歷史
早在雷射出現以前,1948年伽伯為了提高電子顯微鏡的分辨本領而提出了全息的概念,並開始全息照相的研究工作。1960年以後出現了雷射,為全息照相提供了一個高亮度高度相干的光源,從此以後全息照相技術進入一個嶄新的階段。相繼出現了多種全息的方法,不斷開闢全息套用的新領域。伽伯也因全息照相的研究獲得1971年的諾貝爾物理學獎金。
無論是全息攝影,還是最早的銀版照相術,它們的奧秘都在對光的記錄。所有的光都擁有三種屬性,它們分別是光的明暗強弱、光的顏色以及光的方向。早期的銀版照相和黑白照片只能記錄下光的明暗變化,而彩色照片在此之外,還能通過記錄光的波長變化,反應出它的顏色。全息攝影是惟一能同時捕捉到光的三種屬性的一種攝影術,通過雷射技術,它能記錄下光射到物體上再折射出來的方向,逼真地再現物體在三維空間中的真實景象。
然而,一直到根特兄弟的作品問世之前,所謂的真實再現一直都不過是理論上的。或許是因為好的全息圖像罕見而且難於生成,或許因為全息攝影的科學原理過於深奧,在全息攝影發明了半個世紀之後,它卻仍然是一項充滿了神秘色彩的技術。在一些媒體對伊夫·根特及其兄弟成就的報導中,有人將他們描述為“惟一真正實現了全息攝影的再現自然功能的人”,還有人說,他們的作品就像摩爾斯所說那樣,是“大自然的一部分”。這些評論可能有些言過其辭,因為實際上,全世界也有許多其他人在從事著全息攝影的研究,國際全息圖像製造者聯合會(International Hologram Manufacturers Association)就是一個聚集了全球全息攝影專家和愛好者的組織。但伊夫·根特毫無疑問是這些專家中的翹楚,在2001年冬季,這個聯合會將“本年度最佳全息攝影作品”和“最新全息攝影技術”這兩項最有分量的大獎頒發給了伊夫。
在隨後的幾年中,伊夫·根特就在自己簡陋的實驗室中自學相關的化學原理,並反覆實踐。菲力普的加入給了他很大幫助。後來,他們終於發明出名為“終極”(Ultimate)的感光乳劑。同其他的感光乳劑一樣,“終極”的主要成分也是感光性極好的溴化銀顆粒,但“終極”中的溴化銀顆粒直徑只有10納米,是普通膠片上感光顆粒的1/10到1/100。正是這些微小的顆粒使“終極”能記錄下細至纖毫的每一個細節,並在同一個感光層上同時記錄下紅、綠、藍三色。
伊夫找到了被他稱為“30年來所有人都在尋找的感光乳劑”,但他卻還有很長的路要走。他做出了複製肖維岩洞壁畫的整個方案,卻因為找不到政府的權威人士而求告無門。他還建議為巴黎的迪斯尼樂園建立一個來訪名人的全息攝影肖像館,談判卻一拖再拖。所有見過他作品的人,都承認那是完美的全息圖像,但法國的投資者過於謹慎,他們不僅要下金蛋的鵝,還要一群這樣的鵝能夠工業化、大規模下出金蛋,才肯從自己的口袋裡掏錢。為了尋求投資人,根特兄弟及其父親甚至想過要移民到魁北克。
最早的全息攝影作品轉機出現在一位美國合伙人的加入之後。他所擁有的機器能將“終極”母版上的全息圖像複製到杜邦公司製造的某種聚合體材料上。儘管這些圖像還達不到“終極”膠片上的圖像水準,但卻遠比從前的聚合體材料上的全息圖像好多了。伴隨著這種杜邦材料上的全息圖像的大規模生產,使用“終極”膠片的工業化生產也是指日可待。
原理
普通的攝像是二維平面採樣,而全息攝像則是多角度攝像,並且將這些照片疊加。為了實現立體“疊加”,需要利用光的干涉原理,用單一的光線(常用投影機)進行照射,使物體反射的光分裂(分光技術)成多束相干光,將這些相干光疊加就能實現立體影像。全息攝像需要比普通攝像處理100倍以上的信息量,對拍攝以及處理和傳輸平台都提出了很高的要求。因此最早的全息技術僅用於處理靜態的照片,而現在隨著技術的發展,計算機運算速度的不斷提升,處理和傳輸動態全息影像已經得以實現。
組成種類
透射式
