全息术的原理、应用及展望

全息术的原理、应用及展望

摘要：全息术是一种用相干光干涉得到物体全部信息的2步成像技术，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、工业生产和生活中.本论文首先介绍了全息术的发展历程，然后就其原理及应用进行了深入探讨，最后探讨了一下全息术的发展前景．

关键字：全息术；原理；应用；展望；白光再现

The Principal, Application and Prospects of holography

Abstract：Holography is a two-step imaging technology which obtains the whole information from an object with the coherent light interference. It is an active branch of optical, in recent years, it has penetrated into every field of the social life and widely used in modern scientific research, industrial production, and it have already been stepping into the modern life. Firstly, this thesis introduces the development of holography, and then had a thorough discussion on the principle and application, and finally discusses the prospects for the development of holography.

Key words：Holography；Principal；Application；Prospects；White light reconstruction

引言

1948年伽柏提出了一种全新的两步无透镜成像法──全息术，也称为波阵面再现术。整个过程由两步──波阵面记录和波阵面再现来完成。在波阵面记录过程中，引入适当的相干参考波，使它与由物体衍射（或散射）的光（物光）相干涉，把这干涉场记录下来，即可得到一张全息图。全息图是与物体毫不相似的干涉图，它上面不仅记录了物光的振幅信息而且也把在普通照相过程丢失的位相信息记录下来。它具有三维立体性、可分割性以及信息容量大等特点。

1 全息照相概述

全息术是利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波——干涉的形式记录下来，并在一定的条件下使其再现，形成原物逼真的立体像。因为它记录了物体光波的全部信息(振幅和相位)，因此称为全息照相或全息术。其原理可用8个字来表述：“干涉记录，衍射再现”。[1]全息术是一种不用透镜成像，而用相干光干涉得到物体

全部信息的2步成像技术。

1.1 全息照相与普通照相的异同

全息照相与普通照相在原理和方法上都有本质的差别。普通照相是以几何光学原理为基础，利用透镜成像来记录物体各点的光强分布，反映的是物体波场的振幅信息，所成像为二维平面图像。而全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助所谓参考光波与原物光波的相互作用，记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹，这种干涉条纹不仅保存了物光波（从物体反射的光波）的振幅信息，同时还保存了物光波的位相信息，它只有在高倍显微镜下才能观察到[2]。记录了干涉条纹的全息照片可以看做是个复杂的衍射光栅，当用与原参考光波相同的光再照射该光栅时，其衍射波能重现原来的物光波，在照片后原物的位置就可以观察到原被照物的三维图像。

由于振幅和相位都被记录下来了，重构光波自然包含了物体的三维信息，观察着接收重构光波时，能感受逼真的三维物体，所以称为全息[3]。下图即为一张用普通相机对重构光场拍摄的照片，图1.1和1.2从不同角度观察同一场景，得到不同的透视关系，而且对准物清晰，为对准物模糊。这与直接观察三维物体效果相同，所以全息图能产生身临其境的感觉。

(a) (b)

图一全息图的三维效果

1.2 全息术的发展历程

全息术是Gabor早在激光出现之前发明的。下面先从他的思想的由来谈起。伽柏在15岁开始对物理产生了特别的爱好，对阿贝显微理论和Lippman彩色照相术着了迷。1934年他到英国一家公司研究室工作后，该公司的姐妹公司制造电子显微镜需要提高分辨率，他对此很感兴趣，并获得机会进行光学实验研究，当时电子显微镜的分辨能力已比最好的光学显微镜提高了一百倍，但仍不足以分辨晶格，为了提高分辨率，伽柏经过长期思索后，正值1947年复活节的一个晴天，他在网球场等待一场球赛时突然想到：“为什么不拍摄一张不清楚的电子照片，使它包含着全部信息，再用

光学方法去校正它呢？”他考虑到电子物镜永远不会完善，若把它省去，利用相干电子波记录相位和强度信息，再利用相干光再现无相差的像，则电子显微镜的分辨率可提高到0.1nm，从而可以观察晶格。就是伽柏当时研究全息术的基本思想。在发明全息术的前几年，伽柏看过布喇格的“X射线显微镜”，布喇格采用两次衍射使晶格的像重现。尽管X射线无法利用透镜成像，但原子的间距与X射线的波长同数量级，周期性排列的原子对入射X射线相互散射，会产生衍射点阵；用相干光对这种衍射图样做第二次衍射，便可恢复晶格的像。这就是伽柏两步成想法的由来。然而他注意到，布喇格的方法还不足以记录相位信息，故只适用于入射线与衍射线之间发生的相位改变量已知的一些特殊物体。为了解决相位的记录问题，伽柏想到了Zernike在研究透镜差时使用过的“相干背景”。他认为：如果没有什么东西作比较，丢失相位是不足为奇的；但加上一个标准，即用“相干背景”作为参考波，那么参考波与衍射波相互干涉，用照相底片记录干涉图样，便得到包含相位信息在内的干涉图像，伽柏称之为“全息图”。

