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1、 上海光子全息投影技术原理-作者:_ -日期:_ 上海光子全息投影技术原理 (一)全息成像原理 全息投影技术(front-projected holographic display)也称虚拟成像技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。它分为两步，干涉照相，衍射重现。第一步如图 1，是利用干涉原理记录物体光波信息，此即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束;另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过
2、显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片。图 1 第二步如图 2，是利用衍射原理再现物体光波信息，这是成象过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象(又称初始象)和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。图 2 1、双视作用 每个人都有两个眼睛，每个眼睛的视角大约为 80 度，但是两个眼睛一起的视角只有 120 度，也就是说有 40 度
3、的视角是重合的，所以我们的左右两个眼睛所看到的的东西其实是不同的，比如你闭上左眼用右眼看或者反过来，就能测试出来效果，左右两眼接收到的物体转发给大脑做判断物体的远近才能形成立体感。3D 立体技术就是模拟这个过程而形成的。2、3D 摄影 在 3D 投影前，要对物体进行 120的 3D 摄影。看过 3D 电影的读者应该知道，如果取下 3D 眼镜观看，画面有重影而模糊不清。只是因为，银幕上的画面并不是一幅，而是两幅角度不同的画面叠加的效果。为了模拟“双目效应”，必须拍摄出偏左侧的画面和偏右侧的画面。在拍摄时，其实有两台 3D 摄像机同时工作，一台偏向演员左侧，记录偏左的图像;一台偏向演员右侧，记录偏
4、右的图像，再通过电脑处理，将两幅图像叠加，便成了 3D 电影源。完成摄影后，在放映室里，3D 电影源投放在一定角度的银幕上，观众需要带上 3D 眼镜观看。仔细观察 3D 眼镜，会发现左右镜片上有密集而细小的朝向不同的条纹。左镜片是纵纹，右镜片是横纹。正是这些条纹，才能看到美妙的 3D 立体图。完成摄影后，根据“双目效应”，需要将图像分解，让左眼只看见偏左的画面，右眼只看见偏右侧的画面，这样才能使大脑产生远近的判断而生出立体感。在放映时，偏左的画面和偏右侧的画面所用的投射光是不同的，虽然颜色画面一样，但投影用的光的传播方向是不同的，偏左画面用的是纵波光(光波沿纵向传递)，偏右画面用的是横波光(光
5、波沿横向传递)，由于偏振光的特点(物理选修 3-4 第十二章 第三节)纵波光只能穿过纵纹，不能穿过横纹，因此，透过左镜片，只能看见偏左侧的画面，同理与右镜片。由此，重叠的画面被分解，左眼只看见偏左侧的画面，右眼只看见偏右侧的画面，由于双目效应，便产生了远近感和立体感。(二)全息投影技术 全息投影技术(front-projected holographic display)也称虚拟成像技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。全息投影技术不仅可以产生立体的空中幻像，还可以使幻像与表演者产生互动，一起完成表演，产生令人震撼的演出效果。适用范围产品展览、汽车服装发布会、舞台节目、互
6、动、酒吧娱乐、场所互动投影等。全息投影技术一共分为以下三种：1、在美国麻省一位叫 Chad Dyne 的 29 岁理工研究生发明了一种空气投影和交互技术，这是显示技术上的一个里程碑，它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。此技术来源海市蜃楼的原理，将图像投射在水蒸气上，由于分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像。2、日本公司 Science and Technology 发明了一种可以用激光束来投射实体的 3D 影像，这种技术是利用氮气和氧气在空气中散开时，混合成的气体变成灼热的浆状物质，并在空气中形成一个短暂的 3D 图像。这种方法主要是不断在空气中进行小型爆破来实现的。3、
