全息術(shù)調(diào)研報(bào)告

1、全息術(shù)與顯微成像技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀全息術(shù)與顯微成像技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 一、全息術(shù)概述一、全息術(shù)概述 （1 1）基本原理）基本原理 全息術(shù)最早是由英國科學(xué)家丹尼斯蓋伯于1948年提出的 一種新的成像概念， 其原理是：利用光的干涉，將物體透射或反射的光波與另 一束相同的參考光光波進(jìn)行干涉，然后將干涉條紋圖樣記錄下 來，由于干涉條紋圖樣當(dāng)中記錄了物體的振幅和相位，所以將 此方法拍攝下的圖像稱為全息圖。 如果想得到原物體的像，只需要用記錄時(shí)的參考光波照射 全息圖，就可是參考光波發(fā)生衍射現(xiàn)象，從而得到原物體的三 維立體圖像，這種技術(shù)被稱為全息技術(shù)。 （2 2）全息照相光路）全息照相光路 （3 3）全息圖（）全息圖（

2、hologram)hologram)的分類：的分類： 1、按著制作方法 2、按著光路結(jié)構(gòu) 3、按著再現(xiàn)方式 4、按著實(shí)際用途 光學(xué)記錄全息圖 計(jì)算機(jī)像素全息圖 同軸全息圖 離軸全息圖 單色光全息圖 復(fù)色 光全 息圖 反射全息圖 相面全息圖 彩虹全息圖 假彩色編碼全息圖 真彩色編碼全息圖 角度多路合成全息圖 多通道全息圖普通 特殊：加密全息圖 （4 4）全息攝影與普通攝影的區(qū)別）全息攝影與普通攝影的區(qū)別 類別全息攝影一般攝影 記錄方式物光束與參考光束光學(xué)鏡頭成像（物光束） 記錄內(nèi)容物體散射光的強(qiáng)度及相位 信息 景物本身或反射光強(qiáng)度 成像介質(zhì)全息干板（或CCD）感光膠片 景物觀察 方式 一般借助激

3、光還原觀看眼睛直接觀看 色彩表現(xiàn)彩色干涉條紋圖像彩色物體圖像 景象特點(diǎn)三維空間立體感景物，只 有散射光線而并無實(shí)物 平面物體圖像 （5 5）全息技術(shù)的應(yīng)用）全息技術(shù)的應(yīng)用 1、全息顯微。全息顯微術(shù)是全息與顯微相結(jié)合的技術(shù)。 2、全息顯示。是指利用全息照片來重現(xiàn)十分逼真的物體的三維圖 像。這個(gè)領(lǐng)域是商業(yè)價(jià)值較高的領(lǐng)域, 尤其是白光再現(xiàn)全息術(shù), 它是走出實(shí)驗(yàn)室的最實(shí)用的全息術(shù)。 3、全息干涉計(jì)量。能實(shí)現(xiàn)高精度非接觸無損三維測量，且測量精 度可達(dá)波長量級(jí)。 4、全息信息存儲(chǔ)。其特點(diǎn)是大容量、高密度、高衍射效率、低噪 聲、高分辨率和高保真度，而且數(shù)據(jù)傳輸速率高, 尋址時(shí)間 短。 5、計(jì)算全息。通過計(jì)算

4、機(jī)制成的全息圖, 可將數(shù)量巨大的組合圖 像進(jìn)行記錄, 并能很好地平衡其顏色, 為電子文檔和圖像處理 系統(tǒng)開辟了嶄新的前景。 6、模壓全息模壓。其生產(chǎn)過程是首先通過全息照相技術(shù)獲得一 張表面浮雕式全息圖, 再通過精細(xì)化學(xué)鍍膜技術(shù)制成上機(jī)鎳 板, 最后通過專用模壓機(jī)在適當(dāng)材料(PET 和PVC) 上壓印出 全息圖像。 7、在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。利用激光全息成像技術(shù)提供眼睛各個(gè)部 分單獨(dú)的三維立體圖像以做深入的檢查。利用全息診斷方法 可以查出直徑在1 mm 以上的乳腺癌。超聲全息可用于醫(yī)療上 的透視等。 8、在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。例如, 一般雷達(dá)系統(tǒng)只能探測到目標(biāo)的 遠(yuǎn)近、方位和運(yùn)動(dòng)速度等, 而全息監(jiān)視系統(tǒng)

