光全息论文文献

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　　投影技术的发展，全息投影技术也在不断的发展，它是真正呈现立体的影像。下面是我为大家整理的全息投影技术论文，欢迎大家阅读。

　　全息投影技术论文篇一：《试谈全息投影技术应用研究》 　
　　【摘 要】目前，全息成像工艺复杂，制作成本高，暂不能普遍应用到生活娱乐中，而消费者对新的视觉体验形式的需求越来越急迫，因此我们以一种可以方便实现，视觉效果与全息成像相近的的技术来满足消费者的需求，这就是全息投影技术。本文从全息投影技术构成、视觉效果、应用例举等方面论述了全息投影技术应用的可行性。

　　【关键词】全息投影;展示;应用;全息投影照片

　　科幻影片中常常出现全息技术，人或物体以及图形文字以三维的形式在空气中显示，就像电影《星球大战》中的全息通讯、《钢铁侠》中的全息电脑、《普罗米修斯》中全息沙盘等等。科幻电影中的技术多数是虚构的，而往往这些虚构的、幻想的技术却表达社会的需求，指引着科研的方向，全息也是一样。

　　目前，全息成像工艺相当复杂，制作成本高，还不能普遍地应用到在社会生活和娱乐中，因此全息投影有了其生长和发展的空间。全息投影技术不同于平面银幕投影仅仅在二维表面通过透视、阴影等效果实现立体感，它是真正呈现立体的影像，理论上可以360°观看影像。[1]这种全息投影技术可以呈现出图像浮现在空中的效果，但是所投射出的影像需要依靠透明的介质作为载体，并且对空间的光环境要求相对较高。虽然这样，但这种全息投影技术的优点在于实现成本底、制作方便、趣味性高、视觉效果逼近全息等等，在无介质全息技术应用到我们的生活中之前，全息投影技术有较高的应用空间。看似简单的产品只要能够满足人们的需求，那就会有较高的应用价值。

　　一、全息投影主要构成

　　全息投影显示设备是多块透明的 显示器 ，通过多块透明显示器的围合，形成的一个锥体，椎体的每一面对应显示影像内容的每一个面，形成了全息投影的两个视觉特点，一是可以全方位的显示立体影像，二是可以使虚拟影像与周围的现实环境融合到一起，形成虚拟与现实的互动。形成“全息”的视觉效果。

　　全息投影其简单的构成和实现方式是其能够普及应用的优势之一。全息投影的技术构成分两部分，一是硬件，二是软件。硬件部分包括成像、显示、控制、电源等设备，软件部分为内置控制软件和分屏影像。成像设备、显示设备、分屏影像为其核心构成。

　　成像设备，即可以生成影像的设备，如显示器、显示屏、投影仪、幻灯机等等，理论上来说可以自发光显示图像的设备都可以用作全息投影，但成像设备的优劣会直接影响全息投影影像的视觉效果。成像设备起到将数字影像内容第一次成像的作用，为显示设备提供充足的光线。

　　显示设备，即前文中提到的“透明显示器”，这里的“透明显示器”其实是一种高反光的透明膜或者透明板，甚至是玻璃。我们不必在意它是由什么原料制成，我们只要求它具备两个特性，一是良好的通透性，二是尽量的高反光。这两点是全息投影能够实现虚拟与现实融合的核心。显示设备可以反射成像设备所投射出的画面和光线，并且由于其透明的特性，将虚拟影像与实体环境空间形成视觉上的融合，给人新的视觉感受。

　　分屏影像，全息投影所用的影像是在我们常见的平面影像的基础上进行了再设计，通过多个将物体的多视角画面先分别拍摄再组合拼接到一起，同时播放和控制，这样的影像配合全息投影特殊的多面锥体显示器就能呈现出一个多视角可视的影像，影像给观众一种体量感，并且能够清晰分辨其在空间中的位置。

　　二、全息投影应用举例

　　目前全息投影技术和批量生产条件相对成熟，但其应用范围还相对较窄，国内主要将全息投影技术应用到小型展柜、小型舞台中。

　　全息投影在展柜的商业运用中，多是用于展示企业标识、小型电子产品、珠宝首饰的360°展台和270°展台，内容多数是比较简单的旋转动画，当然也有用于展示游戏角色的，角色有比较简单的动作。在舞台的商业运用中，为满足舞台的观赏角度，以180°的单片全息幕居多。应用方式有虚拟表演、虚拟与真人互动、真人表演全息特效等。2011年3月，日本世嘉公司举办了一场名为“初音未来日感谢祭(Miku's Day)”的全息投影演唱会引起了社会的强烈反响和热烈追捧。

　　经过对全息投影的研究、试验以及调查，本人认为全息投影在如今这个社会经济条件下可以得到更大的应用空间，甚至达到普及的程度，下面笔者试举出一些领域和行业，探讨如果将全息投影应用到这些行业中去，全息投影所带来的作用及其意义。

　　1.房地产展示

　　房地产行业可以涉及到的有全息沙盘、全息样板间、三维全息平面图、三维全息结构图等。

　　目前我国房地产行业所使用的沙盘主要为电子沙盘，对于样板房，房地产行业的普遍是以三维效果图、样板间模型和实地参观考察来向客户展示样板房。而几乎所有的楼盘宣传资料上都配有房屋平面图以及一些效果图。综合来看，房地产行业高速发展，但其展示手段相对传统，将全息投影应用到其中将极大提升展示效果。