透射式全息顯示圖像屬於一種最基本的全息顯示圖像。記錄時利用相干光照射物體,物體表面的反射光和散射光到達記錄乾板後形成物光波;同時引入另一束參考光波(平面光波或球面光波)照射記錄乾板。對記錄乾板曝光後便可獲得干涉圖形,即全息顯示圖像。再現時,利用與參考光波相同的光波照射記錄乾板,人眼在透射光中觀看全息板,便可在板後原物處觀看到與原物完全相同的再現像,此時該像屬於虛像。假如利用與參考光波的共軛光波相同的光波照射記錄乾板,即從記錄乾板右方射向記錄乾板而會聚一點的球面光波,則經記錄乾板衍射後會聚而形成原物的實像。透射式全息顯示圖像清晰逼真,景深較大(僅受光波相干長度的限制),觀看效果頗佳。但為確保光的相干性,需用雷射記錄與再現。採用雷射也會帶來其特有的散斑效應的弊病,即再現像面上附有微小而隨機分布的顆粒狀結構。反射式
為克服透射式全息顯示圖像無法利用普通白光(非相干光)再現的缺陷,人們又發展了反射式全息顯示圖像。將物體置於全息板的右側,相干點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;而將透過全息板(未經處理過的全息板是透明的)的光射向物體,再由物體反射回全息板的光作為物光,兩束光干涉後便形成全息顯示圖像。由於記錄時物光與參考光分別從全息板兩側入射,故全息板上的干涉條紋層大致與全息板平面平行。再現時,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再現光產生出反射,在反射光中觀看全息板便可在原物處觀看到再現的圖像。製作反射式全息顯示圖像時,通常採用較普通透射式全息顯示圖像更厚的記錄介質(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,介質層內形成多層干涉條紋層,即反射層,故全息板的衍射相當於三維光柵的衍射,必須滿足布拉格(Bragg)衍射條件,即僅有某些具有特定波長及角度的光才能形成極大的衍射角。由於具有這種選擇性,反射式全息顯示圖象便可用普通白光擴展光源再現。這是其一大優點,同時亦消除了雷射的散斑效應。近年來,該類全息顯示圖像已廣泛套用於小型裝飾物的三維顯示,並已實現商品化,市面上將其稱為“雷射寶石”。反射式全息顯示圖象還可用作壁掛式顯示,但製作螢幕較大的反射式全息顯示圖像技術難度較大;另一缺陷是其景深不太大,距記錄介質平面較遠處的圖像有點模糊不清。
像面式
根據全息學的理論,對於普通透射式全息顯示圖像而言,當再現光波長與記錄時的光波長不同,或再現光源為非理想點光源而有一定的空間擴展時,再現像點將會發生彌散而變得模糊,由上述兩種因素造成的像點模糊量皆與象點和全息板的距離成正比。因此,假如記錄時讓物點落在全息板上或很靠近於全息板,則用普通白光擴展光源再現時,像點的模糊量仍小至可接受的程度。因實際物體難以直接“嵌入”全息板,故人們採用將物體通過透鏡成像於全息板的附近,同時引入參考光波與其干涉的辦法來記錄全息顯示圖像,這樣記錄的全息顯示圖像稱為像面全息顯示圖像,它可用普通白光擴展光源再現。顯然,這種全息顯示圖像的景深也是有限的,距全息板平面愈遠的像點愈模糊不清。彩虹式
20世紀70年代末,一種新型全息顯示圖像即彩虹式全息顯示圖像(RainbowHologram)問世,它可採用白光再現,圖像清晰明亮,尤其適用於立體三維顯示,倍受人們的重視。彩虹式全息顯示圖像是採用雷射記錄全息顯示圖像,用白光照射再現單色圖像的一種全息顯示技術。其基本特點是在記錄系統中適當的位置加入一個狹縫,其作用是限制再現光波,以降低圖像的色模糊,從而實現白光再現單色圖像。有人曾系統地分析過彩虹式全息顯示圖像的成像過程。其基本記錄方式以一步法為例,物體通過透鏡成像於全息板附近,同時光路中設定一個狹縫來限制成像光的孔徑。利用白光點光源以共軛方式照射全息板,便會同時再現物像與縫隙的實像。由於全息顯示圖像的基本作用相當於光柵,在白光照射下具有色散的作用,故不同顏色的狹縫像分布於不同的方位。當人眼從縫隙像左方觀看全息板時,通過不同顏色的縫隙像便可觀看到該種顏色的物像。當人眼上下移動時,物象會產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。
