全息投影技術

工程光學實驗題目全息成像技術介紹班級（班號）９１２１０１１７０１姓名（學號）任曉軍梁致源袁昶指導教師周木春２０１５年５月１９日全息成像（一）全息成像原理全息投影技術（front-projectedholographicdisplay）也稱虛擬成像技術是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術。它分為兩步，干涉照相，衍射重現(xiàn)。第一步如圖1，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。圖1第二步如圖2，是利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息，這是成象過程：全息圖猶如一個復雜的光柵，在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出兩個象，即原始象（又稱初始象）和共軛象。再現(xiàn)的圖像立體感強，具有真實的視覺效應。全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，故原則上它的每一部分都能再現(xiàn)原物的整個圖像，通過多次曝光還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來。圖21、雙視作用每個人都有兩個眼睛，每個眼睛的視角大約為80度，但是兩個眼睛一起的視角只有120度，也就是說有40度的視角是重合的，所以我們的左右兩個眼睛所看到的的東西其實是不同的，比如你閉上左眼用右眼看或者反過來，就能測試出來效果，左右兩眼接收到的物體轉發(fā)給大腦做判斷物體的遠近才能形成立體感。3D立體技術就是模擬這個過程而形成的。2、3D攝影在3D投影前，要對物體進行120°的3D攝影。看過3D電影的讀者應該知道，如果取下3D眼鏡觀看，畫面有重影而模糊不清。只是因為，銀幕上的畫面并不是一幅，而是兩幅角度不同的畫面疊加的效果。為了模擬“雙目效應”，必須拍攝出偏左側的畫面和偏右側的畫面。在拍攝時，其實有兩臺3D攝像機同時工作，一臺偏向演員左側，記錄偏左的圖像；一臺偏向演員右側，記錄偏右的圖像，再通過電腦處理，將兩幅圖像疊加，便成了3D電影源。完成攝影后，在放映室里，3D電影源投放在一定角度的銀幕上，觀眾需要帶上3D眼鏡觀看。仔細觀察3D眼鏡，會發(fā)現(xiàn)左右鏡片上有密集而細小的朝向不同的條紋。左鏡片是縱紋，右鏡片是橫紋。正是這些條紋，才能看到美妙的3D立體圖。完成攝影后，根據(jù)“雙目效應”，需要將圖像分解，讓左眼只看見偏左的畫面，右眼只看見偏右側的畫面，這樣才能使大腦產(chǎn)生遠近的判斷而生出立體感。在放映時，偏左的畫面和偏右側的畫面所用的投射光是不同的，雖然顏色畫面一樣，但投影用的光的傳播方向是不同的，偏左畫面用的是縱波光（光波沿縱向傳遞），偏右畫面用的是橫波光（光波沿橫向傳遞），由于偏振光的特點（物理選修3-4第十二章第三節(jié)）縱波光只能穿過縱紋，不能穿過橫紋，因此，透過左鏡片，只能看見偏左側的畫面，同理與右鏡片。由此，重疊的畫面被分解，左眼只看見偏左側的畫面，右眼只看見偏右側的畫面，由于雙目效應，便產(chǎn)生了遠近感和立體感。（二）全息投影技術全息投影技術（front-projectedholographicdisplay）也稱虛擬成像技術是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實的三維圖像的技術。全息投影技術不僅可以產(chǎn)生立體的空中幻像，還可以使幻像與表演者產(chǎn)生互動，一起完成表演，產(chǎn)生令人震撼的演出效果。適用范圍產(chǎn)品展覽、汽車服裝發(fā)布會、舞臺節(jié)目、互動、酒吧娛樂、場所互動投影等。