雾霾和AR，海市蜃楼原理及雾成像全息技术浅析

　　“海旁蜄（蜃）气象楼台；广野气成宫阙然。云气各象其山川人民所聚积。

　　传说中的蜃能吐气成楼台形状，在平静的海面，在大江江面、湖面、雪原、沙漠或戈壁等地方，偶尔会在空中或地下，出现高大楼台、城廓、树木等幻景，，虚无缥缈，可遇而不可求。就像帝都的雾霾——

　　是不是也给你一种海市蜃楼的既视感。不止一次的在想，这莫非就是大自然赐予这片大地的福祉，天然的显示介质，大大方方抛开沉重的可穿戴眼镜头盔，置身如梦如幻的亦真亦虚的另一个世界。

　　海市蜃楼的成像原理

　　蜃楼，一种非常奇妙的自然现象 ，一种反常的折射现象。当海面风平浪静时,光线在垂直方向密度不同的大气层中传播，经过折射，把远处看不见的景物投影到空中或海面, 形成庭台楼阁 、山峦起伏等种种虚无飘渺的奇异幻像，常分为上现、下现和侧现海市蜃楼。

　　海市蜃楼现象不光发生在海边, 在沙漠中和炎热的公路上也常出现。

　　我们来看看海市蜃楼的成像原理：

　　光线经过不同密度的空气层时发生显著的折射再加上全内反射,把远处景物显示在空中或地面。大气层中温度并不均匀,不同温度的空气有不同的折射率.当光线以倾斜的角度穿越两个具有不同折射系数的介质时,它会分成两条光线,一条折射一条反射。

　　根据折射定理:n1sinθ1=n2sinθ2,当入射角越来越大:θ1<θ2<…<θi，被折射的光线便会越来越贴近分界面,直至入射角大于临界角度,光线便只会被反射,而不会折射出去.这个现象叫做全内反射,如图1中在O点发生全反射。

　　海市蜃楼的模拟

　　海市蜃楼有多种类型,而且海市蜃楼会随着时间、大气、温度的颤动而在时刻变化着,虚无飘渺、恍如仙境,这也正是海市蜃楼的美妙之处，可遇不可求，这也导致难以模拟。

　　雾成像的研究

　　可见光波通过雾或棍浊介质传播是一个长期存在并且涉及面很广的间题。在全息术出现以前,可以说这个问题没有什么方法可以获得令人满意地解决。我们来看一下雾成像的研究历史发展：

　　1967年E.Spitz和K.A.Stetson就开始对通过雾成像的全息技术进行了探讨和理论分析；

　　1973年A.w.Lohmann进一步研究，提出了通过雾成像的全息术原理—多普勒频移理论；

　　1976年H.eShmalfuss等科学家在实验室条件下，采用离轴全息技术,辅之以电视接收系统，实现了通过雾成像的实时化；

　　1977年E.Leith和B.J.Chang首次提出利用光栅干涉仪（双光栅和三光栅）实现通过雾或浑浊介质成像；

　　1978年H.eShmalfuss等科学家在实验室条件下，采用同轴全息技术再次实现实现了过雾成像；

　　1981年，A.T.M等人研究了以相干光通过雾成像的光栅干涉方案，并对非透明物体通过雾成像的情形进行了实验，取得了满意的实验结果。

　　全息技术可以用于反射物体通过雾成像。全息技术的启发，越来越多的人开始研究雾成像，特别是光栅干涉技术的成功应用，结构简单，对稳定性要求不像全息法那样高，还可以用非相干光源。。。

　　到这里，说了那么多，其实我已经晕了，这还是翻了一篇1985年的论文（《通过雾成像的全息技术的进一步研究》，天津大学精密仪器工程系，李在春，张以谟）好不容易搬出来的非技术内容部分。感叹前人在这么早之前就开始使用裸眼“AR”了，不过那时候他们大部分都在实验室里，小学生还有或用牛奶、或用肥皂水之类模拟的，不像现在，在京津冀地区，大自然不间断无偿提供各种大型实验场地和材料。

　　雾成像的应用场景

　　舞台场景、大型演出，作为特效表现的介质；景区、展馆的展示和宣传；特殊场景下的显示或应急提示等……等等——

　　在身手不见五指的雾霾中，貌似通过雾成像还有距离、被遮挡的问题，还要考虑多层大气介质界面的层次光反射的强度损失，当然这些都不是问题，我在想，在雾霾中挑灯看戏，需要带口罩吗？

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