全息術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

任天忠

摘要：全息術(shù)是利用光的干涉和衍射的原理，形成原物體逼真的立體像的一種技術(shù)。本文簡(jiǎn)要記述了全息術(shù)的原理及其發(fā)展過(guò)程，并對(duì)全息術(shù)在干涉度量、顯微、生物、信息存儲(chǔ)、模壓全息、制作光學(xué)元件、光學(xué)處理、以及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：全息技術(shù)；全息圖

1、全息術(shù)簡(jiǎn)介

光全息術(shù)是利用光的干涉和衍射的原理，將攜帶物體信息的光波以干涉圖的形式記錄下來(lái)，并且在一定的條件下使其再現(xiàn)，形成原物體逼真的立體像，由于記錄了物體的全部信息（振幅和相位），因此成為全息術(shù)。其中全息照相過(guò)程分為兩個(gè)步驟分別是全息記錄和波前再現(xiàn)。

波前再現(xiàn)的理論依據(jù)是衍射原理，照明光波（再現(xiàn)光）經(jīng)過(guò)全息圖衍射后出現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的光波場(chǎng)。全息圖的衍射波含有三種主要成分，即物光波，物光波的共軛波，照明光波的照直前進(jìn)。在現(xiàn)代記錄和重現(xiàn)的全息照相裝置中，這三種衍射波在空間彼此分離，互不干擾，便于人們用眼睛或鏡頭去觀測(cè)物光波的虛像或其共軛波的實(shí)像。

由于全息術(shù)的唯一特點(diǎn)就是記錄了物體的相位信息。三維立體性——全息照相再現(xiàn)的像是三維立體的，具有如同觀看真實(shí)物體一樣的立體感，這一性質(zhì)與現(xiàn)有的用偏振鏡觀看的立體電影有著本質(zhì)的區(qū)別?？煞指钚浴⒄掌乃槠耘f能反映出整個(gè)物體的像來(lái)，不會(huì)因照片的破碎而失去像的完整性。再現(xiàn)象的縮放性——因衍射角與波長(zhǎng)有關(guān)，用不同波長(zhǎng)的激光照射全息圖，再現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生放大或縮小。信息容量大——體全息存儲(chǔ)的理論存儲(chǔ)容量上限遠(yuǎn)大于磁盤(pán)和光盤(pán)的存儲(chǔ)容量。

2、光全息術(shù)的發(fā)展

早在1948年，英國(guó)科學(xué)家丹尼斯？蓋伯（DennisGabor）提出了一種新的成象原理，稱為全息術(shù)（Hologra-phy），這一名詞是引用希臘字“Holos”而得名的，是“完全”的意思。我國(guó)譯為“全息”意即完全信息。全息術(shù)本來(lái)是打算給電子顯微鏡工作者提供一種工具，使之能用來(lái)觀察原子大小的物質(zhì)。就在全息術(shù)發(fā)明之前，即1947年，電子顯微物鏡的分辨率為10埃數(shù)量級(jí)。如果稍微采用一下編碼的形式，并能夠運(yùn)用某種方法對(duì)這個(gè)象差象進(jìn)行譯碼，那么電子顯微鏡的分辨率的極限或許可以減少到1埃。當(dāng)時(shí)他論證了如果用電子束制作全息圖，然后用可見(jiàn)光波進(jìn)行再現(xiàn)，就能得到無(wú)象差的象。因此，他制成了第一張全息圖。直到1960年第一臺(tái)激光器的問(wèn)世，解決了相干光源的問(wèn)題，繼而在1962年利思（Leith）和烏帕特尼克斯（Upatnieks）將通訊工程中調(diào)制載頻系統(tǒng)應(yīng)用到波前再現(xiàn)，他們提出了離軸全息術(shù)，從而排除了孿生波的干擾，同時(shí)克服了第一代全息圖的兩大難題，產(chǎn)生了激光記錄、激光再現(xiàn)的第二代全息圖。然而第二代全息圖因?yàn)槭褂眉す庠佻F(xiàn)技術(shù)，使得這種全息圖失去了色調(diào)信息。

3、全息術(shù)的應(yīng)用

迄今為止，全息術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。

光學(xué)干涉量度是進(jìn)行高精度測(cè)量的主要手段。但是一般的干涉量度只能用于測(cè)量形狀比較簡(jiǎn)單而且經(jīng)過(guò)光學(xué)拋光的表面。而全息干涉量度能將這種經(jīng)典的干涉量度擴(kuò)散到具有任意形狀的三維漫反射表面的物體。全息干涉量度其操作的基本程序與全息記錄相似，只是在紀(jì)錄時(shí)根據(jù)需要有時(shí)要進(jìn)行一次曝光（實(shí)時(shí)全息干涉法）、兩次曝光（雙曝光全息干涉法）、和連續(xù)曝光（時(shí)間平均全息干涉法）。它的主要特點(diǎn)是：非接觸型、高靈敏度、高精度、三維性和快速性。另外，全息干涉計(jì)量可以對(duì)一個(gè)物體在兩個(gè)不同時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，這就可以探測(cè)物體在段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的任何改變。

