真正的全息投影原理是什么?
2020-10-23 20:35

  本文主要记录笔者主观的思考过程与探索过程,难免出现诸多错误与漏洞,感谢各位不吝赐教。

  闲来无事,在家观看了日本国内政部制作的5g宣传片《连接5G以后的世界》,影片结尾一个乐队通过全息技术,如临现场般地为一对老年夫妻庆祝金婚。这个画面让我想到了四五年前感动我的北大宣传片《星空日记》里面的一个场景。片中的主人公在毕业设计中用四束光线d星空,场面宏伟,所有人皆为他喝彩。

  看到北大的极客做出了这么美轮美奂的画面,笔者也耐不住了,于是也简简单单做了一个小型的“3d全息投影仪”,并且也取得了成功。

  5g时代的高速传输性,一定会让传统的2d视频画面有立体化的趋势,为了实现立体化,全息3d技术一定会起到很大的作用。以上三个案例都实现了画面的立体化,但是其中有两个不是真正的全息投影技术。答案先不告诉大家,读到最后,你就会知道。

  我们看一个图片,或者看一部电影(为了叙述的简单我们暂且用黑白图片和电影为例)实则是在看什么?是在看黑白灰三色。通过分辨白光的强弱让我们还原了当时的场景,白光强度大就显白色,白光强度适中就显灰色,强度为零就显黑色。所以2d照片带给我们的是光强不同。

  而我们普通的2d照相机是怎样记录光强的呢?当一束光通过镜头射到底片之时,底片上的感光物质(在传统摄像机中底片对应胶卷,上面的反光物质对应溴化银)会发生化学反应,说白了就是溴化银在光照条件下会分解为黑色的金属银。光线越强的地方,分解的程度也就越高,银也就越越厚,这个地方也就越黑,从而让胶卷上可以显示到黑黑白白的负片。贵州快3!再通过其他光这么一照,银厚的地方就透不了了光,所以在感光材料的纸上显示到的就是纸的白色,而银比较薄或者银没有产生的地方,感光材料颜色就会变深。所以这一来一回,实景的光强就记录在了图片之上。

  而我们知道光是具有波动性的,我们可以用三角函数图像来记录光的波动传播(如下图)。而光强的大小就是与振幅有关的。所以进一步说照片记录的就是光波的振幅。

  所以既然元凶是三角函数的振幅,上述照相机所做的事,也可以用复变函数的方式来进行证明(如下图,可能会有错误或不标准的地方,请大神指正)。

  通过以上推导我们说明了照相机的工作原理,也解释了二维的图片仅仅是可以识别光强,记录光的振幅的,而式子中的光的相位却在复数运算平方的中消除了。

  而3d影像之所以3d主要是为什么呢?答案就是相位。相位主要是类似于光的定位参数,你看一个物体有立体感,也是因为它们每个部分穿出的光的相位不同。而怎么记录这个相位呢?通过上式我们发现,仅仅凭借物体的物光是不够的,因为仅有物光一项的话,复变函数平方计算中相位会被消除。所以必须要加入另一项,加入另一束光,因为大家知道(a+b)²=a²+b²+2ab最后一项在复数运算中可保留函数中的相位,实际表现为就是发生了光的干涉。所以上面的推导可以用以下的步骤进行推导:

  我们想要观看3d图像的线d照相机一样,再射入一道光(激光),并发生衍射,成像,即如下图。

  以上只是我基于复变函数对保留相位而可以3d成像的一点理解与思考。如果上面你没怎么看明白,只要记住我总结的一段话。

  所以真正的全息技术是通过光的干涉与光的衍射来向大家展示了光的强度(振幅)与相位。但是我在的秒懂百科中发现他们所说的全息技术是不正确、不严谨的。

  这种显示3d图像的技术是伪3d全息技术,又称佩伯尔幻象,其实就是利用光的折射使物体前后左右四个光交织在一起,又符合画法几何中的透视原则,所以在一定的角度内,它显示了3d立体的像,具体原理看下图。

  所以我们只要用亚克力板制作一个四棱锥,并且在手机上制作一个物体的四个视图(如下图),并把四棱锥放在手机中间,就可以实现伪3d成像。

  伪3d成像在生活中运用的地方也很多,因为它的简易性,很多舞台效果是根据这个原理实现的,比如魔术中的一些小诡计,或者是游乐场的一些游艺项目,都可以以此达到震撼观众的效果。但是他们总是雄赳赳气昂昂地说:“劳资就是3d全息摄影,就是高科技的产物。”而且国内一些科普平台并没有做到位,导致很多人为此误导,误认为这样的小把戏就是3d全息摄影,比较荒唐。

  而线d全息摄影技术就运用于更加专业的方面,比如我们机械产品的检验,因为全息摄影高精度的识别可以帮助我们发现产品中最为细小的裂缝。再比如扫描电子显微镜的运用,它可以尽可能还原微粒最真实的状况。

  所以回到一开始的问题,开始的3个例子之中,第一个日本的宣传片里展示的应该是全息膜投影技术在AR中的应用,属于真全息。而北大宣传片中四束光的投射很明显是伪全息,而笔者自己做的小型3d投影仪上面已经介绍过了,同样也是伪全息。

  5g的高速性,会让一切信息传递得更快,全息图像的传输时间也会更短。我相信,随着5g的普及以及全息投影技术地发展,5年之内这项技术可以出现在日常生活之中。所以处在5g时代来临的边缘,就让我们耐心地等待一系列科技对我们生活的颠覆吧 ,还是那句话,一切皆有可能。