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激光全息投影的“前世今生”及新进展

2015-12-25 16:10
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  1947 年,英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息投影技术,他因此项工作获得了1971 年的诺贝尔物理学奖。这项技术从发明开始就一直应用于电子显微技术中,在这个领域中被称为电子全息投影技术,但一直到 1960 年激光的发明后,全息投影才取得了实质性的进展。现在,大家所熟知的微软 Hololens 和 Magic Leap 所谓的神秘黑科技就是运用了这项技术。今天,我们来为大家深入剖析一下全息投影技术。

  全息投影是一种显示技术,它需要媒介,而且得实时进行,并且可以与人交互。我们把它的媒介称之为 “全息介质”,它不能凭空产生,这就是为什么目前这项技术很难普及的原因。全息投影将影像投射到全息介质上,从而在人们眼前呈现出了 3D 的效果。这项技术也被人们称为虚拟成像技术,现在非常火热的增强现实(AR)就运用到了这个技术。

  全息投影技术本质就是实现三维图像的记录和再现。

  第一步:记录,利用干涉原理记录物体光波信息。一般的三维图只是在二维的平面上通过构图及色彩明暗变化实现人眼的三维错觉,而全息影像则包含了被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息。观众可以通过多角度来观看图像在不同角度的形态变化,就像有个真实的物体在那里一样。当然,现在的技术已经不再局限于记录真实的影像,还可以制作完全虚拟的三维数字影像。记录的难题早在 1947 年就被攻克了。

  第二步:再现,利用衍射原理再现物体光波信息。主要归功于全息膜技术的诞生,使三维图像的再现成为了可能。依靠这薄薄的透明膜,无论是 T 形台上的流光溢彩,还是舞台上虚幻影像,都可以实现。随着全息膜的技术进步,现在一些全息膜里面有许多细细的线路丝。借助这些线路丝,人们通过手指触摸就能与全息影像进行互动。这个技术在 2001 年才取得突破。

  为什么说 “直到 1960 年激光的发明后,全息投影才取得了实质性的进展” 呢?因为真正的全息图像是由激光全息照相技术——使用分光镜形成多路激光,利用激光相干性好的特点形成衍射,所完成的一种特殊照相术。捕捉全息投影需要激光光源,而最常使用的是红色的氦氖激光。

  激光全息照相技术具体的原理

  有人说,全息投影技术(hologram)的原理和用环绕音效录制交响乐十分类似──声音一旦被录下,就算请不到交响乐团来演奏,我们仍能一遍又一遍地重现音乐。

  而全息投影技术记录的不是声音,而是光被物体散射所形成的干扰图形。如此我们便可事后重制散射光,制造出该物体实际存在的错觉。先以分光镜将光束分开,接着每道新的光束会循不同路线照射在全息投影记录盘上。第一道光束──物体光束(object beam)会照射在物体本身,第二道则照射在记录盘上,作为制作干扰图形的参考依据。

  每道光束在抵达目标之前,都会通过一个镜片。全息投影记录器的镜片有别于照相机镜片,其目的不是要聚光,而是散光。物体光束照射在物体上时,光会反射与折射,部份光束会射往全息相片的方向。物体光束抵达全息相片后,会与参考光束(reference beam)发生碰撞,并形成干扰图形。光敏感化学物质所制造的微粒能忠实记录干扰图形,其原理就如同摄影技术。

  曝光的全息相片基本上比较像 CD,而不像摄影负片。储存的资讯无法光靠肉眼阅读,它看起来更像是一连串凹凸不平的波形线条。若想观看全息影像图,我们必须将光源照射在底片上。

  全息相片主要分为两种,每种观看的方式都不一样。观看穿透式全息相片时,我们要将单色光照透底片,借此制造出单一颜色(通常为绿色)的浮动 3D 图像。倘若是在钞票上所看到的反射式全相片,其回弹的光线则可能是多彩的。

  制造全息相片的过程跟传统摄影一样,要防止其他光线渗入,因此我们通常必须在暗房里方能录制全息相片。由于大部分全息投影激光为红色,传统暗房的红光会破坏全相片,因此必须以绿光或蓝绿光取代。

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