傅里叶光学在全息电影中的应用

[键入文字]1傅里叶光学在全息电影中的应用全息电影是将全息摄影术和电影技术相结合的产物。其基本概念是利用光的干涉原理和人眼的视觉残留效应，将被摄的运动景物以一定的时间频率和干涉条纹形式记录在具有高分辨率的全息胶卷上，然后把这记录有信息的全息胶卷置于特殊的放映机内，观众就能在屏幕上观察到一幅幅作连续活动的难以与实物相区别的空间三维立体影像。本文论述了傅里叶光学在全息电影中的应用。1引言三维图像显示技术是人类多年的理想。对它的研究如果从1908年法国光学家李普曼发明积分照相算起已有170年历史了。此后，人们曾研究过各种显示立体图像的技术(例如双目体视法、蝇眼透镜三维图像法和投影型三维图像法等)，并在彩色摄影和彩色电影的基础上出现了立体摄影和立体电影显示技术。从而对人类的文明和科学技术的发展做出了极大的贡献。但是从近代信息论的观点看，它们是那样的不足，因为上述所有方法所记录的只是物体发出的(或反射的)光波的振幅，而将光波的位相信息丢掉了。1947年英国科学家丹尼斯·盖伯(DentrisGabor)为改进电子显微镜的分辨率而发明的全息照相术则可同时记录下光波的振幅和位相信息。因此由全息记录的全息图在再现时能获得与原物光场一样的三维图像。无怪乎全息术一经问世，人们首先就想到全息电影问题。人类实现三维图像显示技术从此有了新的希望。为了实现全息电影，各国物理学家和电影技术专家们都进行了研究，提出过各种方案:例如散射板法，大透镜法，大反射镜法和有区域聚焦的全息屏幕法等。但是这些三维显示方案不是影像亮度太低(如散射板法)，就是视场范围有限(如大透镜法、大反射镜法)，不能满足大量观众的观看，因此这些方案作为影院式全息电影是不适合的。它们基本上只适宜于科学研究和厂告宣传等方面。近年来在影院式三维全息电影研究方面出现了较大进展。例如1976年苏联在国际电影节上曾试映过单色全息电影的实验系统。它是用相干长度10米、脉冲能量0.1焦耳、脉冲重复率20次/秒的脉冲红宝石激光器作光源以及分辨率达100线/mm的全息电影胶片记录景物。然后用水银灯的5770一5790的黄色辐射将全息图画面通过放映在1米*1米的多像全息反射屏幕上。屏幕虽然仅为四个视觉区、放映持续时间为2分钟，但它的逼真三维效果曾引起轰动。这是电影技术的一场真正的革[键入文字]2命。我们知道在电影银幕上出现的光场和由实物所建立的光场是有极大差别的。因为银幕的光场是由二维平面银幕反射形成，而实物光场是由三维物体反射形成的，因而是三维的。全息影像则能实现恢复原物光场的本领。所以全息三维像有着近代电影难以达到的如下重要特性:1.当观众头部作移动时，如同看实物一样全息像的透视是变化的。2.观众两眼所看到的全息像的透视也是彼此不同的。3.全息像的可变清晰度取决于观众对像的各部分细节的视力调节，因此观看时人眼不会疲劳。与一般的3D电影相比，全息电影的主要优点有：1.能得到三维全息影像。对这样的影像，即使观察者头部不经意的轻微移动也会使影像的透视改变，如同看真实物体一样。并且观察者的眼睛处于自然观察状态，因此长时间的观察也不会感到疲劳。2．高的信息记录密度。一般全息电影软件具有高的分辨本领。例如前苏联PE型软片，其感光乳胶颗粒的平均直径为5~12nm，分辨率达到每毫米1000条线以上，比目前电影用的彩色胶片的分辨率高几十倍。3.记录傅里叶变换全息图时，全息像每个小单元的信息都分布在全息图整个表面上，这不仅使软片上的画面尺寸缩小很多倍，而且画面上的划痕和脏点不会导致像质变劣。此外傅里叶变换全息图还有一重要的适合于电影的性质，即全息图做垂直于光轴移动时，再现像是静止的。利用这一性质，便可制造简单可靠的、能使软片做缓慢而连续移动的电影放映机。4.全息电影采用位相记录，与普通电影相比，胶片对光的吸收大大减少，因此，电影放映时全息胶片发热不明显。5.多（线）聚焦全息银幕的亮度系数比普通的电影屏幕搞许多倍，故前者在放映中需要的光能少。