3D全息影像技術(shù)

　　全息顯示技術(shù)的問(wèn)世給真正的立體三維電視帶來(lái)了希望之光。全息電視與立體電視相比，其優(yōu)越之處不僅僅在于立體三維圖像更接近于物體自身，而且還要從人眼對(duì)物體深度感在生理上的心理暗示來(lái)加以考慮。

　　全息顯示的基本機(jī)理

　　全息學(xué)(Holography)自20世紀(jì)60年代激光器問(wèn)世后得到了迅速的發(fā)展。其基本機(jī)理是利用光波干涉法同時(shí)記錄物光波的振幅與相位。由于全息再現(xiàn)象光波保留了原有物光波的全部振幅與相位的信息，故再現(xiàn)象與原物有著完全相同的三維特性。換句話說(shuō)，人們觀看全息像時(shí)會(huì)得到與觀看原物時(shí)完全相同的視覺(jué)效果，其中包括各種位置視差，這即是全息三維顯示的理論依據(jù)。從這種意義上來(lái)說(shuō)，全息才是真正的三維圖像，而上述的各種由體視對(duì)合成的圖像充其量?jī)H是準(zhǔn)三維圖像(并無(wú)垂直視差的感覺(jué))。20世紀(jì)80年代后，激光全息技術(shù)的迅速發(fā)展，成為一種異軍突起的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在激光全息技術(shù)中，全息顯示技術(shù)由于更接近于人們的日常生活而倍受關(guān)注。它不僅可制出惟妙惟肖的立體三維圖片美化人們的生活，還可將其用于證券、商品防偽、商品廣告、促銷、藝術(shù)圖片、展覽、圖書(shū)插圖與美術(shù)裝潢、包裝、室內(nèi)裝潢、醫(yī)學(xué)、刑偵、物證照相與鑒別、建筑三維成像、科研、教學(xué)、信息交流、人像三維攝影及三維立體影視等眾多領(lǐng)域，近年來(lái)還發(fā)展成為寬幅全息包裝材料而得到了廣泛的應(yīng)用。由于白光再現(xiàn)全息技術(shù)可在白晝自然環(huán)境中或在普通白光照射條件下觀看物體的三維圖像，一直研究全息技術(shù)的最新發(fā)展及運(yùn)用，期待自身的努力使得全息顯示技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。

　　透射式全息顯示圖像

　　透射式全息顯示圖像屬于一種最基本的全息顯示圖像。記錄時(shí)利用相干光照射物體，物體表面的反射光和散射光到達(dá)記錄干板后形成物光波;同時(shí)引入另一束參考光波(平面光波或球面光波)照射記錄干板。對(duì)記錄干板曝光后便可獲得干涉圖形，即全息顯示圖像。再現(xiàn)時(shí)，利用與參考光波相同的光波照射記錄干板，人眼在透射光中觀看全息板，便可在板后原物處觀看到與原物完全相同的再現(xiàn)像，此時(shí)該像屬于虛像。假如利用與參考光波的共軛光波相同的光波照射記錄干板，即從記錄干板右方射向記錄干板而會(huì)聚一點(diǎn)的球面光波，則經(jīng)記錄干板衍射后會(huì)聚而形成原物的實(shí)像。

　　透射式全息顯示圖像清晰逼真，景深較大(僅受光波相干長(zhǎng)度的限制)，觀看效果頗佳。但為確保光的相干性，需用激光記錄與再現(xiàn)。采用激光也會(huì)帶來(lái)其特有的散斑效應(yīng)的弊病，即再現(xiàn)像面上附有微小而隨機(jī)分布的顆粒狀結(jié)構(gòu)。

　　反射式全息顯示圖像

　　為克服透射式全息顯示圖像無(wú)法利用普通白光(非相干光)再現(xiàn)的缺陷，人們又發(fā)展了反射式全息顯示圖像。將物體置于全息板的右側(cè)，相干點(diǎn)光源從左方照射全息板。將直接照射至全息板平面上的光作為參考光;而將透過(guò)全息板(未經(jīng)處理過(guò)的全息板是透明的)的光射向物體，再由物體反射回全息板的光作為物光，兩束光干涉后便形成全息顯示圖像。由于記錄時(shí)物光與參考光分別從全息板兩側(cè)入射，故全息板上的干涉條紋層大致與全息板平面平行。再現(xiàn)時(shí)，利用光源從左方照射全息板，全息板中的各條紋層宛如鏡面一樣對(duì)再現(xiàn)光產(chǎn)生出反射，在反射光中觀看全息板便可在原物處觀看到再現(xiàn)的圖像。

