浅谈全息技术的发展及前景论文

浅谈全息技术的发展及前景

摘要从全息思想的提出至今已经有半个多世纪的历史。期间，全息技术的发展取得了很大的成就。梳理一下全息技术的发展以及当今的研究和应用现状，有助于我们深入了解全息技术对生产、生活的重要影响以及其今后的发展方向。

关键词全息防伪存储全息透镜

Abstract The proposal from the hologram has been half a century since. During the development of holographic technology has made great achievements. Comb the development of holography and the current status of research and application, holographic technology will help us understand the production, the important influence of life and its future development. Key words Holography Anti-fake Storage Holographic lens

1、引言

全息技术一门正在蓬勃发展的光学分支，主要运用了光学原理，是一种不用透镜，而用相干光干涉得到物体全部信息的二部成像技术。如果说全息技术在照相方面的应用与普通照相技术的最大区别，那就是全息技术能够利用激光的相干性原理，将物体对光的振幅和相位反射（或透射）同时记录在感光板上，也就是把物体反射光的所有信息全部记录下来，并能够再现出立体的三维图像。也就是全息技术所记录不是图像，二是光波。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。

2、全息技术的发展简介

全息照相技术是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的重现波前的理论，并因此获得了诺贝尔奖。但当时由于缺乏纯净的能够相互干涉的光，全息图的质量很差。直到十二年以后的1960年，激光器问世，美国密执安大学的埃梅蒂·利斯与朱里斯·尤佩尼克拍成了第一张全息相片，全息技术才有了蓬勃快速的发展。

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4个阶段。

同轴全息术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。

1948年，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5O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3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1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。

3、全息技术的应用前景

全息技术的应用非常广泛，并不断被应用于新的领域，以下列举了全息技术的部分重要应用。

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。

二、全息防伪技术

防伪与我们的生活息息相关，将全息技术应用于防伪领域可以大大提高防伪功效。如第二代身份证上的视读防伪：当以适当角度看身份证正面时，会有长城标志出现，变换角度，长城标识的颜色会发生变化。从全球角度看，第一个将全息图片作为防伪标识的产品是Johnny Walke Whishy（一种威士忌），该酒的销售额较以前增加了45％。上世纪90年代全息防伪迎来首个鼎盛时期，无论高档商品促销、名优商品的防假冒或有价证券（如信用卡、钞票、护照签证）的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装潢、纪念邮票和广告标牌等等，都普遍采用激光模压技术。该技术在八十年代末九十年代初传入我国，1990年至1994年期间，全国各地引进生产线上百条。

主要防伪技术。

1. 激光全息标识定位烫印技术

全息烫印的原理是：在烫印设备上通过加热的烫印模头将全息烫印材料上的热熔胶层和分离层加热熔化，在一定的压力作用下，将烫印材料的信息层全息光栅条纹与PET基材分离，使铝箔信息层与承烫面黏合，融为一体，达到完美结合。

（1）该技术要求印刷厂家拥有精密定位烫印设备，并要求印刷厂的相关设备有能适应定位烫印的要求，具有精密的走步和定位功能，因此造假者很难制假。

（2）定位烫印与包装物本身有机融合为一体。同时经过合理的设计可以大大提高包装物的质量和档次，这样无论在防伪力度还是美观方面，都提高了一大步。

（3）定位烫印可实现调整大规格自动化生产，与高速印刷设备配套，满足了印刷厂家的生产工艺要求。

（4）防伪标识烫印到包装盒上后无须覆膜，可满足绿色包装的要求，比普遍采用不干胶全息防伪贴标前进了一大步，并且彻底解决了防伪标识的重复使用问题。

2. 全息标识上的加密技术。

该技术是在防伪标识中设置特殊的加密记号以增强防伪效果。其原理是在物体与全息底板之间加一个编码器，使得物光发生畸变；只有用该特定的解码器才能重现物体，否则，只能出现一些散斑。因此，该技术具有较高的防伪功能，常用于一般商品的防伪。

3. BOPP激光全息防伪收缩膜包装防伪技术。

该技术是发展起来的新型防伪技术。由于该技术对BOPP收缩膜基材有特殊要求，购买和开发BOPP生产设备造价昂贵，从而在源头上堵住了造假者制假的可能性和可行性。激光全息防伪收缩膜在生产中首创采用宽幅全息透明模压技术与加密全息图像防伪技术相结合，并巧妙解决了热压与基材热收缩的矛盾；在使用中通过BOPP防伪收缩膜两个表面提供热封，将被包装物整体包裹；在拆包时必须先撕开BOPP防伪膜，而这样也就破坏了原防伪膜的完整性。由于该防伪手段技术层面复杂、防伪力度高，工艺精细、外观精美，被中国防伪行业协会激光全息技术专业委员会给予很高的评价。BOPP生产线高昂的价格和热封型热收缩膜复杂的加工工艺，加上透明全息防伪图像和隐秘的微缩密码，使得那些分散的中小型工厂极难制假。

