全息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1、全息技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用A_A By Linda ZJU一、全息技術(shù)簡介全息術(shù)也稱全息照相，其原理可用八個字來表述：“干涉記錄，衍射再現(xiàn)”，其過程包括 全息記錄和全息再現(xiàn)兩個過程：第一步是記錄，即底片上以干涉條紋的形式存儲被攝物的光 強和位相；第二步是再現(xiàn)，即用光衍射原理來重現(xiàn)物體原來的三維形狀。普通的照相是利用 透鏡成像原理，在感光膠片上只記錄被攝物體表面反射光的強度(振幅)變化一一形成平面 像，而對于反射光的位相信息卻沒有記錄，而全息照相則是一種既記錄反射光的強度，又記 錄反射光的位相的照相技術(shù)。全息術(shù)有以下特點：三維性：因為全息圖記錄了物光的相位信息，再現(xiàn)時，可觀察到如同真實物體一樣逼真 的

2、三維圖像。當(dāng)觀察者改變位置時，可以看到物體后面被擋住的部分，可以看到逼真的三維 圖像。不可撕毀性：因為全息圖記錄的是物光與參考光的干涉條紋，所以具有可分割性。它被 分割后的任一碎片都能再現(xiàn)完整的被攝物形象，只是分辨率受到一些影響。再現(xiàn)像的縮放性：因衍射角與波長有關(guān)，用不同波長的激光照射全息圖，再現(xiàn)像就會發(fā) 生放大或縮小。信息容量大：同一張全息感光板可多次重復(fù)曝光記錄，并能互不干擾地再現(xiàn)各個不同的 圖像。全息技術(shù)近年來已滲透到社會生活的各個領(lǐng)域并被廣泛地應(yīng)用于近代科學(xué)研究和工業(yè) 生產(chǎn)中，特別是在現(xiàn)代測試、生物工程、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)、商業(yè)、保安及現(xiàn)代存儲技術(shù)等方面已 顯示出特殊的優(yōu)勢。隨著全息技術(shù)的快速

3、發(fā)展，全息技術(shù)的產(chǎn)品正越來越多地走向市場、應(yīng) 用于現(xiàn)代生活中。二、全息技術(shù)發(fā)展史全息術(shù)的發(fā)展大約可分同軸全息術(shù)、離軸全息術(shù)、白光再現(xiàn)全息術(shù)、白光全息術(shù)等四個 階段。1948年英國科學(xué)家丹尼斯伽伯(Dennis Gabor)為改善電子顯微鏡成像質(zhì)量提出了重現(xiàn) 波前的理論，即全息照相技術(shù)，并因此獲得了諾貝爾獎。但由于當(dāng)時沒有好的相干光源，全 息圖的質(zhì)量很差，所以研究工作進展較慢。同軸全息術(shù)就是伽伯當(dāng)時采用的技術(shù)，這一階段主要是在1960年激光器出現(xiàn)以前。這 種技術(shù)獲得的物體的再現(xiàn)像與照明光混在一起，不易觀察。當(dāng)時伽伯為提高電子顯微鏡的分 辨率，在布拉格的“x射線顯微鏡”、澤尼克的相襯原理的啟示下，

4、提出了一種用光波記錄物 光波的振幅和相位的方法，并用實驗證實了這一想法。為了進一步證實其原理，他先后采用 電子波與可見光進行了驗證，并在可見光中得到了證實，同時制成了第1張全息圖。從那時 起至20世紀(jì)50年代末期，全息圖都是用汞燈作為光源，而且是參考光與物光共軸的共軸全 息即同軸全息圖。它與4-1級衍射波是分不開的，這是全息術(shù)的萌芽時期。這個時期全息圖 存在2個嚴(yán)重問題，一個是再現(xiàn)的原始像與共軛像分不開；另一個是光源的相干性太差，因 此在這10多年中，全息術(shù)進展緩慢。離軸全息術(shù)是在激光器出現(xiàn)以后產(chǎn)生的用激光記錄激光再現(xiàn)的全息術(shù)，其特點是獲得的 物體重現(xiàn)像與照明光分離，易于觀察。1960年激光的