多年以來(lái)，磁存貯已經(jīng)被廣泛的采用，多種形式的磁存貯器已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)完善的程度。如利用磁心、磁鼓、磁盤(pán)、磁卡、磁帶等等，存貯容量也達(dá)到107數(shù)量級(jí)。但是隨著科技的發(fā)展，人類積累了越來(lái)越多的信息，包括圖片、文字資料、代碼、數(shù)據(jù)等，這些信息往往容量大，而且要求存貯效率要高。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)全息存貯應(yīng)用前景非常廣泛。

如果沒(méi)有激光和全息的的出現(xiàn)，這門(mén)技術(shù)的研究范圍也不能發(fā)展到今天這樣廣泛的程度。諸如航天中所接受的信息、地球物理學(xué)的列陣信息、雷達(dá)信息、原始光學(xué)象的處理、將二位圖像處理為三維圖像，以及精密測(cè)量等等都涉及到這方面的內(nèi)容。而這種信息通常還是記錄在照相乳劑上的。

輸入的信息量大、傳輸速度快是光學(xué)信息處理的主要優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)楣鈱W(xué)全息處理是以多路方式進(jìn)行的。實(shí)際上在輸入膠片上的每一個(gè)分辨單元可以看作是一路。因此可以將其看作為有幾百萬(wàn)路的信息在同一時(shí)間進(jìn)行處理。但現(xiàn)代的各種信息多半是電子式的，這就存在著需要將電信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的問(wèn)題，因此就需要有優(yōu)良的轉(zhuǎn)換器，將電信號(hào)經(jīng)過(guò)陰極射線管記錄在膠片上。膠片顯影后把信號(hào)讀出，然后輸入給處理機(jī)。在最后輸出往往是由光電池來(lái)產(chǎn)生一些電信號(hào)。由于用膠片記錄需要處理的時(shí)間，為了克服這一缺點(diǎn)，使運(yùn)算接近實(shí)時(shí)，因此就需要提供高靈敏度可寫(xiě)可擦的新的記錄材料，比如重鉻酸明膠片、光導(dǎo)熱塑片等。

全息三維地圖是利用全息技術(shù)而制成的一種三維地圖。這種地圖將衛(wèi)星拍攝的圖片，通過(guò)激光掃描，以及計(jì)算機(jī)合成全息圖技術(shù)制成的激光全息三維地圖。這種地圖形象具體地記錄了戰(zhàn)場(chǎng)的地形地貌，并由于全息術(shù)具有三維性、信息容量大、和再現(xiàn)象的縮放性的特點(diǎn)，可以讓觀看者在觀看地圖時(shí)可以在任意角度進(jìn)行觀看，在進(jìn)行軍事研究時(shí)，還可以隨意的拖動(dòng)、拉伸、縮小地圖，也可以用特殊的筆在上面做些標(biāo)記。這種地圖大大提高了部隊(duì)在軍事行動(dòng)中的效率。

全息瞄準(zhǔn)鏡全稱是激光全息衍射式瞄準(zhǔn)鏡，是一種直接觀察彈著點(diǎn)并用彈著點(diǎn)作為瞄準(zhǔn)標(biāo)志的革命式速瞄瞄準(zhǔn)具。其瞄準(zhǔn)速度有著世間所有瞄準(zhǔn)鏡之王的美譽(yù)。在很多國(guó)家全息瞄準(zhǔn)鏡已經(jīng)裝備到了部隊(duì)，在海上執(zhí)法、近距離作戰(zhàn)、巷戰(zhàn)、移動(dòng)中射擊、射擊移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，射手基本上槍槍十環(huán)，極為神奇，被譽(yù)為現(xiàn)代瞄具的一個(gè)革命，全息瞄準(zhǔn)鏡適用于沖鋒槍、步槍、機(jī)槍、狙擊步槍、榴彈發(fā)射器等輕武器，在三公里內(nèi)的直視距離中不論多么苛刻的工作條件，即使是在霧、雨、雪里，甚至在觀瞄窗被污損的情況下，只要能通過(guò)觀瞄窗看到目標(biāo)，就能通過(guò)十字線瞄準(zhǔn)目標(biāo)，這是其它任何光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡做不到的，并可與其他瞄具、夜視儀串聯(lián)使用。

參考文獻(xiàn)

[1]王永昭，《光學(xué)全息》，機(jī)械工業(yè)出版社，1980，2-12

[2]王賢峰，全息術(shù)的歷史與發(fā)展[J]，現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2007，（05）