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。

全息存储

光盘技术这种按位存储和读出的“串行”方式要求读出头相对于记录介质作机械运动，因而光盘的记录密度被限制在机械调节的精度以内，数据传输速率也受到低速机械运动的限制。当前光盘技术的前沿研究已使光盘存储容量接近光学极限，数据已达到每秒几兆字节的数量级，这虽然满足当前多媒体技术的需要，但计算机技术正在向高速、并行性和智能化方向发展，按位存取的磁盘和光盘显然不能满足需要。要寻求一种既能并行读/写、提高数据速率、又能增大存储容量的海量存储技术，激光全息存储则是一种最佳选择。

1.目前主要使用的全息存储材料及其特点

银盐材料。超微粒的银盐乳胶有很高的感光灵敏度和分辨率，有较宽广的光谱灵敏范围。目前，超微粒的银盐乳胶已经具有成熟的制备技术，稳定的商品化产品——全息干板。银盐材料的缺点主要在于：不能擦除后重复使用，湿显影处理程序较为繁琐，且对于位相型全息图，其较高的衍射效率却往往带来噪声的增加和图像质量的下降。

光致抗蚀剂。它可以旋涂在基片上制成干板，光照射后，抗蚀剂中将发生化学变化，且随着曝光量的不同，发生变化的部分将具有不同的溶解力。选用合适的溶剂显影，便可制成表面具有凹凸的浮雕相位型全息图。为了获得较好的图像质量，需要对负性光致抗蚀剂进行足够曝光，但这往往与全息图成像的最佳曝光量相矛盾，从而使负性光致抗蚀剂存储的全息图的精细线条往往由于曝光量不够，而在显影时被腐蚀掉，影响全息图的质量。

光折变材料。光折变材料受到非均匀的光强度照射时，材料局部折射率的变化与入射光强成正比。光折变材料具有动态范围大、存储持久性长、可以固定以及生长工艺成熟等优点。光

折变材料主要有无机存储材料和有机存储材料两类。常见的光折变无机材料主要有掺铁铌酸锂晶体（LiNb3：Fe）、铌酸锶钡（SBN）、和钛酸钡（BaTiO3）；而常见的有机光折变聚合物则有PMMA 等。

光致聚合物。光致聚合物主要由单体、聚合体和光敏剂组成。记录光照射聚合物后，光敏剂被激发，并引发曝光过程；然后，自由基引发单体分子聚合，最后在材料中形成位相型全息图。光致聚合物具有较高感光灵敏度、高分辨率、高衍射效率以及高信噪比，可用完全干法处理及快速显影，记录的生息图具有很高的几何保真度，并易于长期保存。光致聚合物的主要缺点在于其体积容易受到影响而发生变化。

光致变色材料。这是由于光致变色膜层内的分子极化特性发生改变，会导致膜层折射率的变化。尤其记录波长与介质吸收谱非共振时，膜层内部可产生显著的折射率变化。光致变色材料具有无颗粒特征，分辨率仅受记录光波长和光学系统的影响。但是光致变色材料存储

的全息图的衍射效率并不高。

2.全息存储中的复用技术

角度复用：这是一种使用最早、研究最为充分的复用技术，它利用了体积全息图的角度选择性，使不同的信息页面可以互不相干地叠加在同一个空间区域内。每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采用的激光波长是固定的。角度复用存储的全息图数目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干扰的叠加将导致读出数据的信噪比下降，这些因素也影响和限制了角度复用技术可以实现的存储容量。

位相复用：为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正交位相编码复用技术。在这种复用技术中，参考光的波长和光束角度都是固定的，而位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码。因此，位相复用技术可以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据的信噪比，并且可以使对存储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变光束的方向来实现，从而使寻址过程更快。

波长复用：由于全息图的再现对读出光的波长也十分敏感，所以波长复用也是全息光存储的主要复用方式之一。波长复用也是基于全息光存储所具有的布喇格角选择性，只是此时每幅存储的全息图是与一个特定的光源波长相对应，记录和读出过程中参考光和物光之间的夹角保持不变。

3.取得的成就

20世纪60年代末发现光折变效应后，在光折变晶体中进行全息存储一度成为热点。1975年，美国RC公司报道了在1cm铌酸锂晶体中存储500幅全息图的实验。美国Northrop公司于1991年在掺铁铌酸锂晶体中存储并高度保真再现了500幅高分辨率军用车辆全息图。1992年，有在同样的铌酸锂晶体中存储1000页的数字数据，并无任何错误地复制到数字计算机的存储器。1994年美国加州理工学院在1cm掺铁铌酸锂晶体中记录了10000幅全息图。同年，斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中。IBM公司也研制出一台灵活而稳固的高分辨率的自动全息存储系统试验台。目前，我国有人正在研制利用二值空间光调制器实现多灰阶全息存储的方法，它可近一步提高存储密度与读出数据的传输速率。另有人正在研究体全息相关器的内容寻址功能的相关研究，它可以并行快速地进行关联检索，并具有很大的提升潜力。