5、出現(xiàn)，提供了一種高相干度光源。1962 年，美國科學(xué)家利思(Leith)和烏帕特尼克斯(Upatnieks)將通信理論中的載頻概念推廣到空域 中，提出了離軸全息術(shù)，就是用離軸的參考光與物光干涉形成全息圖，再利用離軸的參考光 照射全息圖，使全息圖產(chǎn)生3個在空間互相分離的衍射分量，其中一個復(fù)制出原始物光。這 樣，同軸全息圖兩大難題宣告解決，產(chǎn)生了激光記錄、激光再現(xiàn)的全息圖。從而使全息術(shù)在 沉睡了十幾年之后得到了新生并進入了一個極為活躍的階段。此后，又相繼出現(xiàn)了多種全息 方法，如大景深全息照相法、激光記錄與激光再現(xiàn)的彩色全息照相法等。白光再現(xiàn)全息術(shù)是用激光記錄，白光照明再現(xiàn)的全息圖制作技術(shù)，它在一定

6、的條件下賦 予全息圖以鮮艷的色彩，這是目前應(yīng)用最廣的全息術(shù)。由于激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信 息，科學(xué)家們開始致力于研究第三代全息圖。一個叫班頓的人發(fā)現(xiàn)了用激光記錄，使用白光 還原影像的方法，從而使這項技術(shù)逐漸走向?qū)嵱秒A段。美國國家地理雜志第一次使用白 色光全息片貼在封面時，銷售量由1000萬份增加到再版后的1600萬份。這一技術(shù)后來由美 國傳到歐洲和其它國家，激光全息攝影技術(shù)也隨之風(fēng)靡全世界。常見的有反射全息術(shù)、像全 息術(shù)、彩虹全息術(shù)和合成全息術(shù)等。白光全息術(shù)是利用白光制作全息圖，用激光或白光照明觀察再現(xiàn)，這是全息術(shù)的最高階 段，至今雖有不少人做了一些初步工作，但尚未有突破性進展。激光的高度

7、相干性，要求全 息拍攝過程中各個元件、光源和記錄介質(zhì)的相對位置嚴(yán)格保持不變。這也給全息技術(shù)的實際 使用帶來了種種不便。于是，科學(xué)家們又回過頭來繼續(xù)探討白光記錄白光再現(xiàn)全息圖的可能 性。它將使全息術(shù)最終走出有防震工作臺的黑暗實驗室，進入更加廣泛的實用領(lǐng)域。三、數(shù)字全息技術(shù)20世紀(jì)60年代中后期，J.W .G oodman等人提出了用光電視像管采集全息圖、并用計 算機再現(xiàn)全息圖的思路。1967年，Goodman和Lawrence利用光敏電子成像器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 全息記錄材料來記錄全息圖，把所記錄的全息圖存入計算機，之后用計算機模擬再現(xiàn)光，取 代光學(xué)衍射進行記錄波前再現(xiàn)，實現(xiàn)了最早的數(shù)字全息圖記錄和再

8、現(xiàn)。1971年，T.Huang 在一篇綜述文章中介紹當(dāng)時將計算機技術(shù)應(yīng)用于波場合成分析所取得的進展，首次正式提出 了“數(shù)字全息”這一術(shù)語。但此后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，由于計算機技術(shù)和電子成像技術(shù)的相對 落后，數(shù)字再現(xiàn)全息圖的設(shè)想一直沒有得到很好的實現(xiàn)。直到近年來，隨著計算機和電子圖 像傳感器件的性能的逐步提高，數(shù)字全息技術(shù)才得到了較大的發(fā)展。其中一個標(biāo)志性事件是， 德國人U. Schnars和W. Jiipmer于1994年首次通過CCD攝像機成功獲取全息圖。數(shù)字全息的概念是相對于光學(xué)全息并針對其不足而提出來的。數(shù)字全息技術(shù)是全息術(shù)、 計算機技術(shù)及電子成像技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它依然是基于光學(xué)全息記錄

9、理論，但以CCD攝 像機等電子成像器件作記錄介質(zhì)獲取全息圖，并將其存入計算機，然后用數(shù)字方法來對此全 息圖進行再現(xiàn)。歸納起來，數(shù)字全息主要分為三部分：數(shù)字全息圖的記錄。將參考光和物光的干涉強度圖樣直接投射在CCD等電子成像器 件上，經(jīng)圖像采集卡作模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到全息圖的數(shù)字形式，并將其傳入、存儲在計算機上。數(shù)字全息圖的數(shù)字再現(xiàn)。這一部分在計算機上進行，包括三個步驟。一是數(shù)字全息 圖的預(yù)處理工作，即對數(shù)字全息圖在記錄過程中所產(chǎn)生的圖像畸變進行補償消除，如圖像幾 何變形（電視制式的轉(zhuǎn)換）、光電探測器轉(zhuǎn)換的非線性、隨機噪聲等。二是數(shù)字再現(xiàn)，即模擬 物光波前在物平面與全息圖平面之間的傳播過程，需用到頻譜

