全息技术的发展与应用

全息技术的发展及应用A_A By Linda ZJU一、全息技术简介全息术也称全息照相，其原理可用八个字来表述：“干涉记录，衍射再现”，其过程包括 全息记录和全息再现两个过程：第一步是记录，即底片上以干涉条纹的形式存储被摄物的光 强和位相；第二步是再现，即用光衍射原理来重现物体原来的三维形状。普通的照相是利用 透镜成像原理，在感光胶片上只记录被摄物体表面反射光的强度(振幅)变化一一形成平面 像，而对于反射光的位相信息却没有记录，而全息照相则是一种既记录反射光的强度，又记 录反射光的位相的照相技术。全息术有以下特点：三维性：因为全息图记录了物光的相位信息，再现时，可观察到如同真实物体一样逼真 的三维图像。当观察者改变位置时，可以看到物体后面被挡住的部分，可以看到逼真的三维 图像。不可撕毁性：因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹，所以具有可分割性。它被 分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象，只是分辨率受到一些影响。再现像的缩放性：因衍射角与波长有关，用不同波长的激光照射全息图，再现像就会发 生放大或缩小。信息容量大：同一张全息感光板可多次重复曝光记录，并能互不干扰地再现各个不同的 图像。全息技术近年来已渗透到社会生活的各个领域并被广泛地应用于近代科学研究和工业 生产中，特别是在现代测试、生物工程、医学、艺术、商业、保安及现代存储技术等方面已 显示出特殊的优势。随着全息技术的快速发展，全息技术的产品正越来越多地走向市场、应 用于现代生活中。二、全息技术发展史全息术的发展大约可分同轴全息术、离轴全息术、白光再现全息术、白光全息术等四个 阶段。1948年英国科学家丹尼斯伽伯(Dennis Gabor)为改善电子显微镜成像质量提出了重现 波前的理论，即全息照相技术，并因此获得了诺贝尔奖。但由于当时没有好的相干光源，全 息图的质量很差，所以研究工作进展较慢。同轴全息术就是伽伯当时采用的技术，这一阶段主要是在1960年激光器出现以前。这 种技术获得的物体的再现像与照明光混在一起，不易观察。当时伽伯为提高电子显微镜的分 辨率，在布拉格的“x射线显微镜”、泽尼克的相衬原理的启示下，提出了一种用光波记录物 光波的振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法。为了进一步证实其原理，他先后采用 电子波与可见光进行了验证，并在可见光中得到了证实，同时制成了第1张全息图。从那时 起至20世纪50年代末期，全息图都是用汞灯作为光源，而且是参考光与物光共轴的共轴全 息即同轴全息图。它与4-1级衍射波是分不开的，这是全息术的萌芽时期。这个时期全息图 存在2个严重问题，一个是再现的原始像与共轭像分不开；另一个是光源的相干性太差，因 此在这10多年中，全息术进展缓慢。离轴全息术是在激光器出现以后产生的用激光记录激光再现的全息术，其特点是获得的 物体重现像与照明光分离，易于观察。1960年激光的出现，提供了一种高相干度光源。1962 年，美国科学家利思(Leith)和乌帕特尼克斯(Upatnieks)将通信理论中的载频概念推广到空域 中，提出了离轴全息术，就是用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光 照射全息图，使全息图产生3个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。这 样，同轴全息图两大难题宣告解决，产生了激光记录、激光再现的全息图。从而使全息术在 沉睡了十几年之后得到了新生并进入了一个极为活跃的阶段。此后，又相继出现了多种全息 方法，如大景深全息照相法、激光记录与激光再现的彩色全息照相法等。白光再现全息术是用激光记录，白光照明再现的全息图制作技术，它在一定的条件下赋 予全息图以鲜艳的色彩，这是目前应用最广的全息术。由于激光再现的全息图失去了色调信 息，科学家们开始致力于研究第三代全息图。一个叫班顿的人发现了用激光记录，使用白光 还原影像的方法，从而使这项技术逐渐走向实用阶段。美国国家地理杂志第一次使用白 色光全息片贴在封面时，销售量由1000万份增加到再版后的1600万份。