傅里葉光學(xué)在全息電影中的應(yīng)用

1、傅里葉光學(xué)在全息電影中的應(yīng)用全息電影是將全息攝影術(shù)和電影技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.其根本概念是利用光的干預(yù)原理和人眼的視覺殘留效應(yīng),將被攝的運(yùn)動(dòng)景物以一定的時(shí)間頻率和干預(yù)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(jī)內(nèi),觀眾就能在屏幕上觀察到一幅幅作連續(xù)活動(dòng)的難以與實(shí)物相區(qū)別的空間三維立體影像.本文論述了傅里葉光學(xué)在全息電影中的應(yīng)用.1 引言三維圖像顯示技術(shù)是人類多年的理想.對(duì)它的研究如果從1908年法國光學(xué)家李普曼創(chuàng)造積分照相算起已有170年歷史了.此后,人們?cè)芯窟^各種顯示立體圖像的技術(shù)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(xiàn)了立體攝影和立體電影顯示技術(shù).從而對(duì)人類的文明和科學(xué)技術(shù)的開展做出了極大的奉獻(xiàn).但是從近代信息論的觀點(diǎn)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(fā)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(xué)家丹尼斯蓋伯DentrisGabor為改良電子顯微鏡的分辨率而創(chuàng)造的全息照相術(shù)那么可同時(shí)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(xiàn)時(shí)能獲得與原物光場一樣的三維圖像.無怪乎全息術(shù)一經(jīng)問世,人們首先就想到全息電影問題.人類實(shí)現(xiàn)三維圖像顯示技術(shù)從此有了新的希望.為了實(shí)現(xiàn)全息電影,各國物理學(xué)家和電影技術(shù)專家們都進(jìn)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(qū)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(xué)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(xiàn)了較大進(jìn)展.例如1976年蘇聯(lián)在國際電影節(jié)上曾試映過單色全息電影的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).它是用相干長度10米、脈沖能量0.1焦耳、脈沖重復(fù)率20次/秒的脈沖紅寶石激光器作光源以及分辨率達(dá)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(gè)視覺區(qū)、放映持續(xù)時(shí)間為2分鐘,但它的逼真三維效果曾引起轟動(dòng).這是電影技術(shù)的一場真正的革命.我們知道在電影銀幕上出現(xiàn)的光場和由實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)恢復(fù)原物光場的本領(lǐng).所以全息三維像有著近代電影難以到達(dá)的如下重要特性：1 .當(dāng)觀眾頭部作移動(dòng)時(shí),如同看實(shí)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(duì)像的各局部細(xì)節(jié)的視力調(diào)節(jié),因此觀看時(shí)人眼不會(huì)疲勞.與一般的3D電影相比,全息電影的主要優(yōu)點(diǎn)有：1 .能得到三維全

5、息影像.對(duì)這樣的影像,即使觀察者頭部不經(jīng)意的稍微移動(dòng)也會(huì)使影像的透視改變,如同看真實(shí)物體一樣.并且觀察者的眼睛處于自然觀察狀態(tài),因此長時(shí)間的觀察也不會(huì)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(lǐng).例如前蘇聯(lián)PE型軟片,具感光乳膠顆粒的平均直徑為512nm分辨率到達(dá)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(shí),全息像每個(gè)小單元的信息都分布在全息圖整個(gè)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(diǎn)不會(huì)導(dǎo)致像質(zhì)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(zhì),即全息圖做垂直于光軸移動(dòng)時(shí),再現(xiàn)像是靜止的.利

6、用這一性質(zhì),便可制造簡單可靠的、能使軟片做緩慢而連續(xù)移動(dòng)的電影放映機(jī).4 .全息電影采用位相記錄,與普通電影相比,膠片對(duì)光的吸收大大減少,因此,電影放映時(shí)全息膠片發(fā)熱不明顯.5 .多線聚焦全息銀幕的亮度系數(shù)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(shù),它是在全息攝影術(shù)、激光技術(shù),特別是厚層反射全息術(shù)和合成全息術(shù)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(chǔ)性能和在一定條件下使實(shí)物的視覺特性再現(xiàn)的優(yōu)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(dú)立于平而影像之外,呈現(xiàn)在玻璃隔板的后面.打破了

7、人眼所習(xí)慣了的影像與屏幕的聯(lián)系.全息電影必須解決下面三個(gè)復(fù)雜的技術(shù)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(jīng)過了大量和深入細(xì)致的理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yīng)具有特殊的聚焦性能以及按電影廳座位數(shù)放大立體影像的特性.第三個(gè)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(chǔ)和再現(xiàn)空間顏色像.3 全息電影的實(shí)現(xiàn)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(xù)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(dòng)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(gè)單元全息圖,在全息底片上占一個(gè)窄條的位置,如果將一套二維圖片連續(xù)地記錄下來,再現(xiàn)時(shí)人眼與全息圖之間假設(shè)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),由于人眼的體視效應(yīng)和視覺暫留現(xiàn)像,就感覺到是一種活動(dòng)的三維的景像.圖1拍