10、濾波和離散傅里葉變換的相關(guān) 理論，這是數(shù)字全息技術(shù)最核心的部分。三是對數(shù)字再現(xiàn)所得圖像作各類數(shù)字處理，如圖像 校準(zhǔn)、圖像增強、圖像特征提取等。輸出經(jīng)數(shù)字處理的再現(xiàn)圖像及相關(guān)實驗結(jié)果。數(shù)字全息技術(shù)和傳統(tǒng)的光學(xué)全息術(shù)相比，有兩個明顯優(yōu)點:一是由于用電子成像器件代 替全息干板來記錄全息圖，所需的曝光時間可以很短，而沒有化學(xué)銀鹽干版的濕處理過程， 可連續(xù)記錄運動物體的各個瞬間過程，有利于實現(xiàn)實時在線全息記錄;二是數(shù)字計算得到的 再現(xiàn)圖樣可通過計算機進行定量分析。數(shù)字再現(xiàn)全息圖得到的是物場的復(fù)振幅分布，并可通 過計算得到強度和相位分布，易于實現(xiàn)兩個或多個全息圖的相加減、增減背景圖像、疊加圖 像等操作，而

11、這些在光學(xué)全息中很難做到。數(shù)字激光全息技術(shù)不僅擺脫了實驗室實物拍攝 的束縛，而且在仿真顯示和虛擬景物顯示方面有了新的突破。四、全息技術(shù)的應(yīng)用自全息術(shù)發(fā)明以來，它的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍就在不斷擴展，對相關(guān)技術(shù)和行業(yè)的影響越來 越大，尤其是近年來隨著激光全息技術(shù)與其他學(xué)科技術(shù)的結(jié)合運用，更加展現(xiàn)了其巨大的應(yīng) 用前景。以下就幾個熱門應(yīng)用方面進行簡要介紹。全息顯示全息顯示主要利用全息照相能重現(xiàn)物體三維立體圖像的特點，因全息片能給出和原物大 小一樣、細節(jié)精美、形狀逼真的三維圖像，所以是極有發(fā)展前景的應(yīng)用之一。它可以用來復(fù) 制歷史文物藝術(shù)珍品、全息肖像、全息裝飾品和全息風(fēng)景畫等也可用于超景深照相，使遠距 離到近

12、距離的物體同時記錄在一張全息底片上。而從其再現(xiàn)像中逐次按不同距離分層觀測， 不受普通照相景深的限制。全息顯示常用的全息術(shù)有：透射和反射全息、像面全息彩虹全 息、真彩色全息、合成全息和模壓全息等多種類型。其中除透射全息圖需要用激光再現(xiàn)外， 其余都可用自光再現(xiàn)，從而使在自晝自然環(huán)境中可觀察到三維景像。近年來模壓全息逐步進 入到人們生活中，并受到人們的歡迎和喜愛模壓全息把浮雕藝術(shù)和照相藝術(shù)相結(jié)合，用多層 次體現(xiàn)三維空間，極具有觀賞價值它除了作為藝術(shù)全息品便于攜帶和保存外，已廣泛用于防 偽標(biāo)識、賀卡、商標(biāo)、紀(jì)念封和圖書插圖等領(lǐng)域，國內(nèi)外都已形成一種巨大的產(chǎn)業(yè)。全息投影全息投影是一種無需配戴眼鏡的3D技

13、術(shù)，觀眾可以看到立體的虛擬人物。這項技術(shù)在 一些博物館、舞臺之上的應(yīng)用較多，而在日本的舞臺上較為流行。全息立體投影設(shè)備不是利 用數(shù)碼技術(shù)實現(xiàn)的，而是投影設(shè)備將不同角度影像投影至一種國外進口的全息膜上，讓你看 不到不屬于你自身角度的其他圖像，因而實現(xiàn)了真正的全息立體影像。360度幻影成像是一種將三維畫面懸浮在實景的半空中成像，營造了亦幻亦真的氛圍，效果奇特，具有強烈的縱深感，真假難辯。形成空中幻象中間可結(jié)合實物，實現(xiàn)影像與實物 的結(jié)合。也可配加觸摸屏實現(xiàn)與觀眾的互動?？梢愿鶕?jù)要求做成四面窗口，每面最大2-4 米?？勺龀扇⒒糜拔枧_，產(chǎn)品立體360度的演示；真人和虛幻人同臺表演；科技館的夢 幻舞臺

