全息影像技術

全息影像技術記錄并再現(xiàn)物體真實的三維圖像的技術01簡介組成種類技術應用技術原理主要特點主要產(chǎn)品目錄030502040607研發(fā)背景應用案例衍生技術目錄0908基本信息全息技術是利用干涉和衍射原理來記錄并再現(xiàn)物體真實的三維圖像的技術。所謂的“全息”即“全部信息”，是指用投影的方法記錄并且再現(xiàn)被拍物體發(fā)出的光的全部信息。全息影像技術一般也被稱作虛擬成像技術或是全息成像，其成像原理就是憑借光波干涉對物體光波的相位與振幅進行記錄，與此同時，憑借衍射原理對物體的光波信息進行展現(xiàn)，從而達到成像的效果。簡介簡介全息影像技術自20世紀60年代激光器問世后得到了迅速的發(fā)展。全息影像是虛擬成像技術通俗說法，又稱為全息成像和幻影成像，其基本成像機理是利用光波干涉法來同時記錄物體光波的振幅與相位，然后再利用衍射原理再現(xiàn)物體的光波信息。由于全息影像再現(xiàn)的光波信息保留了原有物體光波的全部振幅與相位的信息，因而再現(xiàn)出的影像立體感強，與原物體有著與3D電影完全相同的三維特性。人們觀看全息影像時會得到與觀看原物體時完全相同的視覺效果，其中包括各種位置視差。由于照射在物體上每一個點的光信息都記錄在了成像后的全息影像中，因而從原則上來講，任取全息影像的其中一部分都能夠再出原來物體的部分圖像，而且如果使用多次曝光的技術，還有可能在同一張影像的底片上記錄到同一物體的多個狀態(tài)下不同的圖像，而且能夠分別在互不干擾的情況下顯示出來。此外，使用不同波長的激光照射后形成的全息影像還能相應地放大或縮小

。全息影像技術（Holographicdisplay），并非指由1956年丹尼斯·加博爾發(fā)明的全息攝影（holography）或稱全像攝影。而是一種在三維空間中投射三維立體影像（影像為物理上的“立體”而非單純視覺上的“立體”）的次世代顯示技術。其中，全息攝影：（holography）由丹尼斯·加博爾發(fā)明的攝影方法，這種攝影方式打印出來的照片可以從多個角度觀看，但是有角度局限性。很多防偽標識都是使用全息攝影打印出來的圖像制作的。技術原理技術原理由于人類的雙眼是橫向觀察物體的，且觀察角度略有差異，圖像經(jīng)視并排，兩眼之間有6厘米左右的間隔，神經(jīng)中樞的融合反射及視覺心理反應便產(chǎn)生了三維立體感。根據(jù)這個原理，可以將3D顯示技術分為兩種：一種是利用人眼的視差特性產(chǎn)生立體感；另一種則是在空間顯示真實的3D立體影像，如基于全息影像技術的立體成像。

全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關系而不同。所以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。

首先通過CCD等器件接收參考光和物光的干涉條紋場，由圖像采集卡將其傳入電腦記錄數(shù)字全息圖；然后利用菲涅爾衍射原理在電腦中模擬光學衍射過程，實現(xiàn)全息圖的數(shù)字再現(xiàn)；最后利用數(shù)字圖像基本原理再現(xiàn)的全息圖進行進一步處理，去除數(shù)字干擾，得到清晰的全息圖像。

其第一步是利用干涉原理記錄物體光波信息，此即拍攝過程：被攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，和物光束疊加產(chǎn)生干涉，把物體光波上各點的位相和振幅轉換成在空間上變化的強度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來。記錄著干涉條紋的底片經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖，或稱全息照片。組成種類透射式反射式像面式彩虹式組成種類合成式運算式模壓式組成種類透射式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干板后形成物光波；同時引入另一束參考光波（平面光波或球面光波）照射記錄干板。對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，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聚一點的球面光波，則經(jīng)記錄干板衍射后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，需用激光記錄與再現(xiàn)。采用激光也會帶來其特有的散斑效應的弊病，即再現(xiàn)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(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，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(jīng)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，兩束光干涉后便形成全息顯示圖像。由于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(xiàn)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(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，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展光源再現(xiàn)。這是其一大優(yōu)點，同時亦消除了激光的散斑效應。近年來，該類全息顯示圖像已廣泛應用于小型裝飾物的三維顯示，并已實現(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)平面較遠處的圖像有點模糊不清。

