全息照相技术在科普展示中的应用研究

孙婉莹 任芸


[摘 要]全息照相技术是一种利用波的干涉原理记录被摄物体反射(或透射)光波中的振幅和相位信息的照相技术,目前在科普场馆中的展示通常为静态或动态的全息照片成品,展示形式比较单一。本文通过阐述“全息摄影”展品,将专业光学全息技术从特定环境的实验室搬入科普场馆,并转化为互动式科普展品的研发过程,剖析技术难点和实现方法,总结创新点及高新技术类创新展品研发规律。
[關键词]全息照相 创新展品 科普场馆 高新技术
全息照相是一种记录被摄物体反射波的振幅和相位信息的新型照相技术。目前,科普场馆对全息照相技术的展示仍停留在对全息照片成品的静态或动态展示上。由于全息照相实现过程对环境的防震、避光等极为苛刻的要求,以及对操作人员专业性的要求等,使得全息照相技术在科普场馆的展示内容难以创新、展示形式难以突破。
如何打破观众误解,分析限制全息照相技术用于科普展示的因素,进而创新设计理念,将该技术以新内容、新形式引入科技馆,设计出符合科技馆展示要求的展品是展品设计人员必须充分考虑和解决的问题。本文深入分析将全息照相技术从实验室引入科技馆,并转化为互动式科普展品的研发过程及技术难点,借助该成功案例,总结出高新技术类展品创新研发的规律。
一、全息照相技术背景
全息照相技术是一种利用波的干涉原理记录被摄物体反射(或透射)光波中的振幅和相位信息的照相技术,它是通过一束参考光和被照物体上反射的光叠加在感光材料上产生干涉条纹而成,如图1。通过全息照相获得的全息图并不直接显示被照物体的图像,观察时需要用一束与参考光相同的再现光以照射全息图,便可以通过记录好的全息图观察到与被照物完全相同的像。
通常全息照相时需要在刚性和隔振性能良好的工作台上调整参考光和物光的光路,以及显影过程需要的避光条件,使得全息照相仅能在特定环境的实验室中进行,并且要求操作人员具有良好的光学技术基础;另一方面,常用的银盐记录材料需要进行化学显影,不仅工艺复杂,而且会产生大量的废弃物和污染物。因此,很难在科普场馆中对全息摄影的过程进行展示。
目前,科普场馆对全息照相技术的展示形式与多年前相比已有所进步,从单纯的静态观看全息照片,具有一定的互动性,如中国科技馆展项“全息体验”中的酒瓶与酒、变色全息图、孙悟空等,观众不仅能够看到动态全息图,而且可以通过互动操作,观看到全息图像更加神奇的特性——全息图中的孙悟空,随着全息图的裂开一分为四,深受观众喜爱。虽然相关展示方式较之前已有不小提升,但仍无法在科技馆中实现让观众通过简单的操作就能够直接观察到全息照相的全过程,从而对全息照相技术有更加深刻认识与了解。
这里要澄清一个被很多人混淆的概念,目前市面上盛行的所谓“全息投影”技术,其实并不是真正的全息技术,所谓的全息画面只是投射在一块透明的投影膜上面,因此图像是平面而非立体的,属于幻影成像技术。从前些年的初音未来演唱会,到周杰伦在演唱会上与邓丽君隔空对唱,再到2015年春晚里李宇春出现三个分身,再到2016年G20峰会室外水上晚会,以及一些展会、科普场馆中虚拟成像展品,都属于幻影成像技术的应用,而非我们以上提到的激光全息技术。
二、“全息摄影”展品的创意及技术研发
(一)展品设计灵感
全息照相技术的发展是“全息摄影”展品得以实现的先决条件,该展品的设计灵感来自于笔者对现有成熟全息摄影技术的一次调研。调研中发现了一种新型感光材料——光致聚合物,该材料使全息照相的显像过程只需要通过紫外光照射和加热过程即可完成,所需设备简单,操作简便,且无废弃物和污染物产生。
(二)展品构思
通常科普场馆对科技内容的展示模式大致有以下几种:
1.展示科学知识或科学技术的新奇现象,引起观众的好奇心和求知欲。通过展示科学知识或科学技术的某种新奇现象,甚至是反常规现象,引起观众的好奇心和求知欲,从而激发进一步的探究与思考,探究现象背后奥秘。如锥体上滚,表面上看到的现象是锥体在上滚,以此来引发观众的好奇心,加深对重心和重心移动的理解。
