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1、JIJI A A N N G G S S U U U U N N I I V V E E R R S S I I T T Y Y激激 光光 加加 工工 技技 术术课程结业论文课程结业论文学 院 名 称： 机械工程学院 专 业 班 级： 研 1402 学 生 姓 名： 丁瑞 教 师 姓 名： 叶云霞 教 师 职 称： 副教授 2015 年 4 月激光全息投影技术的发展、应用及前景激光全息投影技术的发展、应用及前景摘要摘要：随着科技不断进步，光影产业的蓬勃发展，人们对光影视觉质量的要求越来越高，由此应运而生了新一代光影技术激光全息技术，激光全息投影技术是指把传播来的图像信息通过数值技术处理，将图像
2、的长波部分转变成相位调制的全息图(全息光栅数值技术处理)，利用衍射光学的方法来实现投影。激光全息投影技术预示着3D 图像技术的未来，通过发展 HLP 显示技术，结合微机械技术、半导体紫外和蓝绿红激光技术、衍射光学和计算全息学技术在内的激光全息投影技术也许在 35 年内成为光影产业的主流。激光全息投影技术也会推进我国在微机械技术、现代光学技术和激光技术的进步，而这些技术在推进高技术产业、国防技术方面的意义也是很大的。关键词关键词：激光全息投影技术；衍射光学；3D 图像技术；数值技术处理。1.1.引言引言自激光全息术发明以来, 激光全息技术的应用领域和范围不断拓展, 对相关技术和行业的影响越来越大
3、, 尤其是近年来随着激光全息技术与其它学科技术的综合运用, 激光全息技术更展现了它的巨大应用前景。基于这一点, 对激光全息技术的应用概况和发展趋势进行较全面的研究和探讨, 以促进激光全息技术应用范围的不断扩大和应用水平的不断提高, 这对于推动激光全息理论和技术的发展是有意义的。2.2.激光全息投影技术的基本原理激光全息投影技术的基本原理激光全息投影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。具体来说首先利用激光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，和光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的
4、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显影、定影等处理程序后，便成为一张诺利德全息图，或称全息照片。然后利用衍射原理再现物体光波信息，这是成像过程，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像，即原始像（又称初始像）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，如图 1 所示。图 1 激光全
5、息技术原理图3.3.激光全息投影技术的发展历程激光全息投影技术的发展历程1947 年，匈牙利人丹尼斯盖博(Dennis Gabor)在研究电子显微镜的过程中，提出了全息摄影术(Holography)这样一种全新的成像概念。由于全息摄影术的发明，丹尼斯盖博在 1971 年获得了诺贝尔奖。 1962 年，美国人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息术的基础上，将通信行业中“侧视雷达”理论应用在全息术上，发明了离轴全息技术，带动全息技术进入了全新的发展阶段。这一技术采用离轴光记录全息图像，然后利用离轴再现光得到三个空间相互分离的衍射分量，可以清晰的观察到所需的图像，有效克服了图成像质量差的问题。 1969 年
6、，本顿发明了彩虹全息术，能在白炽灯光下观察到明亮的立体成像。20 世纪 60 年代末期，古德曼和劳伦斯等人提出了新的全息概念数字全息技术，开创了精确全息技术的时代。到了 90年代，随着高分辨率 CCD 的出现，人们开始用 CCD 等光敏电子元件代替传统的感胶片或新型光敏等介质记录全息图，并用数字方式通过电脑模拟光学衍射来呈现影像，使得全息图的记录和再现真正实现了数字化。 2001 年德国国家实验室首创研发了全息膜技术，使三维图像的再现成为可能。360 度幻影成像是全息投影目前最具魔幻效果的技术，由丹麦公司 ViZoo 在 2006 年研发出来。2008 年，美国亚利桑那州大学打造了展现大脑的可
7、更新的 3D全息显示屏。这是世界上首批 3D 全息显示屏之一。现在，科学家正打算研制至少和电脑屏幕一样大的全息显示屏。 ”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。日本电子巨头一直在推动这项技术的研发。据索尼工程师透露，Holo-TV 外形好似在地板上摊开的一本大书。激光器负责投射一个“图像云” ，好似飘浮在房间中央。观众可以在不佩戴 3D 眼镜情况下从每一个角度欣赏立体影像。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，智能手机将具备三维投影的功能。研制出一个体积
8、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，三维全息投影芯片还将进入到各种显示设备中，比如电视机、智能手表
9、，甚至是“全息桌面” 。届时，三维全息投影时代将真正到来。4.4.激光全息投影技术的应用领域激光全息投影技术的应用领域4.14.1 激光全息投影在数码领域的应用激光全息投影在数码领域的应用（1）激光全息投影机激光全息立体投影机，是一种利用激光将全息图像再次显示设备，包括激光发射器、扩束镜 、点阵式光开关等。经扩束后的激光束垂直照射在按规则排列的、通过控制电路控制的、具有光路选择性的点阵式光开关层平面，与点阵式光开关层平行的全息干版为带有被摄物体编码的全息底片微缩排列而成的底片阵；前述底片阵与点阵式光开关层的子开关阵一一相对应；成像透镜与全息干版平行。它结构简单，可将静止的或动态的激光全息图，不
