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全息显示及应用
全息显示技术及应用
摘要
全息术是一种利用相干光干涉和衍射原理,将物体的全部信息以干涉条纹的形式记录下来,并在一定的条件下再现的技术。
该技术重现与原物体十分逼真的像。
全息术的发展大概分为同轴全息术、离轴全息术和白光再现全息术。
全息术是一门正在蓬勃发展的科学技术,近年来已经渗透到社会生活的各个领域,尤其在全息显示方面。
随着全息技术的快速发展,全息显示将为我们带来更逼真的三维体验。
关键字:
全息显示;干涉;衍射;记录;重现
Developmentandapplicationofholographicdisplay
Abstract:
TheholographyisatechnologywhichisrecordedthewholeinformationfromanobjectbythewayofinterferencefringesandreconstructitunderthecertainconditionusingPrincipleofcoherentlightinterferenceanddiffraction.Thetechnologycanreconstructaveryrealisticimage.Andthedevelopmentofholographycanberoughlydividedintocoaxialholography,off-coaxialholographyandwhitelightreconstructingholography.Theholographyisadevelopingscienceandtechnology,whichhasalreadypenetratedintoeveryfieldofsociallife,especiallyontheaspectofholographicdisplay.Withtherapiddevelopmentofholography,holographicdisplaywillbringmorerealisticthree-dimensionexperienceforus.
Keywords:
holographicdisplay;interference;diffraction;record;reconstruction
一、引言
光全息术是利用光的干涉和衍射原理,将物体反射的光波以干涉条纹的形式记录下来,并在一定的条件下使其再现,形成与原物体逼真的三维图像。
更有人用“干涉记录,衍射再现”来描述光全息术显示技术的方法。
也就是说以干涉条纹的形式存储被摄物的光强和位相,再运用光衍射原理来重现物体原来的三维形状。
随着科学技术的发展,光全息术已渗透到社会生活的各个领域,并被广泛地应用在科研和工业生产中。
随着人们生活质量的逐步提高,人们对科学技术的要求也将越来越高,因此该技术将有更为广阔的研究前景和应用前景。
二、全息术发展简介
全息术(Holography)[1],最早是于1947年由匈牙利籍英国物理学家DennisGabor发明的。
当时为提高电子显微镜的分辨率,在布拉格“X射线显微镜”和泽尼克的相衬原理的启示下,提出了一种用光记录物光波的振幅和位相的方法,并通过实验证实了这一想法。
在当时的条件下,只是采用高压水银灯记录物光波,而且参考光和物光共轴,使得再现的原始像和共轭像分不开,而作为光源的高压水银灯的相干性太差,使得科学家们花费了十多年的时间也没有使这一技术有很大进展。
1960年激光的出现,为全息术提供了一种高相干度的光源。
1962年,美国科学家Leith和Upatnieks将雷达理论中的高载频可以有效抗干扰的概念推广应用到全息图中,发明了离轴全息术,解决了孪生像干扰问题。
这样,解决了同轴全息术的两大难题。
1969年,美国科学家Benton发明了白光再现全息术,即用激光记录,用白光还原,它在一定条件下可以赋予全息图以鲜艳的色彩,弥补了激光再现全息图失去色调信息的缺点,并使得该技术成为目前应用最广泛的全息术。
