全息照相技術(shù)在科普展示中的應(yīng)用研究

1、    全息照相技術(shù)在科普展示中的應(yīng)用研究    孫婉瑩 任蕓摘 要全息照相技術(shù)是一種利用波的干涉原理記錄被攝物體反射（或透射）光波中的振幅和相位信息的照相技術(shù)，目前在科普?qǐng)鲳^中的展示通常為靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的全息照片成品，展示形式比較單一。本文通過闡述“全息攝影”展品，將專業(yè)光學(xué)全息技術(shù)從特定環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室搬入科普?qǐng)鲳^，并轉(zhuǎn)化為互動(dòng)式科普展品的研發(fā)過程，剖析技術(shù)難點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法，總結(jié)創(chuàng)新點(diǎn)及高新技術(shù)類創(chuàng)新展品研發(fā)規(guī)律。關(guān)鍵詞全息照相 創(chuàng)新展品 科普?qǐng)鲳^ 高新技術(shù)全息照相是一種記錄被攝物體反射波的振幅和相位信息的新型照相技術(shù)。目前，科普?qǐng)鲳^對(duì)全息照相技術(shù)的展示仍停留

2、在對(duì)全息照片成品的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)展示上。由于全息照相實(shí)現(xiàn)過程對(duì)環(huán)境的防震、避光等極為苛刻的要求，以及對(duì)操作人員專業(yè)性的要求等，使得全息照相技術(shù)在科普?qǐng)鲳^的展示內(nèi)容難以創(chuàng)新、展示形式難以突破。如何打破觀眾誤解，分析限制全息照相技術(shù)用于科普展示的因素，進(jìn)而創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，將該技術(shù)以新內(nèi)容、新形式引入科技館，設(shè)計(jì)出符合科技館展示要求的展品是展品設(shè)計(jì)人員必須充分考慮和解決的問題。本文深入分析將全息照相技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室引入科技館，并轉(zhuǎn)化為互動(dòng)式科普展品的研發(fā)過程及技術(shù)難點(diǎn)，借助該成功案例，總結(jié)出高新技術(shù)類展品創(chuàng)新研發(fā)的規(guī)律。一、全息照相技術(shù)背景全息照相技術(shù)是一種利用波的干涉原理記錄被攝物體反射（或透射）光波中的振

3、幅和相位信息的照相技術(shù)，它是通過一束參考光和被照物體上反射的光疊加在感光材料上產(chǎn)生干涉條紋而成，如圖1。通過全息照相獲得的全息圖并不直接顯示被照物體的圖像，觀察時(shí)需要用一束與參考光相同的再現(xiàn)光以照射全息圖，便可以通過記錄好的全息圖觀察到與被照物完全相同的像。通常全息照相時(shí)需要在剛性和隔振性能良好的工作臺(tái)上調(diào)整參考光和物光的光路，以及顯影過程需要的避光條件，使得全息照相僅能在特定環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，并且要求操作人員具有良好的光學(xué)技術(shù)基礎(chǔ);另一方面，常用的銀鹽記錄材料需要進(jìn)行化學(xué)顯影，不僅工藝復(fù)雜，而且會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物和污染物。因此，很難在科普?qǐng)鲳^中對(duì)全息攝影的過程進(jìn)行展示。目前，科普?qǐng)鲳^對(duì)全息

4、照相技術(shù)的展示形式與多年前相比已有所進(jìn)步，從單純的靜態(tài)觀看全息照片，具有一定的互動(dòng)性，如中國科技館展項(xiàng)“全息體驗(yàn)”中的酒瓶與酒、變色全息圖、孫悟空等，觀眾不僅能夠看到動(dòng)態(tài)全息圖，而且可以通過互動(dòng)操作，觀看到全息圖像更加神奇的特性全息圖中的孫悟空，隨著全息圖的裂開一分為四，深受觀眾喜愛。雖然相關(guān)展示方式較之前已有不小提升，但仍無法在科技館中實(shí)現(xiàn)讓觀眾通過簡單的操作就能夠直接觀察到全息照相的全過程，從而對(duì)全息照相技術(shù)有更加深刻認(rèn)識(shí)與了解。這里要澄清一個(gè)被很多人混淆的概念，目前市面上盛行的所謂“全息投影”技術(shù)，其實(shí)并不是真正的全息技術(shù)，所謂的全息畫面只是投射在一塊透明的投影膜上面，因此圖像是平面而非

