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星之光|不一樣的3D——全息影像技術的發展史

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品。就像在各種各樣的科幻、諜戰大片中,用手一揮,巨大的顯示屏上多頁圖表或者照片直接出現在面前,無需觸碰屏幕,用手一揮,屏幕上的內容自然切換,甚至能夠讓不同時空的人面對面進行交談。所有這些,都被統稱為全息影像技術。


  根據維基百科給出的定義,真正的全息影像技術是指通過相干光干涉原理記錄和查看圖像,當合適地將其呈現時,便可以精確地再現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,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生立體視覺。

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  全息影像技術的發展史


  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(Holography)這樣一種全新的成像概念,并獲得了諾貝爾獎。全息術的成像利用了光的干涉原理,以條紋形式記錄物體發射的特定光波,并在特殊條件下使其重現,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,意為包含了全部信息。但在當時的條件下,全息圖像的成像質量很差,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,因此大量的科學家花費了十年的時間卻沒有使這一技術有很大進展。


  1962年,美國人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息術的基礎上,將通信行業中“側視雷達”理論應用在全息術上,發明了離軸全息技術,帶動全息技術進入了全新的發展階段。這一技術采用離軸光記錄全息圖像,然后利用離軸再現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量差的問題。


  1969年,本頓發明了彩虹全息術,能在白熾燈光下觀察到明亮的立體成像。其基本特征是,在適當的位置加入一個一定寬度的狹縫,限制再現光波以降低像的色模糊,根據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。彩虹全息術的發明,帶動全息術進入了第三個發展階段。傳統全息技術采用鹵化銀等材料制成感光膠片,完成全息圖像信。


  20世紀60年代末期,古德曼和勞倫斯等人提出了新的全息概念———數字全息技術,開創了精確全息技術的時代。

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  到了90年代,隨著高分辨率CCD的出現,人們開始用CCD等光敏電子元件代替傳統的感光膠片或新型光敏等介質記錄全息圖,并用數字方式通過電腦模擬光學衍射來呈現影像,使得全息圖的記錄和再現真正實現了數字化。數字全息技術的成像原理是,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字全息圖;然后利用菲涅爾衍射原理在電腦中模擬光學衍射過程,實現全息圖的數字再現;最后利用數字圖像基本原理再現的全息圖進行進一步處理,去除數字干擾,得到清晰的全息圖像。


  數字全息技術是計算機技術、全息技術和電子成像技術結合的產物。它通過電子元件記錄全息圖,省略了圖像的后期化學處理,節省了大量時間,實現了對圖像的實時處理。同時,其可以進行通過電腦對數字圖像進行定量分析,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。


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


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