三、全息术基本原理
3.1波前记录
物体发出的光包含光的振幅和相位两部分,即
(3-1)
其中:
为振幅,
为位相。
图3-1拍摄全息照相光路图
激光器发出的激光由分束镜将光线一分为二,投射光线经反射镜
反射再经过扩束后照射在被摄物体上,这束光称为物光;反射光线经过
反射再经过扩束镜直接照射在感光材料上,这束光线称为参考光。
这两束光线相干并形成干涉条纹。
物光为:
(3-2)
参考光为:
(3-3)
两光相干后总光强为:
(3-4)
上式可以看出,相干后的总光强包含物光的所有信息。
对物光波振幅和位相编码的原理:
(3-5)
全息图的振幅透射系数:
(3-6)
3.2波前重建
干涉实现了物光波和参考波的叠加,而衍射将实现复杂波的分解与波前重建。
参考波和物光波叠加产生一个复杂波,利用光的衍射就实现了复杂波的分解。
也就是说,再现过程就是用一束均匀的相干光照射全息图,透过全息图的光波就是全息图衍射的光波,这个波在传播过程中会发生一些分解。
(3-7)
就是透过全息图的光波,
就是照射全息图的一束相干光波,
表示全息图的复振幅透射系数。
当再现光波是全息记录时的参考光波,即
。
图3-2波前重建图
:
该光波沿参考波方向传播;
:
当记录时的参考光波和重建时的相干光波是共轭的时,该波沿衍射屏透射光波方向。
也就是用眼睛观察或成像系统观测时,在原位置观察到原物体的影像,就像原物体还在。
由于物光波是发散的,所以观察到是物体的虚像。
:
的相位因子无法消除。
若参考波是平面光波,
的相位因子是一个线性相位因子,
是物光波的“共轭”,原物光波发散,它是会聚的,所以
会在偏离原物镜像位置的某处形成一个原物的镜像实像;如果参考波是球面波,则
中含有二次相位因子,使
发生聚散,会在偏离原物镜像位置的某处出现一个与原物大小不同的镜像实像。
再现像
包含原始物体的所有信息。
通过全息图窗口看到的像不论在深度感和分布上和原来物体完全一样,记录了物体上各点的信息,每个像素都记录
物体的每个点信息,不同物体又记录了物体不同视差方向的信息,所以透过全息图看物体可以调动人眼所有生理学和心理学暗示。
四、几类全息术原理
4.1同轴全息术
4.1.1同轴全息术的记录
1948年,Gabor发明了全息术,并用高压汞灯同轴全息图的被拍摄物体必须是高度透明片上的洗漱物体,光波透过载有信息的透明物体上时,会发生干涉,产生干涉条纹。
干涉记录过程如下所示:
图4-1同轴全息图记录原理图
如上图所示,用一束平面光波照射透明的物体O,透过物体的透射光主要有两部分组成,一部分是均匀平行的平行光波,也就是参考光波。
另一部分是散射波,也就是透明物体上载有信息的光波,即物光波。
两部分光沿同一个方向传播,发生干涉,形成干涉条纹记录在全息干板H上。
4.1.2同轴全息术的重现
再现光路就是用一束光垂直照射全息图,透过全息图的光波发生衍射,分解成很多的波,同轴全息图的再现光路原理图如下所示:
图4-2同轴全息图再现原理图
同轴全息术对光源相干性要求低,光路简单,对记录介质的分辨率要求低。
但是由于实像和虚像形成不可分离的孪生像,当接收实像时,虚像干扰;当接受虚像时,实像干扰,降低全息图的质量。
此外同轴全息术要求被拍摄物体必须是高度透明的物体。
4.2离轴全息术
随着1960年,激光的出现为全息术提供了一种相干性好的光源。
且1962年美国科学家Leith和Upatnieks将雷达理论中的高载频可以有效抗干扰的概念推广应用到全息图中,发明了离轴全息术,解决了孪生像干扰问题。
这样一来,就解决了同轴全息术光源相干性差和孪生像干扰的两大问题
4.2.1离轴全息术的记录
在光学中,增大参考波传播角度可提高空间频率。
设参考波为平面波,倾斜角为
,则参考光波为:
(4-1)
其中,
为空间频率。
图4-3离轴全息图记录原理图
记录介质表面的总光场分布为:
(4-2)
4.2.2离轴全息术的重现
再现光波是垂直入射的、振幅为B的平面光,则透射场为:
(4-3)
虚像、实像、直透项不在同一方向上,是空间分离的。