7、南加利福尼亚大学创新科技研究院的研究人员宣布他们成功研制一种 360 度全息显示屏，这种技术是将图像投影在一种高速旋转的镜子上从而实现三维图像，只不过好像有点危险。可以说这些技术很多国家都在研制，毫不夸张的说这项技术它包含了未来，谁最先使用这项技术，谁就最先走入未来的先进技术行列。全息投影技术是全息摄影技术的逆向展示，本质上是通过在空气或者特殊的立体镜片上形成立体的影像。不同于平面银幕投影仅仅在二维表面通过透视、阴影等效果实现立体感，全息投影技术是真正呈现 3D 的影像，可以从 360的任何角度观看影像的不同侧面。3D 全息投影制作教程 工具：一、手机、平板电脑、直接用电脑屏(能放视频的设备)
8、。二、直尺、小刀(或剪刀)、圆规(或量角器)、胶水(或透明胶带)。材料：普通透明塑料薄膜或者专用的投影膜(不要太软)、一张草稿纸。注意事项：等腰三角形的顶角为 70.5 度，“底边等于屏幕的宽度”这个不需要太标准，只要不比播放的视频宽度小就行!制作流程：步骤一：确定屏幕的宽度，用尺子量下。步骤二：在草稿纸上画以等腰三角形的腰长为半径画圆，在圆上任意一点为圆心，半径为等腰三角形的底边(即屏幕宽度)步骤三：将塑料薄膜覆盖在所画的圆上，在三角形的顶点处扎孔以作标记。用刀切割下四个连在一起的等腰三角形。步骤四：将边沿两边用胶水或胶带连在一起，呈金字塔状。(图 3)图 3 伪全息，真全息 有一种伪全息投
9、影应用在商业用途上。大体分为两类：投影机直接背投在全息投影膜上的也就是初音演唱会那种应用的。图 4 另一种是采用投影机或其他显示方法光源折射 45 度成像在幻影成像膜的全息投影，后者成像效果相对更炫一些，不过成本相对会高出很多，受场地限制也多一些。在水立方举办的聚仙游戏全息发布就是应用的幻影成像膜，用的 LED 屏折射光源，舞台效果很炫。如下图：图 5 360 度(伪全息)成像是由透明材料制成的四面锥体，由四个不同角度拍摄的、二维物体的视频，折射 45 度成像并汇集到一起后形成具有感观维度的立体影像。如图 6：所以：可以从锥体的四个面分别看到物体的不同侧面，但它不是立体的。图 7 中很明显的(
10、伪全息)方式：锥体上方四个面有四个不同的视频图像，通过锥体面 45 度折射成像。实现上是普通平面镜成像原理转了 45 度角而已。图 7 图 8 然而：既使等到用激光息全相干法制作出低成本的视频像源，这个锥体合成的成像装置也不可取。立体影像衣然被锁定在这个小小的空间。对于图 9 那样深度远景的立体怎么可能有深入临境的享受。再过二三十年也没有几个家庭有图 6、7 这么多余空间。它怎么可能普及到亿万家庭中去实现家庭立体影院的梦想。图 9 (三)全息技术的发展状况 1947 年，英国匈牙利裔物理学家丹尼斯盖伯发明了全息投影术，他因此项工作获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖。其它的一些科学家在此之前也
11、曾做过一些研究工作，解决了一些技术上的的问题。全息投影的发明是盖伯在英国 BTH 公司研究增强电子显微镜性能手段 时的偶然发现，而这项技术由该公司在 1947 年 12 月申请了专利(专利号 GB685286)。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，但是全息投影技术一直到 1960 年激光的发明才取得了实质性的进展。第一张实际记录了三维物体的光学全息投影照片是在 1962 年由苏联科学家尤里丹尼苏克拍摄的。与此同时，美国密歇根大学雷达实验室的工作人员艾米特利思和尤里斯乌帕特尼克斯也发明了同样的技术。尼古拉斯菲利普斯改进了光化学加工技术，以生产高质量
