1、傅里葉光學在全息電影中的應用全息電影是將全息攝影術和電影技術相結合的產物.其根本概念是利用光的干預原理和人眼的視覺殘留效應,將被攝的運動景物以一定的時間頻率和干預條紋形式記錄在具有高分辨率的全息膠卷上,然后把這記錄有信息的全息膠卷置于特殊的放映機內,觀眾就能在屏幕上觀察到一幅幅作連續活動的難以與實物相區別的空間三維立體影像.本文論述了傅里葉光學在全息電影中的應用.1 引言三維圖像顯示技術是人類多年的理想.對它的研究如果從1908年法國光學家李普曼創造積分照相算起已有170年歷史了.此后,人們曾研究過各種顯示立體圖像的技術例如雙目體視法、蠅眼透鏡三維圖像法和投影型三維圖像法等,并在彩色攝影和彩色

2、電影的根底上出現了立體攝影和立體電影顯示技術.從而對人類的文明和科學技術的開展做出了極大的奉獻.但是從近代信息論的觀點看,它們是那樣的缺乏,由于上述所有方法所記錄的只是物體發出的或反射的光波的振幅,而將光波的位相信息丟掉了.1947年英國科學家丹尼斯蓋伯DentrisGabor為改良電子顯微鏡的分辨率而創造的全息照相術那么可同時記錄下光波的振幅和位相信息.因此由全息記錄的全息圖在再現時能獲得與原物光場一樣的三維圖像.無怪乎全息術一經問世,人們首先就想到全息電影問題.人類實現三維圖像顯示技術從此有了新的希望.為了實現全息電影,各國物理學家和電影技術專家們都進行了研究,提出過各種方案：例如散射板法

3、,大透鏡法,大反射鏡法和有區域聚焦的全息屏幕法等.但是這些三維顯示方案不是影像亮度太低如散射板法,就是視場范圍有限如大透鏡法、大反射鏡法,不能滿足大量觀眾的觀看,因此這些方案作為影院式全息電影是不適合的.它們根本上只適宜于科學研究和廠告宣傳等方面.近年來在影院式三維全息電影研究方面出現了較大進展.例如1976年蘇聯在國際電影節上曾試映過單色全息電影的實驗系統.它是用相干長度10米、脈沖能量0.1焦耳、脈沖重復率20次/秒的脈沖紅寶石激光器作光源以及分辨率達100線/mm的全息電影膠片記錄景物.然后用水銀燈的57705790的黃色輻射將全息圖畫面通過放映在1米*1米的多像全息反射屏幕上.屏幕雖然

4、僅為四個視覺區、放映持續時間為2分鐘,但它的逼真三維效果曾引起轟動.這是電影技術的一場真正的革命.我們知道在電影銀幕上出現的光場和由實物所建立的光場是有極大差異的.由于銀幕的光場是由二維平面銀幕反射形成,而實物光場是由三維物體反射形成的,因而是三維的.全息影像那么能實現恢復原物光場的本領.所以全息三維像有著近代電影難以到達的如下重要特性：1 .當觀眾頭部作移動時,如同看實物一樣全息像的透視是變化的.2 .觀眾兩眼所看到的全息像的透視也是彼此不同的.3 .全息像的可變清楚度取決于觀眾對像的各局部細節的視力調節,因此觀看時人眼不會疲勞.與一般的3D電影相比,全息電影的主要優點有：1 .能得到三維全

5、息影像.對這樣的影像,即使觀察者頭部不經意的稍微移動也會使影像的透視改變,如同看真實物體一樣.并且觀察者的眼睛處于自然觀察狀態,因此長時間的觀察也不會感到疲勞.2 .高的信息記錄密度.一般全息電影軟件具有高的分辨本領.例如前蘇聯PE型軟片,具感光乳膠顆粒的平均直徑為512nm分辨率到達每毫米1000條線以上,比目前電影用的彩色膠片的分辨率高幾十倍.3 .記錄傅里葉變換全息圖時,全息像每個小單元的信息都分布在全息圖整個外表上,這不僅使軟片上的畫面尺寸縮小很多倍,而且畫面上的劃痕和臟點不會導致像質變劣.此外傅里葉變換全息圖還有一重要的適合于電影的性質,即全息圖做垂直于光軸移動時,再現像是靜止的.利

6、用這一性質,便可制造簡單可靠的、能使軟片做緩慢而連續移動的電影放映機.4 .全息電影采用位相記錄,與普通電影相比,膠片對光的吸收大大減少,因此,電影放映時全息膠片發熱不明顯.5 .多線聚焦全息銀幕的亮度系數比普通的電影屏幕搞許多倍,故前者在放映中需要的光能少.2 全息電影的根本原理全息電影是一種新的電影技術,它是在全息攝影術、激光技術,特別是厚層反射全息術和合成全息術等根底上開展起來的.用作全息電影的全息照片具有特殊的存儲性能和在一定條件下使實物的視覺特性再現的優異性能.用這種方法獲得的影像不僅不同于二維平面影像而且也不同于立休影像,全息影像似乎獨立于平而影像之外,呈現在玻璃隔板的后面.打破了