这一技术后来由美 国传到欧洲和其它国家，激光全息摄影技术也随之风靡全世界。常见的有反射全息术、像全 息术、彩虹全息术和合成全息术等。白光全息术是利用白光制作全息图，用激光或白光照明观察再现，这是全息术的最高阶 段，至今虽有不少人做了一些初步工作，但尚未有突破性进展。激光的高度相干性，要求全 息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变。这也给全息技术的实际 使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过头来继续探讨白光记录白光再现全息图的可能 性。它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。三、数字全息技术20世纪60年代中后期，J.W .G oodman等人提出了用光电视像管采集全息图、并用计 算机再现全息图的思路。1967年，Goodman和Lawrence利用光敏电子成像器件代替传统的 全息记录材料来记录全息图，把所记录的全息图存入计算机，之后用计算机模拟再现光，取 代光学衍射进行记录波前再现，实现了最早的数字全息图记录和再现。1971年，T.Huang 在一篇综述文章中介绍当时将计算机技术应用于波场合成分析所取得的进展，首次正式提出 了“数字全息”这一术语。但此后相当长一段时间内，由于计算机技术和电子成像技术的相对 落后，数字再现全息图的设想一直没有得到很好的实现。直到近年来，随着计算机和电子图 像传感器件的性能的逐步提高，数字全息技术才得到了较大的发展。其中一个标志性事件是， 德国人U. Schnars和W. Jiipmer于1994年首次通过CCD摄像机成功获取全息图。数字全息的概念是相对于光学全息并针对其不足而提出来的。数字全息技术是全息术、 计算机技术及电子成像技术相结合的产物。它依然是基于光学全息记录理论，但以CCD摄 像机等电子成像器件作记录介质获取全息图，并将其存入计算机，然后用数字方法来对此全 息图进行再现。归纳起来，数字全息主要分为三部分：1. 数字全息图的记录。将参考光和物光的干涉强度图样直接投射在CCD等电子成像器 件上，经图像采集卡作模数转换后得到全息图的数字形式，并将其传入、存储在计算机上。2. 数字全息图的数字再现。这一部分在计算机上进行，包括三个步骤。一是数字全息 图的预处理工作，即对数字全息图在记录过程中所产生的图像畸变进行补偿消除，如图像几 何变形（电视制式的转换）、光电探测器转换的非线性、随机噪声等。二是数字再现，即模拟 物光波前在物平面与全息图平面之间的传播过程，需用到频谱滤波和离散傅里叶变换的相关 理论，这是数字全息技术最核心的部分。三是对数字再现所得图像作各类数字处理，如图像 校准、图像增强、图像特征提取等。3. 输出经数字处理的再现图像及相关实验结果。数字全息技术和传统的光学全息术相比，有两个明显优点:一是由于用电子成像器件代 替全息干板来记录全息图，所需的曝光时间可以很短，而没有化学银盐干版的湿处理过程， 可连续记录运动物体的各个瞬间过程，有利于实现实时在线全息记录;二是数字计算得到的 再现图样可通过计算机进行定量分析。数字再现全息图得到的是物场的复振幅分布，并可通 过计算得到强度和相位分布，易于实现两个或多个全息图的相加减、增减背景图像、叠加图 像等操作，而这些在光学全息中很难做到。数字激光全息技术不仅摆脱了实验室实物拍摄 的束缚，而且在仿真显示和虚拟景物显示方面有了新的突破。四、全息技术的应用自全息术发明以来，它的应用领域和范围就在不断扩展，对相关技术和行业的影响越来 越大，尤其是近年来随着激光全息技术与其他学科技术的结合运用，更加展现了其巨大的应 用前景。以下就几个热门应用方面进行简要介绍。全息显示全息显示主要利用全息照相能重现物体三维立体图像的特点，因全息片能给出和原物大 小一样、细节精美、形状逼真的三维图像，所以是极有发展前景的应用之一。它可以用来复 制历史文物艺术珍品、全息肖像、全息装饰品和全息风景画等也可用于超景深照相，使远距 离到近距离的物体同时记录在一张全息底片上。而从其再现像中逐次按不同距离分层观测， 不受普通照相景深的限制。全息显示常用的全息术有：透射和反射全息、像面全息彩虹全 息、真彩色全息、合成全息和模压全息等多种类型。