“全息”二字来源于希腊字，意思是“信息的全部记录”。[4]其真正的发展是在20世纪60年代激光发明之后。从1948年伽柏提出这一思想到二十世纪中期，全息

级衍射波是分不开技术都是采用汞灯作为光源，而且是所谓的同轴全息图，它的1

的，即存在“孪生像”的问题，不能获得好的全息像。这是第一代全息图，是全息术的萌芽时期。此时的全息图存在两个问题，一是再现原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。

1960年激光的出现提供了高相干性光源，随后就有人提出了离轴全息术，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。由此进入第二代全息图，从而使全息术在沉睡了十几年之后得到了新生，进入了迅速发展年代，相继出现了多种全息方法，并在信息处理、全息干涉计量、全息显示、全息光学元件等领域得到广泛应用。

然而由于激光再现的全息图失去了色调信息，人们开始研究第三代全息图。第三代全息图是利用激光记录和白光再现的全息图。激光的高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，并且相干噪声也很严重，这给全息术的实际应用带来了很大的不便。[2]因此，就对第四代全息术的发展提出了要求，

从而使全息术走出实验室，进入广泛的实用领域。

2 全息的基本原理

为了更好的理解全息术，先讨论一下人眼为什么能看到某个物体。这是由于这个特定物体发出（或反射）的光波将物体的信息传递到了眼睛。如果能够记录携带物体全部信息的物光波，并在一定条件下再现（亦称重现）这个物光波，即使这个特定物体已经不存在，但只要眼睛完全接收到这个再现波，就可以“看到”原物体的三维立体图像，如同物体仍在原来的位置。

全息照相分成两步，第一步是物光波记录，第二步是物光波的重现。[3]记录物体发出的光波就是既要记录物光波的振幅，又要记录物光波的相位。而全息照相的记录介质主要仍然是普通的感光片，它只对光强即光振幅敏感，对光的相位没有反应。因此需要采取措施把物光波的相位分布转换为强度分布加以记录。

2.1 波前记录

设物体散射的物光波为

()()()[]y x j y x O y x O O ,exp ,,0?=

另一个与物光波相干的参考光波为

()()()[]y x j y x R y x R R ,exp ,,0?=

经常把参考光取成平均平面波，[4]即()y x R o

,为常数。这两个相干光波在记录平面上叠加形成的光强为

()()()()()()()()()y x R y x O y x R y x O y x R y x O y x R y x O y x I ,,,,,,,,,2

22**+++=+=()()()()()()[]y x y x y x R y x O y x R y x O R O ,,cos ,,2,,002020

??-++= 假设记录过程是线性的，胶片的复振幅透过率函数()y x t ,正比于光强，则

()()()()[]()()()()[]y x y x y x R y x O y x R y x O t y x I t y x t R O b b ,,cos ,,2,,,,002020??βββ-?+++=+= （1）

式（1）中，b t 和β是反映胶片属性的两个常数。式（1）就是全息图的复振幅透光率函数，可见，它是物光和参考光干涉条纹的集合。[5]

2.2 波前重构

用一束相干光()y x B ,照明式（1）描述的全息图，[6]从全息图衍射的光波为

()()()y x t y x B y x U ,,,=

()()()[]

()()()()()()()y x B y x R y x O y x B y x R y x O y x B y x R y x O y x B t b ,,,,,,,,,,2020**++++=βββ

4321U U U U +++= （2）

如果照明光波就是参考光波，[7]即()()y x R y x B ,,=，式（2）中的第三项变成

()()23,,y x R y x O U β= （3）

由于参考光波是均匀的，()2,y x R 为常数，所以除了多出一个常数，3U 就是物光波。

如果照明光波是参考光的共轭波，即()()y x R y x B ,,*=，式（2）中第四项为

()()24,,y x R y x O U *=β （4） 除了多出一个常数，4U 就是物光的共轭波。[8]

3 全息术的应用

近三十年来，全息术发展极为迅速，已渗透到国民经济的各个领域。全息与艺术的结合已经迈出了坚实的一步，种类繁多的全息艺术制品早已走进市场，走入寻常百姓的生活中。作为一种高技术，全息在工业、国防、医学、航空航天等领域已无所不用，甚至在光学计算、光学互联等前沿学科的研究中也已占有一席之地。[9]由于全息应用方面的内容极为丰富，涉及面广，下面将介绍全息术在几方面的应用。