5、能提供目標(biāo)的三 維圖像。全息術(shù)應(yīng)用于軍事將使通訊、導(dǎo)航、定位檢測等技 術(shù)發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化。 二、數(shù)字全息術(shù)的發(fā)展二、數(shù)字全息術(shù)的發(fā)展 數(shù)字全息技術(shù)是全息技術(shù)、電子成像和計(jì)算機(jī)技術(shù) 技術(shù)三種技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。 它將數(shù)學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)的光學(xué)全息技術(shù)相結(jié)合，以 CCD 器件為全息圖的記錄介質(zhì)，以計(jì)算機(jī)作為全息圖的 存儲(chǔ)介質(zhì)，在表面形狀測量、微小物體檢測成像、形變 測量以及圖像信息全等很多領(lǐng)域都具有很重要的應(yīng)用價(jià) 值。 （1 1）數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)圖）數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)圖 （2 2）與傳統(tǒng)全息術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)：）與傳統(tǒng)全息術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)： 1、記錄速度快 2、實(shí)時(shí)再現(xiàn) 3、高精度定量測量 4、圖像處理方便 5、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳遞

6、方便 （3 3）存在問題）存在問題 a. CCD的靶面尺寸較小； b. CCD分辨率較低； c. 數(shù)字重建的方法不夠完善。 a.a. 提高再現(xiàn)像的像質(zhì)的發(fā)展研究現(xiàn)狀提高再現(xiàn)像的像質(zhì)的發(fā)展研究現(xiàn)狀 1.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)（頻域?yàn)V波、拉普拉斯算子預(yù)處 理、全息圖減平均值及數(shù)字相減等） 2.基于實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn) 同軸相移數(shù)字全息術(shù) 合成孔徑數(shù)字全息術(shù) 彩色數(shù)字全息術(shù) （4 4）發(fā)展現(xiàn)狀）發(fā)展現(xiàn)狀 干涉測量領(lǐng)域干涉測量領(lǐng)域顯微觀測領(lǐng)域顯微觀測領(lǐng)域信息安全領(lǐng)域信息安全領(lǐng)域 主要應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用領(lǐng)域 b b、數(shù)字全息術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、數(shù)字全息術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 1.顯微觀測領(lǐng)域 生物細(xì)胞監(jiān)測 粒子場測量 形變和振動(dòng)測

7、量 機(jī)電系統(tǒng)的檢測 無接觸 快速 三維觀測能力 目前，數(shù)字全息顯微的橫向分辨率已經(jīng)達(dá)到了亞微米量 級(jí)，軸向分辨率已經(jīng)達(dá)到了 1nm 量級(jí)。瑞士、瑞典、加拿大 等國家已經(jīng)有了數(shù)字全息顯微鏡的商品化產(chǎn)品。 2、干涉測量領(lǐng)域 物體的微小位移、形變和振動(dòng) 透明介質(zhì)的折射率分布 溫度場分布 干涉測量可以無接觸的測量物體的振動(dòng)、形變、結(jié)構(gòu)張 力和應(yīng)力等，是一種分辨率達(dá)到波長量級(jí)的高精度無損檢測 方法 3、信息安全領(lǐng)域 應(yīng)用于文件加密、商標(biāo)防偽等信息安全領(lǐng)域以防止對(duì) 機(jī)密文檔和認(rèn)證信息的非法復(fù)制。 許多國家的貨幣也都使用了全息防偽圖像，如巴西、 英國、加拿大、韓國、日本等國家。 常見的銀行儲(chǔ)蓄卡、信用卡、身

8、份證以及護(hù)照等證件 上也都用到了全息防偽技術(shù)。 數(shù)字全息顯微術(shù)是根據(jù)數(shù)字全息成像原理發(fā)展出的一種 新的顯微術(shù)。 在數(shù)字全息顯微術(shù)的研究方面國內(nèi)外的學(xué)者主要研究了 數(shù)字全息的軸向和橫向分辨率、再現(xiàn)方法等方面。 數(shù)字全息顯微術(shù)與傳統(tǒng)的顯微術(shù)相比能夠記錄和再現(xiàn)物 體的三維信息、具有較高的分辨率、對(duì)樣本的影響較小、設(shè) 備簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此它廣泛應(yīng)用于生物細(xì)胞觀測、微觀粒子 成像和跟蹤、聚合物粒子生長檢測、微電路的檢測等多個(gè)領(lǐng) 域。 三、數(shù)字全息顯微術(shù)的發(fā)展三、數(shù)字全息顯微術(shù)的發(fā)展 a.國外的近年來的一些成果： （1）2002 年瑞士 Christian D.Depeursinge 和 Etienne C

9、uche 取得了 0.5 m的橫向分辨率，40nm 的軸向分辨率，并得到活性細(xì)胞的三維再 現(xiàn)像。 （2）2004 年，德國 Muenster 大學(xué)的 Bjrn Kemper和 Daniel Carl 使 用離軸菲涅耳全息記錄光路記錄人體肝臟腫瘤細(xì)胞的全息圖，放大物體的 微物鏡數(shù)字孔徑 N.A=0.4，再現(xiàn)算法為非衍射重建法獲得的再現(xiàn)像的橫向 分辨率為 0.85 m，并得到人體肝臟腫瘤細(xì)胞的三維再現(xiàn)像。在此基礎(chǔ) 上，他們用數(shù)字全息顯微鏡檢測在細(xì)胞培養(yǎng)液中的單個(gè)細(xì)胞的折射率，將 得到的細(xì)胞折射率信息應(yīng)用于檢測相鄰胰腺腫瘤細(xì)胞的厚度和形狀，并分 析了注入藥物后細(xì)胞骨架的反應(yīng)情況。結(jié)果表明數(shù)字全息顯微