全息投影技術一共分為以下三種：1、在美國麻省一位叫ChadDyne的29歲理工研究生發(fā)明了一種空氣投影和交互技術，這是顯示技術上的一個里程碑，它可以在氣流形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。此技術來源海市蜃樓的原理，將圖像投射在水蒸氣上，由于分子震動不均衡，可以形成層次和立體感很強的圖像。2、日本公司ScienceandTechnology發(fā)明了一種可以用激光束來投射實體的3D影像，這種技術是利用氮氣和氧氣在空氣中散開時，混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質，并在空氣中形成一個短暫的3D圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進行小型爆破來實現(xiàn)的。3、南加利福尼亞大學創(chuàng)新科技研究院的研究人員宣布他們成功研制一種360度全息顯示屏，這種技術是將圖像投影在一種高速旋轉的鏡子上從而實現(xiàn)三維圖像，只不過好像有點危險?？梢哉f這些技術很多國家都在研制，毫不夸張的說這項技術它包含了未來，誰最先使用這項技術，誰就最先走入未來的先進技術行列。全息投影技術是全息攝影技術的逆向展示，本質上是通過在空氣或者特殊的立體鏡片上形成立體的影像。不同于平面銀幕投影僅僅在二維表面通過透視、陰影等效果實現(xiàn)立體感，全息投影技術是真正呈現(xiàn)3D的影像，可以從360°的任何角度觀看影像的不同側面。3D全息投影制作教程工具：手機、平板電腦、直接用電腦屏（能放視頻的設備）。直尺、小刀（或剪刀）、圓規(guī)（或量角器）、膠水（或透明膠帶）。材料：普通透明塑料薄膜或者專用的投影膜（不要太軟）、一張草稿紙。注意事項：等腰三角形的頂角為70.5度，“底邊等于屏幕的寬度”這個不需要太標準，只要不比播放的視頻寬度小就行！制作流程：步驟一：確定屏幕的寬度，用尺子量下。步驟二：在草稿紙上畫以等腰三角形的腰長為半徑畫圓，在圓上任意一點為圓心，半徑為等腰三角形的底邊（即屏幕寬度）步驟三：將塑料薄膜覆蓋在所畫的圓上，在三角形的頂點處扎孔以作標記。用刀切割下四個連在一起的等腰三角形。步驟四：將邊沿兩邊用膠水或膠帶連在一起，呈金字塔狀。（圖3）偽全息，真全息有一種偽全息投影應用在商業(yè)用途上。大體分為兩類：投影機直接背投在全息投影膜上的也就是初音演唱會那種應用的。另一種是采用投影機或其他顯示方法光源折射45度成像在幻影成像膜的全息投影，后者成像效果相對更炫一些，不過成本相對會高出很多，受場地限制也多一些。在水立方舉辦的聚仙游戲全息發(fā)布就是應用的幻影成像膜，用的LED屏折射光源，舞臺效果很炫。如下圖：圖5360度（偽全息）成像是由透明材料制成的四面錐體，由四個不同角度拍攝的、二維物體的視頻，折射45度成像并匯集到一起后形成具有感觀維度的立體影像。如圖6所以：可以從錐體的四個面分別看到物體的不同側面，但它不是立體的。圖6圖7圖7中很明顯的（偽全息）方式：錐體上方四個面有四個不同的視頻圖像，通過錐體面45度折射成像。實現(xiàn)上是普通平面鏡成像原理轉了45度角而已。圖8然而：既使等到用激光息全相干法制作出低成本的視頻像源，這個錐體合成的成像裝置也不可取。立體影像衣然被鎖定在這個小小的空間。對于圖9那樣深度遠景的立體怎么可能有深入臨境的享受。再過二三十年也沒有幾個家庭有圖6、7這么多余空間。它怎么可能普及到億萬家庭中去實現(xiàn)家庭立體影院的夢想。圖9全息技術的發(fā)展狀況1947年，英國匈牙利裔物理學家丹尼斯·蓋伯發(fā)明了全息投影術，他因此項工作獲得了1971年的諾貝爾物理學獎。其它的一些科學家在此之前也曾做過一些研究工作，解決了一些技術上的的問題。全息投影的發(fā)明是蓋伯在英國BTH公司研究增強電子顯微鏡性能手段時的偶然發(fā)現(xiàn)，而這項技術由該公司在1947年12月申請了專利（專利號GB685286）。