　　如沙盘，传统沙盘和电子沙盘都是以实体模型为主要展示方式，模型固定不可变，不能向客户展示细节。从环保和节能方面看，沙盘模型都是根据每个楼盘订制的，不可重复利用，一旦楼盘售馨就沦为废品，这是对资源的浪费和对环境的污染。再如样板间，有的开发商基于实际情况的考虑，将样板间直接建设在建筑工地中，客户需要看样板间就需要进入建筑工地，而普通客户对于建筑工地的安全常识和意识并不专业，相对增加了危险度。而样板间模型则和沙盘有同样的问题。

　　全息投影沙盘的模块化硬件可以实现重复使用，而且展示内容以数字影像方式存在，展示内容灵活可变，展示内容量巨大，还可以很好的完成客户与楼盘间的互动。全息投影沙盘可将传统的沙盘展示、建筑动画、样板间展示、房屋结构展示等融合到一起，只用一套全息投影沙盘即可满足整个楼盘的从外至内、从大环境到局部细节的展示。全息投影沙盘唯一的消耗就是电能，不但起到了很好的展示效果，也顺应环保节能的时代趋势。

　　2.全息投影照片

　　社会经济高速发展的今天，摄影摄像技术的简化和人们日益增长的审美需求加快了摄影摄像的普及，我们可以轻易的在身边找到摄影摄像设备，我们的生活被无数的影像所包围，有趣的是我们对于胶卷相机和纸制照片的需求越来越少，我们将数字形式的照片放在电脑、电子相框、手机等设备上来欣赏，这可以看出消费者对于新技术的认可和追捧。

　　在电子相框、MP4等设备的基础上，全息投影照片将传统的二维平面图像转变为动态的、有体感的、可全方位视角观看的图像，消费者可将自己、亲友甚至偶像的全息投影照片放置在全息投影相框中，操作方式同将电子照片放电子相框一样方便简单，但相对于电子照片，全息投影照片的视觉效果和感官体验是全新的、震撼的。

　　将全息投影应用到摄影中让消费者得到一种全新的视觉体验，给予消费者更高一级的美的享受。全息投影照片可以像站在巨人的肩膀上一样，在高度普及的平面摄影的基础上向社会进行推广，让更多的人得到全息投影带来的视觉享受与体验乐趣。

　　其实，全息投影的应用还有很多方式，如全息投影博物馆、全息投影伴舞、全息投影视频电话、全息投影智能引导员等，全息投影不光可以单独使用，也可以同 其它 多媒体设备一同配合使用，其应用的目的在于在真正的全息影像技术普及之前以一种方便的、低廉的、新颖的技术，使人们体验到一种有别于平面媒体的视觉享受。

　　【参考文献】

　　[1]许秀文，薄建业，杨铭，等.浅析3D、全息、虚拟现实技术[J].中国 教育 信息化高教职教，2011(7).
　　全息投影技术论文篇二：《试谈分析全息投影技术在演艺活动中的应用》
　　摘 要：科技的发展推动影视媒体、新媒体的产生和发展，虚拟艺术体验也应运而生。技术的进步，媒体艺术中的虚拟体验也呈现出多元化趋势，人们可以体验到身临其境的真实感。尤其是在演艺活动中开始逐渐应用全息投影技术，制造逼真立体的艺术情境，使观看者的视觉、听觉产生震撼感受。该文针对全息投影技术进行分析， 总结 出全息投影技术在演艺活动中的优势和发展前景。

　　关键词：虚拟世界;艺术体验;全息投影;三维立体;演艺活动

　　虚拟艺术体验广泛应用于影视艺术和多媒体艺术中，人们通过沉浸感和存在感强化了体验的真实感。科技的发展推动影视媒体、新媒体的产生和发展，虚拟艺术体验也应运而生。技术的进步，媒体艺术中的虚拟体验也呈现出多元化趋势，演艺活动中开始逐渐应用全息投影技术，许多演唱会晚会等大型演艺活动都运用了全息投影技术，营造虚拟幻象与表演者之间互动的效果，亦真亦假，惟妙惟肖，使表演产生震撼的效果。

　　1 全息投影技术的应用

　　全息投影技术创造的是一种以艺术美学标准营造虚拟世界的 方法 。全息投影技术实质是一种虚拟成像技术，主要是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。目前一般通过两种方式实现虚拟成像，一种方式是直接用投影机背投在全息投影膜上，产生虚拟场景或者虚拟影像;另一种方式通过投影机、LED 屏折射光源至45度成像在幻影成像膜，产生全息投影，全息投影技术不仅可以产生立体的空中幻象，还可以营造连续动态的影像。全息投影构建的虚拟世界可以是基于现实的艺术场景，也可以是超现实的、任凭想象的场景，这种营造过程就是艺术场景实现的过程，技术人员通过计算机图形技术和动作捕捉和表情捕捉系统，最终展现出一个或逼真或梦幻或新奇的艺术世界，这种虚拟艺术体验给人们带来新奇有趣，逼真震撼的视听感受。