10、需借助屏幕在空间彩色立体成像。激光全息立体投影机具有十分广泛的用途，可用于广告、工艺品、展览会、博览会、旅游、公园、商业、宗教以及其它公共关系活动，可替代任何现有的显示设备，有着非常强的感染力和非常独特的效果。简单的说就是利用激光显示全息图像，并形成互动场景，原理图如图 2 所示。图 2 激光全息投影机原理图（2）激光全息手机全息手机是利用计算全息技术，通过追踪人眼的视角位置，基于全息图像数据模型计算出实际的全息图像，再通过指向性显示屏幕将左右眼的立体图像投射到人眼视网膜中，从而使人眼产生和实际环境感觉一样的视觉效果。这种全息技术形成的全息图像由于是基于人眼视角位置而成像的，所以只适合于一个人
11、观看，并且也无法用普通相机捕捉。2014 年深圳亿思达集团钛客科技在北京正式发布了可以直接观看到 3D 图像界面的 takee 全息手机，全息显示可以让肉眼在手机屏幕上以 360观看影像的不同侧面，是真正呈现立体接近现实的影像,这样的全息显示也称为聪明的全息。简单来说，即眼球看到哪里即显示物体相应的影像，达到现实生活中肉眼一样的观感，如图 3所示。图 3 手机全息投影效果图（3）激光全息影像全息摄影是利用光波的干涉现象来记录影像和重现影像。全息片完全是光波波前的记录，直接看到的只有许多细纹组成的图案，看不出和拍摄对象有任何相似之处。但是当用激光来照射全息片时，不需戴任何特殊的眼镜，就能看到在全
12、息片后有一个完全立体的影像。拍摄全息片要用相干光源和高分辨率的感光片，还需规定光路的分光束器和反光镜，但不用物镜。拍摄过程：相干光源分为两束，一束直接射向感光片，称参考光束；一束射向被摄物体,经它反射再达到感光片，称为物体光束。两条光束在感光片平面相遇,由于它们所经光程不同，以致相位不同，因此发生干涉现象，产生干涉图案，由感光片记录下来，成为全息片，3D 电影中常用的全息影像技术，如图 4 所示。4.24.2 激光全息投影在医学领域的应用激光全息投影在医学领域的应用图 4，电影中使用的全息技术4.24.2 激光全息在医学领域的应用激光全息在医学领域的应用（1）眼科疾病的诊断利用激光全息成像技术
13、可以提供整个眼睛的三维立体图像，并可以用显微镜对整个眼睛图像的不同位置（如：角膜、前房、晶状体、玻璃体以及视网膜等）进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息成像技术提供眼睛各个部分单独的三维立体图像以做深入的检查。利用激光全息干涉测量技术可以准确地观测玻璃体皱缩、玻璃体条索的生长、白内障的发展、视网膜水肿的改变、黑色素瘤的生长或缩小以及角膜的微小病变和角膜应力等。（2）超声波检测超声波检测是目前临床诊断中的一种重要的手段， 但它却难以记录和观测。采用激光全息技术，让穿过人体检查部位的超声波作用在液面上，同时把一束激光分成两束，一束照射到液面上并被液面反射到摄相机上，另一束作为参考光直接照到摄相机
14、上， 这样摄相机便可以记录下带有声全息的干涉图，再通过激光还原就可以得到超声波的全息图。利用这种全息诊断方法可以查出直径在 1mm 以上的乳腺癌，有利于癌症的早期诊断和治疗。（3）激光全息随机点立体视觉检查仪2001 年，解放军军事医学科学院和海军总医院合作，研制成功了用于飞行员体检的激光全息随机点立体视觉检查仪，该技术属国内外首创。4.34.3 激光全息投影在防伪、印刷及包装领域的应用激光全息投影在防伪、印刷及包装领域的应用从世界范围看，激光模压全息术在上个世纪 80 年代中期形成了一个产业，90 年代达到了鼎盛时期。无论是高档商品促销， 名优商品的防假冒或有价证券( 如信用卡、钞票、护照签
15、证) 的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装璜、纪念邮票和广告标牌等等，都普遍采用激光模压全息技术。防伪是该产业的技术关键，而重现具有动感的三维立体图像又是激光全息技术作为防伪手段的纲，所以母版全息图的摄制就成了这三个阶段中的关键环节。在母版全息图的制作上，上世纪 80、90 年代比较典型的激光全息技术有：二维多层假彩色编码技术、 真三维全息术、 真彩色全息术、 合成全息术、 动态全息术，以及在全息标识上的加密技术。且在实际制作过程中又常将 2-3 种方法综合交叉使用，使全息图上具备光电、 光磁、 红外、 荧光显示等多重防伪手段。图 5 激光全息防伪标识4.44.4 激光全息投影在交叉和边缘领域
16、中的应用激光全息投影在交叉和边缘领域中的应用（1）激光全息技术制成的全息激光防护薄膜在光电对抗中, 激光干扰、 致盲武器可以干扰、致盲、 甚至毁伤对方武器系统中的光电传感器和人眼, 从而使对方丧失战斗力。全息激光防护薄膜是采用高透明涤纶软片基, 涂敷重铬酸盐明胶作为光敏介质, 利用激光全息技术制作的反射或三维相位光栅。全息激光防护薄膜能粘贴在光学系统上,可以按要求实现反射特定波长的激光, 起到防护激光辐射的作用。薄膜能让除特定波长的激光以外的其它波长的光只有较少衰减地通过, 可见光透过率高, 对光学系统的视场亮度和像质影响较小。（2）采用激光全息技术研制的实时指纹取像系统指纹识别系统在工业发达国家已经广泛地运用于身份识别与身份确认的各个领域。2002 年, 重庆医科大学的甘平教授采用激光全息技术研制的实时指纹取像系统, 具有质量好, 无畸变、 无失真和图像清晰的特点, 甚至能看见指纹脊上的腺孔。可用平行光或发散光照明, 填补了国内在该项空白, 在国际上处