参考光越倾斜(θ越大),分的越开。
4.3白光再现全息术
由于激光再现的全息图失去了色彩信息,科学家们开始研究第三代全息图。
1969年,美国科学家Beaton的科学家发明了彩虹全息术。
白光再现全息术是用激光记录,用白光照明全息图还原影像。
4.3.1彩虹全息图的记录
虽然彩虹全息术也是一种离轴透射式全息术,但它与普通的离轴全息术比较有它自己的特点。
彩虹全息与离轴全息不同之处是在摄制时于适当位置添加了一个狭缝,使再现像的色彩更加鲜艳[2]。
图4-4菲涅尔全息图的记录
首先记录一个主全息图
,如上图所示。
图4-5彩虹全息图的记录
然后,在该主全息图前放一个狭缝,狭缝的宽度不超过10mm,用一束相干光从参考光的共轭方向照射这个全息图,就可以再现一个共轭的实像,在实像位置放上第二块全息干板
,参考波
采用会聚波,用和物光波干涉,就记录了一个彩虹全息图[3]。
从上图可以明显看出,与普通全息照相记录光路相比,彩虹全息照相光路中引入了一条狭缝,物光束必须经过狭缝才能到达记录干板上,因此狭缝相当于记录光路系统中的入射光瞳,它允许狭缝方向的物信息通过,使这个方向的视差被保留下来,而垂直于狭缝方向的物信息绝大部分被色散掉了,丢掉了垂直于狭缝方向的视差。
在彩虹全息术中,被记录物体上每点的信息在彩虹全息图上只是记录在对应的区域内。
所记录的干涉图样在平行于狭缝的方向上条纹的空间频率低,在垂直于狭缝的方向上条纹的空间频率高。
4.3.2彩虹全息图的重现
再现时,用
的共轭光照明
,则产生第二次赝实像,由于
记录的是原物的赝实像,故重现的第二次赝实像对于原物来说就是一个正常的像。
与原物重现像一起出现的是狭缝的重现像,它起一个光阑的作用,其效果就是相当于一个狭缝[2]。
当用白光重现时,为简明起见,选取红、蓝光。
由于两种颜色的波长不等,故用它们来照射全息图将得到两个相应颜色的像,其位置随波长变化,使它们稍有错开就。
但由于记录时物离全息板非常近,所以两个波长的重现像的位错并不十分明显,而狭缝的位错却比较大,如下图所示。
当眼睛处于某一波长狭缝的开口位置时,便能看到同波长的像。
当眼睛依次从上向下移动时,可依次看到像的颜色由红变到蓝。
当用白光照射时,则显示为从上至下呈彩虹一样的色彩[2][3]。
图4-6彩虹全息图重现
4.4合成全息术
用全息技术还可以实现体视三维显示,这一技术称为合成全息,或准三维显示。
它的基本方法是将一系列从不同角度拍摄的普通二维相片通过全息记录的方法记录在一张全息干板上,当用白光再现全息图时,人的双眼观察到的是不同角度二维相片,以人眼的双眼视差实现三维显示。
在此只介绍一种合成全息技——360°合成彩虹全息术。
与前面介绍的全息图不同,360°全息可以显示物体360°一周的像,三维立体感极强。
4.4.1360°全息记录
360°全息记录[3]分为两步,第一步是将被拍摄物体置于可绕中心轴旋转的平台上,用普通白光照明,当平台转动时,用电影摄像机对物体连续摄影,也可以用普通照相机拍摄,每转过一定的角度拍摄一张底片。
第二步是合成过程,此时用激光作为光源,利用狭缝将每一张底片摄制成彩虹全息,用全息干板或全息软片记录。
如下图所示,(a),(b)分别示出了以上两步制作的光路。
(a)物体转动,连续拍摄(b)合成过程
图4-7360°全息的两步制作
4.4.2360°全息再现
再现形式分两种形式,如果是干板,则观察者需要把眼睛从全息图的一端移至另一端;如果是全息软片,可将其卷成圆柱形,置于转动台,观察者可以观察到转动着的立体的像。
如下图所示,为全息软片的再现[3]。
图4-8360°全息的全息软片再现
要制作高质量的360°彩虹全息片时,必须要注意以下几点:
1、在第一步拍摄干涉底片时,如果被摄目标是自然景物,场景比较大,则必须严格做到在同一平面内的360°拍摄,俯仰角应保证完全一致,否则达不到稳定的立体再现图。
2、在第二步合成的时候,狭缝宽度要选择适当。
避免过宽或过窄产生不理想的像。
3、其他参数也应该经周密严格的计算,各物间距离的匹配关系,两眼间距的影响,观察角度、距离等。
