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谁是真的全息?

   2018-06-07 7050
导读

市面上充斥着各种各样的AR眼镜、AR应用,每个人都在谈全息,每个人似乎都实现了全息。就AR眼镜来说,到底谁才是在真正的全息呢?1光的反射AR眼镜的起源要从光的反射开始说起,当前的AR眼镜,无论是号称黑科技的HoloLens,还是成也宣传败也宣传的Google Glass, 神秘传说的Lumus,常常出现的Epson, 抑或低调内敛显示效果充满着

市面上充斥着各种各样的AR眼镜、AR应用,每个人都在谈全息,每个人似乎都实现了全息。就AR眼镜来说,到底谁才是在真正的全息呢?

1光的反射

AR眼镜的起源要从光的反射开始说起,当前的AR眼镜,无论是号称黑科技的HoloLens,还是成也宣传败也宣传的Google Glass, 神秘传说的Lumus,常常出现的Epson, 抑或低调内敛显示效果充满着浓浓的上世纪风格的Sony SmartEyeglass。每一个要称之为AR眼镜的设备首先要实现虚实融合。

从视觉上说,虚实融合想要做的就是让用户既看到虚拟的图像又看到真实的世界。那虚拟的图像可以通过投影来实现,真实的世界就是真实的世界啦。

比如我们可以这样,把虚拟的物体放在我们的眼前,同时看外面的世界,这样一定就能同时看到虚拟图像和实际的世界。

谁是真的全息?

很显然这会遮挡用户观看真实世界的正常视线。所以,人们会想到利用我们小学就学过的光的反射原理,把虚拟图像光源放在眼睛侧面或上面,然后通过反射使虚拟图像进入到人的眼睛里。如下所示:

谁是真的全息?

这就是AR眼镜中常见的棱镜反射方案,这个示意图只是极其简化版本,在真实使用过程中,会根据需要进行多次反射,可能会使用球面非球面等不同的反射镜。比如Google glass 。

谁是真的全息?

2镜片变薄

但是如果单纯的用棱镜反射,镜片太大且太厚,所以,有一种方法是把单个反射结构切割成多层反射层结构,每个反射层反射相同的图像,相互平行的多个反射镜反射出平行光进入人眼。通过这种方式,可以让镜片变薄。

谁是真的全息?

3镜片继续变薄

同样的道理,如果我们继续将镜片细分成很多很多个平行的反射层结构,是不是可以让镜片更薄呢?以及怎么样才能让镜片变成这种足够细小的很多个平行的反射层结构呢? 普通的反射棱镜肯定是不能做到这么小的,这时候就要利用光学中的干涉原理结合特殊的材料实现。

谁是真的全息?

4干涉与衍射

我们可能没有见到过光的干涉,但是水波干涉是很常见的。同水波的干涉类似,通过利用两束光波进行干涉可以形成干涉图样。而有些材质的折射率可以因为光照而发生变化。我们可以通过利用两束相互干涉的光照射到某些特殊材质上,经过显影定影记录下对应的干涉图样,实现前面需要的无数个细小平行的结构。

谁是真的全息?

然后,当物光再次以某种角度照射到该材质上,物光会发生衍射。衍射使光的传播方向发生变化而入射到人的眼睛里,也就是实现了我们想要的光的转折。

谁是真的全息?

也就是说,通过利用两束光在介质材料中干涉的方法,我们可以记录下周期性的干涉图样,当物光再次通过这种介质时,就能够按照我们的需要进行光路转折,进入到人眼睛里。

5那么光栅又是什么?

光栅是大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学结构,是一种周期性的排布结构。上面通过两束光的干涉并记录在材料中,实现了我们想要的很多个平行排布的周期性结构,记录完成的材料就是一种光栅。

谁是真的全息?

6光波导呢?

光波导是利用光的全反射原理引导光波在其中传播的一种介质装置。是用来导光的,我们经常玩的一种玩具就是光波导。

谁是真的全息?

体现在AR眼镜里,就是光的传输方式采用了光波导,传输过程可以是这样的:

谁是真的全息?

7全息在哪里?