7、人眼所習慣了的影像與屏幕的聯系.全息電影必須解決下面三個復雜的技術問題：1 .大場面全息電影的拍攝；2 .全息像天然彩色的正確傳遞；3 .能滿足眾多觀眾的觀看.經過了大量和深入細致的理論和實驗研究,已初步提出了基于以下根本概念的影院式全息電影的根本原理：首先,在攝影和放映時均采用大直徑和高透光率的鏡頭.用這種鏡頭拍攝下來的場面不是單一的影像,而是不同角度的很多影像.而大直徑的放映鏡頭可使電影廳中的觀眾不用戴專門的眼鏡就能看到立體的影像.其次是需要一種特殊的多像全息放映屏幕.這種屏幕應具有特殊的聚焦性能以及按電影廳座位數放大立體影像的特性.第三個是使用乳劑層厚度約10|1的全息膠片.由于厚層全息

8、圖的光譜選擇性和角選擇性就能提供存儲和再現空間顏色像.3 全息電影的實現過程3.1 全息電影的攝影原理全息電影目前分為兩種類型：一種是可360.觀察的圓柱形全息圖一多路合成全息圖,另一種是脈沖激光全息圖.前一種是連續的體視全息圖,屬于立體電影,后一種是三維的全息電影.3.1.1 多路合成全息圖多路合成全息圖簡稱MH片由專門制作一套帶有視差信息的二維動畫正片綜合成一張全息圖制成的.方法是將每一幅二維正片,照成一個單元全息圖,在全息底片上占一個窄條的位置,如果將一套二維圖片連續地記錄下來,再現時人眼與全息圖之間假設有相對運動,由于人眼的體視效應和視覺暫留現像,就感覺到是一種活動的三維的景像.圖1拍

9、攝二維動畫底片的布置如圖1所示,拍每一幅二維底片時,照相機要相對于物的中央有一個轉角.假設相機不動,物體繞中央轉動也可以.R圖2MH勺記錄光路如圖2a所示.其中Li是照明系統,二維正片F放在O的位置,L2是投影系統,L3是球面透鏡作場鏡用.H為全息軟片,H前置一垂直方向的狹縫S.柱面透鏡CL將水平方向X方向的成像光束壓縮成一個窄條通過狹縫S,而垂直方向Y方向的成像光束在狹縫處有稍許的壓縮,而在E處由L3壓縮為一個小斑.這樣在E處相當于放置了一個水平狹縫,實際起到與彩虹全息再現狹縫像同樣的作用.參考光源位于yz平面內,全息圖在y方向具有高的空間頻率.故該光路利用了彩虹全息技術.H前的狹縫與僅僅起

10、到限制單元全息圖寬度的作用,它的寬度對觀察時像的單色性和色模糊并無影響,只是影響再現像的分辨率.圖2(b)和(c)分別表示在yz之面和xz面內的光路.可見垂直方向記錄的是離軸菲涅爾型全息圖,而水平方向的記錄面是物的頻譜面,故記錄的是同軸傅氏變換全息圖.3.1.2 脈沖激光全息圖-全息電影使三維全息像動起來,才能獲得真正的全息電影.而記錄全息圖時,最重要的問題是消除振動的影響.如果采用脈沖激光,這一點就完全不成問題,而且對處于動態的被攝物體及非常柔軟的物體也能自由地進行記錄.因此,脈沖激光由于減少了對被拍攝物體的限制,在全息圖的顯示實用化方面,特別是對全息電影的開展,具有非常重要的意義.蘇聯莫斯

11、科的電影和攝影研究所(NIKFI)1978年從理論上研制了一個帶有狹縫透鏡的全息電影系統.圖3是以狹縫透鏡拍攝全息照片的示意圖.從脈沖激光器來的紅、綠、藍三個波長的相干光照明物體,從物體反射的光通過帶有狹縫孔徑的拍攝透鏡Li,Li形成一個光場被壓縮了的空間像,它位于傅里葉變換透鏡L2的前焦點附近.軟片同時被來自相同激光器的會聚參考光束照明.因此在軟片上的每一畫幅是一狹條傅里葉變換全息圖.圖3大量的水平視差存儲在軟片上,由于透鏡均的狹縫孔徑水平方向尺寸長達約150300mm而它的垂直尺寸很小,約為人眼瞳孔的大小,故軟片上不存儲垂直視差.盡管透鏡的垂直孔徑小,全息軟片材料的乳劑顆粒很細微、感光靈敏