彩虹式全息顯示圖像技術的問世給全息顯示注入了新的活力,眾多研究者對其進行了不斷的改進與發展,並在眾多領域得到了套用。如將記錄時的單縫變為多縫,可使同一角度觀看的再現像具有與實物一樣的彩色,或對黑白圖像進行假彩色編碼。因人們對色彩的分辨能力遠遠超過對灰度級的分辨能力,此種假彩色化法可極大提高對圖像的判讀能力。近年來還提出並實現了新型的雙孔徑彩虹式全息顯示圖像和大角度環形孔徑彩虹式全息顯示圖像。前一種可在普通白光擴展光源下,將再現象的解析度大大提高,並能由一體視對平面圖像合成無需配戴眼鏡觀看的立體三維圖像。後一種則將單縫孔徑變為大直徑的環形孔徑,從而可實現360°環視的再現像,即在白光照射下,可繞全息板轉一周以觀看物體所有側面的再現像。
合成式
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藉助全息方法記錄在一塊全息軟片(或乾板)上,再現時實現原物體的準立體三維顯示的一種技術。實現再現物體360°環視像的另一種有效方法便是合成式全息顯示圖像。它可製成圓筒式,亦可製成平面式。這裡以鏇轉物體為例說明合成式全息顯示圖像的製作技術。顯然,假若將物體變為實際場景,則可製作立體電視;假若將轉動物體變為一系列連續變化的二維圖片,則可製成活動的動畫。
這種合成式全息顯示圖像實際上是彩虹式全息顯示圖像與合成技術的有機結合。利用這種方法在平面全息板上再現環視或立體活動圖像,是極其誘人的。其缺陷是記錄過程較為複雜,但隨著計算機技術的發展與普及,這一缺陷已不再成為嚴重的問題。近年來,研製出一套由計算機控制的合成式全息顯示圖像自動記錄系統,並成功地由它制出像質頗佳的360°環視合成式全息顯示圖像。在合成式全息顯示技術中,有一種可顯示被拍攝物體動態過程的角度多路合成式全息顯示技術,它是一種電影拍攝與全息拍攝完美結合的技術。它使用電影攝影機進行第一步記錄,再在雷射照射下用“全自動合成全息拍攝系統”將記錄的二維電影片製成全息顯示圖像,它是一種實現了白光記錄和白光再現被記錄物動態過程的高層次全息顯示技術。
縱向多路合成的全息顯示圖像,由於採用了不同角度的視像進行合成,故稱為角度多路合成式全息顯示圖像。它是一項集電影特技攝影、雷射全息、光機電一體化、微機控制及納米感光材料等高新技術於一體的最新技術。還有另一類縱向多路合成的全息顯示圖像,它是由對客體不同深度的一系列平面層拍攝的底片合成的。如醫學中用X射線斷層攝影(CT)或超音波斷層攝影,可得到垂直於人體軸線方向的一系列平面圖片。利用全息顯示技術將其按原順序、原間隔製成合成式全息顯示圖象,再現時則可觀看到一系列縱向平行排列的透明平面圖像。當這些像的縱向間隔小到一定程度時,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算機技術進行製作。
角度多路合成式全息顯示技術具有發展前景的潛力。它可將計算機圖像信息處理、光學圖像信息處理、納米感光化學信息處理、影視技術多年來積累的視覺心理學及生理學深度感等方面的經驗融合一體,對採集的圖像信息進行處理,從而獲得優質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,無需配戴眼鏡等附加裝置。它是目前記錄並顯示伴有活動圖象的三維立體影像的最佳方法。隨著液晶顯示技術及納米級實時記錄介質材料的研製開發,角度多路合成式全息顯示技術將會發展成為新一代具有可持續發展的科研項目及值得巨大投入的研究課題。
模壓式
上述各種全息顯示圖像的共同缺陷是複製較為煩瑣,通常需採用雷射源及光學器件,而且每複製一次皆需曝光、顯影和定影等過程。為解決這一問題,20世紀80年代開發出一種可象印書一樣大批量快速複製的模壓式全息顯示圖像。其製作工藝過程可分為如下三步:記錄原版全息顯示圖像,這種全息顯示圖像的記錄過程類似於彩虹式全息顯示圖像,但它屬於浮雕型,即與光強分布相應的干涉條紋已轉變為凹凸型溝槽狀分布;製作金屬壓模,即由原版全息顯示圖像經電鍍和鑄模等工序轉為金屬模板;壓印複製,通常是在透明塑膠片上利用金屬模板進行熱壓以得到複製的全息顯示圖像。這種模壓式全息顯示圖像既可製成透射式,亦可將其表面鍍以高反射率金屬膜,使其變成反射式。模壓複製技術涉及到光刻膠母版製作、電鑄及全息模壓技術,是全息顯示技術中難度最大的一種技術,它屬於高層次的全息顯示技術。
