淺談全息技術(shù)的發(fā)展歷程及應用現(xiàn)狀

張宇輝

（云南楚雄實驗中學，楚雄 675000）

1 全息技術(shù)的基本概念

全息技術(shù)是信息光學的一個分支，主要采用光學原理，利用相干光干涉得到物體的全部信息，區(qū)別于傳統(tǒng)光學器件，全息技術(shù)并不使用透鏡。全息技術(shù)利用了激光的相干性原理，記錄下光的振幅和相位信息，從而得到物體的全部信息，包括全息立體圖像的大小，形狀，亮度和對比度等，與普通照相技術(shù)只記錄圖片不同，全息技術(shù)能夠通過記錄下的光信息將還原物體的三維圖像。

全息一般是用激光完成的，因為激光具有良好的相干性。其中只可以在相同色光的激光下來觀察的叫單色全息圖像，能夠在自然光下觀察到全息圖的是白光全息圖像。全息技術(shù)與普通攝影不同，具有以下幾個顯著特征：

（1）立體性。全息照片重現(xiàn)的時候，可以看到三維的物體的像，是與實物一樣的立體視角。這種性質(zhì)與用偏振片觀看立體電影有本質(zhì)的不同。在放映偏光式3D電影的時候，需要同時使用兩個放映機，將兩個攝影機拍下的兩組膠片進行同步放映，使兩組膠片上的內(nèi)容在同一屏幕上堆疊。用肉眼直接觀看的話，會看到模糊不清的畫面。而全息圖像再現(xiàn)時能夠更加逼真地還原物體的三維圖像，而且僅用裸眼即可觀察到。

（2）可分割性。全息圖上的任何局部點都記錄著來自空間每個點的振幅和相位信息。這是全息照相技術(shù)相對于普通照相技術(shù)的巨大優(yōu)勢，即使全息記錄載體有缺陷或部分損壞，也不影響整個圖像的再現(xiàn)，仍然能夠完整的還原物體的三維圖像。

（3）信息存儲能力強。在理論上全息存儲的存儲容量要遠遠大于磁盤和光盤的存儲容量。相同的全息感光板可以被重復曝光記錄，并可以重現(xiàn)每一個物體的三維圖像而且相互之間不干擾。所以它的信息容量更大。

2 全息技術(shù)的發(fā)展簡介

1948年，英國科學家丹尼斯·加博（Dennis Gabor）首次提到了全息技術(shù)的概念。他總結(jié)了先前人們的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)了一種避免相位信息丟失的技術(shù)，這就是利用光波來記錄光的相位信息和振幅。他用實驗證明了自己的理論，制作了第一張全息圖。隨后幾年，人們擴充了并加深了他的理論，對于這種新的成像技術(shù)有了更多的研究。但是迫于沒有合適的相干光光源，當時的全息技術(shù)一直得不到突破。1960年第一臺激光器的誕生，才得以突破這個瓶頸。激光技術(shù)的問世極大地促進了全息術(shù)的發(fā)展。之后，美國科學家利斯（Leith）和烏帕特尼克斯（Upatnieks）在1962年提出了離軸全息技術(shù)，又一次使全息技術(shù)的發(fā)展向前跨進了一大步。近50年以來，全息技術(shù)的研究越來越深入，全息應用的領(lǐng)域也越來越廣泛。它已經(jīng)是現(xiàn)代光學的最重要的分支之一。

梳理其發(fā)展歷程，可以將其可分為四個階段：第一個階段是萌芽時期。這個時期是利用水銀燈作為光源，拍攝同軸全息圖，此時還不能將全息圖中的±1級衍射波分開，稱之為第一代全息技術(shù)。第一代全息圖有兩點不足，一個是原始圖像和共軛圖像沒有分離，另一個即光源的相干性不強。這個時期是全息研究的萌芽階段，研究的進程非常慢。第二階段是采用激光記錄和激光再現(xiàn)的離軸全息圖，用離軸參考光和光干涉形成全息圖，然后用離軸參考光照射全息圖，全息圖產(chǎn)生三維分離的空間衍射元件中的一個復制原始光。離軸光路形成的全息圖不會有第一代全息圖的重現(xiàn)像混疊的問題，這就是第二代全息術(shù)。第二代全息圖仍然有缺陷，其全息圖沒有色調(diào)信息。顏色信息的損失是由激光再現(xiàn)引起的。為了解決第二代全息圖的問題，有人提出了激光記錄再用白光來再現(xiàn)的思路，最早由班頓采用了這種方法，此后用白光來重現(xiàn)物體影像的方法逐漸成熟。第三代全息圖的第一次應用是在美國《國家地理雜志》的封面上，這使得雜志銷量大漲，該技術(shù)也隨之在全世界流行起來。全息光學技術(shù)在顯示領(lǐng)域充分展現(xiàn)其優(yōu)越性。但是，第三代全息技術(shù)對于光源和記錄的程序有較高的要求，進而給全息技術(shù)的實際應用帶來了諸多不便，所以開始了第四代全息技術(shù)的研究。第四階段是采用白光記錄和白光重現(xiàn)的全息圖，這是吸引人們?nèi)パ芯亢吞剿鞯恼T人方向。

