全息成像与集成成像原理

全息成像 引言

广义上的全息投影技术，不单指通过某种特定方法使物体成像的显像技术，其中包括一些伪全息投影技术。它是一类能记录并再现物体真实三维影像的技术的总称。本篇论文选取了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了三种类型，分别是透射全息投影技术、360 度全息投影以及空气投影与交互技术。不过，目前仍存在一些问题有待改进，并且这些问题也是未来技术前进的一个方向。

成像原理

首先，来简单描述一下全息照相的原理。以单色光作为例子，它的波动方程是：

不同单色光相叠加之后，其波动方程为：

其中ｒ为距离。

由公式能得知，每一列单色光都具备相位以及振幅（该振幅对应着光强）这两个方面的信息。然而，普通照相仅仅记录了光强这方面的信息，相位信息却丢失了。正因如此，普通照相无法体现出三维效果。

全息照相有所不同，它能够将相位和光强信息同时记录下来。如图所示，在照相过程中，为了确保物光与参考光的相干性，会利用分光镜把同一激光发生器发出的光分成两束。其中一束光直接投射到底片上，充当参照光；另一束光则照射到物体上，反射出物光，底片所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：

由上式能得知，相位信息被保存在了底片上面。底片经过冲洗这个过程之后，就可以被使用了，进而成为了全息照片。

显像过程

显像过程是利用参考光来完全重现物光。全息再现是以光的衍射理论为基础的。要再现原物体的光波，需要用与参考光波相同的光束去照射全息图，这样就能还原出原物体的形状，并且不需要任何屏幕。

用 k 来表示透射率，底片的透射率与照相过程中所受照射的光强存在着如下的关系：

底片完成之后，用照相时所用的相干光源 R 去照射全息照片，就会有如下情况：

第一级光将物光完全还原了，其中包含了相位以及振幅等所有的信息。倘若在第一级光的出射方向进行观察，那么就能够看到一个呈现出三维立体形态的像。

集成成像 显示原理

集成成像显示系统通常依据不同的硬件结构、参数以及软件算法来达成不同的三维成像效果。这种技术是真三维立体显示技术，它利用微透镜阵列来对三维图像进行记录和再现，此技术包含记录和再现这两个过程。早期提出的集成摄像术中，记录过程是利用针孔阵列对实际场景中的三维物体进行拍摄，再现过程是利用感光胶片对实际场景中的三维物体进行重构，如图 1 所示。

摄像原理

每一个针孔对应的胶片区域可以记录从对应视点传播过来的光束，在胶片上会形成一组二维微单元图像阵列，这些微单元图像大小相同且等间隔排列，从而记录了物体在不同角度的光源信息。微单元图像的个数以及排列方式和针孔整列是相同的。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保持一致。设置一个自然光源以增加重构物体图像的效果。光源发射的光穿过微单元透镜阵列，此光携带了对应视角的物体视差信息，并且沿着对应视角的方向为该视点的视角图片提供信息，进而能够重构三维物体。

但是集成摄像术有以下几点不足：其一，因为针孔阵列上的小孔透光率较低，所以在记录过程和再现过程中，物体光源的信息利用率不高，且丢失情况较为严重，进而致使重构图像的亮度比较暗。第二点，在传统拍摄记录过程里，感光胶卷的使用和保存存在不便之处，显影过程较为缓慢，并且还需要暗室等复杂条件，这些因素使得集成成像技术重构显示的效率降低了。