12、度低,但拍攝情況仍然很好.情況的有利在于通過狹縫透鏡的光照明很窄的一條軟片,約高0.5lmm,此外,是由于物光束低于參考光束強度約30倍.圖4圖4是用來放映全息影片的示意圖.圖4(a)為垂直剖面,圖4(b)為水平剖面.全息影片連續運動通過放映機的卡門,并由與拍攝時相同的三種波長激光照明.物光束通過傅里葉變換透鏡L2在前焦點附近形成一個三維影像,再經過放映透鏡Li形成一放大的空間影像O.全息銀幕將O形成假設干個影像(02,03,).在每一個觀察帶的觀察者可看到一個單一的影像.如在A的觀察者可看到像C2<每一個畫面的透視對觀察者的兩眼是不同的,并且觀察者的眼睛向任一側作很少的偏移就會使透視發

13、生改變,如同在看真實物體所發生的一樣.3.2 全息電影的放映放映時除了要用大口徑、高透光率鏡頭外,還需要一種專門的全息多像屏幕(圖5).圖5全息多像反射屏幕這種屏幕乃是一種類似于菲涅爾波帶板的全息光學元件.它有著把投影在其上的空間像分裂成假設干像業能把這些像聚焦在屏幕前的不同位置的光學特性.例如來自位于第一焦點處的點光源,以同心光束入射在屏幕上的光線經屏幕反射后,能形成其中央位于屏幕第二焦點處的假設干同心光束.放映鏡頭中央位于第一焦點處,而觀眾即在第二焦點處.屏幕按反射全息圖方法記錄(圖6),一相干發散光束通過一補償光學系統并到達一凹面反射鏡會聚后及其光束通過感光板會聚成一點,該點即為屏幕第一

14、焦點.同時來自同一光源的假設干發散光束從對面通過感光板,而這些光束的中央就是屏幕的第二焦點.圖6全息屏幕的記錄1.6.7為點光源2.補償光學系統3.球面鏡4,屏幕5.點源1的像4 全息電影的未來展望研制全息電影的主要困難為：(1)脈沖高功率激光器.拍彩色片需研制紅、綠、藍三種波長的脈沖激光器,具有從110)的脈沖能量,相干長度10m以上,重復頻率每秒25脈沖.(2)全息電影膠卷.軟片材料的感光靈敏度相當于一次曝光約為510e依口1,其衍射效率約為5070%信噪比為50200=(3)全息銀幕.銀幕應能顯示三種波長的彩色立體像,幕寬68m能容納200400個坐位的觀眾.(4)影像的質量和聲音質量.

15、在狹縫式全息電影系統中使用的是傅里葉全息照片,因此在該系統中的影像有由激光再現面引起的斑紋噪聲.此外,軟片的傳送速率慢,會給聲音的記錄和再放帶來某些困難.電影攝影從出現初期到現在的整個歷史說明,電影攝影和電影技術的根本進展方向始終遵循其開展規律：促使電影中的感覺條件接近于現實生活中的感覺條件.目前的立體電影給觀眾帶來更大的愉快,幾年來賣座率與日俱增,盡管它因使用偏振目鏡而存在種種缺點.例如帶眼鏡不方便,由于每眼都只有一個影像透視,眼睛的適應和會聚陷入不自然的狀態,從而引起眼睛的緊張感.采用全息電影技術以上缺點可得以消除.本文所討論的只是說明建立具有三維彩色像并能供大量觀眾觀看的全息電影實驗系統

16、的一種可能的原理性方案.它只是今后全息電影系統的一個初步輪廓.要實現全息電影自然會遇到不少困難,由于有大量綜合性技術問題有待解決.但是就目前全息技術的開展水平而言,這些困難不是不可克服的.我們相信：人們多年向往的三維全息電影的實現是不久將來的事.參考文獻1Hains,K.A.,Brumm,D.B."ATechniqueforbandwidthreductionofholographicsystem.IEEE,55(1967),15202趙海良.全息電影和基于全息技術的3D數字電影的開展與現狀J.現代電影技術,2021,(1)7-423V.G.Komar.SPIE,120(1977),1274于美文.全息顯示技術講座J.2021,13-185蔡雪強,曲志敏.全息電影J.2002清代紅頂商人胡雪巖說：做生意頂要緊的是眼光,看得到一省,就能做一省的生意；看得到天下,就能做天下的生意；看得到外國,就能做外國的生意.可見,一個人的心胸和眼光,決定了他志向的短淺或高遠；一個人的希望和夢想,決定了他的人生暗淡或輝煌.人生能有幾回搏,有生不搏待何時！所有的機遇和成功,都在充滿陽光,充滿希望的大道之上！我們走過了黑夜,就迎來了黎明；走過了荊棘,