3D全息影像技術

　　全息顯示技術的問世給真正的立體三維電視帶來了希望之光。全息電視與立體電視相比，其優越之處不僅僅在于立體三維圖像更接近于物體自身，而且還要從人眼對物體深度感在生理上的心理暗示來加以考慮。

　　全息顯示的基本機理

　　全息學(Holography)自20世紀60年代激光器問世后得到了迅速的發展。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。換句話說，人們觀看全息像時會得到與觀看原物時完全相同的視覺效果，其中包括各種位置視差，這即是全息三維顯示的理論依據。從這種意義上來說，全息才是真正的三維圖像，而上述的各種由體視對合成的圖像充其量僅是準三維圖像(并無垂直視差的感覺)。20世紀80年代后，激光全息技術的迅速發展，成為一種異軍突起的高新技術產業。在激光全息技術中，全息顯示技術由于更接近于人們的日常生活而倍受關注。它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、室內裝潢、醫學、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，近年來還發展成為寬幅全息包裝材料而得到了廣泛的應用。由于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。

　　透射式全息顯示圖像

　　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。采用激光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。

　　反射式全息顯示圖像

　　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。

　　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(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。這是其一大優點，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，距記錄介質平面較遠處的圖像有點模糊不清。

　　像面式全息顯示圖像

　　根據全息學的理論，對于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于全息板，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，故人們采用將物體通過透鏡成像于全息板的附近，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。

　　彩虹式全息顯示圖象

　　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(Rainbow Hologram)問世，它可采用白光再現，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，并在眾多領域得到了應用。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。近年來還提出并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。后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。

　　合成式全息顯示圖像

　　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，假若將物體變為實際場景，則可制作立體電視;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復雜，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，并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，再在激光照射下用“全自動合成全息拍攝系統”將記錄的二維電影片制成全息顯示圖像，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高新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。如醫學中用X射線斷層攝影(CT)或超聲波斷層攝影，可得到垂直于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、原間隔制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制作。

　　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，對采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。它是目前記錄并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制開發，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。

　　模壓式全息顯示圖像

　　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為凹凸型溝槽狀分布;

　　制作金屬壓模，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制作現已成為一個頗具規模的產業，其產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°環視或動畫式模壓全息顯示圖像。

　　計算機全息顯示圖像

　　最后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(ComputerGenerated Hologram)，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目前已在圖像處理和干涉計量等領域內獲得了廣泛的應用。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。