像面式根據(jù)全息學的理論，對于普通透射式全息顯示圖像而言，當再現(xiàn)光波長與記錄時的光波長不同，或再現(xiàn)光源為非理想點光源而有一定的空間擴展時，再現(xiàn)像點將會發(fā)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于全息板，則用普通白光擴展光源再現(xiàn)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，故人們采用將物體通過透鏡成像于全息板的附近，同時引入?yún)⒖脊獠ㄅc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(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。其基本特點是在記錄系統(tǒng)中適當?shù)奈恢眉尤胍粋€狹縫，其作用是限制再現(xiàn)光波，以降低圖像的色模糊，從而實現(xiàn)白光再現(xiàn)單色圖像。有人曾系統(tǒng)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，物體通過透鏡成像于全息板附近，同時光路中設置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(xiàn)物像與縫隙的實像。由于全息顯示圖像的基本作用相當于光柵，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(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。

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(fā)展，并在眾多領域得到了應用。如將記錄時的單縫變?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。近年來還提出并實現(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展光源下，將再現(xiàn)象的分辨率大大提高，并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。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借助全息方法記錄在一塊全息軟片（或干板）上，再現(xiàn)時實現(xiàn)原物體的準立體三維顯示的一種技術。實現(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。這里以旋轉物體為例說明合成式全息顯示圖像的制作技術。顯然，假若將物體變?yōu)閷嶋H場景，則可制作立體電視；假若將轉動物體變?yōu)橐幌盗羞B續(xù)變化的二維圖片，則可制成活動的動畫。

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(xiàn)環(huán)視或立體活動圖像，是極其誘人的。其缺陷是記錄過程較為復雜，但隨著計算機技術的發(fā)展與普及，這一缺陷已不再成為嚴重的問題。近年來，研制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(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中，有一種可顯示被拍攝物體動態(tài)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，再在激光照射下用“全自動合成全息拍攝系統(tǒng)”將記錄的二維電影片制成全息顯示圖像，它是一種實現(xiàn)了白光記錄和白光再現(xiàn)被記錄物動態(tài)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，由于采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、激光全息、光機電一體化、微機控制及納米感光材料等技術于一體的最新技術。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。模壓式上述各種全息顯示圖像的共同缺陷是復制較為煩瑣，通常需采用激光源及光學器件，而且每復制一次皆需曝光、顯影和定影等過程。為解決這一問題，20世紀80年代開發(fā)出一種可象印書一樣大批量快速復制的模壓式全息顯示圖像。其制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于彩虹式全息顯示圖像，但它屬于浮雕型，即與光強分布相應的干涉條紋已轉變?yōu)榘纪剐蜏喜蹱罘植迹?/p>

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為金屬模板；

壓印復制，通常是在透明塑料片上利用金屬模板進行熱壓以得到復制的全息顯示圖像。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。模壓復制技術涉及到光刻膠母版制作、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，它屬于高層次的全息顯示技術。模壓式全息顯示圖像的最大優(yōu)點是可大批量生產(chǎn)。一個優(yōu)質(zhì)的模板可連續(xù)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制作現(xiàn)已成為一個頗具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品廣泛應用于防偽商標、各種證卡及藝術性顯示等。常見的各種防偽標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，其色彩會發(fā)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，制成一種可360°環(huán)視或動畫式模壓全息顯示圖像。運算式最后簡單介紹一下近年來發(fā)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于一種干涉圖樣，假如能利用計算機直接產(chǎn)生出這種圖樣，則無需再采用光學設備實地記錄了。這種方法既可完全節(jié)省光源及要求相當精密的光路設置，又能模擬實際上并不存在的各種物體，故具有明顯的簡易性與靈活性。