模壓式全息顯示圖像的最大優點是可大批量生產。一個優質的模板可連續壓印一百萬次以上,故全息顯示圖像的成本大為降低。這種全息顯示圖像的製作現已成為一個頗具規模的產業,其產品廣泛套用於防偽商標、各種證卡及藝術性顯示等。常見的各種防偽標誌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,其色彩會發生一些變化。擬將合成式全息顯示技術與模壓技術有機結合一起,製成一種可360°環視或動畫式模壓全息顯示圖像。
運算式
最後簡單介紹一下近年來發展頗為迅速的計算機全息顯示圖像(ComputerGeneratedHologram),簡稱為CGH。既然全息顯示圖像屬於一種干涉圖樣,假如能利用計算機直接產生出這種圖樣,則無需再採用光學設備實地記錄了。這種方法既可完全節省光源及要求相當精密的光路設定,又能模擬實際上並不存在的各種物體,故具有明顯的簡易性與靈活性。
計算機全息顯示圖像目前已在圖像處理和干涉計量等領域內獲得了廣泛的套用。它同樣亦可套用於立體三維圖像顯示,僅是成像質量仍需作進一步的改進。值得指出的是將光學與電子學技術有機結合一起,發揮其各自的優勢,將是實現立體三維顯示的一種有效途徑。
主要特點
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,省略了圖像的後期化學處理,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,並且模擬多個全息圖的疊加等操作。全息影像是真正的三維立體影像,用戶不需要佩戴帶立體眼鏡或其他任何的輔助設備,就可以在不同的角度裸眼觀看影像。其基本機理是利用光波干涉法同時記錄物光波的振幅與相位。由於全息再現象光波保留了原有物光波的全部振幅與相位的信息,故再現象與原物有著完全相同的三維特性。
與普通的攝影技術相比,全息攝影技術記錄了更多的信息,因此容量比普通照片信息量大得多(百倍甚至千倍以上)。全息影像的顯示,則是通過光源照射在全息圖上,這束光源的頻率和傳輸方向與參考光束完全一樣,就可以再現物體的立體圖像。觀眾從不同角度看,就可以看到物體的多個側面,只不過看得見摸不到,因為記錄的只是影像。
普通的攝像是二維平面採樣,而全息攝像則是多角度攝像,並且將這些照片疊加。為了實現立體“疊加”,需要利用光的干涉原理,用單一的光線(常用投影機)進行照射,使物體反射的光分裂(分光技術)成多束相干光,將這些相干光疊加就能實現立體影像。全息攝像需要比普通攝像處理100倍以上的信息量,對拍攝以及處理和傳輸平台都提出了很高的要求。因此最早的全息技術僅用於處理靜態的照片,而現在隨著技術的發展,計算機運算速度的不斷提升,處理和傳輸動態全息影像已經得以實現。1、再造出來的立體影像有利於保存珍貴的藝術品資料進行收藏。
2、拍攝時每一點都記錄在全息片的任何一點上,一旦照片損壞也關係不大。
3、全息照片的景物立體感強,形象逼真,藉助雷射器可以在各種展覽會上進行展示,會得到非常好的效果。
技術套用
全息學的原理適用於各種形式的波動,如X射線、微波、聲波、電子波等。目前最常用的光源是投影機,因為一來光源亮度相對穩定,二來,投影機還具有放大影像的作用,作為全息展示非常實用。只要這些波動在形成干涉花樣時具有足夠的相干性即可。光學全息術可望在立體電影、電視、展覽、顯微術、干涉度量學、投影光刻、軍事偵察監視、水下探測、金屬內部探測、保存珍貴的歷史文物、藝術品、信息存儲、遙感,研究和記錄物理狀態變化極快的瞬時現象、瞬時過程(如爆炸和燃燒)等各個方面獲得廣泛套用。
日常生活