5、立體的，屬于幻影成像技術(shù)。從前些年的初音未來演唱會(huì)，到周杰倫在演唱會(huì)上與鄧麗君隔空對(duì)唱，再到2015年春晚里李宇春出現(xiàn)三個(gè)分身，再到2016年g20峰會(huì)室外水上晚會(huì)，以及一些展會(huì)、科普?qǐng)鲳^中虛擬成像展品，都屬于幻影成像技術(shù)的應(yīng)用，而非我們以上提到的激光全息技術(shù)。二、“全息攝影”展品的創(chuàng)意及技術(shù)研發(fā)（一）展品設(shè)計(jì)靈感全息照相技術(shù)的發(fā)展是“全息攝影”展品得以實(shí)現(xiàn)的先決條件，該展品的設(shè)計(jì)靈感來自于筆者對(duì)現(xiàn)有成熟全息攝影技術(shù)的一次調(diào)研。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)了一種新型感光材料光致聚合物，該材料使全息照相的顯像過程只需要通過紫外光照射和加熱過程即可完成，所需設(shè)備簡單，操作簡便，且無廢棄物和污染物產(chǎn)生。（二）展品構(gòu)思

6、通?？破?qǐng)鲳^對(duì)科技內(nèi)容的展示模式大致有以下幾種：1.展示科學(xué)知識(shí)或科學(xué)技術(shù)的新奇現(xiàn)象，引起觀眾的好奇心和求知欲。通過展示科學(xué)知識(shí)或科學(xué)技術(shù)的某種新奇現(xiàn)象，甚至是反常規(guī)現(xiàn)象，引起觀眾的好奇心和求知欲，從而激發(fā)進(jìn)一步的探究與思考，探究現(xiàn)象背后奧秘。如錐體上滾，表面上看到的現(xiàn)象是錐體在上滾，以此來引發(fā)觀眾的好奇心，加深對(duì)重心和重心移動(dòng)的理解。2.用直接探究科學(xué)知識(shí)或科學(xué)技術(shù)的方式，使觀眾了解其中的科學(xué)原理。如手蓄電池，當(dāng)觀眾用手握住不同的金屬棒時(shí)，可以看到檢流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而證明有電流產(chǎn)生，通過動(dòng)手直接探究的方式，使觀眾了解手蓄電池的原理，從而向觀眾傳播了不同的金屬在與汗液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下

7、產(chǎn)生電流的知識(shí)。3.通過展示科學(xué)知識(shí)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)現(xiàn)過程或科學(xué)家的故事，使觀眾了解科學(xué)知識(shí)或科學(xué)技術(shù)。如波粒二象性，通過波粒二象性發(fā)現(xiàn)過程中一系列實(shí)驗(yàn)的展示，觀眾在了解知識(shí)由來的過程中，相對(duì)容易地理解了對(duì)一般觀眾來說非常生疏的概念“波粒二象性”?！叭z影”展品將采用一種更加新穎的新型展示模式將“全息攝影”技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全過程以互動(dòng)形式展示給觀眾。該展品將專業(yè)的全息照相的全過程從特定的、一般人無法進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境移植到科普?qǐng)鲳^，觀眾可以利用我們研制的一套機(jī)構(gòu)巧妙、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的全息拍照及顯像裝置，在紅光照明的亮室環(huán)境中按照系統(tǒng)的提示下親自動(dòng)手操作制作一張簡單的全息照片，并帶回家。通過這樣一個(gè)

8、給觀眾以深刻印象的親自參與過程和獲得成功的結(jié)果，使觀眾獲得豐富的全息攝影知識(shí)，學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣得以進(jìn)一步激發(fā)。（三）技術(shù)研發(fā)全息照相技術(shù)主要分為曝光、顯像及再現(xiàn)三個(gè)過程。每一部分的實(shí)現(xiàn)都對(duì)環(huán)境及精度有較高甚至極高的要求，實(shí)現(xiàn)起來有一定的難度。因此，該創(chuàng)新展品的研發(fā)經(jīng)歷了數(shù)次文獻(xiàn)查閱、專家研討及原型試驗(yàn)過程。我們通過嘗試多種技術(shù)手段，摸索出最佳的技術(shù)方案，最終實(shí)現(xiàn)了展品的預(yù)期功能及展示效果。1.曝光過程。對(duì)防震系數(shù)及避光環(huán)境有極高的要求，雖然采用光致聚合物使全息攝影在科普?qǐng)鲳^中實(shí)現(xiàn)具備了可行性，但全息曝光過程對(duì)防震的要求極為苛刻，在非實(shí)驗(yàn)室條件下幾乎無法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這一關(guān)鍵性問題，我們由全息照相技

