全息投影技术原理分析及其前景展望

谢炜杰

摘 要：在探索光影世界的道路上，人们不断前进，从绘画到照相技术，从黑白相片到彩色电影，再到如今应用越来越广泛的全息投影技术。其中，全息投影更是已逐渐成为未来光影技术发展的新方向。因此，对其成像原理以及技术要素的探究便十分必要。因此分别从全息投影技术的基本原理、发展现状及未来应用前景等方面对全息投影显像技术展开综合性论述。

关键词：全息投影;基本原理;改进方法再影像技术

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.10.091

1 引言

广义上的全息投影技术并不单指通过某种特定方法使物体成像的显像技术（包括一些伪全息投影技术），而是一类能记录并再现物体真实三维影像的技术的总称，本篇论文就选取全息投影技术作为研究对象。当前的全息投影技术主要发展出透射全息投影技术、360度全息投影以及空气投影与交互技术三种，但还是目前还存在一些问题可以改进，也是未来技术前进的一个方向。

2 全息投影技术的成像原理

首先，简单描述一下全息照相的原理。以单色光为例，其波动方程为：

x=Acos（ωt+φ-2πλr）

不同单色光相叠加之后，其波动方程为：

x=∑ni=1Acos（ωit+φt-2πriλi）

（其中r为距离）

由公式可知每一列单色光都有相位和振幅（对应光强）两个信息。而普通照相之记录了光强的信息，相位信息丢失了，从而普通照相不能体现三维效果。

而全息照相则不一样，能够同时记录相位和光强信息。如图，照相时，为保证物光与参考光的相干性，会用分光镜将同一激光发生器的光分为两束。一束光直接照射到底片上，作为参照光;一束光照射到物体上反射出物光，底片上记录的是物光与参考光的合成。

物光的公式为：

E0x，y=A0（x，y）eiψ0（x，y）

对应参考光的公式为：

ERx，y=AR（x，y）eiψR（x，y）

合成之后为：

Sx，y=Ox，y+R（x，y）

光强为：

I=S*S=[O+R][O+R]

I=A2O+A2R+2AoARcos （ψo-ψR）

由上式可知，相位信息也保存在了底片之上。底片经过冲洗之后可以使用，成为全息照片。

3 全息投影技术的显像过程

而显像过程，就是利用参考光对物光的完全重现。

用k表示透射率，底片的透射率和照相过程中受照射的光强存在以下关系

k=t0+βI（x，y）

在底片完成后，使用照相时候的相干光源R照射全息照片，则有

Ux，y=ARx，yeiψRx，y*k

Ux，y=Rx，y*[t0+βIx，y]

将I代入，则得到其中一级分光

U+1=R*β*R*O=βA2O

即第一级光完全还原了物光，包括相位和振幅在内的所有信息。即如果在第一级光出射方向观察，就能看见一个三维立体的像。

4 全息投影技术发展现状

如上文所言，当前全息投影技术主要发展出透射全息投影技术、360度全息投影以及空气投影与交互技术三种。

其中，透射全息投影技术最先出现。但由于投射全息投影技术对光源相干性要求很高，所以其在激光的问世之后才日益发展起来。与普通的照相不同，其摄像过程并不需要运用透镜，并且在对记录对象进行拍摄时，全息照相在物光之外加上了参考光，通过这种处理，胶片便在记录下光强的同时也记录下了光的相位。底片经过显像处理后，观察者能体验到像所呈现出的纵深感。

360度全息投影同样能给人带来极强的三维立体的效果，但实际上却是一种伪全息显像技术。因为根据维基百科的定义真正的全息影像技术是指通过相干光（激光就是其中一种）干涉原理对图像进行处理，以便可以精确地再现被记录物体的三维外观。是一种记录被摄物体反射（或透射）光波中全部信息（振幅、相位）的照相技术。而360度全息投影技术便相对简单。其中关键的显像部分便是全息膜，它在保证了显像清晰的情况下使观察者能透过它清晰地看到其中的像。周杰伦与“邓丽君”的同台对唱便利用了这样的全息膜。两者的原理也相差无几，它们都利用了一种光学现象，即佩波尔幻象，来实现虚拟和现实的叠加。它要求观察者既能看到材料上映出的像，又能透过材料看到另一边，性能优良的全息膜便是极好的材料。再加上现代高超的数字渲染技术，不同的画面在空间中叠加便呈现出了极好的演示效果。与其说它的进步体现了全息投影技术的进步，不如说其代表了智能渲染技术的日臻成熟。

空气投影和交互技术与360度全息投影技术同属伪全息投影技术，但也是现今发展前景最好的一种显像技术。迄今為止，它也是最接近科幻电影中全息投影效果的成像技术。利用特殊机器吸入空气，经过加热处理将其喷出，来改变空气的成像特性（比如密度），之后再由特定方向射入光线，进行投影，使物体仿佛浮在空中。观察者便能从各个方向观察物体。这种成像模式在某种程度上也与海市蜃楼的形成原理类似，当气体温度发生变化，气体的折射率便也会随着温度的改变而改变。一般情况下，由于冷空气的密度比热空气大，其折射率便也显著大于热空气。当光线从冷空气（光密介质）入射进入热空气（光疏介质）时，全反射便也有了发生的条件。而在两种介质间也会由于折射率不同而发生折射。于是，在折射与反射的共同作用下，同时加以高性能计算机的协作，空气投影和交互技术便能实现物体的三维成像工作。

5 对全息投影技术未来的展望

当今的全息投影技术也存在一些可以改进的地方，这也是未来发展的方向。透射全息投影技术对摄像设备及显像设备稳定性要求极高，微小的位移便会导致拍摄或显像质量下降，所以这种全息技术的操作需要一个相对稳定的环境。同时，为了保证显像的效果，两条相干光源的光程差要尽可能减小。为了达到最好的记录效果，底片上的用于相干光源的银化物颗粒不能过粗。考虑到透射全息投影技术的特点，未来这种全息技术更可能会用于科研领域，特别是在对微观物体的研究方面（配备He-Ne激光器），透射全息投影技术能通过向科研工作者提供更直观的三维影像给他们在微生物研究，新材料研究方面提供很大的帮助。

360度全息投影相比另两种全息技术有着无与伦比的操作便利的优势，它的显像过程几乎能在任何时间任何地点进行。唯一需要注意的便是根据不同环境对不同种全息膜选择的考量（例如灰色投影膜，镜面投影膜，魔镜投影膜等）。如今，这种三维显像技术已经得到了极广泛的应用，从珠宝、汽车的展示、到室内外景观的美化工作，各处都能看到它的身影。

空气投影和交互技术是如今世界各国都想抢占的科技制高点，它的商业前景较另两种种显像技术更加广阔。加上动作捕捉设备，它便可以真正實现电影中的全息投影效果，即不借助触控屏幕或手柄而直接操控浮于空中的三维影像，这样的成像技术在工业设计和游戏开发方面有着极大的潜力。

在探索光影世界的道路上，全息投影已逐渐成为未来光影技术发展的新方向。通过本文的讨论，对于全息投影技术的基本原理、发展现状与未来应用前景进行了详细的介绍。相信不久之后，全息投影技术将发展得更加完善，极大地提升人们的生活品质。

参考文献

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