[科普中国]-计算机全息图

概述

计算全息图可以记录真实存在或虚拟物体的物光波的全部信息，而且再现像具有物理景深效果能够裸眼观看，因而具有极大的灵活性和独特优势。在光学发展的历史进程中，计算机引入光学处理领域后，很多光学现象都可以用计算机来进行仿真，而只有全息显示是对原物体光波振幅和相位信息的重现，如同观看到真实物体或场景的漫反射光场一样，能够提供人眼所需要的全部三维信息，因此该技术被认为是终极的理想三维显示方法。1

发展历史早在1948年，Dennis Gabor就提出“波前重现"理论并开始了全息照相技术的研究，改变了感光记录介质只能记录光波的振幅信息的现状。由于汞灯光源的相干性较弱，导致全息图质量很低。这是全息技术发展历程的第一个阶段，即采用汞灯作为照射光源实现同轴记录。直到1960年激光的应用，才诞生了第二代采用激光作为记录和再现光源的全息技术。l 963年，美国科学家E．N．Leith和J。Uptnieks提出离轴全息，采用具有一偏角的参考光束，使得再现时虚像和实像在方向上互相偏离，克服了同轴全息产生的两个像的中心都在全息图的轴上的缺点，加速了全息术的发展。20世纪70年代初，越来越多的科学家投身其中，迎来全息技术发展的鼎盛时期，也是全息技术发展的第三代。1967年，D．P．Paris将J．W．Tukey的快速傅里叶变换算法应用到傅里叶变换计算全息图的计算中，大大缩短了计算全息图的计算时间。l 969年，S．A．Benton提出一种记录方式简捷、噪声小并且不受透镜限制的二步彩虹全息。1976年，Y．Denisyuk把一束扩束后的激光直接入射到底片上，经曝光、显影处理后就形成了能用白光再现出三维图像的反射全息图。第四代全息技术的发展目标是用白光记录和白光再现，目前为止尚未实现。1

特点计算全息三维显示技术是近年来将全息术、光电技术及计算机高速计算技术相结合发展起来的最具潜力的裸眼真三维显示技术。与传统的光学全息术相比，计算全息术避开了全息实际记录光路的限制，可对其它手段获得的三维数据或人工制作的三维模型进行全息图计算，具有灵活、可重复性好等特点。三维显示是对物体固有的三维信息进行记录、处理和再现的可视化过程。集成成像法、体视法、体素法和全息显示技术是目前能够实现三维立体显示的主要途径。集成成像法是通过透镜阵列和视差图像合成来显示。这种方法存在主要的不足点是成像焦
距固定且可视角度小。体视法则是借助佩戴设备观看显示器而获得3D的视觉效果。如3D电影、HMD(头盔立体显示器)‘。体素法是借助高刷新率的的投影设备将分切成多个截面的三维信息投射在相配套的屏幕上。然而，集成成像法、体视法和体素法都是利用到人眼自然存在的视差感和视觉暂留效应来实现3D效果。从本质上来讲，以上三种都不属于真三维立体显示。只有计算全息与光学全息能在现出具有深度信息的图像，但是与光学全息相比较，计算全息又具有如下优点：

(1)光学全息对记录介质的感光性要求很高，复杂的制作过程增加了影响成像效果的各种因素。计算全息技术就可以通过数学方法模拟光学全息过程，不会引入像差和噪声。

(2)物场的复振幅分布可以计算出来，还可以对其进行分析比较，精度和灵活度上大大提高。

(3)计算全息图可以直接进行数字存储、传输或模拟再现。

(4)光学全息对所用光源有严格要求，而且形成光束的实验条件是影响整个过程的关键。在计算全息方法中就脱离了这种限制，实现了各类光源条件下全息图的记录和再现。

(5)真实生活中存在或不存在的事物都可以通过计算全息制作并显示出来，扩大了应用范围。1

计算全息图分类随着计算全息的发展，出现许多类型的计算全息图，它们原理相近又有不同，应用于不同的场合。第一类方法与普通光学全息相似，可以根据三维物体与计算全面坐标位置的相对位置不同，分为计算像全息、计算傅里叶变换全息和计算菲涅尔全息。

