全息投影技术的原理解析与应用展望

王洁

摘 要：随着电子信息技术的飞速发展，全息投影技术作为一种新型三维成像技术在不同行业得到了越来越广泛的应用。不同于以往的投影技术，运用全息投影技术，人眼能直接看到空间中的三维图像。本文详细介绍了全息投影技术的基本原理，结合具体光路结构对全息投影过程进行介绍，分析全息投影技术相较与其它三维显示技术的优缺点对比，对全息投影的关键技术进行了讨论，结合全息投影技术在影视等领域的进行了详细的介绍，分析目前全息投影技术发展的瓶颈，并对全息投影技术的发展和未来进行展望。

关键词：全息投影;三维图像;应用展望

0 引言

全息投影技术实质上是一种新型的三维成像技术，利用干涉记录和衍射再现原理还原物体真实三维图像的一种技术。随着全息投影技术的不断发展，被人们广泛应用于各个行业的诸多领域，给我们的生活带来了很大的变化，并且也让我们的世界变得更加的精彩了。

1947年，英国物理学家丹尼斯·盖伯发明全息投影技术，1962年苏联科学家获得了第一张光学三维全息投影图。1967年，Goodman又提出了数字全息的概念，CCD或CMOS等光电转换器件代替银盐干板来记录干涉后的全息图，通过计算机模拟衍射过程实现物体的全息再现。虽然全息投影出现的时间很早，但是受到记录介质和再现介质的限制，一直很难得到商业化应用。进入21世纪，性能优良介质的出现和越来越广泛的应用极大的促进了全息投影技术的发展。

本文详细介绍了全息投影技术的基本原理，结合具体光路结构对全息投影过程进行介绍，并在此基础上分析了全息投影技术相较与其它三维显示技术的优缺点对比，结合全息投影技术在影视等领域的进行了详细的介绍，分析目前全息投影技术发展的瓶颈，并对全息投影技术的发展和未来进行展望。对于全息投影技术的发展有着积极的意义。

1 基本原理

通过对携载物体三维信息的物光波进行记录，并且还原出物体的波前信息就可以实现对原先记录物体的三维成像。全息投影技术是利用光的干涉和衍射原理，将记录样本的信息以干涉条纹的形式记录下来，并通过再现光照射记录介质还原记录样本的一种技术。核心原理包括干涉记录和衍射再现两个过程。

1.1 干涉记录

首先是利用干涉原理进行记录，把光源一分为二，一束光照射物体获得反射或者散射的物光波，另一部分光源作为参考光波照射到记录介质，两束光发生干涉形成一系列明暗相间的条纹。记录条纹的介质经过显影、定影等处理程序后，便成为全息图，对于数字全息来说，则是用CCD，CMOS等光电传感器代替记录介质。

记录过程表达式如下所示：

1.2 衍射再现

通过再现光波照射记录介质实现衍射再现：全息图是一系列明暗相间的条纹，当再现光波进行照射时，会产生一对孪生像，分别是再现像和共轭像。再现像具有高度真实的三维立体感觉。产生的过程如下所示：

再现过程：用另一束参考光来照射全息图，可以得到原来的物光波信息。

2 优劣势对比

近年来，数字全息显示技术的发展为三维立体显示提供了新的平台，其中VR、AR、MR也是广泛使用的三维显示技术，下面我们进行具体的对比。

Virtual Reality，简称VR，称为虚拟现实。通过电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供包括视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者身临其境，在虚拟世界中进行互动。在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。

增强现实（Augmented Reality，简称AR），目的是将虚拟的世界和现实的世界进行叠加，以现实世界为主体，通过摄像机获取真实世界的位置并进行图像处理获得两者的叠加互动。

MR，Mixed Reality，混合现实，一种将真实场景和虚拟场景非常自然地融合在一起，也可以看成为增强现实的一部分，但是在这里很难分清哪个是真实哪个是虚拟，两者很好的融合为一个整体。

简单来说，虚拟现实（VR）是完全由计算机创造的虚假的世界，增强现实（AR）所在的世界则是有真有假。无论是虚拟现实还是增强现实，都是基于双目立体视觉的原理，使左眼和右眼互不干扰，看到不同的图像，然后两者在大脑合成立体图像。但是全息投影则是记录的物光波信息，可以实现真正的三维信息的再现，通过单目也可以看到立体图像，因此相比前者更加具有身临其境的感觉。全息投影技术不需要佩带任何硬件设备就可以看到真实的物体三维信息。全息技术可以用在电影放映中。如今，全息投影已经成为了目前市场上应用非常火热的一种多媒体投影技术。全息带给传统电影的影响是非常巨大的，观众观看全息电影，首先体验到的就是身临其境之感。全息是裸眼3D投影技术，因此在不同的位置观看全息电影，看到的画面是和现实毫无差别的。

3 应用

全息投影技术可以更加直观的观测三维信息，在生物医学方面得到了广泛的应用。1987年，Onural和Scott改善了数字全息技术的重构算法，并应用到了微粒测量，逐步发展下，如今可以用于对观测样本的细胞数目进行定量和定性分析、用于记录细胞分裂，融合等动态过程，其中数字全息显微的一个突出优点在于它的动态性。

关于全息三维成像技术已经发展了很多年，并得到了广泛应用。全息投影技术可以实现真实和虚拟环境的结合，将真实的人和虚拟的人进行配合完成演出。2015年春晚节目《蜀绣》，就是采用了全息投影技术。舞台中央放置着倾斜45°的全息薄膜，起到衍射再现的作用。三维图像经过前期的干涉记录过程和后期的特效处理，在演出过程中进行精密的配合，才出现了演出时华丽的视觉效果。但是这并不是完全意义上的全息投影技术，因为通过全息膜得到的圖像仍然不是一个完整意义的三维物体，目前投影介质仍然是一个困扰的问题。

4 总结

本文介绍了全息投影技术的基本原理、光路结构，分析了全息投影技术相较与其它三维显示技术的优缺点对比，对全息投影的关键技术进行了讨论。全息投影技术是一种极具发展潜力的三维成像技术。可以实现裸眼三维成像，可以得到更加身临其境的感觉。然后目前全息投影技术距离大规模的商业化应用仍然具有很大的距离，具体原因主要包括：

（1）全息成像工艺相当复杂，制作成本高，投影记录介质和再现介质的成本都非常昂贵。

（2）全息投影的成像目前仍然受到场地的限制，很容易受到周围环境的影响。

然而，目前随着工艺的不断提高，性能优良性价比更高的全息投影介质和再现介质的出现只是时间的问题，相信在不久的将来，全息投影技术能真正惠及到普通家庭当中。

参考文献

[1]周文静，于瀛洁，陈明仪.数字全息显微测量技术的发展与最新应用[J].光学技术，2007，33（6）：000870-874.

[2]马利红.数字全息显微成像像质优化及系统实现[D].杭州：浙江大学，2011.

[3]潘哲朗.微小生物体的数字全息显微层析成像技术研究[D].广州：暨南大学，2016.

[4]孙延禄.3D电影技术的新进展[J].现代电影技术，2008，（3）：3-6.

[5]高五峰.詹姆斯·卡梅隆与3D电影技术[J].当代电影，2012，（11）：48-50.

[6]杨德兴，许增奇，姜宏振，等.利用数字全息干涉术测量电路板的连续弯曲形变[J].光学精密工程，2012，20（8）：1789-1795.

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