在生活中,也常常能看到全息攝影技術的運用。比如,在一些信用卡和紙幣上,就有運用了俄國物理學家尤里·丹尼蘇克在20世紀60年代發明的全彩全息圖像技術製作出的聚酯軟膠片上的“彩虹”全息圖像。但這些全息圖像更多只是作為一種複雜的印刷技術來實現防偽目的,它們的感光度低,色彩也不夠逼真,遠不到亂真的境界。研究人員還試著使用重鉻酸鹽膠作為感光乳劑,用來製作全息識別設備。
軍事領域
科學家研發出了紅外、微波和超聲全息技術,這些全息技術在軍事偵察和監視上有重要意義。在一些戰鬥機上配備有此種設備,它們可以使駕駛員將注意力集中在敵人身上。全息照相則能給出目標的立體形象,而一般的雷達只能探測到目標方位、距離等,,這對於及時識別飛機、艦艇等有很大作用。
光學領域
全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度,也記錄了位相信息。因此,一張全息攝影圖片即使只剩下一小部分,依然可以重現全部景物。這對於博物館,圖書館等保存藏品圖片等,非常方便。在超大螢幕的影院裡,戴上特製的眼鏡,以超大立體畫面配合環繞立體聲音效讓觀眾本身融入影片中,帶來身臨其境的真實感。另外,由於全息攝影技術能夠記錄物體本身的全部信息,存儲容量足夠大,因此,作為存儲的載體,全息存儲技術也可以套用於圖書館、學校等機構的文檔資料保存。
與傳統的3D顯示技術相比,全息影像技術無需戴專門的偏光眼鏡,不僅給觀眾帶來了方便,同時也降低了成本。而且立體顯示方式能夠將展品以多視角的方式介紹給觀眾,更加直觀。由於可見光在大氣或水中傳播時衰減很快,在不良的氣候下甚至於無法進行工作。為克服這個困難發展出紅外、微波及超聲全息技術,即用相干的紅外光、微波及超音波拍攝全息照片,然後用可見光再現物象,這種全息技術與普通全息技術的原理相同。技術的關鍵是尋找靈敏記錄的介質及合適的再現方法。
其他領域
全息照相的方法從光學領域推廣到其他領域。如微波全息、聲全息等得到很大發展,成功地套用在工業醫療等方面。地震波、電子波、X射線等方面的全息也正在深入研究中。同時全息攝影可套用於工業上進行無損探傷,超聲全息,全息顯微鏡,全息攝影存儲器,全息電影和電視等許多方面。全息技術不僅可制出惟妙惟肖的立體三維圖片美化人們的生活,還可將其用於證券、商品防偽、商品廣告、促銷、藝術圖片、展覽、圖書插圖與美術裝潢、包裝、室內裝潢、醫學、刑偵、物證照相與鑑別、建築三維成像、科研、教學、信息交流、人像三維攝影及三維立體影視等眾多領域,近年來還發展成為寬幅全息包裝材料而得到了廣泛的套用。
主要產品
全息圖
全息圖有極其廣泛的套用,如用於研究火箭飛行的衝擊波、飛機機翼蜂窩結構的無損檢驗等。現在不僅有雷射全息,而且研究成功白光全息、彩虹全息,以及全景彩虹全息,使人們能看到景物的各個側面。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發展。除用光波產生全息圖外,已發展到可用計算機產生全息圖。全息圖用途很廣,可作成各種薄膜型光學元件,如各種透鏡、光柵、濾波器等,可在空間重疊,十分緊湊、輕巧,適合於宇宙飛行使用。使用全息圖貯存資料,具有容量大、易提取、抗污損等優點。超聲全息照相能再現潛伏於水下物體的三維圖樣,因此可用來進行水下偵察和監視。由於對可見光不透明的物體,往往對超音波透明,因此超聲全息可用於水下的軍事行動,也可用於醫療透視以及工業無損檢測測等。
小型全息圖可以戴在頸項上形成美麗裝飾,它可再現人們喜愛的動物,多彩的花朵與蝴蝶。迅猛發展的模壓彩虹全息圖,既可成為生動的卡通片、賀卡、立體郵票,也可以作為防偽標識出現在商標、證件卡、銀行信用卡,甚至鈔票上。裝飾在書籍中的全息立體照片,以及禮品包裝上閃耀的全息彩虹,使人們體會到21世紀印刷技術與包裝技術的新飛躍。模壓全息標識,由於它的三維層次感,並隨觀察角度而變化的彩虹效應,以及千變萬化的防偽標記,再加上與其他高科技防偽手段的緊密結合,把新世紀的防偽技術推向了新的輝煌頂點。把一些珍貴的文物用這項技術拍攝下來,展出時可以真實地立體再現文物,供參觀者欣賞,而原物妥善保存,防失竊,大型全息圖既可展示轎車、衛星以及各種三維廣告,亦可採用脈衝全息術再現人物肖像、結婚紀念照。
