。这些激光器对全息投影的发展也产生了极大的促进作用。这些廉价的体积又很小的固体激光器可以在某些条件下与最初用于全息投影的那些大型的昂贵的气体激光器相媲美,因此使得预算较低的研究者、艺术家甚至业余爱好者都可以参与到全息投影研究中来。

  全息投影技术(front-projected holographic display)也称虚拟成像技术,是利用干涉衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。

  其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息,此即拍摄过程:被摄物体在激光辐照下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,和物光束叠加产生干涉,把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度,从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后,便成为一张全息图,或称全息照片。

  其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息,这是成象过程:全息图犹如一个复杂的光栅,在相干激光照射下,一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象,即原始象(又称初始象)和共轭象。再现的图像立体感强,具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像,通过多次曝光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。

  全息技术可细分为光全息技术、数字全息技术、计算全息技术、微波全息技术、反射全息技术、声全息技术等等。应用在显示、测量、加密、识别等各个领域,我们常见的传统全息技术即为光全息技术。

  全息技术能记录物体光波振幅和相位的全部信息,并能把它再现出来。因此,应用全息技术可以获得与原物完全相同的

  (从不同角度观察全息图的再现虚像,可以看到物体的不同侧面,有视察效应和景深感)。

  全息图的任何局部都能再现原物的基本形状,物体上任意点散射的球面波可抵达全息干板的每个点或每个局部,与参考光相干涉形成基元全息图,也就是全息图的每点或局部都记录着来自所有物点的散射光。因此,物体全息图每一局部都可以再现出记录时所有照射到该点局部的物点,形成物体的像,也就是破损后部分全息图仍能再现物体的像。

  作为光波信息的记录者,有无全息图是判断我们所接触的3D技术是否为全息技术的重要标准。

  :在美国麻省一位叫ChadDyne的29岁理工研究生发明了一种空气投影和交互技术,这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液化形成的小水珠上,由于分子震动不均衡,可以形成层次和立体感很强的图像。

  :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

  我们在春晚、演唱会、舞台上看到的“全息”技术基本就是此类技术,将画面投射到「全息」膜上或者反射到「全息」膜上,再利用暗场来隐藏起全息膜,从而形成图像悬浮在空中的效果。

  这种技术利用了视觉暂留原理,通过LED的高速旋转来实现平面成像,但由于LED灯条在旋转时并非密不透风,观察者依然可以看到灯条后的物体,从而让观察者感觉画面悬浮在空中,实现类似3D的效果。

  全息的概念在国内拥有良好的群众基础;科幻电影里看见漂浮在空气中的显示器,常被大家称为「全息显示」;既然「全息」的群众基础这么好,很多商家在宣传透明显示和3D显示相关技术的时候都会加一个「全息」的艺名,例如阿里巴巴上卖的投影「全息」膜;例如科技展厅内常见的金字塔「全息」展示柜,甚至如微软的HoloLens也只是双目立体虚像显示,而非「全息」显示器(虽然有光波导和光栅部件),因此导致国内对「全息」的认知有着普遍的误解。而事实上当我们需要判断看见的「全息」投影是否是真正的全息时,只需知道有无全息图即可。

  全息投影的应用相比于更倾向服务个人的AR、VR技术,更符合多人观看的场景和体育的属性。更重要的是,它的应用将会真正消弭传统体育与电子竞技之间的差异。

  一年一度的西南偏南开幕了,我们的好朋友索尼又来炫技了。爱范儿去年曾报道过索尼在 2017 年的 SXSW 上展示过那台叫做 Xperia Touch 的神奇投影仪。而其更加令人新奇的体验式,是借助各种模型,配合软件可以实现类似增强现实和全息影像的玩法。