10、鏡是一種定 量相襯技術(shù)，十分適用于活性細(xì)胞的研究。 （3）2006 年，美國南弗羅里達(dá)大學(xué)的 C.J.Mann 和 M.K.Kim， 用數(shù)值孔徑 N.A=0.65 的顯微物鏡對(duì)物體放大，得到的再現(xiàn)像的 橫向分辨率為 0.5 m，軸向分辨率為 30nm，使用的再現(xiàn)算法 為角譜算法，得到很好的血液細(xì)胞的三維像. （4）2009 年 Emma Eriksson 等人采用自聚焦的方法對(duì)細(xì)胞核的 運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了觀察，取得了一定的成果. b、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 (1)海光機(jī)所研究提高數(shù)字全息再現(xiàn)像分辨率的方法,以及濾波方 法 （2）昆明理工大學(xué)主要研究的是同軸相移數(shù)字全息，也開始研 究無透鏡傅里葉變換顯微全息術(shù).

11、（3）天津大學(xué)的研究主要包括數(shù)字全息一些基本問題的研究，如 菲涅耳數(shù)字全息的記錄條件，再現(xiàn)像的分離、影響數(shù)字全息再 現(xiàn)像質(zhì)量的因素，像面數(shù)字全息，以及粒子場測量。 （4）西北工業(yè)大學(xué)的研究內(nèi)容涉及了三維物場重建方法，數(shù)字全 息在顯微方面的應(yīng)用，光纖數(shù)字全息，數(shù)字全息在物體形變測 量方面的研究，以及實(shí)用化數(shù)字全息圖記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn) 研究等，在生物細(xì)胞的研究上，以及成功再現(xiàn)洋蔥細(xì)胞的三維 再現(xiàn)像。 四、全息技術(shù)的發(fā)展趨勢四、全息技術(shù)的發(fā)展趨勢 1. 白光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖將使全息術(shù)最終走出實(shí)驗(yàn)室, 進(jìn) 入更廣泛的實(shí)用領(lǐng)域。 2. 干涉計(jì)量用全息彩虹相機(jī)的研究, 研制出結(jié)構(gòu)簡單且實(shí)用的全 息

12、照相機(jī); 數(shù)字全息圖的研究。 3. 模壓光柵全息圖的研究。這是將飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)引進(jìn)模 壓全息工業(yè)的杰作, 制作三維物體以及二維、三維物體混合的 模壓光柵全息圖,將成為全息工作者要解決的問題。 4. 納米級(jí)精度光學(xué)全息元件的研究。這是個(gè)學(xué)科交叉的課題, 需 要有相關(guān)技術(shù)與全息技術(shù)相結(jié)合才能完成。 5尋找制作全息電影和全息電視的簡捷途徑, 使之實(shí)用化將是全 息工作者追求的目標(biāo)。 6.研制性能更好的光全息存儲(chǔ)器與已經(jīng)成熟的磁性存儲(chǔ)技術(shù)和光 盤存儲(chǔ)技術(shù)相比, 全息存儲(chǔ)有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn): 高冗余度、高 存儲(chǔ)容量、高的數(shù)據(jù)傳輸速率和很快的存取時(shí)間即可進(jìn)行并行 內(nèi)容尋址等。 7.發(fā)展激光防偽包裝印刷。

13、這一新技術(shù)，在包裝、印刷和防偽行 業(yè)有巨大的發(fā)展空間。 五、全息術(shù)在商業(yè)中的發(fā)展概況五、全息術(shù)在商業(yè)中的發(fā)展概況 由于全息投影技術(shù)突破了傳統(tǒng)聲、光、電局限，將美輪美 奐的畫面帶到觀眾面前，給人一種虛擬與現(xiàn)實(shí)并存的雙重世界 感覺。，無疑，未來全息投影技術(shù)市場發(fā)展?jié)摿⑹菬o可估量 的。 目前在國內(nèi)，掌握全息技術(shù)并能夠生產(chǎn)全息產(chǎn)品的企業(yè)有很 多，其中值得關(guān)注的有：數(shù)虎科技有限公司、深圳威視麗景科 技有限公司。 威視麗景和數(shù)虎的全息投影服務(wù)項(xiàng)目主要包括全息投影項(xiàng)目 策劃、全息投影內(nèi)容制作、全息投影設(shè)備集成、全息投影安裝 調(diào)試、全息投影設(shè)備租賃等。 目前全息投影的發(fā)展還面臨一些障礙：目前全息投影的發(fā)展還面臨一些障礙： 首先，全息技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依然受環(huán)境、空間等限制，例如怕雨、 室外造價(jià)太高，目前