全息,是指光的全部信息,是来自光学的一个概念,一般指光的振幅和相位信息。可以理解为振幅让你感受到光的强度而相位让你感受到物体的三维信息。

在继续讲述之前,我们先插播一个小实验:

所有的光学全息课程中,一个最简单的例子,就是小熊猫(或者其他任何三维物体 )的全息成像和再现实验。 一束激光打在小熊猫身上而漫反射出的是物光,另外一束相同波长的光作为参考光,物光与参考光发生干涉,即可以在全息干板上记录下小熊猫的全息图。这个过程是干涉记录,记录完成的全息干板大概长这个样子:

谁是真的全息?

实际上单纯人眼是无法从全息图上看出全息图的内容的,只有利用参考光通过全息干板成像(形成全息图的像),才能进行复现,看到真正的三维的全息的图像。这个过程就是衍射再现。这时候的图像既有光强又有相位,是真正的全息图像。表现在观察的效果就是,用户通过裸眼可以看到一个立体的小熊猫,转动全息干板可以看到不同角度的三维图像。

实验过程是这样式儿的:

谁是真的全息?

也就是说,真正光学意义上的全息是利用光的干涉原理通过将3D物体的影像记录在某种材质上(例如全息干板),通过光的衍射再现记录物理的三维图像的过程。简单的说,全息就是干涉记录,衍射再现。

8谁在骗人?

你是不是已经发现了,全息过程的记录和再现是干涉记录衍射再现,全息光栅的制作过程同样是两束光进行干涉,成像时候通过衍射原理让物体的光发生反射进入人眼。也就是眼镜镜片的制作过程中利用了全息技术。

谁是真的全息?

那么,我们从AR眼镜中看到的像到底是不是全息图像?

从严格的光学意义上来讲,不是。

Sony SmartEyeglass 与HoloLens称为全息AR眼镜的原因在于,其镜片的制作过程或者是成像过程中利用了全息技术。镜片的作用依然只是对图像源投出的光线进行偏转最终输出平行光线进入人眼。用户的左右眼睛接受到的都是单纯的2D平面图像。依然只包含光强信息,没有相位信息,并不是光学意义上的全息图像。

从目前被大家认可的程度来讲,是!

双目立体视觉与SLAM即时定位与地图构建

用户之所以能够看到立体的三维物体,但是却不能称之为全息影像,主要因为两个方面:

  1. AR眼镜输出给用户左右眼睛的是两幅有一定视差的2D平面图像。通过利用两个眼镜的视觉差,模拟用户观察真实世界的行为,造成一种3D视觉的假象,是通过技术手段在欺骗用户的眼睛。

  2. 通过计算机技术(比如SLAM)实时的对环境进行重建并计算用户当前的位姿。根据用户和环境的相对位置,将用户在该角度下应该看到的图像计算出来并显示显示给用户。依然是通过计算给用户造成一种自己可以360°看到物体的假象。

所以个人认为,HoloLens给用户输出的图像,称为360度双目立体成像更合适一些。但是现在越来越多的用户已经认可看到360°的立体物体代表着全息显示。如果从这种意义上讲,全息是指三维物体的全部信息(立体显示和360°显示),而不是光学上的光强和相位意义上的全息,那么小编觉得是可以部分表示赞同的。

换个角度讲,光学意义上的全息图像不管用户有没有在观看,物体都是三维立体的,是绝对意义上的三维的。但是HoloLens的全息图像只有在人眼观察的情况下才是三维立体的,没有观察的情况下只是2D的图像。

但是,网络上经常出现的认为随便一张能够发出辉光效应的2D的图像,或者是通过反射镜反射的蓝色辉光图像就闹哄哄的称之为实现了全息显示的文章或者报道,就有点太夸大其实,实在是在误导大众了。

9补充几句

当然了,前面的都是最最简单的介绍,实际应用中即使是简单的棱镜反射,也远比图中表示的复杂的多。举个栗子说,棱镜反射的反射面可以是平面(例如Google glass),可以球面或者自由曲面(例如Epson BT300),传输的光可以是自然光也可以是偏振光(比如Lumus)。而任何一种都可以利用光波导对光进行传输。

 
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