　　制作反射式全息顯示圖像時(shí)，通常采用較普通透射式全息顯示圖像更厚的記錄介質(zhì)(厚約15μm的感光乳膠層)。因干涉條紋層基本上與全息板平面平行，介質(zhì)層內(nèi)形成多層干涉條紋層，即反射層，故全息板的衍射相當(dāng)于三維光柵的衍射，必須滿足布拉格(Bragg)衍射條件，即僅有某些具有特定波長(zhǎng)及角度的光才能形成極大的衍射角。由于具有這種選擇性，反射式全息顯示圖象便可用普通白光擴(kuò)展光源再現(xiàn)。這是其一大優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)亦消除了激光的散斑效應(yīng)。近年來(lái)，該類全息顯示圖像已廣泛應(yīng)用于小型裝飾物的三維顯示，并已實(shí)現(xiàn)商品化，市面上將其稱為“激光寶石”。反射式全息顯示圖象還可用作壁掛式顯示，但制作屏幕較大的反射式全息顯示圖像技術(shù)難度較大;另一缺陷是其景深不太大，距記錄介質(zhì)平面較遠(yuǎn)處的圖像有點(diǎn)模糊不清。

　　像面式全息顯示圖像

　　根據(jù)全息學(xué)的理論，對(duì)于普通透射式全息顯示圖像而言，當(dāng)再現(xiàn)光波長(zhǎng)與記錄時(shí)的光波長(zhǎng)不同，或再現(xiàn)光源為非理想點(diǎn)光源而有一定的空間擴(kuò)展時(shí)，再現(xiàn)像點(diǎn)將會(huì)發(fā)生彌散而變得模糊，由上述兩種因素造成的像點(diǎn)模糊量皆與象點(diǎn)和全息板的距離成正比。因此，假如記錄時(shí)讓物點(diǎn)落在全息板上或很靠近于全息板，則用普通白光擴(kuò)展光源再現(xiàn)時(shí)，像點(diǎn)的模糊量仍小至可接受的程度。因?qū)嶋H物體難以直接“嵌入”全息板，故人們采用將物體通過(guò)透鏡成像于全息板的附近，同時(shí)引入?yún)⒖脊獠ㄅc其干涉的辦法來(lái)記錄全息顯示圖像，這樣記錄的全息顯示圖像稱為像面全息顯示圖像，它可用普通白光擴(kuò)展光源再現(xiàn)。顯然，這種全息顯示圖像的景深也是有限的，距全息板平面愈遠(yuǎn)的像點(diǎn)愈模糊不清。

　　彩虹式全息顯示圖象

　　20世紀(jì)70年代末，一種新型全息顯示圖像即彩虹式全息顯示圖像(Rainbow Hologram)問(wèn)世，它可采用白光再現(xiàn)，圖像清晰明亮，尤其適用于立體三維顯示，倍受人們的重視。彩虹式全息顯示圖像是采用激光記錄全息顯示圖像，用白光照射再現(xiàn)單色圖像的一種全息顯示技術(shù)。其基本特點(diǎn)是在記錄系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)奈恢眉尤胍粋€(gè)狹縫，其作用是限制再現(xiàn)光波，以降低圖像的色模糊，從而實(shí)現(xiàn)白光再現(xiàn)單色圖像。有人曾系統(tǒng)地分析過(guò)彩虹式全息顯示圖像的成像過(guò)程。其基本記錄方式以一步法為例，物體通過(guò)透鏡成像于全息板附近，同時(shí)光路中設(shè)置一個(gè)狹縫來(lái)限制成像光的孔徑。利用白光點(diǎn)光源以共軛方式照射全息板，便會(huì)同時(shí)再現(xiàn)物像與縫隙的實(shí)像。由于全息顯示圖像的基本作用相當(dāng)于光柵，在白光照射下具有色散的作用，故不同顏色的狹縫像分布于不同的方位。當(dāng)人眼從縫隙像左方觀看全息板時(shí)，通過(guò)不同顏色的縫隙像便可觀看到該種顏色的物像。當(dāng)人眼上下移動(dòng)時(shí)，物象會(huì)產(chǎn)生出宛如彩虹一樣的顏色變化，這也是此種全息顯示圖像名稱的由來(lái)。