12、的全息投影图片。全息投影可以分为如下若干类。透射全息投影，如利思和乌帕特尼克斯所发明的技术，这种技术通过向全息投影胶片照射激光，然后从另一个方向来观察重建的图像。后来经过改进，彩虹全息投影可以使用白色光来照明，以观察重建的图像。彩虹全息投影广泛的应用于诸如信用卡安全防伪和产品包装等领域。这些种类的彩虹全息投影通常在一个塑料胶片形成了表面浮雕图案，然后通过在背面镀上铝膜使光线透过胶片以重建图像。另一种常见的全息投影技术称为反射全息投影，或称为丹尼苏克全息投影。这种技术可以通过使用白色光源从和观察者相同的方向来照射胶片，通过反射来重建彩色的图像，以重建图像。镜 面全息投影是一种通过控制镜面在二维表
13、面上的运动来制造三维图像的相关技术。它通过控制反射光线或者折射光线来构造全息图像，而盖伯的全息投影是通过衍射光来重建波前的。促使全息投影在短短的一段时间内就蓬勃发展的关键原因是低成本的固体激光器的大规模生产，如 DVD 播放机和其他的一些常用设备中所使用的激光器。这些激光器对全息投影的发展也产生了极大的促进作用。这些廉价的体积又很小的固体激光器可以在某些条件下与最初用于全息投影的那些大型的昂贵的气体激光器相媲美，因此使得预算较低的研究者、艺术家甚至业余爱好者都可以参与到全全息投影研究中来。2014 年 6 月，美国加州的一家新创公司，正在研发三维全息投影芯片，最早 2015 年底之前，智能手机
14、将具备三维投影的功能。研制出一个体积只有药片大小的三维全息投影仪，分辨率高达 5000PPI，可以精确控制每一个光束的亮度、颜色，以及角度。只需要一个芯片，就可以投射出一个可以接受的三维全息图像，不过只要增加芯片数量，则可以投射出形状更加复杂的三维物体，细节更加详实，这一芯片和技术的研发还在初始阶段，第一款芯片，目的是全息投影二维图像，预计芯片可以在2015 年的夏天交付给手机厂商。他们研制的第二款投影芯片，将可以实现全息三维投影，立体影像可以漂浮在空气中，看上去就像是一个真实存在的物体。第一款芯片推出几个月之后，第二款芯片也将开始进入生产制造。另外除了智能手机之外，该公司研发的三维全息投影芯
15、片，还将进入到各种显示设备中，比如电视机、智能手表，甚至是“全息桌面”。届时，三维全息投影时代将真正到来.应用 范围 全息投影技术在舞台中的应用，不仅可以产生立体的空中幻像，还可以使幻像与表演者产生互动，一起完成表演，产生令人震撼的演出效果。从 Disel 时装发布 T 台秀中全息投影技术的运用，美轮美奂的全息投影画面伴随模特的走步把观众带到了另一个世界中，好像使观众体验了一把虚拟与现实的双重世界。再到梦幻剧场动漫大师诺曼中全息投影技术的运用，舞台艺术与电影片断在同一空间出现了非凡的融合，给观众展示了世界多媒体艺术最新的创新成果。服务和销售行业是最需要群众基础的，能最大限度的吸引消费者就是王道
16、。全息投影技术在这方面的运用以全新的视角聚拢了人们的眼球，勾起了消费者的消费欲望。展览展示行业最终的目的就是如何将产品卖出去，而如何最大限度的吸引参展者的眼球便成了这个行业的制胜法宝。针对展览展示行业实时推出了 360 度虚拟成像系统，将三维画面悬浮在实景的半空中成像，营造了亦幻亦真的氛围，效果奇特，科技感十足。为展览展示行业开辟了新的营销方向。全息投影系统景象 全息投影系统是一种利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像。3 维动画是以这种全新的事物改变着人们对那些传统舞台的声光电技术的审美态度。适用范围产品展览、汽车服装发布会、舞台节目、互动、酒吧娱乐、场所互动投影等。全息景象是指观众
17、可以在发生器的发生口度即一圈内可以看到幻像，全息投影系统将三维画面悬浮在实景的半空中成像，营造了亦幻亦真的氛围，效果奇特具有强烈的纵深感，真假难辩。时尚美观，有科技感;顶端透明，真正的空间成像;色彩鲜 艳，对比度，清晰度高;有空间感，透视感，形成空中幻象;中间可结合实物，实现影像与实物的结合;也可配加触摸屏实现与观众的互动;可以根据要求做成四面窗口。例实 2010 年 3 月 9 号晚间世嘉公司举办了一场名为“初音未来日的感谢祭”“初音之日”(Mikus Day)的初音未来所谓的全息投影演唱会。投影机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 月份中国歌手韩庚在其