9、攝二維動(dòng)畫底片的布置如圖1所示,拍每一幅二維底片時(shí),照相機(jī)要相對(duì)于物的中央有一個(gè)轉(zhuǎn)角.假設(shè)相機(jī)不動(dòng),物體繞中央轉(zhuǎn)動(dòng)也可以.R圖2MH勺記錄光路如圖2a所示.其中Li是照明系統(tǒng),二維正片F(xiàn)放在O的位置,L2是投影系統(tǒng),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(gè)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(gè)小斑.這樣在E處相當(dāng)于放置了一個(gè)水平狹縫,實(shí)際起到與彩虹全息再現(xiàn)狹縫像同樣的作用.參考光源位于yz平面內(nèi),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(shù).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(duì)觀察時(shí)像的單色性和色模糊并無影響,只是影響再現(xiàn)像的分辨率.圖2(b)和(c)分別表示在yz之面和xz面內(nèi)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(dòng)起來,才能獲得真正的全息電影.而記錄全息圖時(shí),最重要的問題是消除振動(dòng)的影響.如果采用脈沖激光,這一點(diǎn)就完全不成問題,而且對(duì)處于動(dòng)態(tài)的被攝物體及非常柔軟的物體也能自由地進(jìn)行記錄.因此,脈沖激光由于減少了對(duì)被拍攝物體的限制,在全息圖的顯示實(shí)用化方面,特別是對(duì)全息電影的開展,具有非常重要的意義.蘇聯(lián)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(gè)帶有狹縫透鏡的全息電影系統(tǒng).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(lán)三個(gè)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(gè)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(diǎn)附近.軟片同時(shí)被來自相同激光器的會(huì)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(chǔ)在軟片上,由于透鏡均的狹縫孔徑水平方向尺寸長達(dá)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(chǔ)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(xì)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(qiáng)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(xù)運(yùn)動(dòng)通過放映機(jī)的卡門,并由與拍攝時(shí)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(diǎn)附近形成一個(gè)三維影像,再經(jīng)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(shè)干個(gè)影像(02,03,).在每一個(gè)觀察帶的觀察者可看到一個(gè)單一的影像.如在A的觀察者可看到像C2<每一個(gè)畫面的透視對(duì)觀察者的兩眼是不同的,并且觀察者的眼睛向任一側(cè)作很少的偏移就會(huì)使透視發(fā)

13、生改變,如同在看真實(shí)物體所發(fā)生的一樣.3.2 全息電影的放映放映時(shí)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(xué)元件.它有著把投影在其上的空間像分裂成假設(shè)干像業(yè)能把這些像聚焦在屏幕前的不同位置的光學(xué)特性.例如來自位于第一焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源,以同心光束入射在屏幕上的光線經(jīng)屏幕反射后,能形成其中央位于屏幕第二焦點(diǎn)處的假設(shè)干同心光束.放映鏡頭中央位于第一焦點(diǎn)處,而觀眾即在第二焦點(diǎn)處.屏幕按反射全息圖方法記錄(圖6),一相干發(fā)散光束通過一補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)并到達(dá)一凹面反射鏡會(huì)聚后及其光束通過感光板會(huì)聚成一點(diǎn),該點(diǎn)即為屏幕第一

14、焦點(diǎn).同時(shí)來自同一光源的假設(shè)干發(fā)散光束從對(duì)面通過感光板,而這些光束的中央就是屏幕的第二焦點(diǎn).圖6全息屏幕的記錄1.6.7為點(diǎn)光源2.補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)3.球面鏡4,屏幕5.點(diǎn)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(lán)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(fù)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(dāng)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(yīng)能顯示三種波長的彩色立體像,幕寬68m能容納200400個(gè)坐位的觀眾.(4)影像的質(zhì)量和聲音質(zhì)量.

15、在狹縫式全息電影系統(tǒng)中使用的是傅里葉全息照片,因此在該系統(tǒng)中的影像有由激光再現(xiàn)面引起的斑紋噪聲.此外,軟片的傳送速率慢,會(huì)給聲音的記錄和再放帶來某些困難.電影攝影從出現(xiàn)初期到現(xiàn)在的整個(gè)歷史說明,電影攝影和電影技術(shù)的根本進(jìn)展方向始終遵循其開展規(guī)律：促使電影中的感覺條件接近于現(xiàn)實(shí)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(diǎn).例如帶眼鏡不方便,由于每眼都只有一個(gè)影像透視,眼睛的適應(yīng)和會(huì)聚陷入不自然的狀態(tài),從而引起眼睛的緊張感.采用全息電影技術(shù)以上缺點(diǎn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

16、的一種可能的原理性方案.它只是今后全息電影系統(tǒng)的一個(gè)初步輪廓.要實(shí)現(xiàn)全息電影自然會(huì)遇到不少困難,由于有大量綜合性技術(shù)問題有待解決.但是就目前全息技術(shù)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(shí)現(xiàn)是不久將來的事.參考文獻(xiàn)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(shù)的3D數(shù)字電影的開展與現(xiàn)狀J.現(xiàn)代電影技術(shù),2021,(1)7-423V.G.Komar.SPIE,120(1977),1274于美文.全息顯示技術(shù)講座J.2021,13-185蔡雪強(qiáng),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(gè)人的心胸和眼光,決定了他志向的短淺或高遠(yuǎn)；一個(gè)人的希望和夢(mèng)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(shí)！所有的機(jī)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,