基于激光的3D全息成像技术

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1、基于激光的3D全息技术马茏光信息科学与技术摘要：自从激光技术问世以来，全息技术在基于激光良好的相干性的基础上得到了蓬勃的发展。全息技术的日渐成熟，使得投影技术逐渐走向真正的3D世界。关键词：激光全息术；全息照相；全息投影；全息存储一.全息技术的发展1948年，英籍物理学家伽M（Gabor）首先提出了全息学原理，从而为全息术的诞生奠定了理论基础。（一）全息技术的提出全息术的发展至今己经历三个阶段：第一阶段是全息术的初始阶段，这一阶段主要是理论研究和少量的实验。光全息术是由D.Gabor发明的。他早期的工作是致力于提高电子显微镜的分辨率，那时科学

2、家们认为新的显示时代已到来。1947年D.伽柏从事提高电子显微镜分辨本领的工作，受W.L.布喇格在X射线金属学方面工作及F.泽尔尼克的关于引入相干背景来显示位相的工作的启发⑵，伽柏提出了全息术的设想以提高电子显微镜的分辨木领。1948年他利用水银灯首次获得了全息图及其再现象，从而创立了全息术。但由于当时没有足够强的相干辐射源，全息术的发展陷入了休眠状态。面临着巨大的障碍和仅有的一点结果，使它的早期研究者不得不放弃了这种光学显示技术.50年代G.L.罗杰斯等人的工作大大扩充了波阵面再现理论。但是出于“挛生像”问题和光源相干性的限制，1955年以

3、后全息术进入低潮阶段。（二）激光记录激光再现时期第二阶段是在激光出现以后，用激光记录并以激光再现的时期。全息术黯淡的前途直至60年代初由于美国密执安人学雷达实验室进行的T作才使它重放光彩。该实验索从事综合孔径天线研究的E.N丄eith和J.Upatnieks几乎在Javen等人制成氨就激光器的同时⑶，对Gabor的技术做了划时代的改进，同时成功地进行了三维立体漫射物的记录和再现实验。激光的出现，为全息术的发展开辟了广阔的前景，1961〜1962年，E.N.利思等人对伽柏全息图进行了改进，引入“斜参考光束法”一举解决了“李生像”问题，用氨冠激光

4、器成功地拍摄了第一张实用的激光全息图。这样就使得全息术在1963年以后成为光学领域屮最活跃的分支之一。1964年利思等人乂提出了漫射全息图的概念，并得到三维物体的再现。与此同时，苏联的物理学家根据李普曼彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息图的概念。（三）激光记录白光再现时期20世纪80年代以后至今是全息术发展的第三阶段，这个阶段是进行激光记录而用白光再现的研究，如反射全息、像全息、彩虹全息、模压全息及合成全息等。1962年，前苏联科学家Y.N.Denisyuk根据G.Lippmann的驻波天然彩色照相法提出了白光反射全息图。从此应用研究不断发

5、展，许多科学工作者开始了他们H己的研究以探讨全息术的应用潜力及其应用领域，如全息干涉计量术、全息存储、全息光学元件、全息显微术、显示全息、计算全息等等。这期间，S.A.Benton彩虹全息术的发明揭开了显示全息图的应用序幕。他们的成功，使Gabor的全息思想在1971年获得诺贝尔物理学奖。一.3D技术原理（一）偏光眼镜法它以人眼观察景物的方法，利用两台并列安置的电影摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两条略带水平视差的电影画面。当观众戴上特制的偏光眼镜时，使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通过双眼汇聚功能将左、右像叠和在视网膜上

6、，由大脑神经产生三维立体的视觉效果。这种3D技术并不是真正意义上的3维技术，其成像依旧是建立在二维平面上的投影技术。（二）全息3D技术1・全息照相原理全息照相分为两步：波前的干涉记录和波前的衍射重建⑺。以菲涅耳全息为例，首先是波前的干涉记录，如图1就是菲涅耳全息照相的记录光路。图1全息照相的记录光路如图，激光束通过快门后经过分束板分为两束：透射的一束经平面镜M2反射、扩束镜L2扩束后作为参考光投射到全息干板E±；反射的一束经平面镜Mj反射、扩束镜J扩束后照到被摄物上，再经过物体的漫反射作为物光束也投射到E上。整个光路光轴在同一个水平面上，光束

7、通过各元件屮心。物光与参考光夹角在45°左右。黑暗中把全息干板夹在干板架上，使感光乳剂面朝向物光和参考光，静置一分钟后启动定时曝光器。取下干板，在喑室屮显影，水洗后定影一段时间用水冲洗干净，最后晾干，全息图就制作好了。下面说全息图的再现凶，菲涅耳激光全息是用激光再现的。观察虚像的方法如图2所示：扩束镜图2虚像的观察将制作好的全息图放回拍摄时原物体的位置，用参考光照射全息图，在全息图后而原物所在位置上可以观察到物体的虚像。若要观察到原物体的实像，就要改用参考光的共辘光线来照射全息图，则可以用光屏在全息图后面接受到物的实像，如图3所示光路。图3实

8、像的观察2•全息成像原理全息投影技术的成像是不需耍传统的银屏的技术，而是采用在空气雾幕上投影。空气雾幕投影成像是一种全新的空气成像设备。该设备是利用海市蜃楼的成像原