簡易全息裝置的設計制作與性能研究

易鑫，夏江南，蘇恒，袁萬成，夏雄平

（桂林理工大學理學院，廣西桂林，541004）

0 引言

全息技術是現代應用光學的一個重大成就，它突破了傳統聲、光、電的局限，使得空間成像變得色彩鮮艷，畫面更為豐富，能得到更為真實、更震撼的藝術效果，帶給人們虛實結合的夢幻立體感受。全息技術主要應用到了光的干涉和衍射的原理，它通過干涉和衍射記錄信息并再現物體真實的三維圖像，實現真正意義上的3D投影。全息技術是一門不斷發展的新技術學科，它已經在產品檢查、全息顯示、全息光學元件、電影和娛樂產業等方面被廣泛應用[1，2]。本文基于全息技術的基本原理，應用3DMAX等軟件，設計制作了一個簡易實用的全息裝置，并對影響全息成像的因素進行了具體的研究。

1 系統設計與研制

（1）制作器材：使用全息裝置器材包括17.3寸IPS高清顯示屏（LTN173HL01），平板支架，EDP驅動板，HDMI高清信號線，全息膜，亞克力板，鋁合金支架，KT板，彩色平面玻璃，激光筆。

（2）全息投影裝置主體的設計：根據文獻顯示[3]，全息投影裝置在180°成像效果較穩定，對視頻源要求不是很高，因此設計確定采用180°全息投影裝置。在設計中，首先根據IPS顯示屏尺寸，用3DMAX軟件制作出整體支架立體圖，如圖1所示，根據立體圖確定支架尺寸及形狀，做成全息投影裝置主體。

圖1 利用3DMAX設計出的全息投影整體支架立體圖

（3）制作流程：主要包括視頻源驅動及顯示器、全息膜的安裝及固定和固定全息膜與屏幕的角度。其中對于視頻源驅動及顯示器：在底部用自攻螺絲將木板固定在A上，并用KT板做出驅動轉接線通道，然后將視頻驅動固定在B板之下，做成一個簡單的遙控結構，在B板上面用手電鉆打出HDMI接口形狀的小孔，轉接驅動線通過小孔與視頻源驅動連接。對于全息膜的安裝及固定：根據文獻資料顯示[4]，全息膜與顯示屏成45°成像效果最佳，在量出A柱B柱C柱D柱高度之后，利用顯示器寬度2＋柱高2=全息膜寬度2和顯示器長度=全息膜長度算出全息膜的寬度以及長度。然后利用KT板的易加工性，根據計算，用KT板做成等腰直角三角形，用其來固定全息膜與屏幕的角度，并將其固定在空中，并與顯示屏保持相對的平行。通過上述基本步驟，制作出簡易全息裝置，如圖2所示。

圖2 簡易全息裝置實物圖

2 裝置的測試與性能研究

（1）全息膜背面遮蓋顏色的對比實驗

在調試中分別用黑色幕布、藍色平面玻璃和紅色平面玻璃覆蓋框架來進行實驗。初始狀態未做任何改變，直接在白光下進行投影，調試發現，在白光的照射下，反射現像較為嚴重，在全息膜上投出的像會有較強的光斑重疊，成像較為模糊。在覆蓋上藍色玻璃以及紅色玻璃之后成像效果沒有太大改變，但是光斑重疊現象變弱，成像的輪廓變得相對清晰；在蓋上黑色幕布之后，當在A柱與B柱之間蓋上一層黑色幕布之后，全息投影效果明顯加強，光斑完全消失，成像較為清晰，無論是縱深感還是立體感，都更加清晰，唯一不足的就是顏色要比片源偏淡，當周圍環境逐漸變暗，顏色也相對的加深，周圍為黑色時全息投影達到理想狀態（如圖二所示）。

（2）全息膜與顯示屏所成角度的對比實驗。

通過改變直角KT板邊長來改變全息膜與顯示屏的角度。從起始45°開始，角度逐漸變小，發現投射出來的像立體感逐漸變差，且人物比例沿Z軸方向局部變小；當將夾角從45°開始逐漸增大時，投出來的像立體感逐漸變強，但是人物比例沿Z軸方向局部變大，該實驗再一次論證了文獻中所說的45度夾角的正確性，所成的像縮放的比例合適，成像效果相對逼真。

（3）全息膜的材質的對比實驗。

在測試過程中，分別采用全息膜、亞克力板和玻璃進行試驗測試，分析其透光率和可見光的反射率對全息成像質量的影響，如圖3所示。通過測試發現，使用全息膜，由于膜的表面通過真空磁控濺射技術鍍上納米級的感光圖層，使膜對全波段保持很高的透光率（約97%），同時鏡面外觀對可見光也具有較高的反射率（約20%），此時能使影像產生較大的立體縱深感。當用其它材質的成像膜來代替全息膜進行實驗發現：在用亞克力板進行實驗時，透光率降低（約91%），而對可見光的反射率很低（低于5%），此時成像清晰度變差，且縱深感降低，立體感變弱，圖形有少許的虛化；在用玻璃進行實驗時，透光率降低明顯（約81%），而反射率也較弱（約10%），發現幾乎沒有清晰成像，視頻光源幾乎沒有留在玻璃表面，成像效果不清晰，且有少許重疊，不能投射清晰的像。從三種材料的對比試驗研究發現，對全波段的透光率和對可見光的反射率明顯影響全息成像的質量，兩者的相對值越高，成像質量越高，圖3為采用全息膜來測試的結果，其成像質量清晰，逼真度高，立體感強。

圖3 使用全息膜、亞克力板和玻璃進行試驗時的透光率和對可見光反射率。

3 結論

本文基于光的干涉和衍射的基本原理出發，利用3-Dmax軟件設計制作了一個簡易實用的全息成像裝置，本設計具有低成本、結構簡單、基本功能具備以及容易實現功能的拓展等特點。通過對比試驗研究發現，只有在純黑色的條件下，全息投影的成像效果最好，在其它偏暗的環境下（如藍色，紅色）的投影效果比不上前者，白色最差。當改變全息膜與顯示器的角度時，發生改變的不僅僅只是成像清晰度，伴隨變化的還有成像的局部比例，且當全息膜與顯示屏成45°成像效果最佳。當投影材質改變時，發現180°全息投影的成像效果與投影材質的透光性和對可見光的反射率所共同決定，透光性與反射率的相對大小是影響全息投影成像的關鍵所在，兩者的值越大，成像效果越好。

參考文獻

[1]黃建.3D全息投影技術發展應用[J].演藝科技,2015（1）：45-47.

[2]夏溢涵,王芳君,張乘風.全息投影在展示設計中的應用研究[J].家具與室內裝飾，2014（10）：16-17.

[3]麻艷華,覃園園.全息投影的簡易制作與探究[J].中國教育技術裝備 ,2016（9）：31-36.

[4]于麗,楊宇.一種三維全息投影屏的制作方法[J].激光與光電子學進展,2013(2):115-118.