2全息电影的基本原理全息电影是一种新的电影技术，它是在全息摄影术、激光技术，特别是厚层反射全息术和合成全息术等基础上发展起来的。用作全息电影的全息照片具有特殊的存储性能和在一定条件下使实物的视觉特性再现的优异性能。用这种方法获得的影像不仅不同于二维平面影像而且也不同于立休影像，全息影像似乎独立于[键入文字]3平而影像之外，呈现在玻璃隔板的后面。打破了人眼所习惯了的影像与屏幕的联系。全息电影必须解决下面三个复杂的技术问题:1.大场面全息电影的拍摄；2.全息像天然彩色的正确传递；3.能满足众多观众的观看。经过了大量和深入细致的理论和实验研究，已初步提出了基于以下基本概念的影院式全息电影的基本原理:首先，在摄影和放映时均采用大直径和高透光率的镜头。用这种镜头拍摄下来的场面不是单一的影像，而是不同角度的很多影像。而大直径的放映镜头可使电影厅中的观众不用戴专门的眼镜就能看到立体的影像。其次是需要一种特殊的多像全息放映屏幕。这种屏幕应具有特殊的聚焦性能以及按电影厅座位数放大立体影像的特性。第三个是使用乳剂层厚度约10的全息胶片。由于厚层全息图的光谱选择性和角选择性就能提供存储和再现空间颜色像。3全息电影的实现过程3.1全息电影的摄影原理全息电影目前分为两种类型：一种是可360。观察的圆柱形全息图—多路合成全息图，另一种是脉冲激光全息图。前一种是连续的体视全息图，属于立体电影，后一种是三维的全息电影。3.1.1多路合成全息图多路合成全息图(简称MH)是由专门制作一套带有视差信息的二维动画正片综合成一张全息图制成的。方法是将每一幅二维正片，照成一个单元全息图，在全息底片上占一个窄条的位置，如果将一套二维图片连续地记录下来，再现时人眼与全息图之间若有相对运动，由于人眼的体视效应和视觉暂留现像，就感觉到是一种活动的三维的景像。[键入文字]4图1拍摄二维动画底片的布置如图1所示，拍每一幅二维底片时，照相机要相对于物的中心有一个转角。若相机不动，物体绕中心转动也可以。图2MH的记录光路如图2（a）所示。其中L1是照明系统，二维正片F放在O1的位置，L2是投影系统，L3是球面透镜作场镜用。H为全息软片，H前置一垂直方向的狭缝S。柱面透镜CL将水平方向(X方向)的成像光束压缩成一个窄条通过狭缝S，而垂直方向(Y方向)的成像光束在狭缝处有稍许的压缩，而在E处由L3压[键入文字]5缩为一个小斑。这样在E处相当于放置了一个水平狭缝，实际起到与彩虹全息再现狭缝像同样的作用。参考光源位于yz平面内，全息图在y方向具有高的空间频率。故该光路利用了彩虹全息技术。H前的狭缝与仅仅起到限制单元全息图宽度的作用，它的宽度对观察时像的单色性和色模糊并无影响，只是影响再现像的分辨率。图2(b)和(c)分别表示在yz之面和xz面内的光路。可见垂直方向记录的是离轴菲涅尔型全息图，而水平方向的记录面是物的频谱面，故记录的是同轴傅氏变换全息图。3.1.2脉冲激光全息图--全息电影使三维全息像动起来，才能获得真正的全息电影。而记录全息图时，最重要的问题是消除振动的影响。如果采用脉冲激光，这一点就完全不成问题，而且对处于动态的被摄物体及非常柔软的物体也能自由地进行记录。因此，脉冲激光由于减少了对被拍摄物体的限制，在全息图的显示实用化方面，特别是对全息电影的发展，具有非常重要的意义。苏联莫斯科的电影和摄影研究所(NIKFI)1978年从理论上研制了一个带有狭缝透镜的全息电影系统。图3是以狭缝透镜拍摄全息照片的示意图。从脉冲激光器来的红、绿、蓝三个波长的相干光照明物体，从物体反射的光通过带有狭缝孔径的拍摄透镜L1，L1形成一个光场被压缩了的空间像，它位于傅里叶变换透镜L2的前焦点附近。软片同时被来自相同激光器的会聚参考光束照明。因此在软片上的每一画幅是一狭条傅里叶变换全息图。图3大量的水平视差存储在软片上，因为透镜均的狭缝孔径水平方向尺寸长达约150一300mm。