　　在媒体艺术中，全息投影产生的虚拟影像给观众带来的感官刺激最直接，这种艺术感官体验可以源自对现实世界的模拟再现，也可以是超现实的，艺术创造者想象中的各种新奇场景的创造，要实现这些场景或者影像的艺术体验是离不开技术支持的。艺术家可以通过全息投影技术构建或者营造各类艺术情境和场景，引导观众进入虚拟情境中，使人产生身临其境的逼真感觉，仿佛真的置身于营造的虚拟世界中。尤其是在演艺活动中，艺术家或者设计者，通过全息投影技术的营造，引导观众进入虚拟情境中，体验前所未有的虚拟艺术体验和感官刺激。

　　2 影像互动式虚拟体验在演艺活动中的运用

　　20世纪中期，互动式虚拟体验最早运用于美国军事模拟训练，尤其是空军飞行训练。美国军方为了降低飞行训练中的损失以及人员伤亡，发明了虚拟飞行驾驶系统。模拟出真实的飞行训练过程，进行飞行员训练。随着技术的发展，模拟训练已经延伸到了其他军事训练领域中，可以模拟出复杂的战斗情境，提高实战水平，同时也减少真实训练或者演习中的损失和伤亡。这种互动式虚拟技术的真实体验使得现实世界和虚拟世界之间的建立起了一座互相作用的桥梁。

　　随着技术的发展以及媒体艺术的发展，虚拟体验与媒体艺术擦出了绚丽的火花。虚拟感官体验创造的虚拟世界非常接近人类观察体验，在技术的推动下衍生出全新的媒体表现形式和艺术情境，这些新奇的艺术创作方式和艺术表达方式为观众营造了更加丰富多彩的实体体验和感受。虚拟艺术体验作为一种传播方式和手段，彻底颠覆了传统形式的影像体验，擦出了新的传播艺术的火花。

　　例如，2011年在某国际知名服装品牌的新品发布会上，设计者就把全息投影技术搬上了T台秀，模特表演秀中通过全息投影营造出虚拟模特和真人模特交替出现的场景，在灯光和特效技术的配合下，一场惟妙惟肖、亦真亦假的服装表演完美演绎。在T台上人物和艺术场景忽而产生、忽而消失，模特在虚拟和真实交替中完成瞬间换装的效果，给观看者的视觉和听觉产生了意想不到的震撼效果，观看者完全沉浸于这种逼真立体的影像和真人秀中，这场秀给观者带来了前所未有的魔幻效果，在整个艺术传播领域开创了一个全新的场景。

　　在我国国内演艺活动中，全息投影营造的互动式虚拟情境的舞台也给观众留下深刻印象。湖南卫视2011跨年演唱会中，有一首歌曲表演中就很成功地运用了全息投影技术，《再见我的爱人》这首歌是邓丽君早起经典作品之一，被观众熟知，许多观众都十分怀念邓丽君深情的演绎，湖南卫视的技术人员就通过全息投影技术把立体逼真的邓丽君演唱的场景搬上舞台，场景中看起来如同邓丽君与歌手的同台对唱，并且两人之间还有恰当的动作眼神交流。在舞台上实现了歌手与影像的完美互动，呈现在观众面前的就是真实的表演场景，给观看者的视觉、听觉带来极大的满足。同样，我们记忆深刻的还有2012龙年春晚就在LED的基础上加入全息投影的电视美术布景，晚会的多数歌舞都动用了全息技术。例如，萨顶顶在演唱《万物生》时，营造立体花朵飘落的艺术情境，演唱者和现场观看者就仿佛是置身花的世界一样，设计者将艺术情境完美结合歌曲的意境，完美演绎了万物生的艺术情境。但是，在演艺活动中全息投影技术只是作为亮点出现在演出的某个环节，并没有被用于制作整场演出的舞美效果，全息投影技术的使用是希望引起观众高潮达到最佳的表演效果。

　　3 全息投影虚拟互动体验的发展趋势

　　(1)渲染偶像，美化表演意境。虚拟体验从纯粹的感官体验到交互体验再延伸到情感体验，逐渐呈现出体验融合的趋势，虚拟艺术体验的逼真度和沉浸感也进一步提高和加强。艺术工作者可以在演唱会场景设计上营造多个偶像同时演绎的各种酷炫效果，对观看者的视觉、听觉造成震撼冲击，同时也满足观看者对自己偶像的崇拜心理。

　　(2)重塑经典，赋予艺术强大生命力。虚拟技术为艺术体验提供了新的机遇。在当下强大的科技条件支持下，可以为观众再现那些怀念的经典，虚拟世界的感官真实性，互动性，情感化，特性的逐渐体现。例如，“复活”历史上的巨星，令其完成与当代明星同台对唱等的现场表演，或是弥补某位不能到场的巨星给观众造成的遗憾，还可以把某个不可能再现的经典为观众重现，对其造成极大的视觉与心理震撼。

　　(3)打造虚拟偶像，衍生虚拟情感。虚拟艺术体验是调动了视觉、听觉、触觉、嗅觉及肢体行为互动等多种感知体验，也可以是意识心理的思维沉浸，意识和思维沉浸在虚拟世界之中，身体却处于现实之中，身体被虚拟世界中的意识驱动，虚拟和现实之间的界限模糊化，全身心投入到虚拟世界中并享受心醉神迷的沉浸体验，这便是虚拟偶像。越来越多的虚拟偶像会随着人们的不同需求而产生，并且延伸到情感体验的高度。

　　从感官虚拟体验、互动虚拟体验到情感虚拟体验，这些艺术体验和互动都是基于人们对虚拟世界的幻想和憧憬，引发人们感官和情感的存在感和代入感。从唯物的角度来说，虚拟体验和虚拟互动都是基于人们对真实世界中各种客观事物的反映，并且在人们丰富的想象中得到进一步的艺术升华，在演艺活动或者新媒体艺术中完美地展现出来，迸发出无比绚烂的艺术火花，给观看者带来前所未有的美妙体验和感官享受。因此，虚拟艺术体验是一种很好地表达艺术情感的手段。

　　参考文献：

　　[1] 王燕鸣.论新媒体艺术在虚拟世界中的互动体验[J].大众文艺，2010(2).