全息顯示器
比利時魯汶校際微電子研究中心(Imec)已開發出一套微電機像素系統(MEMS)平台,讓全息影視更加接近現實。Imec建造的全息顯示器,是用雷射照射在一種微電機系統(MEMS)平台上,該平台能上下運動,就像一個小的反光鏡活塞。每個像素都附著在一個像彈簧一樣的機械裝置上,通斷電能拉長或放鬆。安裝MEMS之前,晶片是在矽晶片上生長一層氧化矽,有序地在氧化矽上蝕掉一些方塊,生成一種像西洋棋棋盤似的花紋。蝕掉的像素僅比附近氧化矽低約150納米,然後在整個晶片最上面塗一層鋁反光層。當雷射照在晶片上,就會在相鄰像素的邊界以一定角度反射回來。整個晶片上衍射的光互相干涉疊加或抵消,就形成了3D圖像。小反光鏡平台每秒鐘若干次地迅速上下運動,交換靜止圖像使像素動起來,就能將這些全息圖以動態形式放映。Imec視覺系統研究小組高級研究員理察·斯塔爾解釋說,為了產生衍射以形成全息圖像,每個MEMS構件都必須小於照射在晶片上的雷射的波長,因此構件要在0.5微米×0.5微米左右,由矽鍺混合物製成,目前公司已經用這種材料製作了可傾斜的MEMS反光鏡,並希望能融合所需的數據處理邏輯,直接控制像素下面的MEMS構件,以讓快速顯示更容易。
全息影像展示裝置
通寰互動的全息影像展示櫃利用干涉衍射原理,投射出懸浮空中極具縱深感的三維立體光影。效果可以進行全形度觀看,使展示效果更富科技感和未來感。適用場合:博物館、專賣店、展會、規劃展示等;系統構成:櫃體結構、高清顯示器、RF成像膜、光學分光鏡、配景燈光、多媒體計算機。
研發背景
1947年,匈牙利人丹尼斯蓋博(DennisGabor)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。全息術的成像利用了光的干涉原理,以條文形式記錄物體發射的特定光波,並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,只是採用水銀燈記錄全息信息,但由於水銀燈的性能太差,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。全息學(Holography)自20世紀60年代雷射器問世後得到了迅速的發展。
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”理論套用在全息術上,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。這一技術採用離軸光記錄全息圖像,然後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。其基本特徵是,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。傳統全息技術採用鹵化銀等材料製成感光膠片,完成全息圖像信。
定影等後期處理,整個製作過程非常繁息的記錄,由於需要進行顯影、瑣。而現代的全息技術材質採用新型光敏介質,如光導熱塑膠、光折變晶體、光致聚合物等,不僅可以省去傳統技術中的後期處理步驟,而且信息的容量和衍射率都比傳統材料較高。然而,採用感光膠片或新型光敏介質,都需要通過光波衍射重現記錄的波前信息,肉眼直接觀察再現結果,這樣難以定量分析圖像的精確度,無法形成精確的全息影像。
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。1971年,由於全息攝影術的發明,丹尼斯蓋博獲得了諾貝爾獎。20世紀80年代後,雷射全息技術的迅速發展,成為一種異軍突起的高新技術產業。在雷射全息技術中,全息顯示技術由於更接近於人們的日常生活而倍受關注。由於白光再現全息技術可在白晝自然環境中或在普通白光照射條件下觀看物體的三維圖像,一直研究全息技術的最新發展及運用,期待自身的努力使得全息顯示技術得到了迅速的發展。