　　彩虹式全息顯示圖像技術(shù)的問(wèn)世給全息顯示注入了新的活力，眾多研究者對(duì)其進(jìn)行了不斷的改進(jìn)與發(fā)展，并在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如將記錄時(shí)的單縫變?yōu)槎嗫p，可使同一角度觀看的再現(xiàn)像具有與實(shí)物一樣的彩色，或?qū)诎讏D像進(jìn)行假彩色編碼。因人們對(duì)色彩的分辨能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)灰度級(jí)的分辨能力，此種假彩色化法可極大提高對(duì)圖像的判讀能力。近年來(lái)還提出并實(shí)現(xiàn)了新型的雙孔徑彩虹式全息顯示圖像和大角度環(huán)形孔徑彩虹式全息顯示圖像。前一種可在普通白光擴(kuò)展光源下，將再現(xiàn)象的分辨率大大提高，并能由一體視對(duì)平面圖像合成無(wú)需配戴眼鏡觀看的立體三維圖像。后一種則將單縫孔徑變?yōu)榇笾睆降沫h(huán)形孔徑，從而可實(shí)現(xiàn)360°環(huán)視的再現(xiàn)像，即在白光照射下，可繞全息板轉(zhuǎn)一周以觀看物體所有側(cè)面的再現(xiàn)像。

　　合成式全息顯示圖像

　　合成式全息顯示圖像是指將一系列由普通拍攝物體的二維底片借助全息方法記錄在一塊全息軟片(或干板)上，再現(xiàn)時(shí)實(shí)現(xiàn)原物體的準(zhǔn)立體三維顯示的一種技術(shù)。實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)物體360°環(huán)視像的另一種有效方法便是合成式全息顯示圖像。它可制成圓筒式，亦可制成平面式。這里以旋轉(zhuǎn)物體為例說(shuō)明合成式全息顯示圖像的制作技術(shù)。顯然，假若將物體變?yōu)閷?shí)際場(chǎng)景，則可制作立體電視;假若將轉(zhuǎn)動(dòng)物體變?yōu)橐幌盗羞B續(xù)變化的二維圖片，則可制成活動(dòng)的動(dòng)畫(huà)。

　　這種合成式全息顯示圖像實(shí)際上是彩虹式全息顯示圖像與合成技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。利用這種方法在平面全息板上再現(xiàn)環(huán)視或立體活動(dòng)圖像，是極其誘人的。其缺陷是記錄過(guò)程較為復(fù)雜，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，這一缺陷已不再成為嚴(yán)重的問(wèn)題。近年來(lái)，研制出一套由計(jì)算機(jī)控制的合成式全息顯示圖像自動(dòng)記錄系統(tǒng)，并成功地由它制出像質(zhì)頗佳的360°環(huán)視合成式全息顯示圖像。

　　在合成式全息顯示技術(shù)中，有一種可顯示被拍攝物體動(dòng)態(tài)過(guò)程的角度多路合成式全息顯示技術(shù)，它是一種電影拍攝與全息拍攝完美結(jié)合的技術(shù)。它使用電影攝影機(jī)進(jìn)行第一步記錄，再在激光照射下用“全自動(dòng)合成全息拍攝系統(tǒng)”將記錄的二維電影片制成全息顯示圖像，它是一種實(shí)現(xiàn)了白光記錄和白光再現(xiàn)被記錄物動(dòng)態(tài)過(guò)程的高層次全息顯示技術(shù)。縱向多路合成的全息顯示圖像，由于采用了不同角度的視像進(jìn)行合成，故稱為角度多路合成式全息顯示圖像。它是一項(xiàng)集電影特技攝影、激光全息、光機(jī)電一體化、微機(jī)控制及納米感光材料等高新技術(shù)于一體的最新技術(shù)。還有另一類縱向多路合成的全息顯示圖像，它是由對(duì)客體不同深度的一系列平面層拍攝的底片合成的。如醫(yī)學(xué)中用X射線斷層攝影(CT)或超聲波斷層攝影，可得到垂直于人體軸線方向的一系列平面圖片。利用全息顯示技術(shù)將其按原順序、原間隔制成合成式全息顯示圖象，再現(xiàn)時(shí)則可觀看到一系列縱向平行排列的透明平面圖像。當(dāng)這些像的縱向間隔小到一定程度時(shí)，觀看者便如同觀看原物的透明立體三維圖像一樣。縱向多路合成的全息圖像亦可利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行制作。