3 全息技術(shù)的應用

全息技術(shù)近年來已滲透到社會生活各個領(lǐng)域，被廣泛應用于現(xiàn)代科學研究和工業(yè)生產(chǎn)，特別是現(xiàn)代檢測，生物工程，醫(yī)藥，藝術(shù)，商業(yè)，安全和現(xiàn)代儲存技術(shù)等方面具有特殊優(yōu)勢，從全息成像技術(shù)到今天的全息成像已經(jīng)與許多學科交叉整合，形成了全息顯示，全息干涉測量，全息顯微，全息存儲，全息成像等技術(shù)。隨著全息技術(shù)的快速發(fā)展，全息技術(shù)產(chǎn)品越來越多地被應用于現(xiàn)代生活中。

3.1 全息顯示

全息顯示器（holographic display）是指利用全息照片來再現(xiàn)物體的非常逼真的三維圖像。全息顯示器具有很高的商業(yè)價值，可以使用全息技術(shù)來錄制廣告，促銷品，動植物，肖像，歷史文物等，通過三維復制，向觀眾展示，可以提供觀賞，全息保存等功能。

3.2 全息干涉儀

全息干涉測量是最重要和最成功的全息應用之一。全息干涉可以測量到波長的數(shù)量級的水平，它可以在兩個不同的時間比較同一個物體的狀態(tài)。全息干涉的基本方法包括單次曝光（實時），雙重曝光，連續(xù)曝光（時間平均），三光束單次曝光，非線性記錄全息干涉，全息前對準干涉測量，全息莫爾條紋技術(shù)等。全息干涉測量分析已經(jīng)很多領(lǐng)域得到了很好的應用。全息測量技術(shù)可以其他技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)實時自動化，具有高靈敏度，非接觸，快速，高精度等特點。

3.3 光學全息存儲

全息光學存儲技術(shù)是一種新興的存儲技術(shù)，以全息圖的形式將數(shù)據(jù)信息記錄到存儲材料中。由于全息方法本身的物理性質(zhì)，它不僅保留了目標光的幅度信息，而且保留了其全部的空間相位信息。全息光存儲具有存儲容量高，讀寫速率高，可靠性高，內(nèi)容尋址能力強等優(yōu)點。光學全息存儲利用兩個光波的耦合與解耦，將信息存儲與信息比較與識別功能結(jié)合起來，解決了光盤與光盤的容量瓶頸問題，增大了存儲容量。光學全息存儲不僅體積大，而且數(shù)據(jù)傳輸率高，尋址時間短。例如，人體全息存儲技術(shù)使得信息存儲在小數(shù)點，容易丟失，在物理信道中，信息可以通過多種信息存儲進行編碼，就像在單個通信信道中傳輸多個信號一樣，存儲的信息以及信息處理的速度可以大大增加。時域全息技術(shù)結(jié)合超短脈沖技術(shù)，也存儲和呈現(xiàn)物體和三維物體的高度變化。

3.4 模壓全息圖

模壓全息（也稱為全息印刷）是上世紀中期提出的一種技術(shù)，能夠大量地復制全息圖而且不需要較高的成本，該技術(shù)也是世界上唯一能夠進行全息圖大規(guī)模批量加工的技術(shù)手段。其生產(chǎn)的程序是先通過全息技術(shù)獲得表面浮雕全息圖，然后再通過精細化學鍍膜技術(shù)制成上機鎳板，最后由特定成型機加以模壓，在各種材料上模壓出相應的全息圖。模壓全息技術(shù)不用使用油墨類，因此也被稱為無墨印刷。因為它可以打印立體圖像，并具有廣泛的前景，也被稱為“三維打印”和“二十一世紀的打印”。它化解了全息圖不可復制的難題，使全息圖能夠大規(guī)模加工，讓全息圖迅速工業(yè)化、商品化，使之走進人們的日常生活。模壓全息圖生動的立體顯示，色彩鮮艷的圖像層出不窮，使其在包裝，產(chǎn)品推廣和裝飾等方面得到充分應用，最重要的應用領(lǐng)域是安防領(lǐng)域。目前，很多國家都在信用卡、商標、護照、身份證等領(lǐng)域上使用模壓全息圖作為防偽標簽，模壓全息技術(shù)的防偽功能日漸獲得更加廣泛的應用。