其中除透射全息图需要用激光再现外， 其余都可用自光再现，从而使在自昼自然环境中可观察到三维景像。近年来模压全息逐步进 入到人们生活中，并受到人们的欢迎和喜爱模压全息把浮雕艺术和照相艺术相结合，用多层 次体现三维空间，极具有观赏价值它除了作为艺术全息品便于携带和保存外，已广泛用于防 伪标识、贺卡、商标、纪念封和图书插图等领域，国内外都已形成一种巨大的产业。全息投影全息投影是一种无需配戴眼镜的3D技术，观众可以看到立体的虚拟人物。这项技术在 一些博物馆、舞台之上的应用较多，而在日本的舞台上较为流行。全息立体投影设备不是利 用数码技术实现的，而是投影设备将不同角度影像投影至一种国外进口的全息膜上，让你看 不到不属于你自身角度的其他图像，因而实现了真正的全息立体影像。360度幻影成像是一种将三维画面悬浮在实景的半空中成像，营造了亦幻亦真的氛围，效果奇特，具有强烈的纵深感，真假难辩。形成空中幻象中间可结合实物，实现影像与实物 的结合。也可配加触摸屏实现与观众的互动。可以根据要求做成四面窗口，每面最大2-4 米。可做成全息幻影舞台，产品立体360度的演示；真人和虚幻人同台表演；科技馆的梦 幻舞台等。适合表现细节或内部结构较丰富的个体物品，如名表、名车、珠宝、工业产品、 也可表现人物、卡通等，给观众感觉是完全立体的。全息干涉计量全息干涉的相干光束是由同一系统产生的。因而可以消除系统的误差、降低对光学元件 的精度要求。全息干涉计量能实现高精度非接触无损三维测量，对任意形状、任意粗糙表面 的三维漫反射表面的物体，都能相对分析测量到波长数量级的水平，同时还可以对一个物体 在2个不同时刻的状态进行对比，从而探测物体在一段时间内发生的任何变化。全息干涉测 量技术已与莫尔技术、光电检测技术、CCD数据采集技术、计算机技术等结合起来，实现了 自动、快速、准确的实时测量。目前，全息干涉计量分析在无损检验、尺寸形状和等高线 的检测、振动分析等领域中已得到广泛的应用。全息干涉计量是全息应用的一个重要领域。全息防伪据保守的估计，全世界每年由于伪造支付手段（货币、支票）身份证、信用卡等，以及 赝品，即仿冒各类高档商品和高级消费品侵犯专利权等给世界经济和工业造成近1000亿美元 的损失。此外仿冒产品低劣的质量还严重损害了名牌产品的形象为了在全球范围内与这种经 济犯罪作斗争，在过去的一些年里，全息摄影开发出了特殊全息图片类型形式的特别有效的 防伪手段，并可与有关产品的制作过程良好结台。这里值得一提的例子有：彩虹全息图片、 体积和振幅反射全息图片“及光聚物银盐和重铬酸盐全息图片。由于全息媒分巨大的存储容 量和多面性，全息图片具有广泛的适用性，全息的防伪标记可以记录、存储和（配以保安特 征转移到护照、信用卡以及诸如化妆品、酒类、体育用品、家用电器、录像带、录音带、药 品、汽车和飞机配件等各种各样的产品上。热压凸垒息术是制作保安全息图片的有效手段。由于复制全息图像需要价格昂贵的专门先进设备，安全全息图像非常难以伪造。许多货 币都使用了全息防伪图像，如巴西20雷亚尔钞票、英国的5/10/20英镑钞票、爱沙尼亚 25/50/100/500 克朗钞票、加拿大的 5/10/20/50/100 元的钞票、5/10/20/50/100/200/500 欧元钞 票、韩国5000/10000/50000韩元钞票、日本5000/10000日元钞票等等。他们也经常用于银 行储蓄卡、信用卡以及护照、身份证明、书籍、DVD以及体育器材等等。生物医学方面全息以它独特的优点解决了许多其他技术难以解决的问题，为疾病的诊治做出了贡献。 激光全息技术首先在眼科疾病诊治的应用中获得了成功，一张全息照片所提供的信息相当于 480张普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的诊断过程中，利用激光全息成像技术可 以提供整个眼睛的三维立体图像，并可以用显微镜对整个眼睛图像的不同位置（如角膜、前 房、晶状体、玻璃体以及视网膜等）进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息成像技术提 供眼睛各个部分单独的三维立体图像以做深入的检查。在临床检查中，利用全息诊断方法可 以查出直径在1 mm以上的乳腺癌，有利于癌症的早期诊断和治疗。超声全息可用于医疗上 的透视等。全息数据存储全息存储就是一种能够以很高的密度在晶体内部和光聚材料上存储信息的技术。