　　[2] 肖永生，赵明镜.飞行模拟器视景显示系统的研究与设计[J].科技广场，2009.
　　全息投影技术论文篇三：《全息投影的简易制作及探究》
　　摘 要 全息投影是近年来流行的高新技术，能够展示神奇的立体全息影像，给参观者全新的互动感受。全息投影设备价格较高，应用生活中常见的器材，制作一款具有全息效果的实验演示装备，揭示其中的科学原理。

　　关键词 全息投影;实验器材;虚拟成像

　　1 前言

　　2013年9月13日，去世18年的歌手邓丽君“穿越时空210秒”，与男歌手周杰伦同台对唱，别具一格的全息投影技术很快成为新闻媒体报道的 热点 ，引起人们极大的兴趣和关注。全息投影设备价格较高，一般应用于商业展览或影视特效中。对于广大中小学科学教师来说，只要应用生活中常见的实验器材，花费很低的经济成本，同样可以制作简易的全息投影演示实验，带给学生新奇的科学体验与乐趣。

　　2 全息投影原理

　　全息投影技术也称虚拟成像技术，利用光的干涉和衍射原理，记录并再现物体真实的三维图像。

　　第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束;另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，利用干涉条纹间的反差和间隔，将物体光波的全部信息记录下来。记录干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片。

　　第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，这是成像过程。全息图的每一部分都记录物体各点的光信息，能够再现原物的整个图像，通过多次曝光可以在同一张底片上记录多个不同的图像，互不干扰地分别显示出来。

　　全息投影系统将三维立体画面悬浮在实景半空中，画面的对比度和清晰度高，有空间感和透视感，营造了亦幻亦真的神奇氛围。

　　依据实现技术手段与途径的不同，全息投影分为两类。

　　1)透射全息投影：通过向全息投影胶片照射激光，从另一个方向来观察重建的图像。透射全息投影可以使用白色光来照明，广泛应用于信用卡防伪和产品包装等领域，通常在一个塑料胶片形成表面 浮雕 图案，通过背面镀上铝膜，光线透过胶片得以重建图像。

　　2)反射全息投影。使用白色光源，从和观察者相同的方向照射胶片，通过反射重建彩色图像。镜面全息投影利用控制镜面在二维表面上的运动，制造三维图像。

　　3 简易全息投影设备制作

　　应用于商业展览或影视特技的全息投影需要复杂的制作技术与专业设备[1]。为了向青少年普及科学知识，介绍前沿科技新成就，教师利用身边的简易器材，同样可以制作出具有立体效果的全息图像。

　　实验原理 利用4个半透面对光线的折射和全反射，把屏幕上的视频源文件反射。由于视频源文件同时有图像的前、后、左、右4个面，4个面同时投影形成全息效果。原理图如图1所示。

　　制作材料与过程 能够形成单屏投影的设备(包括手机、平板电脑)、各种透明薄板(如亚克力板、塑料板、PVC板、手机贴膜等)。由于四棱椎体是最简单的制作，以下详细介绍全息投影制作过程以及注意事项。

　　1)确定四棱椎体的几何形状与大小。本实验制作的投影设备由透明塑料等材质构成棱锥、覆盖在上方的单屏投影源构成(图2)。光线由投影源发出，在棱锥侧面产生全反射，进入观察者眼睛。如果能够使每个侧面反射的光线恰好构成三维物体的不同侧面，观察者从不同方向观看，就可以看到三维物体的不同侧面[2]。为了保证反射光水平射入眼睛，需要使棱锥的侧面和底面所成的二面角为45°。

　　由于大家使用的各种手机或平板电脑的尺寸差异较大，给出的参考建议是：构成四棱椎体的等腰三角形底边约等于屏幕的宽度。如测量所用的iPad屏幕宽度为12 cm，则等腰三角形的底边就是12 cm，顶角固定为70.5°，腰长为10.4 cm，腰长=底边×0.865。如果要制作六棱锥投影，则等腰三角形各边的几何关系为腰长=底边×1.32。六棱锥的播放效果更佳，环六棱锥360°无死角观察到清晰逼真的投影图像;四棱锥在投影面交接角度处观察到轻微变形。

　　2)剪裁和粘贴投影用金字塔。把透明薄板依据上面的规格裁剪出4个等腰三角形，用透明胶条或不干胶依次粘好各三角形的边，做成一个投影金字塔。因为平板电脑的屏幕要放到金字塔的顶尖，设计一个支架把平板电脑架起来，不能挡住金字塔的四面。也可以用黑色纸盒做成暗箱型的支架，周围背景越黑，立体投影的显示效果越好。将平板电脑或手机屏幕朝下，倒扣在金字塔的塔尖上，确保金字塔尖正对视频4个切分画面的中心。