2.用直接探究科学知识或科学技术的方式,使观众了解其中的科学原理。如手蓄电池,当观众用手握住不同的金属棒时,可以看到检流计的指针发生偏转,从而证明有电流产生,通过动手直接探究的方式,使观众了解手蓄电池的原理,从而向观众传播了不同的金属在与汗液发生化学反应的情况下产生电流的知识。
3.通过展示科学知识、科学技术的发现过程或科学家的故事,使观众了解科学知识或科学技术。如波粒二象性,通过波粒二象性发现过程中一系列实验的展示,观众在了解知识由来的过程中,相对容易地理解了对一般观众来说非常生疏的概念“波粒二象性”。
“全息摄影”展品将采用一种更加新颖的新型展示模式——将“全息摄影”技术实现的全过程以互动形式展示给观众。该展品将专业的全息照相的全过程从特定的、一般人无法进入的实验室环境移植到科普场馆,观众可以利用我们研制的一套机构巧妙、运行稳定、实现精准的全息拍照及显像装置,在红光照明的亮室环境中按照系统的提示下亲自动手操作制作一张简单的全息照片,并带回家。通过这样一个给观众以深刻印象的亲自参与过程和获得成功的结果,使观众获得丰富的全息摄影知识,学习新知识的兴趣得以进一步激发。
(三)技术研发
全息照相技术主要分为曝光、显像及再现三个过程。每一部分的实现都对环境及精度有较高甚至极高的要求,实现起来有一定的难度。因此,该创新展品的研发经历了数次文献查阅、专家研讨及原型试验过程。我们通过尝试多种技术手段,摸索出最佳的技术方案,最终实现了展品的预期功能及展示效果。
1.曝光过程。对防震系数及避光环境有极高的要求,虽然采用光致聚合物使全息摄影在科普场馆中实现具备了可行性,但全息曝光过程对防震的要求极为苛刻,在非实验室条件下几乎无法实现。针对这一关键性问题,我们由全息照相技术的原理入手,将原有的复杂光路简化为单光束光路,有效降低了全息曝光对环境振动的要求,从而为将全息照相全过程转化为科技馆互动展品奠定了基础。为进一步实现展品功能,我们采取了以下几种技术手段。
(1)选用机械臂。初期我们设计了自动弹片的底片盒、升降支架机构的底片传送装置及可旋转的模型选择转盘。经过原型试验,我们发现该方案存在着无法克服的问题,全息曝光过程中,对防震系数的要求极高,特别是被拍摄物体及底片之间的相对振动。上述方案中,由于承载模型的平台与底片并不处于同一底板上,两者之间的相当振动很难降低,全息曝光效果无法保证。
经过全息领域专家、科技馆行业专家与展品制作厂商多方研讨后,对该部分的机构做了颠覆性的修改,采用机械臂代替升降支架及导轨结构。机械臂可以夹取拍摄模型及底片至曝光位,不仅满足了全息曝光平台对防震的极高要求,保证了底片运输中的稳定性及精准度,同时可以简化底片盒与模型平台的设计,有效提升了展品运行的和展品后期维护的工作量和难度。
(2)底片盒的设计。最初的方案,我们将其设计成叠放式的密封盒,内部设计有弹簧装置,可将底片弹出。经过试验发现:由于底片是由2mm左右厚度的玻璃片贴全息膜制成,易碎且表层不能划损,所以对底片盒内结构设计要求极高,且弹簧设计无法保证长期运行的稳定性。
优化后的底片盒采用密封箱及双重保险盖的结构(如图2),保证全息底片运输及安装过程中内部底片完全避光,工作人员将其安装在指定位置后,关闭后方维修门,当曝光区再次恢复红光环境时,机械臂方可开启内盖。底片盒内部采用高密度海绵材料,海绵上整齐设置底片槽,便于机械臂夹取底片。该设计保证了运输及安装的便利性、内部底片的防震性与避光性及机械臂开启盒盖的便捷性。
(3)曝光槽的设计。曝光槽是全息曝光过程中模型及底片的载体。初期设计中,模型被置于模型选择转盘上,底片被置于可滑动支架上,不稳定平台增加了曝光過程中系统的振动,使全息照片显像模糊不清。优化后的曝光槽,采用了与防震平台的一体化设计,上部分凹槽用机械臂插入底片,下部分由机械臂放置被拍摄模型,即降低了曝光时全息底片与被拍摄模型的绝对振动,同时也降低了全息底片与被拍摄模型之间的相对振动。
