简易全息装置的设计制作与性能研究

易鑫，夏江南，苏恒，袁万成，夏雄平

（桂林理工大学理学院，广西桂林，541004）

0 引言

全息技术是现代应用光学的一个重大成就，它突破了传统声、光、电的局限，使得空间成像变得色彩鲜艳，画面更为丰富，能得到更为真实、更震撼的艺术效果，带给人们虚实结合的梦幻立体感受。全息技术主要应用到了光的干涉和衍射的原理，它通过干涉和衍射记录信息并再现物体真实的三维图像，实现真正意义上的3D投影。全息技术是一门不断发展的新技术学科，它已经在产品检查、全息显示、全息光学元件、电影和娱乐产业等方面被广泛应用[1，2]。本文基于全息技术的基本原理，应用3DMAX等软件，设计制作了一个简易实用的全息装置，并对影响全息成像的因素进行了具体的研究。

1 系统设计与研制

（1）制作器材：使用全息装置器材包括17.3寸IPS高清显示屏（LTN173HL01），平板支架，EDP驱动板，HDMI高清信号线，全息膜，亚克力板，铝合金支架，KT板，彩色平面玻璃，激光笔。

（2）全息投影装置主体的设计：根据文献显示[3]，全息投影装置在180°成像效果较稳定，对视频源要求不是很高，因此设计确定采用180°全息投影装置。在设计中，首先根据IPS显示屏尺寸，用3DMAX软件制作出整体支架立体图，如图1所示，根据立体图确定支架尺寸及形状，做成全息投影装置主体。

图1 利用3DMAX设计出的全息投影整体支架立体图

（3）制作流程：主要包括视频源驱动及显示器、全息膜的安装及固定和固定全息膜与屏幕的角度。其中对于视频源驱动及显示器：在底部用自攻螺丝将木板固定在A上，并用KT板做出驱动转接线通道，然后将视频驱动固定在B板之下，做成一个简单的遥控结构，在B板上面用手电钻打出HDMI接口形状的小孔，转接驱动线通过小孔与视频源驱动连接。对于全息膜的安装及固定：根据文献资料显示[4]，全息膜与显示屏成45°成像效果最佳，在量出A柱B柱C柱D柱高度之后，利用显示器宽度²＋柱高²=全息膜宽度²和显示器长度=全息膜长度算出全息膜的宽度以及长度。然后利用KT板的易加工性，根据计算，用KT板做成等腰直角三角形，用其来固定全息膜与屏幕的角度，并将其固定在空中，并与显示屏保持相对的平行。通过上述基本步骤，制作出简易全息装置，如图2所示。

图2 简易全息装置实物图

2 装置的测试与性能研究

（1）全息膜背面遮盖颜色的对比实验

在调试中分别用黑色幕布、蓝色平面玻璃和红色平面玻璃覆盖框架来进行实验。初始状态未做任何改变，直接在白光下进行投影，调试发现，在白光的照射下，反射现像较为严重，在全息膜上投出的像会有较强的光斑重叠，成像较为模糊。在覆盖上蓝色玻璃以及红色玻璃之后成像效果没有太大改变，但是光斑重叠现象变弱，成像的轮廓变得相对清晰；在盖上黑色幕布之后，当在A柱与B柱之间盖上一层黑色幕布之后，全息投影效果明显加强，光斑完全消失，成像较为清晰，无论是纵深感还是立体感，都更加清晰，唯一不足的就是颜色要比片源偏淡，当周围环境逐渐变暗，颜色也相对的加深，周围为黑色时全息投影达到理想状态（如图二所示）。

（2）全息膜与显示屏所成角度的对比实验。

通过改变直角KT板边长来改变全息膜与显示屏的角度。从起始45°开始，角度逐渐变小，发现投射出来的像立体感逐渐变差，且人物比例沿Z轴方向局部变小；当将夹角从45°开始逐渐增大时，投出来的像立体感逐渐变强，但是人物比例沿Z轴方向局部变大，该实验再一次论证了文献中所说的45度夹角的正确性，所成的像缩放的比例合适，成像效果相对逼真。

（3）全息膜的材质的对比实验。

在测试过程中，分别采用全息膜、亚克力板和玻璃进行试验测试，分析其透光率和可见光的反射率对全息成像质量的影响，如图3所示。通过测试发现，使用全息膜，由于膜的表面通过真空磁控溅射技术镀上纳米级的感光图层，使膜对全波段保持很高的透光率（约97%），同时镜面外观对可见光也具有较高的反射率（约20%），此时能使影像产生较大的立体纵深感。当用其它材质的成像膜来代替全息膜进行实验发现：在用亚克力板进行实验时，透光率降低（约91%），而对可见光的反射率很低（低于5%），此时成像清晰度变差，且纵深感降低，立体感变弱，图形有少许的虚化；在用玻璃进行实验时，透光率降低明显（约81%），而反射率也较弱（约10%），发现几乎没有清晰成像，视频光源几乎没有留在玻璃表面，成像效果不清晰，且有少许重叠，不能投射清晰的像。从三种材料的对比试验研究发现，对全波段的透光率和对可见光的反射率明显影响全息成像的质量，两者的相对值越高，成像质量越高，图3为采用全息膜来测试的结果，其成像质量清晰，逼真度高，立体感强。

图3 使用全息膜、亚克力板和玻璃进行试验时的透光率和对可见光反射率。

3 结论

本文基于光的干涉和衍射的基本原理出发，利用3-Dmax软件设计制作了一个简易实用的全息成像装置，本设计具有低成本、结构简单、基本功能具备以及容易实现功能的拓展等特点。通过对比试验研究发现，只有在纯黑色的条件下，全息投影的成像效果最好，在其它偏暗的环境下（如蓝色，红色）的投影效果比不上前者，白色最差。当改变全息膜与显示器的角度时，发生改变的不仅仅只是成像清晰度，伴随变化的还有成像的局部比例，且当全息膜与显示屏成45°成像效果最佳。当投影材质改变时，发现180°全息投影的成像效果与投影材质的透光性和对可见光的反射率所共同决定，透光性与反射率的相对大小是影响全息投影成像的关键所在，两者的值越大，成像效果越好。

参考文献

[1]黄建.3D全息投影技术发展应用[J].演艺科技,2015（1）：45-47.

[2]夏溢涵,王芳君,张乘风.全息投影在展示设计中的应用研究[J].家具与室内装饰，2014（10）：16-17.

[3]麻艳华,覃园园.全息投影的简易制作与探究[J].中国教育技术装备 ,2016（9）：31-36.

[4]于丽,杨宇.一种三维全息投影屏的制作方法[J].激光与光电子学进展,2013(2):115-118.