9、術(shù)的原理入手，將原有的復(fù)雜光路簡化為單光束光路，有效降低了全息曝光對(duì)環(huán)境振動(dòng)的要求，從而為將全息照相全過程轉(zhuǎn)化為科技館互動(dòng)展品奠定了基礎(chǔ)。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)展品功能，我們采取了以下幾種技術(shù)手段。（1）選用機(jī)械臂。初期我們?cè)O(shè)計(jì)了自動(dòng)彈片的底片盒、升降支架機(jī)構(gòu)的底片傳送裝置及可旋轉(zhuǎn)的模型選擇轉(zhuǎn)盤。經(jīng)過原型試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)該方案存在著無法克服的問題，全息曝光過程中，對(duì)防震系數(shù)的要求極高，特別是被拍攝物體及底片之間的相對(duì)振動(dòng)。上述方案中，由于承載模型的平臺(tái)與底片并不處于同一底板上，兩者之間的相當(dāng)振動(dòng)很難降低，全息曝光效果無法保證。經(jīng)過全息領(lǐng)域?qū)＜?、科技館行業(yè)專家與展品制作廠商多方研討后，對(duì)該部分的機(jī)構(gòu)做了顛覆

10、性的修改，采用機(jī)械臂代替升降支架及導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂可以夾取拍攝模型及底片至曝光位，不僅滿足了全息曝光平臺(tái)對(duì)防震的極高要求，保證了底片運(yùn)輸中的穩(wěn)定性及精準(zhǔn)度，同時(shí)可以簡化底片盒與模型平臺(tái)的設(shè)計(jì)，有效提升了展品運(yùn)行的和展品后期維護(hù)的工作量和難度。（2）底片盒的設(shè)計(jì)。最初的方案，我們將其設(shè)計(jì)成疊放式的密封盒，內(nèi)部設(shè)計(jì)有彈簧裝置，可將底片彈出。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由于底片是由2mm左右厚度的玻璃片貼全息膜制成，易碎且表層不能劃損，所以對(duì)底片盒內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求極高，且彈簧設(shè)計(jì)無法保證長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。優(yōu)化后的底片盒采用密封箱及雙重保險(xiǎn)蓋的結(jié)構(gòu)（如圖2），保證全息底片運(yùn)輸及安裝過程中內(nèi)部底片完全避光，工作人員將其

11、安裝在指定位置后，關(guān)閉后方維修門，當(dāng)曝光區(qū)再次恢復(fù)紅光環(huán)境時(shí)，機(jī)械臂方可開啟內(nèi)蓋。底片盒內(nèi)部采用高密度海綿材料，海綿上整齊設(shè)置底片槽，便于機(jī)械臂夾取底片。該設(shè)計(jì)保證了運(yùn)輸及安裝的便利性、內(nèi)部底片的防震性與避光性及機(jī)械臂開啟盒蓋的便捷性。（3）曝光槽的設(shè)計(jì)。曝光槽是全息曝光過程中模型及底片的載體。初期設(shè)計(jì)中，模型被置于模型選擇轉(zhuǎn)盤上，底片被置于可滑動(dòng)支架上，不穩(wěn)定平臺(tái)增加了曝光過程中系統(tǒng)的振動(dòng)，使全息照片顯像模糊不清。優(yōu)化后的曝光槽，采用了與防震平臺(tái)的一體化設(shè)計(jì)，上部分凹槽用機(jī)械臂插入底片，下部分由機(jī)械臂放置被拍攝模型，即降低了曝光時(shí)全息底片與被拍攝模型的絕對(duì)振動(dòng)，同時(shí)也降低了全息底片與被拍攝模

12、型之間的相對(duì)振動(dòng)。（4）紅色有機(jī)玻璃的選用。全息照相技術(shù)對(duì)避光環(huán)境有著很高的要求，由于所采用的感光材料對(duì)綠光感光，所以要回避這個(gè)顏色的雜散光，一般都在全黑的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行曝光。該展品拍攝區(qū)采用紅色有機(jī)玻璃，并內(nèi)置led紅光照明。由于感光材料對(duì)紅色不敏感，因此該設(shè)計(jì)不僅提供了全息曝光的避光環(huán)境，同時(shí)觀眾可透過玻璃看到全息光學(xué)元件及全息曝光的全過程。2.顯像過程。顯像區(qū)主要包括紫外光定影及加熱增強(qiáng)影像兩個(gè)過程，在設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的同時(shí)，還需要考慮到全息底片傳送過程中的位置精度、加熱單元的恒溫性及對(duì)底片加熱的快速性等問題。（1）十字滑臺(tái)的選用。最初將顯像區(qū)設(shè)計(jì)成了可旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，平臺(tái)兩側(cè)先后為紫外光源及遠(yuǎn)