到了90年代,隨著高解析度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,並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位化。
優勢
由於全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度,也記錄了位相信息。因此,一張全息攝影圖片即使只剩下一小部分,依然可以重現全部景物。這對於博物館,圖書館等保存藏品圖片等,非常方便。另外,由於全息攝影技術能夠記錄物體本身的全部信息,存儲容量足夠大,因此,作為存儲的載體,全息存儲技術也可以套用於圖書館、學校等機構的文檔資料保存。與傳統的3D顯示技術相比,全息影像技術無需戴專門的偏光眼鏡,不僅給觀眾帶來了方便,同時也降低了成本。而且立體顯示方式能夠將展品以多視角的方式介紹給觀眾,更加直觀。同時全息攝影可套用於工業上進行無損探傷,超聲全息,全息顯微鏡,全息攝影存儲器,全息電影和電視等許多方面。全息影視技術比3D更真實,全息影視能形成真實的3D虛像,給人們提供一種自然的多角度3D體驗,而不會造成一般3D電影的副作用。
衍生技術
隨著人們逐漸不滿足普通的3D立體成像帶來的視覺效果,以及更多的數字全息技術和成像介質的研究成果的出現,出現了一批利用數字全息技術的產品,並在各行業得到了廣泛套用。
360全息幻影成像系統
360全息成像,是由透明材料製成的四面錐體。當觀眾的視線透過椎體的一個面時,通過表面鏡射和反射,能夠從椎體內的空間裡看到自由飄浮的影像。
這套系統由櫃體、射燈、分光鏡、視頻播放器等組成,利用分光鏡成像原理,對產品實拍三維建模後將產品影像或三維模型疊加進場景中,不需任何輔助設備即可觀看三維畫面。這一產品主要用於展示細節豐富的物品,如汽車、珠寶、人物等。
全息投影技術
全息攝影是指一種記錄被攝物體反射波的振幅和位相等全部信息的新型攝影技術。普通攝影是記錄物體面上的光強分布,它不能記錄物體反射光的位相信息,因而失去了立體感。全息投影可以從任何角度觀看全息影像的不同側面。目前市攝影術的逆向展示,場上可實現的全系投影從技術上分為三種:(1)空氣投影:美國麻省的一名29歲研究生髮明了一種空氣投影)技術,可以在氣流牆上投影圖像,並且使其具備互動功能。這一技術靈感來源於海市蜃樓原理,將圖像投射在大片的水蒸氣上,由於組成水蒸氣的水分子震動不均衡,可以形成立體感很強的全息圖像。
(2)雷射束投影:日本公司研製了一種利用雷射束來投射實體的全息影像投射方法。這一方法主要利用了氧氣和氮氣在空氣中散開時,兩者混合成的氣體變成灼熱的物質,並在空氣中通過不斷的小爆炸形成全息圖像。
(3)美國南加利福尼亞大學的研究人員研製了一種360度全息顯示屏:將圖像投影在高速鏇轉的鏡子上,從而實現全息影像。
霧幕立體成像
霧幕立體成像系統霧幕立體成像,也被稱為霧屏成像,通過鐳射光藉助空氣中的微粒,在空氣中成像,使用霧化設備產生人工噴霧牆,利用這層水霧牆代替傳統的投影屏,結合空氣動力學製造出能產生平面霧氣的螢幕,再將投影儀投射噴霧牆上形成全息圖像。
套用案例
麥可·傑克遜(MJ)於2009年6月去世,但他的音樂傳奇仍在繼續。美國公告牌流行音樂頒獎禮在拉斯維加斯舉行,麥可·傑克遜再度“復活”,為頒獎禮掀起高潮。麥可·傑克遜紀念專輯《Xscape》於2014年5月13日在美國發售,雖然麥可·傑克遜不能為此宣傳造勢,但昨日公告牌音樂頒獎禮卻為他留出特寫空間。2014年5月19日,主辦方通過全息影像還原技術使麥可·傑克遜在舞台上熱舞首秀新單曲《SlavetoTheRhythm》,穿著金色夾克和紅色褲子的麥可·傑克遜坐著寶座亮相,舞台四周噴出火焰,開啟傑克遜全場熱舞的模式,傑克遜帶領舞者再度秀出太空步等經典舞步,這一難以想像的場面令出席頒獎禮的眾多明星起立鼓掌 。