美国斯坦福大学的HDSS WORM演示平台。2000 年，美国斯坦福大学为DARPA 投资实施的HDSS 项目开发了高传输速率、高容量的全息光盘存储系统，如下图所示。该系统采用了IBM公司的铁电液晶空间光调制器( FLC SLM) 记录二维数据，最高分辨率为1 024×1 024 像素，采用Kodak公司的CCD 作为探测器，其分辨率与SLM 匹配，最大帧数为1 000 fps。利用脉冲倍频Nd∶YAG 激光器( 波长为532 nm) 进行记录和读出，光盘安装在精密的空气静压轴承上，使用精密光电轴角编码器系统的全息信道解码传输速率可达1 Gbits/s，使用1 次

写入多次读取(WORM) 的光致聚合物作为存储介质，容量为120 GB。由于较厚的介质( 如LiNbO3 晶体) 的存储容量受到介质动态范围和噪声的影响要多于复用技术，而较薄的介质( 如光致聚合物) 则不然，所能存储全息图的数量在很大程度上由复用技术决定。经常在较厚介质中使用的角度复用技术在这里效果不大，需要使用其它复用技术，例如移位或旋转复用技术, 该系统采用的是散斑-移位复用技术。

图为美国斯坦福大学的HDSS WORM 演示平台系统

全息存储器可望存储几千亿字节的数据（目前光盘是6.4亿字节数据），而且具有高保真度，并以等于或大于bit/s速度传送数据，可在100微秒或更短时间内随机选择一个数据页面。全息存储技术的迅速发展，必将在不远的未来迎来光辉的时代。

四、全息透镜

全息透镜是依据光的干涉和衍射原理，可以完成普通光学透镜的任务和功能。最早的全息透镜是1871年由瑞利制成的菲涅尔波带片。全息透镜有许多明显的优点，它的重量轻、造价低、制造快、易于复制、能多重记录以及便于分割。英国研制出的一个全息产品——头盔夜视仪，它可以借助微弱的星光看清一公里远的目标。

当前全息透镜的主要应用

补偿透镜

在制造全息透镜时, 用光学系统产生的有像差的波前(对应参考光)和完善的点源球面波(对应物光波)记录。当使用时，用有像差的波前（作为物光波）照明全息透镜, 就可以起到补偿的作用。对于有像差的波前在记录时, 也可以不用实际的系统, 而用一个计算全息图来代替。

准直物镜

大口径的球面或非球面准直物镜的制造是很费工的, 如果用全息的方法制造就快得多了,当然在制造时需要有一个大口径、高质量的准直物镜产生平面波。这种全息准直物镜用于干涉系统和激光系统是很合适的, 可以避免它的缺点。因这些系统多是用单色狭光源照明。

把成像元件和转像元件结合起来

光学系统有时需要加一个棱镜来转像。如果用离轴透射全息透镜或者反射全息透镜, 就可以同时完成成像和转像的功能。

分割透镜

为了某些特殊的应用, 有时需要把一个透镜分割开, 再组合起来, 例如干涉用的双半透镜, 把一块透镜分为两半, 使其有一定的距离。又如跟踪接收机把一个透镜分成四部分, 再按相反方向组合起来, 可以对一个目标产生四个分开的像。这一类元件如果用全息透镜就很容易分割。

多重透镜

多重透镜的种类很多。例如一些干涉系统, 大都需要一个标准波面和测试波面。用全息的方法就可以用一块透镜来完成。又如用傅里叶变换透镜进行空间滤波, 至少要两个变换镜头, 将空间滤波器和一个变换镜头用一个全息系统来代替, 可以省去一个变换透镜, 还可以缩短光路。

大相对孔径的透镜

全息透镜的另一优点是便于制作大相对孔径的透镜。在低光强成像系统或全息信息存贮系统中, 都需要大相对孔径的透镜, 用全息的方法制造就比较容易。

傅里叶变换透镜

全息透镜同普通透镜一样,可以完成傅里叶变换的功能, 因此可用全息透镜代替信息处理系统中的傅里叶变换透镜。

3、全息技术的展望

全息照相的应用潜力是巨大的，这一新技术将会在工业、医学、国防、公共安全等各个领域全面展开，产生显著的社会效益和经济效益。

作为一门新兴学科，全息技术还处在蓬勃发展阶段，我们相信：随着科技的进一步发展和科技人员的努力垒息照栩的应用必将迎来它更辉煌的明天。

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