像计算全息图：被记录的复数波面是物波函数本身。在制作计算全息图时只需要物波函数的复振幅分布编码成全息图的透过率函数。通过绘图仪和光学缩版就得到像计算全息图。

计算傅里叶变换全息图：被记录的复数波面是物波函数的傅里叶变换，在光学傅里叶变换全息中，由变换透镜实时地完成物光波的傅里叶变换，而这里是由计算机借助快速傅里叶变换算法来实现的。

菲涅尔计算全息图中被记录的复数波面是物体发出的菲涅尔衍射波。根据物波函数计算在某一特定距离平面上的菲涅尔衍射波的复振幅分布，再将该复振幅分布编码成全息图的透过率函数。对于平面物体，由于没有深度信息的变化，可以通过简单积分计算出波面的菲涅尔衍射过程。

第二类是根据全息图透过率函数分布的性质分类，分为振幅型和相位型两类。在这两类中还可按透过率变化的特点，再细分为二元计算全息和灰阶计算全息。振幅型灰阶计算全息图。振幅透过率只有两个值0和1的是振幅型计算全息图，通过普通绘图仪就可以进行绘制，因其良好的抗干扰能力而得到广泛应用。相位型计算全息图不衰减光的能量，衍射效率很高，全息图质量高，但是制作工艺较为复杂。

第三类根据计算全息制作时所采用的编码技术而区分，大致分为迂回位相型计算全息图、相息图、修正离轴参考光计算全息图和计算全息干涉图等。迂回相位型全息图，它通过对光波的振幅编码是通过控制全息图上小单元的透过率或开孔面积来实现。矩形孔的位置用来编码物光波的位相，整个记录过程不需参考光波或者加入偏置分量。修正型离轴参考光全息图，在计算机上模拟光学离轴全息的光学转换，通过变换和计算来实现虚拟的离轴参考光与光波复振幅分布的叠加。其编码只需要在在全息图每抽样点上用灰度变化或开孔面积使全息图平面上的复振幅分布变成强度分布，省去了相位编码。根据偏置分量的不同，可细分为：博奇型、黄氏全息图。

相息图，是一种由计算机产生的波前再现元件。假设在整个记录平面内光波振幅为常数的条件下，直接记录光波相位。这样只需计算出记录平面内各点物光波的相位值，并设法实现相位匹配，即再现出原始的物体光波，衍射效率高，但丢失了物波的振幅信息。根据工作方式的不同，相息图可以制成反射式或者同轴透射式，并且可以用空间非相干光再现。1

计算全息的基本理论简介1965年在IBM工作的A．W．Lohmann使用计算机和计算机控制的绘图仪，做出世界上第一个计算全息图，开启了计算全息的时代。2016年，微软公布了一项新的技术与产品，基于Holoportation技术开发的HoloLens可以实现全息通讯，利用HoloLens将用户传输出去，传输的内容包括三维图像、声音等，这将改变以后的通讯方式。计算全息得以迅速发展的基础是光学全息，即利用光学干涉方法记录光的振幅和相位并存储在记录介质上。相比光学全息，计算全息有独特的优势和极大的灵活性，主要特点是：①．能记录复杂的，或者世间不存在物体的全息图；②．能模拟许多光学现象，在光学信息处理中制作各种空间滤波器；③．产生特定波面用于全息干涉计量，同时可应用于激光扫描器和数据存储。1

计算全息图的制作流程制作计算全息图，涉及到光波衍射理论、干涉理论、空间信号的调制与编码方法、数据处理、程序设计等相关理论和技术，综合性很强。计算全息图的制作和再现过程分为以下五个步骤：

①抽样，对物光波面进行离散样点的抽取。

②计算，计算出物光波在全息平面上的光场分布。

③编码，将计算全息平面上的光波复振幅分布编码转换为全息图的透过率函数。

④荐现，用参考光照明CGH、得到光学再现像，或者在计算机中模拟再现过程，获得再现像1。