　　角度多路合成式全息顯示技術(shù)具有發(fā)展前景的潛力。它可將計(jì)算機(jī)圖像信息處理、光學(xué)圖像信息處理、納米感光化學(xué)信息處理、影視技術(shù)多年來(lái)積累的視覺(jué)心理學(xué)及生理學(xué)深度感等方面的經(jīng)驗(yàn)融合一體，對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行處理，從而獲得優(yōu)質(zhì)的三維空間立體影像。觀看這種角度多路合成式全息顯示立體影象時(shí)，無(wú)需配戴眼鏡等附加裝置。它是目前記錄并顯示伴有活動(dòng)圖象的三維立體影像的最佳方法。隨著液晶顯示技術(shù)及納米級(jí)實(shí)時(shí)記錄介質(zhì)材料的研制開(kāi)發(fā)，角度多路合成式全息顯示技術(shù)將會(huì)發(fā)展成為新一代具有可持續(xù)發(fā)展的科研項(xiàng)目及值得巨大投入的研究課題。

　　模壓式全息顯示圖像

　　上述各種全息顯示圖像的共同缺陷是復(fù)制較為煩瑣，通常需采用激光源及光學(xué)器件，而且每復(fù)制一次皆需曝光、顯影和定影等過(guò)程。為解決這一問(wèn)題，20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)出一種可象印書(shū)一樣大批量快速?gòu)?fù)制的模壓式全息顯示圖像。其制作工藝過(guò)程可分為如下三步：

　　記錄原版全息顯示圖像，這種全息顯示圖像的記錄過(guò)程類似于彩虹式全息顯示圖像，但它屬于浮雕型，即與光強(qiáng)分布相應(yīng)的干涉條紋已轉(zhuǎn)變?yōu)榘纪剐蜏喜蹱罘植?

　　制作金屬壓模，即由原版全息顯示圖像經(jīng)電鍍和鑄模等工序轉(zhuǎn)為金屬模板;

　　壓印復(fù)制，通常是在透明塑料片上利用金屬模板進(jìn)行熱壓以得到復(fù)制的全息顯示圖像。這種模壓式全息顯示圖像既可制成透射式，亦可將其表面鍍以高反射率金屬膜，使其變成反射式。模壓復(fù)制技術(shù)涉及到光刻膠母版制作、電鑄及全息模壓技術(shù)，是全息顯示技術(shù)中難度最大的一種技術(shù)，它屬于高層次的全息顯示技術(shù)。

　　模壓式全息顯示圖像的最大優(yōu)點(diǎn)是可大批量生產(chǎn)。一個(gè)優(yōu)質(zhì)的模板可連續(xù)壓印一百萬(wàn)次以上，故全息顯示圖像的成本大為降低。這種全息顯示圖像的制作現(xiàn)已成為一個(gè)頗具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于防偽商標(biāo)、各種證卡及藝術(shù)性顯示等。常見(jiàn)的各種防偽標(biāo)志便是一種反射式模壓彩虹全息顯示圖像，從不同的角度觀看時(shí)，其色彩會(huì)發(fā)生一些變化。擬將合成式全息顯示技術(shù)與模壓技術(shù)有機(jī)結(jié)合一起，制成一種可360°環(huán)視或動(dòng)畫(huà)式模壓全息顯示圖像。

　　計(jì)算機(jī)全息顯示圖像

　　最后簡(jiǎn)單介紹一下近年來(lái)發(fā)展頗為迅速的計(jì)算機(jī)全息顯示圖像(ComputerGenerated Hologram)，簡(jiǎn)稱為CGH。既然全息顯示圖像屬于一種干涉圖樣，假如能利用計(jì)算機(jī)直接產(chǎn)生出這種圖樣，則無(wú)需再采用光學(xué)設(shè)備實(shí)地記錄了。這種方法既可完全節(jié)省光源及要求相當(dāng)精密的光路設(shè)置，又能模擬實(shí)際上并不存在的各種物體，故具有明顯的簡(jiǎn)易性與靈活性。

　　計(jì)算機(jī)全息顯示圖像目前已在圖像處理和干涉計(jì)量等領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。它同樣亦可應(yīng)用于立體三維圖像顯示，僅是成像質(zhì)量仍需作進(jìn)一步的改進(jìn)。值得指出的是將光學(xué)與電子學(xué)技術(shù)有機(jī)結(jié)合一起，發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì)，將是實(shí)現(xiàn)立體三維顯示的一種有效途徑。