14、等。適合表現(xiàn)細節(jié)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)較豐富的個體物品，如名表、名車、珠寶、工業(yè)產(chǎn)品、 也可表現(xiàn)人物、卡通等，給觀眾感覺是完全立體的。全息干涉計量全息干涉的相干光束是由同一系統(tǒng)產(chǎn)生的。因而可以消除系統(tǒng)的誤差、降低對光學(xué)元件 的精度要求。全息干涉計量能實現(xiàn)高精度非接觸無損三維測量，對任意形狀、任意粗糙表面 的三維漫反射表面的物體，都能相對分析測量到波長數(shù)量級的水平，同時還可以對一個物體 在2個不同時刻的狀態(tài)進行對比，從而探測物體在一段時間內(nèi)發(fā)生的任何變化。全息干涉測 量技術(shù)已與莫爾技術(shù)、光電檢測技術(shù)、CCD數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計算機技術(shù)等結(jié)合起來，實現(xiàn)了 自動、快速、準(zhǔn)確的實時測量。目前，全息干涉計量分析在無損檢

15、驗、尺寸形狀和等高線 的檢測、振動分析等領(lǐng)域中已得到廣泛的應(yīng)用。全息干涉計量是全息應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。全息防偽據(jù)保守的估計，全世界每年由于偽造支付手段（貨幣、支票）身份證、信用卡等，以及 贗品，即仿冒各類高檔商品和高級消費品侵犯專利權(quán)等給世界經(jīng)濟和工業(yè)造成近1000億美元 的損失。此外仿冒產(chǎn)品低劣的質(zhì)量還嚴(yán)重損害了名牌產(chǎn)品的形象為了在全球范圍內(nèi)與這種經(jīng) 濟犯罪作斗爭，在過去的一些年里，全息攝影開發(fā)出了特殊全息圖片類型形式的特別有效的 防偽手段，并可與有關(guān)產(chǎn)品的制作過程良好結(jié)臺。這里值得一提的例子有：彩虹全息圖片、 體積和振幅反射全息圖片“及光聚物銀鹽和重鉻酸鹽全息圖片。由于全息媒分巨大的存儲容

16、 量和多面性，全息圖片具有廣泛的適用性，全息的防偽標(biāo)記可以記錄、存儲和（配以保安特 征轉(zhuǎn)移到護照、信用卡以及諸如化妝品、酒類、體育用品、家用電器、錄像帶、錄音帶、藥 品、汽車和飛機配件等各種各樣的產(chǎn)品上。熱壓凸壘息術(shù)是制作保安全息圖片的有效手段。由于復(fù)制全息圖像需要價格昂貴的專門先進設(shè)備，安全全息圖像非常難以偽造。許多貨 幣都使用了全息防偽圖像，如巴西20雷亞爾鈔票、英國的5/10/20英鎊鈔票、愛沙尼亞 25/50/100/500 克朗鈔票、加拿大的 5/10/20/50/100 元的鈔票、5/10/20/50/100/200/500 歐元鈔 票、韓國5000/10000/50000韓元鈔票

17、、日本5000/10000日元鈔票等等。他們也經(jīng)常用于銀 行儲蓄卡、信用卡以及護照、身份證明、書籍、DVD以及體育器材等等。生物醫(yī)學(xué)方面全息以它獨特的優(yōu)點解決了許多其他技術(shù)難以解決的問題，為疾病的診治做出了貢獻。 激光全息技術(shù)首先在眼科疾病診治的應(yīng)用中獲得了成功，一張全息照片所提供的信息相當(dāng)于 480張普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的診斷過程中，利用激光全息成像技術(shù)可 以提供整個眼睛的三維立體圖像，并可以用顯微鏡對整個眼睛圖像的不同位置（如角膜、前 房、晶狀體、玻璃體以及視網(wǎng)膜等）進行逐層觀察和研究。也可以利用激光全息成像技術(shù)提 供眼睛各個部分單獨的三維立體圖像以做深入的檢查。在臨床檢查

18、中，利用全息診斷方法可 以查出直徑在1 mm以上的乳腺癌，有利于癌癥的早期診斷和治療。超聲全息可用于醫(yī)療上 的透視等。全息數(shù)據(jù)存儲全息存儲就是一種能夠以很高的密度在晶體內(nèi)部和光聚材料上存儲信息的技術(shù)。由于許 多電子產(chǎn)品都需要包含存儲設(shè)備，這種能夠在某些介質(zhì)上存儲大量信息的技術(shù)非常重要。目 前的存儲技術(shù)如藍光光盤已經(jīng)達到了衍射所限制的最大的數(shù)據(jù)存儲密度，因此全息存儲可能 稱為下一代主要的存儲技術(shù)。這種數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的優(yōu)點是數(shù)據(jù)不僅僅是記錄在表面上，而且 也記錄在材料的內(nèi)部。目前可用的空間光調(diào)制器可以在1秒鐘內(nèi)產(chǎn)生1000幅不同的圖像， 圖像的分辨率是1024x1024比特。使用合適的記錄材料（可能