　　3)播放全息投影视频。利用MikuMikuDance(简称MMD)、会声会影X5与格式转换软件，先用MMD制作出所需图像的正面、背面、左右侧面，再将格式转换成为会声会影视频，便可做出全息视频源。专业高手也可以利用动画制作软件MAYA，设计出人物模型、动作，分出前、后、左、右4个视图，导出播放视频即可。现在网络上有不少3D全息影像素材，使用者可以根据需要下载和播放。

　　4 结语

　　由于器材简陋，该实验显示的并不是真正意义上的全息图像，可以看作“伪全息”，虽然视觉上看起来有全息的效果，但其本质还是2D成像。以图3所示美少女为例，视频中的四分屏分别是少女的正面、背面以及左右侧面，这四面分别对应金字塔形投影仪四面的塑料片。四个画面分别映射在4个塑料片上，从塑料片的4个角度来看，会产生“图像就在投影仪中央，能够360°无死角观看”的错觉。因此，制作全息投影时必须选择表面光滑、没有太多划痕的透明薄片，才能有更好一些的视觉效果。播放视频的清晰度也很重要，最好采用清晰度为720P及以上的视频图像。

　　参考文献

　　[1]于丽，杨宇.一种三维全息投影屏的制作方法[J].激光与光电子学进展，2013(2)：115-118.

　　[2]房若宇.多棱锥三维立体投影装置的制作[J].物理实验，2015(6)：23-25.

　　[3]杨毅.论全息投影技术中虚拟角色制作设计[J].科教文汇，2013(10)：94.