計算機全息顯示圖像已在圖像處理和干涉計量等領域內(nèi)獲得了廣泛的應用。它同樣亦可應用于立體三維圖像顯示，僅是成像質(zhì)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(fā)揮其各自的優(yōu)勢，將是實現(xiàn)立體三維顯示的一種有效途徑。

主要特點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(chǎn)物，一般是利用相干性較好的激光完成的。利用相干光干涉，記錄光波的振幅信息和相位信息，因此可以得到物體包含形狀、大小等的全部信息

。它通過電子元件記錄全息圖，省略了圖像的后期化學處理，節(jié)省了大量時間，實現(xiàn)了對圖像的實時處理。同時，其可以進行通過電腦對數(shù)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，并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。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(xiàn)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采樣，而全息攝像則是多角度攝像，并且將這些照片疊加。為了實現(xiàn)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(xiàn)立體影像。技術應用日常生活軍事領域光學領域其他領域技術應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(fā)明的全彩全息圖像技術制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復雜的印刷技術來實現(xiàn)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，用來制作全息識別設備。

軍事領域科學家研發(fā)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(jiān)視上有重要意義。在一些戰(zhàn)斗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，，這對于及時識別飛機、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(xiàn)全部景物。這對于博物館，圖書館等保存藏品圖片等，非常方便。在超大屏幕的影院里，戴上特制的眼鏡，以超大立體畫面配合環(huán)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，由于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應用于圖書館、學校等機構的文檔資料保存。與傳統(tǒng)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。由于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于無法進行工作。為克服這個困難發(fā)展出紅外、微波及超聲全息技術，即用相干的紅外光、微波及超聲波拍攝全息照片，然后用可見光再現(xiàn)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(zhì)及合適的再現(xiàn)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(fā)展，成功地應用在工業(yè)醫(yī)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。同時全息攝影可應用于工業(yè)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，還可將其用于證券、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(nèi)裝潢、醫(yī)學、刑偵、物證照相與鑒別、建筑三維成像、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(fā)展成為寬幅全息包裝材料而得到了廣泛的應用。

主要產(chǎn)品主要產(chǎn)品1、全息圖全息圖有極其廣泛的應用，如用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機機翼蜂窩結構的無損檢驗等。不僅有激光全息，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(fā)展。

除用光波產(chǎn)生全息圖外，已發(fā)展到可用計算機產(chǎn)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，適合于宇宙飛行使用。使用全息圖貯存資料，具有容量大、易提取、抗污損等優(yōu)點。超聲全息照相能再現(xiàn)潛伏于水下物體的三維圖樣，因此可用來進行水下偵察和監(jiān)視。由于對可見光不透明的物體，往往對超聲波透明，因此超聲全息可用于水下的軍事行動，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)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(xiàn)人們喜愛的動物，多彩的花朵與蝴蝶。迅猛發(fā)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在商標、證件卡、銀行信用卡，甚至鈔票上出現(xiàn)。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，由于它的三維層次感，并隨觀察角度而變化的彩虹效應，以及千變?nèi)f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。研發(fā)背景研發(fā)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(fā)射的特定光波，并在特殊條件下使其重現(xiàn)，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(zhì)量很差，只是采用水銀燈記錄全息信息，但由于水銀燈的性能太差，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年代激光器問世后得到了迅速的發(fā)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(yè)中“側視雷達”理論應用在全息術上，發(fā)明了離軸全息技術，帶動全息技術進入了全新的發(fā)展階段。這一技術采用離軸光記錄全息圖像，然后利用離軸再現(xiàn)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(zhì)量差的問題。

1969年，本頓發(fā)明了彩虹全息術，能在白熾燈光下觀察到明亮的立體成像。其基本特征是，在適當?shù)奈恢眉尤胍粋€一定寬度的狹縫，限制再現(xiàn)光波以降低像的色模糊，根據(jù)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(fā)明，帶動全