19、是聚合材料或者硝酸鋰）可 以達到每秒1Gb的寫入速度。讀取速度比寫入速度快許多，一般認為可以達到每秒1Tb的 讀取速度。2005年，一些公司如Optware和Maxell生產(chǎn)了 120mm的全息光盤，這個全息光盤使 用全息記錄層，最多可以存儲3.9TB的信息。他們計劃以全息通用光盤來將這項技術(shù)推向市 場。其他的公司如InPhase科技也在研究類似的技術(shù)格式。大多數(shù)的全息數(shù)據(jù)存儲模型都采用了基于頁的存儲方式，每一記錄的全息圖像都包含有 大量地信息。最近的研究計劃使用亞微米的微型全息圖像來實現(xiàn)可能的三維光存儲解決方案。 盡管這種數(shù)據(jù)存儲方式無法達到基于頁的數(shù)據(jù)存儲的高數(shù)據(jù)率，這種方案的生產(chǎn)成本更低

20、， 技術(shù)障礙也更小。非光學(xué)全息從原理上說，可以對任何波進行全息記錄。電子全息攝影是將全息攝影技術(shù)應(yīng)用于電子波中。電子全息攝影技術(shù)由丹尼斯蓋伯發(fā) 明，可以用于改進分辨率并防止透射電子顯微鏡的吸收。現(xiàn)在，這種技術(shù)仍然在用于研究薄 膜的電場和磁場，這是因為電場和磁場可以改變穿過樣品的干擾波的相位。電子全息攝影的 原理也可以用于干涉光刻。全息聲學(xué)是一種能夠通過測量遠離聲源的一組壓力/粒子速度傳感器來估計聲源附近的 聲場的方法。全息聲學(xué)等測量技術(shù)在許多領(lǐng)域都越來越重要，特別是在運輸、運載工具和飛 船的設(shè)計等領(lǐng)域。全息聲學(xué)的基本思想已經(jīng)導(dǎo)致了不同種類的全息聲學(xué)，如近場全息聲學(xué)、 統(tǒng)計最優(yōu)近場全息聲學(xué)。在聲

21、學(xué)再現(xiàn)領(lǐng)域，波場合成是最相關(guān)的過程了。全息原子學(xué)的進展已經(jīng)超越了原子光學(xué)領(lǐng)域的基本要素的發(fā)展。在菲涅耳衍射透鏡和原 子鏡的幫助下，全息原子學(xué)和原子束物理學(xué)的一起發(fā)展。最近的關(guān)于原子反射鏡，特別是脊 反射鏡的進展為拍攝原子全息攝影圖像提供了重要工具。然而，到目前為止，原子全息攝影 還沒有被商業(yè)化。除光學(xué)全息外，還發(fā)展了紅外、微波和超聲全息技術(shù)，這些全息技術(shù)在軍事偵察和監(jiān)視 上有重要意義。我們知道，一般的雷達只能探測到目標(biāo)方位、距離等，而全息照相則能給出 目標(biāo)的立體形象，這對于及時識別飛機、艦艇等有很大作用，因此備受人們的重視。但是由 于可見光在大氣或水中傳播時衰減很快，在不良的氣候下甚至于無法進行工作。為克服這個 困難發(fā)展出紅外、微波及超聲全息技術(shù)，即用相干的紅外光、微波及超聲波拍攝全息照片， 然后用可見光再現(xiàn)物象，這種全息技術(shù)與普通全息技術(shù)的原理相同。技術(shù)的關(guān)鍵是尋找靈敏 記錄的介質(zhì)及合適的再現(xiàn)方法。超聲全息照相能再現(xiàn)潛伏于水下物體的三維圖樣，因此可用來進行水下偵察和監(jiān)視。由 于對可見光不透明的物體，往往對超聲波透明，因此超聲全息可用于水下的軍事行動，也可 用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無損檢測測等。全息術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的光學(xué)分支，近年來已滲透到社會生活的各個領(lǐng)域，并被廣 泛地應(yīng)用于近代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中。特