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引言
　　 光全息学是在现代激光的发现之后才迅速发展起来的，本文将就光全息学的一些主要的研究课题进行探讨，并针对一些应用课题进行研究。现代光全息学的起源,发展和人物,新型应用,本文将告诉你.
　　
　　利用干涉原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都储存在记录介质中，这样记录下来的干涉条纹图样称为“全息图”，而当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维象，这个波前记录和重现过程称为“全息术”或“全息照相” 光束
　　全息照相由盖伯于1948年提出的，而当时没有足够强的相干辐射源全息研究处于萌芽时期。当时的全息照相采用汞灯为光源，且是同轴全息图，它的+/-1级衍射波是分不开的，即存在所谓的“孪生像”问题，不能获得很好的全息像。这是第一代全息图。
　　1960年激光的出现，1962年美国科学家利思和乌帕特尼克斯将通信理论中的射频概念推广到空域中，提出离轴全息术，他用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光，第一代全息图的两大难题因此得以解决，产生了激光记录，激光再现的第二代全息图。
　　当代光全息学发展主要课题有：
　　1. 球面透镜光学系统
　　2. 光源和光学技术
　　3. 平面全息图分析
　　4. 体积全息图衍射
　　5. 脉冲激光全息学
　　6. 非线性记录，散斑和底片颗粒噪声
　　7. 信息储存
　　8. 彩色全息学
　　9. 合成全息图
　　10. 计算机产生全息图
　　11. 复制，电视传输和非相干光全息图
　　而伴随光全息学的发展也产生一些光全息技术应用，比如高分辨率成像，漫射介质成像，空间滤波，特征识别，信息储存与编码，精密干涉测量，振动分析，等高线测量，三维图象显示等方面的用途。
　　本论文将就当代光全息学的研究与应用两大课题进行学术研究
　　
　　一． 当代光全息学研究
　　 球面透镜不仅能形成光振幅分布的影象，而且易形成该分布的傅立叶变换图形。因此，用一个简单透镜可使物光在全息平面上成为某原始图形的傅立叶变换。存储在全息图中的变换所具有的特性，在光学图形识别中有重要的应用。透镜，作为形成影象的器件，可以在全息术中用来构成像面全息图。一个透镜可以形成：a.傅立叶变换和b.输入复振幅分布的影象
　　 由于利用激光光源来制作全息图片，使得全息学开始成为一门实用的学科。对形成全息图所用光源提出的要求取决于由于物体和必要的光学部件的安排所决定的参数。
　　从单一光源取得物波和参考波有如下图所示两种普通方法：
　　A. 分波前法
　　B. 分振幅法
　　在光源与全息图之间（通过物表面或参考镜的反射）传播的光线的最大光程差必须小于相干长度。激光的相干性与激光器的振荡模式有关，就全息术而论，它要求在任一个横模振荡的激光器的空间相干的辐射，由于高介模的振荡较不稳定，并有以两个或者多个模式同时振荡的倾向，因此最好的振荡模式是最底阶的模式。
　　激光束的输出功率必须分成物体照明波和参考波。若物体要求从不止一个角度（以消除阴影），就需要将激光束分成好几束，一般采用分振幅法，因分振幅法能产生较均匀的照明，而且对光束的展宽要求小，既可以在分配前也可以在分配后展宽。
　　平面全息图分析
　　用非散射光记录的共线全息图上的条纹间隔与感光乳剂的厚度相比为较宽的。照明这张全息图的波前中的一条光线在通过全息图前只和一条记录条纹相互作用。因此全息图的响应近似于一个有聚焦特性的平面衍射光栅。加伯在分析这些特性时是把这样的全息图严格地当作二维的。用对二维模型分析的结果也很符合实验观察。
　　在应用利思与乌帕尼克首先采用的离轴技术所得到的全息图上，其条纹频率则超过共线全息图，超过了量正比于物光束与参考光束之间的夹角。条纹间隔的典型值可以考虑由两平面波的干涉得到。
　　正弦强度分布的周期d可以由下式决定：
　　2dsinθ=λ, θ为波法线与干涉条纹间的夹角，波长λ，条纹间隔d
　　式中当θ=15°，λ=0.5微米（绿光）时，则d=1微米。记录离轴全息图的感光乳剂的厚度通常为15微米，实际上，在这样的乳剂中记录的全息图已不能当作是二维的了。因此重要的是要记录住平面全息图的分析结果只能准确地应用于使用相当薄的介质所形成的全息图。
　　体积全息图衍射
　　基本的体积全息图对相干照明的响应可以用偶合波理论来描述。
　　假设有两个在yz平面传播的并具有单位振幅的平面波，其进入记录介质并进行干涉的情况，按折射定律，有
　　sin /sin =sin /sin =n
　　n为记录介质的折射率； 及 分别表示两个波在空气中与z轴的夹角； 及 则为两个波在介质中与z轴的夹角。
　　布拉格定律可以用空气中的波长 ，全息片介质折射率 写成如下形式：
　　 2dsinθ= /
　　体积全息图的特性由布拉格定律确定，因此对照明显示出选择响应。
　　
　　
　　二.光全息学典型应用
　　高分辨率成像
　　当一张全息图用与制作全息图参考光束共轭的光束照明时，在理论上能再现没有像差没有畸变的物波，其投影实象的分辨率仅受全息图边界衍射的限制。由于分辨率将随全息图尺寸的增加而增加。由于全息图可以做的很大，因此可以指望在现场大到5×5厘米时空间频率高到1000线/毫米。显然此种情况下放大率为1，但1：1的高分辨率投影成像，在集成电路的光刻工艺中有重要的潜在应用。将光刻掩模精密成象在半导体薄片上的工作，目前是用接触印象法来完成的。但这方法很快就会使模板损坏。用投影方法将影象转移到薄片上是一理想的可供选择的方法，但要非常优良和非常昂贵的镜头才能使投影的掩模象达到要求的分辨率和视场。
　　当用相干光源照明制作全息图时，摄影乳剂的收缩，表面变形，非线性及洽谈噪声源的影响就更大了。它们可使图象产生斑纹，衬度降低和边缘模糊，这些缺陷又是用光刻法制作集成电路所不允许的。新的，更稳定的材料可能是这些问题的解答。
　　特征识别
　　由空间调制参考波形成的傅立叶变换全息图的许多特性，曾被范德鲁等人用于特征识别。他们采用全息法作成的空间滤波器完成了“匹配滤波”在特征识别中的应用。
　　匹配滤波与概念，形成与应用可由下图说明
　　
　　
　　
　　
　　 当要把形成的空间滤波器作为特征识别时，在输入平面内z轴上方部分是一个由平面波透明的，在不透明背景上包含M个透明字符的透明片。我们将这一组字符阵列的透过率表示为
　　
　　这里所有字符均围绕 点对称分布， 是阵列中的一个典型字符，其中心在 点。另外，在输入平面内 处，有一光强度为 δ 的明亮的点光源,并在空间频率面εη面上形成一张傅立叶变换全息图。这一全息图可以看作是t 与δ函数形成的平面波干涉的记录。但是当全息图完成识别功能时，仅由透过t的一小部分，即通过入射平面内的一个或几个字符的光所照明，我们将会看到，在输出平面上我们所关心的再现，是表示识别结果的一个明亮的象点。
　　
　　信息储存与编码
　　全息图既可以存储二维信息也可以存储三维信息。信息可以是彩色的或者编码的，图象的或者字母数字的；可以存储在全息图的表面，或存储在整个体积中；可以为空间上分离的，或者重叠的；可以是永久记录或者是可以消象的。记录的内容可以是彼此无关的或者相互成对的；可以是可辨认的影象或似乎是无意义的图形。
　　
　　现代光全息学的发展前景十分广阔,而其实用技术必然会实现普及,有识之士当携手共同研究以促进社会进步.

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大学物理-光学|3.偏振.mp4|2.干涉.mp4|1.衍射.mp4

Science：光

光的特性重新定义了我们如何认识/体验的世界。利用高分辨率显微镜、远程望远镜、快速照相机和光谱仪等光学仪器，我们从原子到天体物理尺度对宇宙世界进行了深刻理解， 而这些发展的核心则基于一个 光学组件 ，它 控制光与物质相互作用时的特性 。受到自然界（通过衍射、干涉和散射构造光的能力）的启发，研究人员已经尝试使用人工材料来操纵光，如：由于纳米粒子的等离子体共振而产生有趣的结构化着色，尝试通过将金属纳米粒子掺杂玻璃来改变其光学特性。类似地，1D/2D/3D交替电介质的周期性多层堆叠（即光子晶体）表现出与其组成材料不同的极端反射特性，通过构造其几何形状或材料成分来设计物质的光学响应，为以非常规方式利用光的特性提供了另一种途径。