(4)红色有机玻璃的选用。全息照相技术对避光环境有着很高的要求,由于所采用的感光材料对绿光感光,所以要回避这个颜色的杂散光,一般都在全黑的实验室环境下进行曝光。该展品拍摄区采用红色有机玻璃,并内置LED红光照明。由于感光材料对红色不敏感,因此该设计不仅提供了全息曝光的避光环境,同时观众可透过玻璃看到全息光学元件及全息曝光的全过程。
2.显像过程。显像区主要包括紫外光定影及加热增强影像两个过程,在设计执行机构的同时,还需要考虑到全息底片传送过程中的位置精度、加热单元的恒温性及对底片加热的快速性等问题。
(1)十字滑台的选用。最初将显像区设计成了可旋转平台,平台两侧先后为紫外光源及远红外加热单元。试验中,该结构两侧会彼此干扰,而无法实现紫外光照射及底片加热的双操作过程。方案优化后,紫外光源与加热模块各自设计为独立的平台,避免彼此干扰;同时,采用十字滑台作为底片运输装置,其吸取底片的传送方式保证了显像过程中底片的精准定位及配合要求。
(2)橡胶加热单元的选用。初步设计的加热单元是采用红外加热单元,经过试验,发现其对底片的加热速度慢,显像效果不佳。后经市场调研,发现橡胶加热的技术日趋成熟,温控可靠,且紧贴底片,使底片热显像过程更加快捷,底片受热均匀,显像效果更加自然。此外,该展品在细节上的设计也深入考虑到展品的展示性、互动性、美观度及观众体验感,如设置了摄像头对全息底片热显像过程进行实时拍摄,在外部显示器上播放,近距离地呈现给观众全息图像由暗变亮的成像过程。设置灯带显示全息照片制作进度,使观众在底片曝光、显像过程中能耐心等待。底片输出口设置倒计时装置,使刚刚完成加热的全息照片的温度降低到人手可触范围内,能被观众取走。
历经一年多的方案深化设计与制作加工,全息摄影展品制作完成,不仅实现了研发目标,且成品率达到95%以上,每小时可拍摄全息照片达12片。
三、结论
(一)创新展示模式设计,将全息照相技术实现过程引入科普场馆
“全息摄影”展品探索出一种科技馆基础科学类展品展示关键技术创新研发的新模式,将基础科学类展品的展示内容从纯科学原理的展示拓展到以原理为基础的应用技术领域,特别是前沿高新技术;将原本只能在实验室中由专业人员操作的高精尖科学试验,转化成科技馆互动体验式科普展品,供广大公众参观、体验。
(二)由“全息摄影”展品,总结高新技术类展品创新研发规律
1.科学技术创新是展示内容创新的前提条件。“全息摄影”展品基于我国自主研发,且具有完全知识产权的新材料——新型全息干板进行设计,突破了之前只能展示激光全息摄影成品照片的瓶颈,将激光全息摄影全过程一览无余地展现在观众面前,观众可亲眼看到立体图像在全息干板上逐渐形成的神奇过程,通过切身体验对激光全息摄影技术及其相关科学原理产生更加直观、形象的认识。
2.在创新展品研发过程中,原型试验与专家指导必不可少。该展品的设计初期,我们率先考虑了曝光平台的防震性,通过增大底盘重量、与传送机构分离设计、采用防震垫等一系列措施来达到全息拍摄所需要的防震精度,但仍在原型试验中出现了各种问题,经与专家沟通且不断改进尝试,最终使展品运行更加稳定、拍摄成功率更高、观众操作更加简便、展示效果更加直观理想、展品维护更加便捷。
3.深入挖掘现有的技术手段,实现展示形式上的创新。“全息摄影”展品在互动方式上突破了基础科学类展品多使用简单机电技术及装置的传统形式,引入目前备受关注的机器人技术,通过机器人完成干板及拍摄模型的抓取、定位等任务,这样不但满足了展品精准定位、工作安全稳定、易于维护的技术要求,更进一步拓展了对高新技术的展示,使公众更加直观、深刻地体会到机器人精准、快速、稳定的特性。展品将展示内容、展示形式上的高新技术巧妙地融为一体,为观众提供近距离亲手操作高新技术的机会,使公众不仅看到前沿,更可亲身体验前沿。
参考文献
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