這項技術從發(fā)明開始就一直應用于電子顯微技術中，在這個領域中被稱為電子全息投影技術，但是全息投影技術一直到1960年激光的發(fā)明才取得了實質性的進展。第一張實際記錄了三維物體的光學全息投影照片是在1962年由蘇聯(lián)科學家尤里·丹尼蘇克拍攝的。與此同時，美國密歇根大學雷達實驗室的工作人員艾米特·利思和尤里斯·烏帕特尼克斯也發(fā)明了同樣的技術。尼古拉斯·菲利普斯改進了光化學加工技術，以生產(chǎn)高質量的全息投影圖片。全息投影可以分為如下若干類。透射全息投影，如利思和烏帕特尼克斯所發(fā)明的技術，這種技術通過向全息投影膠片照射激光，然后從另一個方向來觀察重建的圖像。后來經(jīng)過改進，彩虹全息投影可以使用白色光來照明，以觀察重建的圖像。彩虹全息投影廣泛的應用于諸如信用卡安全防偽和產(chǎn)品包裝等領域。這些種類的彩虹全息投影通常在一個塑料膠片形成了表面浮雕圖案，然后通過在背面鍍上鋁膜使光線透過膠片以重建圖像。另一種常見的全息投影技術稱為反射全息投影，或稱為丹尼蘇克全息投影。這種技術可以通過使用白色光源從和觀察者相同的方向來照射膠片，通過反射來重建彩色的圖像，以重建圖像。鏡面全息投影是一種通過控制鏡面在二維表面上的運動來制造三維圖像的相關技術。它通過控制反射光線或者折射光線來構造全息圖像，而蓋伯的全息投影是通過衍射光來重建波前的。促使全息投影在短短的一段時間內就蓬勃發(fā)展的關鍵原因是低成本的固體激光器的大規(guī)模生產(chǎn)，如DVD播放機和其他的一些常用設備中所使用的激光器。這些激光器對全息投影的發(fā)展也產(chǎn)生了極大的促進作用。這些廉價的體積又很小的固體激光器可以在某些條件下與最初用于全息投影的那些大型的昂貴的氣體激光器相媲美，因此使得預算較低的研究者、藝術家甚至業(yè)余愛好者都可以參與到全全息投影研究中來。2014年6月，美國加州的一家新創(chuàng)公司，正在研發(fā)三維全息投影芯片，最早2015年底之前，智能手機將具備三維投影的功能。研制出一個體積只有藥片大小的三維全息投影儀，分辨率高達5000PPI，可以精確控制每一個光束的亮度、顏色，以及角度。只需要一個芯片，就可以投射出一個可以接受的三維全息圖像，不過只要增加芯片數(shù)量，則可以投射出形狀更加復雜的三維物體，細節(jié)更加詳實，這一芯片和技術的研發(fā)還在初始階段，第一款芯片，目的是全息投影二維圖像，預計芯片可以在2015年的夏天交付給手機廠商。他們研制的第二款投影芯片，將可以實現(xiàn)全息三維投影，立體影像可以漂浮在空氣中，看上去就像是一個真實存在的物體。第一款芯片推出幾個月之后，第二款芯片也將開始進入生產(chǎn)制造。另外除了智能手機之外，該公司研發(fā)的三維全息投影芯片，還將進入到各種顯示設備中，比如電視機、智能手表，甚至是“全息桌面”。屆時，三維全息投影時代將真正到來.(四)對于全息投影技術的討論應用(1)范圍全息投影技術在舞臺中的應用，不僅可以產(chǎn)生立體的空中幻像，還可以使幻像與表演者產(chǎn)生互動，一起完成表演，產(chǎn)生令人震撼的演出效果。從Disel時裝發(fā)布T臺秀中全息投影技術的運用，美輪美奐的全息投影畫面伴隨模特的走步把觀眾帶到了另一個世界中，好像使觀眾體驗了一把虛擬與現(xiàn)實的雙重世界。再到夢幻劇場《動漫大師諾曼》中全息投影技術的運用，舞臺藝術與電影片斷在同一空間出現(xiàn)了非凡的融合，給觀眾展示了世界多媒體藝術最新的創(chuàng)新成果。服務和銷售行業(yè)是最需要群眾基礎的，能最大限度的吸引消費者就是王道。全息投影技術在這方面的運用以全新的視角聚攏了人們的眼球，勾起了消費者的消費欲望。展覽展示行業(yè)最終的目的就是如何將產(chǎn)品賣出去，而如何最大限度的吸引參展者的眼球便成了這個行業(yè)的制勝法寶。針對展覽展示行業(yè)實時推出了360度虛擬成像系統(tǒng)，將三維畫面懸浮在實景的半空中成像，營造了亦幻亦真的氛圍，效果奇特，科技感十足。