超表面（平面光学）可以通过调整有效介电常数和磁导率的虚拟异常值，改变输出电磁响应，实现光特性的调节，超表面也已成为控制光的新平台 。超表面平台由元原子的周期性晶胞组成，其中晶胞通常由金属或介电散射体（紧密排列成具有亚波长分离的晶格状排列）制成。 正是由于紧凑的外形尺寸 （ 实现纳米级的逐点偏振变换 ）、 互补金属氧化物半导体兼容性 （ 实现宽带聚焦和多波长全息 ）、 多功能性、对极化和色散工程的优异控制性以及可定制性设计等特点，亚波长分辨率的光学散射体组成的平面光学器件（即超表面或超光学器件）已经成为支撑结构光的重要工具。 而具有可调谐超表面的结构光则有望揭示新的光学功能，并取代传统的光学系统用片上光子元件（如：激光腔、法布里-珀罗谐振器、基于光纤的设备等）。此外，经过静态超表面的适当设计还可以通过调整输入光的属性来改变其输出响应，实现无需电子电路来调制输出响应而快速全光切换，从而 节省空间、复杂性和成本 。

图1 具有静态超光学的可调谐结构光。

角度依赖和方向响应

角度依赖性 通常以衍射损耗、失真或彗形像差的形式表现出来，是传统透镜、全息图和光束控制应用中 尽量避免的现象 ， 而实现每个输入波矢量的独立控制则可以减轻角度依赖性影响并拓展新功能 。传统光学方式由于衍射光栅对角度的敏感性，很难解决角度的依赖性问题， 而局部和非局部超表面技术则解决了这一难题 ， 其中i） 局部超表面 在真实空间中逐点作用于入射光 （ 元原子充当多模谐振器，在一组离散的入射角上赋予不同的相位延迟 ），而ii） 非局部超表面 依赖于相邻元原子的相互作用（如：金属-绝缘体-金属）， 利用相邻元原子之间的非局部相互作用直接对动量空间中的入射光进行操作，且使用尖锐的共振来共同修改动量空间中的输出响应 。 例如：由于与共振角位置匹配的分析物分子会通过表面增强的近场效应对远场响应进行强烈调制，通过在涂覆分析物分子之前和之后检测来自此类超表面的角度分辨反射信号（非局部超表面上），可以检索分子吸收指纹的全光谱内容。

除了入射角之外， 传播方向（向前或向后）也被用于调整静态超表面（Janus超表面）的响应 ，这些定向设备可以通过将照明方向从正面反转到背面，表现出不同的着色或不对称透射。 传播方向是使用由级联亚波长各向异性阻抗片制成的元原子来实现 ， 通过在每个薄片中引入旋转，线偏振光将经历不对称透射。螺旋元原子也可以实现类似的行为，由于自旋相关模式耦合，使其具有正向传输的圆二色性高达0.72，反向产生高达0.87的巨大线性二色性的特征，其表现出的高选择性用于线偏振光的方位角。此外，通过创建具有特定旋转角的两个元原子对映异构体的超表面，也可以实现方向控制的偏振， 结合角度依赖性和方向性实现同时在反射和透射中生成不同的图像。

图2 角度依赖和定向超表面

极化可切换行为

与传统体偏振器和波片（依赖于波长为10.6 μm的亚波长Pancharatnam-Berry微带光栅进行波前倾斜和矢量光束生成）不同， 超表面对应物因为结构中元原子具有形状相关的双折射及相位延迟特性 ，能够实现 纳米级的逐点偏振变换 。而由于 双折射轴可旋转性 ，从而提供通常表现为 Pancharatnam-Berry相的第三自由度。 因此， 超表面在偏振控制和矢量光束生成方面表现出强大优势。 除了控制横向平面（二维）中的偏振外， 还可以实现沿光路的平行偏振变换。 在这种情况下，单个超光学可以模拟串联级联的许多偏振光学的排列，入射光被转换为准非衍射光束，实现了对角动量的两个分量（自旋和轨道）的同时和独立控制。值得注意的是，由于空间多模跳动（即具有不同波矢量的共同传播模式之间的受控干涉），角动量的演变仅在光束的中心区域局部发生。当在整个横向平面上积分时，总轨道角动量是守恒的。

具有复杂偏振可切换行为的最新元光学的案例：

i）生成远场轮廓的超表面 ， 该轮廓对入射光进行平行偏振分析。每个偏振态的强度遵循马鲁斯定律（强度与入射偏振在该特定状态上的投影（点积）成正比）。因此，这类被称为琼斯矩阵全息图的超表面通过图形 读取投影图案来实现输入光的视觉全斯托克斯偏振测量 。

ii）四个矩形纳米鳍组成的超表面 （响应任何输入的正交偏振对）。手性辅助相位调制部署了级联的超表面层来解耦描述每个超原子的琼斯矩阵的所有四个分量。使用这种方法，在输入-输出偏振通道L-L、L-R、R-L和R-R上对四个不同的波前进行编码（L-R分别表示设备输入和输出处的左旋和右旋圆偏振）。通过 解耦所有输入-输出共极化和交叉极化通道 ，可以将输入波前转向 四个不同方向 ；通过在 两个偏振器之间夹入一个双折射超表面 ，可以在800 nm波长的不同输入-输出偏振通道上 加密七个不同的图像 ；通过将 波长作为额外的自由度 ，多通道 全息术也得到了增强 。此外，平行偏振处理和分析可以设计用于偏振表征的新技术。