13、紅外加熱單元。試驗(yàn)中，該結(jié)構(gòu)兩側(cè)會(huì)彼此干擾，而無法實(shí)現(xiàn)紫外光照射及底片加熱的雙操作過程。方案優(yōu)化后，紫外光源與加熱模塊各自設(shè)計(jì)為獨(dú)立的平臺(tái)，避免彼此干擾;同時(shí)，采用十字滑臺(tái)作為底片運(yùn)輸裝置，其吸取底片的傳送方式保證了顯像過程中底片的精準(zhǔn)定位及配合要求。（2）橡膠加熱單元的選用。初步設(shè)計(jì)的加熱單元是采用紅外加熱單元，經(jīng)過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)底片的加熱速度慢，顯像效果不佳。后經(jīng)市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)橡膠加熱的技術(shù)日趨成熟，溫控可靠，且緊貼底片，使底片熱顯像過程更加快捷，底片受熱均勻，顯像效果更加自然。此外，該展品在細(xì)節(jié)上的設(shè)計(jì)也深入考慮到展品的展示性、互動(dòng)性、美觀度及觀眾體驗(yàn)感，如設(shè)置了攝像頭對(duì)全息底片熱顯像過

14、程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，在外部顯示器上播放，近距離地呈現(xiàn)給觀眾全息圖像由暗變亮的成像過程。設(shè)置燈帶顯示全息照片制作進(jìn)度，使觀眾在底片曝光、顯像過程中能耐心等待。底片輸出口設(shè)置倒計(jì)時(shí)裝置，使剛剛完成加熱的全息照片的溫度降低到人手可觸范圍內(nèi)，能被觀眾取走。歷經(jīng)一年多的方案深化設(shè)計(jì)與制作加工，全息攝影展品制作完成，不僅實(shí)現(xiàn)了研發(fā)目標(biāo)，且成品率達(dá)到95%以上，每小時(shí)可拍攝全息照片達(dá)12片。三、結(jié)論（一）創(chuàng)新展示模式設(shè)計(jì)，將全息照相技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程引入科普?qǐng)鲳^“全息攝影”展品探索出一種科技館基礎(chǔ)科學(xué)類展品展示關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的新模式，將基礎(chǔ)科學(xué)類展品的展示內(nèi)容從純科學(xué)原理的展示拓展到以原理為基礎(chǔ)的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別

15、是前沿高新技術(shù);將原本只能在實(shí)驗(yàn)室中由專業(yè)人員操作的高精尖科學(xué)試驗(yàn)，轉(zhuǎn)化成科技館互動(dòng)體驗(yàn)式科普展品，供廣大公眾參觀、體驗(yàn)。（二）由“全息攝影”展品，總結(jié)高新技術(shù)類展品創(chuàng)新研發(fā)規(guī)律1.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新是展示內(nèi)容創(chuàng)新的前提條件?！叭z影”展品基于我國自主研發(fā)，且具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新材料新型全息干板進(jìn)行設(shè)計(jì)，突破了之前只能展示激光全息攝影成品照片的瓶頸，將激光全息攝影全過程一覽無余地展現(xiàn)在觀眾面前，觀眾可親眼看到立體圖像在全息干板上逐漸形成的神奇過程，通過切身體驗(yàn)對(duì)激光全息攝影技術(shù)及其相關(guān)科學(xué)原理產(chǎn)生更加直觀、形象的認(rèn)識(shí)。2.在創(chuàng)新展品研發(fā)過程中，原型試驗(yàn)與專家指導(dǎo)必不可少。該展品的設(shè)計(jì)初期，我們率先考慮了曝光平臺(tái)的防震性，通過增大底盤重量、與傳送機(jī)構(gòu)分離設(shè)計(jì)、采用防震墊等一系列措施來達(dá)到全息拍攝所需要的防震精度，但仍在原型試驗(yàn)中出現(xiàn)了各種問題，經(jīng)與專家溝通且不斷改進(jìn)嘗試，最終使展品運(yùn)行更加穩(wěn)定、拍攝成功率更高、觀眾操作更加簡便、展示效果更加直觀理想、展品維護(hù)更加便捷。3.深入挖掘現(xiàn)有的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)展示形式上的創(chuàng)新?！叭z影”展品在互動(dòng)方式上突破了基礎(chǔ)科學(xué)類展品多使用簡單機(jī)電技術(shù)及裝置的傳統(tǒng)形式，引入目前備受關(guān)注的機(jī)器人技術(shù)，通過機(jī)器人完成干板及拍攝模型的抓取、定位等任務(wù)，這樣不但滿足了展品精準(zhǔn)定位、工作安全穩(wěn)定、易于維護(hù)的技術(shù)要求，更進(jìn)一步拓展了對(duì)高新技術(shù)