18、个人演唱会上也应用了这种技术。2011 年 12 月 31 日，江苏卫视跨年演唱会邀请到电影阿凡达的后期团队，还有英国X-Factor的灯光团队，为华语乐坛新天后周笔畅花巨资打造全息投影效果，让周笔畅与梅艳芳、邓丽君、张国荣等已故明星完成了一次“跨时光的演唱”，取得了当晚同时段的收视冠军。2013 年亚洲天王周杰伦的 2013 魔天伦世界巡回演唱会中也运用了全息投影技术。2014 年以色列开发出了一种梦幻般的医用 3D 全息投影。通过新技术，医生可以用 3D 全息投影进行模拟操刀练习，为手术治疗和远程医疗打造了一个新平台。2014 年 BBAMS 音乐盛典上实现了已故巨星迈克尔杰克逊(Mich
19、aelJackson)在舞台上的表演，据闻也是应用了这种技术，取得了极好效果。房地产展示 房地产行业可以涉及到的有全息沙盘、全息样板间、三维全息平面图、三维全息结构图等。目前我国房地产行业所使用的沙盘主要为电子沙盘，对于样板房，房地产行业的普遍是以三维效果图、样板间模型和实地参观考察来向客户展示样板房。但这些都是不可重复利用，一旦楼盘售馨就成为废品，这是对资源的浪费和对环境的污染。而全息投影沙盘的模块化硬件可以实现重复使用，而且展示内容以数字影像方式存在，展示内容灵活可变，展示内容量巨大，还可以很好的完成客户与楼盘间的互动。全息投影沙盘可将传统的沙盘展示、建筑动画、样板间展示、房屋结构展示等融
20、合到一起，只用一套全息投影沙盘即可满足整个楼盘的从外至内、从大环境到局部细节的展示。全息投影沙盘唯一的消耗就是电能，不但起到了很好的展示效果，也顺应环保节能的时代趋势。全息投影照片 社会经济高速发展的今天，摄影摄像技术的简化和人们日益增长的审美需求加快了摄影摄像的普及，我们可以轻易的在身边找到摄影摄像设备，我们的生活被无数的影像所包围，有趣的是我们对于胶卷相机和纸制照片的需求越来越少，我们将数字形式的照片放在电脑、电子相框、手机等设备上来欣赏，这可以看出消费者对于新技术的认可和追捧。在电子相框、MP4 等设备的基础上，全息投影照片将传统的二维平面图像转变为动态的、有体感的、可全方位视角观看的图
21、像，消费者可将自己、亲友甚至偶像的全息投影照片放置在全息投影相框中，操作方式同将电子照片放电子相框一样方便简单，但相对于电子照片，全息投影照片的视觉效果和感官体验是全新的、震撼的。将全息投影应用到摄影中让消费者得到一种全新的视觉体验，给予消费者更高一级的美的享受。全息投影照片可以像站在巨人的肩膀上一样，在高度普及的平面摄影的基础上向社会进行推广，让更多的人得到全息投影带来的视觉享受与体验乐趣。当然，全息投影的应用还有很多方式，如全息投影博物馆、全息投影伴舞、全息投影视频电话、全息投影智能引导员等，全息投影不光可以单独使用，也可以同其它多媒体设备一同配合使用，其应用的目的在于在真正的全息影像技术
22、普及之前以一种方便的、低廉的、新颖的技术，使人们体验到一种有别于平面媒体的视觉享受。前景 日本广播公司(NHK)决心在 2020 年之前推出第一台 Holo-TV，现已拨款 28 亿英镑用于这一雄心勃勃的项目。日本人非常自信，认为他们能够向全世界提供全息广播节目，并将这项服务作为申办 2022 年世界杯举办权的一个重要砝码。Holo-TV播放的每一场比赛画面将由 200 台高清晰摄像机 360 度拍摄，而后以 3D 影像的方式播放。日本电子巨头一直在推动这项技术的研发。生动逼真的比赛画面将向全世界播放，让观众获得好似在现场看球的感觉。麦克风将被安装在球场下方，用于记录下所有声音，其中包括球员踢
23、球的声音以及裁判的哨声，用来创造超现实版的数字音效。全息投影技术在发展中可能会发生名称的改变或是类型的多样化，但是随着其逐步地完善，在演艺活动中的应用应该会相当广泛。一旦全息投影技术的成本降低并且便捷性提升，其作为舞美亮点的时代将会结束，取而代之的是大多数演艺活动的整场都会伴随着全息投影效果，同时应用更加多样化。比如，满足观众更多的观赏需求、在观众席设立一些互动效果、在某个节目中随意增加特色效果、应用范围可能从歌舞类发展到语言类等。全息投影技术突破了传统声、光、电的局限，将美轮美奂的画面带到观众面前，给人一种虚拟与现实并存的双重世界感觉，未来全息投影技术市场发展潜力将是无可估量的。-THE END,THERE IS NO TXT FOLLOWING.-