為展覽展示行業(yè)開辟了新的營銷方向。全息投影系統(tǒng)景象全息投影系統(tǒng)是一種利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實的三維圖像。3維動畫是以這種全新的事物改變著人們對那些傳統(tǒng)舞臺的聲光電技術的審美態(tài)度。適用范圍產(chǎn)品展覽、汽車服裝發(fā)布會、舞臺節(jié)目、互動、酒吧娛樂、場所互動投影等。全息景象是指觀眾可以在發(fā)生器的發(fā)生口度即一圈內可以看到幻像，全息投影系統(tǒng)將三維畫面懸浮在實景的半空中成像，營造了亦幻亦真的氛圍，效果奇特具有強烈的縱深感，真假難辯。時尚美觀，有科技感；頂端透明，真正的空間成像；色彩鮮艷，對比度，清晰度高；有空間感，透視感，形成空中幻象；中間可結合實物，實現(xiàn)影像與實物的結合；也可配加觸摸屏實現(xiàn)與觀眾的互動；可以根據(jù)要求做成四面窗口。(2)實例2010年3月9號晚間世嘉公司舉辦了一場名為“初音未來日的感謝祭”“初音之日”（Miku'sDay）的初音未來所謂的全息投影演唱會。投影機直接背投在全息投影膜，是全息，但不是最理想化的全息投影。2010年7月份中國歌手韓庚在其個人演唱會上也應用了這種技術。2011年12月31日，江蘇衛(wèi)視跨年演唱會邀請到電影《阿凡達》的后期團隊，還有英國《X-Factor》的燈光團隊，為華語樂壇新天后周筆暢花巨資打造全息投影效果，讓周筆暢與梅艷芳、鄧麗君、張國榮等已故明星完成了一次“跨時光的演唱”，取得了當晚同時段的收視冠軍。2013年亞洲天王周杰倫的2013魔天倫世界巡回演唱會中也運用了全息投影技術。2014年以色列開發(fā)出了一種夢幻般的醫(yī)用3D全息投影。通過新技術，醫(yī)生可以用3D全息投影進行模擬操刀練習，為手術治療和遠程醫(yī)療打造了一個新平臺。2014年BBAMS音樂盛典上實現(xiàn)了已故巨星邁克爾·杰克遜（MichaelJackson）在舞臺上的表演，據(jù)聞也是應用了這種技術，取得了極好效果。1.房地產(chǎn)展示

房地產(chǎn)行業(yè)可以涉及到的有全息沙盤、全息樣板間、三維全息平面圖、三維全息結構圖等。

目前我國房地產(chǎn)行業(yè)所使用的沙盤主要為電子沙盤，對于樣板房，房地產(chǎn)行業(yè)的普遍是以三維效果圖、樣板間模型和實地參觀考察來向客戶展示樣板房。但這些都是不可重復利用，一旦樓盤售馨就成為廢品，這是對資源的浪費和對環(huán)境的污染。而全息投影沙盤的模塊化硬件可以實現(xiàn)重復使用，而且展示內容以數(shù)字影像方式存在，展示內容靈活可變，展示內容量巨大，還可以很好的完成客戶與樓盤間的互動。全息投影沙盤可將傳統(tǒng)的沙盤展示、建筑動畫、樣板間展示、房屋結構展示等融合到一起，只用一套全息投影沙盤即可滿足整個樓盤的從外至內、從大環(huán)境到局部細節(jié)的展示。全息投影沙盤唯一的消耗就是電能，不但起到了很好的展示效果，也順應環(huán)保節(jié)能的時代趨勢。

2.全息投影照片

社會經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，攝影攝像技術的簡化和人們日益增長的審美需求加快了攝影攝像的普及，我們可以輕易的在身邊找到攝影攝像設備，我們的生活被無數(shù)的影像所包圍，有趣的是我們對于膠卷相機和紙制照片的需求越來越少，我們將數(shù)字形式的照片放在電腦、電子相框、手機等設備上來欣賞，這可以看出消費者對于新技術的認可和追捧。在電子相框、MP4

等設備的基礎上，全息投影照片將傳統(tǒng)的二維平面圖像轉變?yōu)閯討B(tài)的、有體感的、可全方位視角觀看的圖像，消費者可將自己、親友甚至偶像的全息投影照片放置在全息投影相框中，操作方式同將電子照片放電子相框一樣方便簡單，但相對于電子照片，全息投影