图3 具有偏振相关响应的超表面。

使用结构光进行调谐

由于光子自旋受限于两个自由度， 偏振可切换的超表面主要限于将两个正交偏振映射到两个输出波前轮廓。 多通道全息术可以通过解耦不同的输入-输出偏振通道来缓解这一限制 。其中，具有 超表面的总轨道角动量全息术 已成为克服这些挑战的多功能波前整形工具，其依赖于将一组正交的涡旋光束（具有螺旋相前的模式）映射到任意数量的输出全息图（受孔径大小限制）。 全息图像由依赖于总轨道角动量的2D Dirac函数进行空间采样 ，以避免螺旋波前核在图像平面上的空间重叠，其中， 总轨道角动量保存全息图产生像素化图像 ，同时在重建图像的每个像素中保留入射总轨道角动量光束的总轨道角动量特性。 总轨道角动量选择性全息图对输入总轨道角动量模式敏感 。值得注意的是，在同一个超表面上添加多个总轨道角动量选择性全息图将创建一个总轨道角动量复用元全息图，将不同的总轨道角动量状态映射到不同的全息图像。此外，由于它们的正交性和无限大小，许多总轨道角动量模式可以通过单个元全息图进行复用，同时保持高空间分辨率。通过使用输入-输出偏振通道作为额外的自由度，可以在相同的总轨道角动量状态上对多个全息图进行编码。

除了总轨道角动量，更通用的波前分布可以用作控制旋钮来投射不同的全息图像。 尽管超表面是静态的，但入射光束包含一个很大的参数空间，可以改变（重新编程）输出光束，从而为信息安全和认证提供新技术 ，例如，级联超表面全息术的密钥共享的全光学解决方案：可用于在多个超表面层之间拆分和共享加密的全息信息。这种级联的全息图像可以用作光学秘密，只有在两个超表面堆叠并且可以扩展到更大的共享集时才会显示。 除了结构光之外，结构暗的复杂图案也可以用作超表面旋钮。 例如，除了总轨道角动量模式携带的1D奇点之外，通过在任意选择的几何形状上最小化场的实部和虚部分量来设计2D奇点片，通过最大化垂直于待测区域的相位梯度，已经生成了心形奇点片。此外， 还构建了极化状态未定义的矢量奇点片，这些自由度为元全息图提供了额外的旋钮，并且由于它们对扰动的极度敏感，可能会提出新的传感方案 。

图4 结构光作为超表面旋钮

多波长控制

色散或波长依赖性是所有光学材料的重要特性。 它对消色差聚焦、宽带全息术和高速数据传输都产生影响。众多研究人员努力试图通过 调整物质的化学成分（折射率）来调整色散 。 超表面通过塑造超原子的几何形状为色散工程提供了一条更灵活的途径，从而在纳米尺度上以可重复的方式改变它们的有效折射率 。色散工程超表面可以按需模拟折射或衍射光学器件的色散特性，随后成为消色差聚焦、波长相关全息术、多功能器件和脉冲整形的有前途的平台。消色性受移相器的相位和群延迟（一阶色散）支配，为了保持宽带性能，移相器应该通过避免尖锐的共振来表现出平滑的色散响应。而在尖锐共振附近工作可以有效地解耦不同波长的相位，从而实现多功能响应。

多波长控制已通过交错超像素、导模共振、耦合元原子和堆叠超表面等实现 。其中，元分子由三种硅纳米块组成，每一种都通过改变每个波片状纳米鳍的面内方向来赋予特定波长的几何相位。 尽管实现简单，但空间交错对效率施加了上限并引入了不希望的元原子耦合，这会降低图像质量，产生重影图像和不需要的衍射级。 为了克服这些限制，已经提出了 垂直堆叠的超表面，其中每一层都针对特定的入射波长进行了优化，从而实现了消色差聚焦和多波长响应 ，与传输操作相比，该方案利用反射超表面有效地将传播相位加倍，还引入了波长相关的导模共振，当入射光耦合到泄漏表面模式并通过相位匹配重新辐射到自由空间时，就会出现这种共振。这会在共振周围产生快速的相位梯度，从而实现广泛的相位覆盖，同时将赋予每个波长的相位解耦。双层超表面可以进一步扩展设计空间，实现具有复杂幅度调制的波长选择性全息术。此外，超表面辅助配置也可以用于脉冲整形和时空光控制。

图5 具有多波长控制的超表面光学器件

非线性超表面

图6 非线性超表面全息和成像

结语

在过去的十年中，由于丰富的元原子库、精确的全波模拟和精确的纳米加工工艺， 平面光学的使用已从波前整形和聚焦扩展到更复杂的结构光操纵 。单层和多层元原子的复杂配置通过简单地改变输入光的一个或多个自由度来实现多功能行为。这种能力允许静态单片集成光子组件快速切换其行为，而无需有源电路。这种全光学控制旋钮的超表面将成为增强现实和虚拟现实（AR和VR）设备、3D显示器以及无人机和 汽车 光检测和测距（LIDAR）系统的关键组成。 尽管如此，在超表面研究和应用中仍然存在一些开放的挑战：i） 需要 探索 更大的自由形状几何设计空间来扩展前向设计的纳米天线的功能； ii） 需要搜索非直观设计技术来应对目前的挑战，如逆向设计和机器学习技术； iii） 在没有周期性边界条件的情况下，元原子耦合现象需要更准确的模型进行剖析。此外，将 静态和主动超表面的混合配置将有望实现高空间分辨率和时变响应两者的完美结合 ，将结构光从2D推到3D，从冻结到动画，从原子到天体物理尺度。

参考文献：

Ahmed H. Dorrah and Federico Capasso. Tunable structured light with flat optics. Science 376, 367 (2022)

DOI: 6860