3.5 計算全息

計算機技術(shù)和全息技術(shù)的結(jié)合被稱為計算機生成的全息圖。計算全息術(shù)不僅具有記錄光波的幅度和相位的獨特優(yōu)點，而且還可以整合復雜或不存在的物體的全息圖，只要它們是已知的。如果物體不存在并且只有光波的數(shù)學描述是已知的，則也可以使用計算機和計算機控制的繪圖儀或其他記錄裝置（例如，陰極射線管，電子光束掃描儀等）在透明膠片上計算機生成的全息圖被稱為計算全息圖。計算全息圖和光學全息不同的是，光學全息是將實際物體置于光源下時才產(chǎn)生，而計算全息合成合成全息圖不需要實際物體的存在，只要輸入相應的光信息即可。

計算全息技術(shù)的發(fā)展受到兩個不同因素的刺激，一個是全息技術(shù)飛速發(fā)展，另一個是電腦化計算機圖形的普及化的開始。全息計算的主要應用是：二維和三維物體圖像顯示；在光學信息處理中使用全息計算各種空間濾波器；產(chǎn)生一個具有十個全息干涉測量的特定波面；激光掃描儀；數(shù)據(jù)存儲。計算全息圖有很多優(yōu)點，最重要的是你可以記錄一個物理上不存在的物理對象。如果知道對象的數(shù)學表達式，則可以用計算的全息圖記錄對象的光波并再現(xiàn)對象的圖像。這種性質(zhì)非常適合于信息處理中的空間濾波合成，干涉測量中的特殊參考波面，以及三維小說對象的顯示。全息制作過程的計算采用數(shù)字化定量計算，精度高，尤其是二進制總圖，其透光率函數(shù)只有兩個數(shù)值，抗干擾能力強，噪點小，易于復制。隨計算機技術(shù)的發(fā)展，電子束和離子束聚束技術(shù)的發(fā)展，計算全息技術(shù)必將顯示出更大的優(yōu)勢，應用領(lǐng)域也越來越廣泛。

3.6 數(shù)字全息

數(shù)字全息技術(shù)作為信息光學領(lǐng)域的研究熱點，是光學全息、計算機技術(shù)和電子成像的交叉領(lǐng)域。它是依據(jù)光學全息的理論，以光電成像器件為記錄介質(zhì)，獲得全息圖，然后通過計算機將其數(shù)字化，再現(xiàn)時將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為全息圖。這一進程可以連續(xù)記錄瞬時過程中的運動物體，有利于實時在線進行全息記錄，還可以通過計算機數(shù)字全息圖和數(shù)字再現(xiàn)圖像進行定量分析。數(shù)字全息是全息、計算機技術(shù)和電子成像的結(jié)合。它仍然是基于光學全息的記錄理論。然而，全息圖是通過使用諸如CCD照相機的電子成像裝置作為記錄介質(zhì)并存儲在計算機中，然后使用數(shù)字圖像來再現(xiàn)全息圖而獲得的。數(shù)字全息術(shù)具有廣泛的應用，如數(shù)字全息三維識別，數(shù)字全息顯示，數(shù)字全息圖像加密等。近年來的發(fā)展數(shù)字全息層析成像，脈沖數(shù)字全息成像，數(shù)字全息成像，表明數(shù)字全息技術(shù)具有廣闊的應用前景。

4 全息技術(shù)前景展望

如今全息技術(shù)正在朝向數(shù)字化、光機電一體化的方向發(fā)展，作為一門新興學科，全息技術(shù)仍處于蓬勃發(fā)展的階段。結(jié)合光全息的原理和特點就可以看到其獨特的優(yōu)勢，全息技術(shù)有著非常廣闊的應用市場，無論在國防、醫(yī)藥、工業(yè)，還是公共安全等各個領(lǐng)域都有非常巨大的應用，其潛力仍有待挖掘。可以相信，光全息在未來社會、經(jīng)濟、通信及國防等各個方面將成為不可或缺的重要組成部分，隨著科學技術(shù)的進一步發(fā)展和科技人員的努力，必將迎來更加美好的明天。

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