由于许 多电子产品都需要包含存储设备，这种能够在某些介质上存储大量信息的技术非常重要。目 前的存储技术如蓝光光盘已经达到了衍射所限制的最大的数据存储密度，因此全息存储可能 称为下一代主要的存储技术。这种数据存储技术的优点是数据不仅仅是记录在表面上，而且 也记录在材料的内部。目前可用的空间光调制器可以在1秒钟内产生1000幅不同的图像， 图像的分辨率是1024x1024比特。使用合适的记录材料（可能是聚合材料或者硝酸锂）可 以达到每秒1Gb的写入速度。读取速度比写入速度快许多，一般认为可以达到每秒1Tb的 读取速度。2005年，一些公司如Optware和Maxell生产了 120mm的全息光盘，这个全息光盘使 用全息记录层，最多可以存储3.9TB的信息。他们计划以全息通用光盘来将这项技术推向市 场。其他的公司如InPhase科技也在研究类似的技术格式。大多数的全息数据存储模型都采用了基于页的存储方式，每一记录的全息图像都包含有 大量地信息。最近的研究计划使用亚微米的微型全息图像来实现可能的三维光存储解决方案。 尽管这种数据存储方式无法达到基于页的数据存储的高数据率，这种方案的生产成本更低， 技术障碍也更小。非光学全息从原理上说，可以对任何波进行全息记录。电子全息摄影是将全息摄影技术应用于电子波中。电子全息摄影技术由丹尼斯盖伯发 明，可以用于改进分辨率并防止透射电子显微镜的吸收。现在，这种技术仍然在用于研究薄 膜的电场和磁场，这是因为电场和磁场可以改变穿过样品的干扰波的相位。电子全息摄影的 原理也可以用于干涉光刻。全息声学是一种能够通过测量远离声源的一组压力/粒子速度传感器来估计声源附近的 声场的方法。全息声学等测量技术在许多领域都越来越重要，特别是在运输、运载工具和飞 船的设计等领域。全息声学的基本思想已经导致了不同种类的全息声学，如近场全息声学、 统计最优近场全息声学。在声学再现领域，波场合成是最相关的过程了。全息原子学的进展已经超越了原子光学领域的基本要素的发展。在菲涅耳衍射透镜和原 子镜的帮助下，全息原子学和原子束物理学的一起发展。最近的关于原子反射镜，特别是脊 反射镜的进展为拍摄原子全息摄影图像提供了重要工具。然而，到目前为止，原子全息摄影 还没有被商业化。除光学全息外，还发展了红外、微波和超声全息技术，这些全息技术在军事侦察和监视 上有重要意义。我们知道，一般的雷达只能探测到目标方位、距离等，而全息照相则能给出 目标的立体形象，这对于及时识别飞机、舰艇等有很大作用，因此备受人们的重视。但是由 于可见光在大气或水中传播时衰减很快，在不良的气候下甚至于无法进行工作。为克服这个 困难发展出红外、微波及超声全息技术，即用相干的红外光、微波及超声波拍摄全息照片， 然后用可见光再现物象，这种全息技术与普通全息技术的原理相同。技术的关键是寻找灵敏 记录的介质及合适的再现方法。超声全息照相能再现潜伏于水下物体的三维图样，因此可用来进行水下侦察和监视。由 于对可见光不透明的物体，往往对超声波透明，因此超声全息可用于水下的军事行动，也可 用于医疗透视以及工业无损检测测等。全息术是一门正在蓬勃发展的光学分支，近年来已渗透到社会生活的各个领域，并被广 泛地应用于近代科学研究和工业生产中。特别是在现代测试技术、生物工程、医学、艺术、 商业、保安以及现代存储技术等方面已显示出其特殊的优势。全息技术的产品越来越多地走 向市场，如：高聚物全息防伪标识、透明激光全息防伪膜等产品都被成功的推向市场。这种 新技术正以极大的魅力吸引着众多的科技人员致力研究，其发展前景无限美好，我们也期待 全息技术得发展给人们的生活带来更大的惊喜和改善。阅读资料：1全息摄影.维基百科http:/zh.wikipedia.Org/wiki/%E5%85%A8%E6%81%AF%E6%91%84%E5%BD%B1#.E5.BA.94.E7.942012-11-142徐云鑫.浅谈全息术.3OFweek激光网.数字激光全息技术的发展与应用 2011-1-5陈宁.数字全息技术研究：学位论文.广州：暨南大学光学系光电子技术实验室20045杨帆，杨宁.中州大学学报.第25卷 第2期6王典民.激光全息照相技术M吉林科学技术出版社1993 2-87葛宏伟，裴敏.激光全息技术在防伪领域中的应用华中理工大学学报,19978李明.激光全息技术的发展及应用趋势研究.激光杂志2005