全息成像与集成成像原理

全息成像
- 引言
- 成像原理
- 显像过程
集成成像
- 显示原理
- 摄像原理

全息成像

引言

广义上的全息投影技术并不单指通过某种特定方法使物体成像的显像技术（包括一些伪全息投影技术），而是一类能记录并再现物体真实三维影像的技术的总称，本篇论文就选取全息投影技术作为研究对象。当前的全息投影技术主要发展出透射全息投影技术、360度全息投影以及空气投影与交互技术三种，但还是目前还存在一些问题可以改进，也是未来技术前进的一个方向。

成像原理

首先，简单描述一下全息照相的原理。以单色光为例，其波动方程为：

不同单色光相叠加之后，其波动方程为：

其中ｒ为距离。
由公式可知每一列单色光都有相位和振幅（对应光强）两个信息。而普通照相之记录了光强的信息，相位信息丢失了，从而普通照相不能体现三维效果。
而全息照相则不一样，能够同时记录相位和光强信息。如图，照相时，为保证物光与参考光的相干性，会用分光镜将同一激光发生器的光分为两束。一束光直接照射到底片上，作为参照光；一束光照射到物体上反射出物光，底片上记录的是物光与参考光的合成。

物光的公式为：

对应参考光的公式为：

由上式可知，相位信息也保存在了底片之上。底片经过冲洗之后可以使用，成为全息照片。

显像过程

显像过程，就是利用参考光对物光的完全重现。全息再现是以光的衍射理论为基础的，再现原物体的光波还需要用与参考光波相同的光束照射全息图，还原出原物体形状而不需要任何的屏幕。

用ｋ表示透射率，底片的透射率和照相过程中受照射的光强存在以下关系：

在底片完成后，使用照相时候的相干光源Ｒ照射全息照片，则有：

即第一级光完全还原了物光，包括相位和振幅在内的所有信息。即如果在第一级光出射方向观察，就能看见一个三维立体的像。

集成成像

显示原理

集成成像显示系统一般根据不同的硬件结构、参数和软件算法实现不同的三维成像效果。该技术是一种利用微透镜阵列来记录和再现三维图像的真三维立体显示技术，该技术包括记录和再现两个过程。在早期 Lippmann 提出的集成摄像术中，记录过程和再现过程是利用针孔阵列和感光胶片对实际场景中的三维物体进行拍摄和重构 [2]，如图 1 所示。

摄像原理

每一个针孔对应的胶片区域能够记录对应视点传播过来的光束，在胶片上形成一组大小相同等间隔的二维微单元图像阵列，从而记录了物体在不同角度的光源信息。微单元图像的个数和排列方式与针孔整列相同。再现过程是记录过程的逆过程，其针孔阵列的参数设置与记录过程的针孔阵列相同。设置一个自然光源来增加重构物体图像的效果，光源发射的光透过微单元透镜阵列后，携带这对应视角的物体视差信息，沿着对应视角的方向为该视点的视角图片提供信息，从而重构三维物体。
但是集成摄像术存在几点不足：第一点，由于针孔阵列上的小孔透光率很低，记录过程和再现过程中的物体光源信息利用率不高、丢失严重，从而导致重构图像的亮度比较暗。第二点，传统拍摄记录过程中，感光胶卷的使用、保存不方便，显影过程比较缓慢，并要求暗室等复杂条件，从而降低了集成成像技术重构显示的效率。