而它的垂直尺寸很小，约为人眼瞳孔的大小，故软片上不存储垂直视差。[键入文字]6尽管透镜的垂直孔径小，全息软片材料的乳剂颗粒很细微、感光灵敏度低，但拍摄情况仍然很好。情况的有利在于通过狭缝透镜的光照明很窄的一条软片，约高0.5~lmm，此外，是由于物光束低于参考光束强度约30倍。图4图4是用来放映全息影片的示意图。图4(a)为垂直剖面，图4(b)为水平剖面。全息影片连续运动通过放映机的卡门，并由与拍摄时相同的三种波长激光照明。物光束通过傅里叶变换透镜L2在前焦点附近形成一个三维影像，再经过放映透镜L1形成一放大的空间影像O1。全息银幕将O1形成若干个影像(02，03，……)。在每一个观察带的观察者可看到一个单一的影像。如在A的观察者可看到像O2。每一个画面的透视对观察者的两眼是不同的，并且观察者的眼睛向任一侧作很少的偏移就会使透视发生改变，如同在看真实物体所发生的一样。3.2全息电影的放映放映时除了要用大口径、高透光率镜头外，还需要一种专门的全息多像屏幕(图5)。图5全息多像反射屏幕这种屏幕乃是一种类似于菲涅尔波带板的全息光学元件。它有着把投影在其上的空间像分裂成若干像业能把这些像聚焦在屏幕前的不同位置的光学特性。例[键入文字]7如来自位于第一焦点处的点光源，以同心光束入射在屏幕上的光线经屏幕反射后，能形成其中心位于屏幕第二焦点处的若干同心光束。放映镜头中心位于第一焦点处，而观众即在第二焦点处。屏幕按反射全息图方法记录(图6)，一相干发散光束通过一补偿光学系统并到达一凹面反射镜会聚后及其光束通过感光板会聚成一点，该点即为屏幕第一焦点。同时来自同一光源的若干发散光束从对面通过感光板，而这些光束的中心就是屏幕的第二焦点。图6全息屏幕的记录1.6.7为点光源2.补偿光学系统3.球面镜4.屏幕5.点源1的像4全息电影的未来展望研制全息电影的主要困难为:(1)脉冲高功率激光器。拍彩色片需研制红、绿、蓝三种波长的脉冲激光器，具有从1~10)的脉冲能量，相干长度10m以上，重复频率每秒25脉冲。(2)全息电影胶卷。软片材料的感光灵敏度相当于一次曝光约为5~10，其衍射效率约为50~70%，信噪比为50~200。(3)全息银幕。银幕应能显示三种波长的彩色立体像，幕宽6~8m，能容纳200~400个坐位的观众。(4)影像的质量和声音质量。在狭缝式全息电影系统中使用的是傅里叶全息照片，因此在该系统中的影像有由激光再现面引起的斑纹噪声。此外，软片的传送速率慢，会给声音的记录和再放带来某些困难。电影摄影从出现初期到现在的整个历史表明，电影摄影和电影技术的基本进[键入文字]8展方向始终遵循其发展规律:促使电影中的感觉条件接近于现实生活中的感觉条件。目前的立体电影给观众带来更大的愉快，几年来卖座率与日俱增，尽管它因使用偏振目镜而存在种种缺点。例如带眼镜不方便，由于每眼都只有一个影像透视，眼睛的适应和会聚陷入不自然的状态，从而引起眼睛的紧张感。采用全息电影技术以上缺点可得以消除。本文所讨论的只是表明建立具有三维彩色像并能供大量观众观看的全息电影实验系统的一种可能的原理性方案。它只是今后全息电影系统的一个初步轮廓。要实现全息电影自然会遇到不少困难，因为有大量综合性技术问题有待解决。但是就目前全息技术的发展水平而言，这些困难不是不可克服的。我们相信:人们多年向往的三维全息电影的实现是不久将来的事。参考文献[1]Hains,K.A.，Brumm,D.B.“ATechniqueforbandwidthreductionofholographicsystem”.IEEE,55(1967),1520[2]赵海良.全息电影和基于全息技术的3D数字电影的发展与现状[J].现代电影技术，2008,(1)7-42[3]V.G.Komar.SPIE,120(1977),127[4]于美文.全息显示技术讲座[J].2008,13-18[5]蔡雪强，曲志敏.全息电影[J].2002