五、全息术显示应用及发展
5.1全息显示的应用
现阶段的全息术在计量、存储、媒体、医药以及军事领域有广泛的应用。
概括起来,主要有以下几个方面[2]:
1、全息显示(HolographicDisplay)
2、全息干涉计量(HolographicInterferomentry)
3、全息光学元件(HolographicOpticalElement,HOE)
4、全息信息存储(HolographicInformationStorage)
5、全息信息处理(HolographicInformationProcessing)
6、全息显微术(HolographicMicroscopy)
全息技术已逐渐显示出旺盛的势头,目前,全息术最成功的应用就是全息显示,它以36.2%的年增长率迅速发展。
全息术以其可以十分逼真的展示物体的三维图像,成为走出实验室最实用的全息术。
最近几年,全息显示技术在展会、论坛等场合应用越来越广,在2010年上海世博会上,多个国家馆和企业馆内都可以看到这一技术的实际应用。
势必会上长达128米的清明上河图,通过多台大型投影机的拼接,将原图放大了100倍后进行展示,让参观者惊叹不已。
湖南馆中的魔比思环扣造型、安徽馆中的全息立体投影技术。
在日本、印度、泰国等多个场馆内,都有全息影像的应用实例[5]。
全息显示的归纳下来主要有两个方面:
一、新图示艺术;二、超景深记录。
一、图示艺术主要包括:
艺术全息照相,用于广告宣传、产品展示、文物显示及制作全息艺术饰品;全息肖像摄影;全息防伪标识、有价证券和信用卡制作等;全息纪念卡、邮折、图书插图及卡通图片等;3D电影等。
尤其在多媒体业和防伪标识领域,国内外已经形成了巨大的产业。
二、超景深记录[2]
全息术能将远距离到近距离的物体同时记录在同一张底片上,然后从其重现像中逐次按不同距离分层观测,不受普通照相景深的限制,故全息照相常用于观测微粒子场,以获取粒子的形状、大小、空间分布、运动状态以及粒子数密度等参数。
此外,还用于真三维远距离侦查观测,主要用于军事和航空领域。
机载相干雷达用高度相干的微波发生器[4],一方面发出信号照射地面,一方面发出一束参考波。
飞机飞行时,从飞机航线上每一接收到的地面反射信号与另一束参考光在感光胶片上叠加而产生一个相干图样,这个图样就是全息地图。
全息地图逼真的再现了实际地形情况,为指挥官和飞机驾驶员提供准确的信息。
5.2全息显示的发展
随着社会发展,全息技术的应用场合越来越多,在立体电影、电视、文物保护、遥感、艺术表现、水下监控探测、机场、银行、展会等各方面都将获得广泛的应用[5]。
光全息显示经历了黑白显示到彩色显示,从平面到立体,从模拟显示到数字显示。
数字合成全息显示技术是全息技术、数字图像处理技术、光电子技术和计算机技术结合的产物,可用白光进行再现,其再现的市场范围大,色彩鲜艳丰富,且极具动感。
目前,美国亚利桑那大学联合日东电工技术合作公司海外部已经推出了可重复擦写的全息三维显示技术[5]。
随着科技的发展,我们可以想象一下,电影已经不单是一块悬挂在墙上的银幕,观众仿佛置身在电影之中。
随着人们手指的挥动,展厅中最新推出的新概念宝马跑车可以360°旋转、分解、甚至变形!
可以设想,在未来,可以不受电子设备的限制,仅是在玻璃窗上就可以上演直播的足球赛,在餐桌上就可以实时投影远程教学,还可以实时控制交流。
参考文献
[1]吴小平,王凯.近十年光全息的应用研究状况及新动向[J].凯里学院学报,2010,28(6):
30.
[2]王仕璠.信息光学理论与应用.北京:
北京邮电大学出版,2004:
164~174.
[3]郑光昭.光信息科学与技术应用.北京:
电子工业出版社,2002:
190~194..
[5]朱家健.浅谈全息术及其应用[J].中国科技信息,2008,(21):
46~47.
[4]张未冬,武立强.数字全息三维显示技术及其发展[J].光学技术,2011,(37):
19.
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