3.1 在艺术领域中的应用

显示全息摄影技术是在激光透射全息图片的基础上来制作各种类型的全息图片,如白光反射全息图片、白光透射全息图片等,各种类型的显示全息图片可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等；再如，以动态显示的全息技术：层面x 线照相术、3DCAD 技术、3D 动画片、雷达显示、导向和模拟系统等，充分展示了全息技术创造性的艺术魅力[10]。

显示全息术或称全息三维显示是光全息术应用的一个重要方面，随着科学技术的进步，它将被进一步推广加以应用。在每一次的显示全息术国际会议上，美国的Loith Benton 和俄罗斯的Denisyuk 等全息界的泰斗[11]，他们每回展出都带来令人惊讶的全息图，它们或栩栩如上，或色彩鲜艳、变化无穷，或显示的物波占前后空间达半米的立体视觉，带给人遐想和灵感。所以这项技术是科学与技术的结晶，在艺术领域中有着广泛的应用，如艺术图像精品、稀世文物再现、三维显示壁灯、科教显示图、大幅仿真商业广告等等。在反光材料领域中，具有衍射图文的模压箔(也称镭射箔、钻石胶片或晶晶彩虹片)，由于它特有的绚丽色彩和丰富变化的图案[11]，在装饰、家具贴

边，礼品包装、商品装演等方面得到应用。近年来，全息立体图和真彩色全息逐渐发展起来，使模压全息图在像质、色彩等方面均有显著地改善，可以表现动态景物，如人物肖像可呈现逼真的立体效果，并能随观看角度的变化伴随着再现像的一连串动作。

3.2 在防伪领域中的应用

第一个模压全息防伪标识是1980年在美国生产的，由于模压全息图片技术含量高，带有附加的保密特性，可以防止复制[12]。将全息防伪标记记录、存储和转移到护照、信用卡以及高级化妆品、酒类、体育用品、家用电器、汽车和飞机的各种配件等高级产品上，起到防伪作用。现在，国内外已有生产制作卡式全息标牌的专用设备，应用于服装标牌、公司标志、产品标签等方面。目前，许多国家已经在大面值钞票上应用了全息防伪标识。

3.3 在医学领域中的应用

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㎜以上的乳腺癌[13]，有利于癌症的早期诊断和搭疗。超声全息还可用于医疗上的透视，降低对操作人员的危害。

3.4 在军事领域的应用

全息技术可以弥补一般的空中、水下监视系统的不足。比如，一般的雷达系统只能探测到目标的远近、方位和运动速度等，而全息监视系统能提供目标的三维图象，这在国防军事上具有重要意义，因为及时判断识别目标对积极采取对策极为重要。全息术应用于军事将使通讯、导航、定位检测等技术发生实质性的变化。

3.5 在测量领域中的应用

用全息干涉的方法进行精密测量，称为全息干涉计量，是目前全息应用最广泛的领域。干涉计量的基础是波前比较。全息术是唯一能记录和再现波前的技术，这使我们有可能用严格标准波前与一个编写物体产生的波前相比较而实现干涉计量。由于相干光束是由同一系统产生的，因而可以消除系统误差的影响、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，这是其它测量技术所达不到的。同时它还可以对一个物体在两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于莫尔技术、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、准确地实时测量[14]。

3.6 在存储领域中的应用

由于全息存储具有高冗余度、高存储容量、高数据传输速率和用很快的存储时间，即可进行并行内容寻址等优点最终会取代现己成熟的磁性存储技术和光盘存储技术，在未来的数字存储领域发挥巨大作用。例如，OPTWARE公司推出的全息通用光盘(HVD，Holographic Vcrsatilc Disc)，理论上，与传统DVD尺寸相同的HVD的最高可记录3.9TB的数据，传输速率也可达到1GbPs，相当于数百张DVD的容量，传输速度也快了几十倍，并且由于不可物理复制，所以安全性方面表现卓越[15]。此外，伴随着计算全息的进一步发展，光全息完全可满足人们在诸多领域中的要求，如视频服务器、图像数据库和航空航天领域等应用中的数据存储的要求。

3.7 激光全息无损检测的应用

激光全息无损检测是利用激光全息照相来检测物体表面和内部缺陷的。因为物体在外界载荷作用下会产生变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关。通过外界加载的方法，激发物体表面的变形，再利用激光全息照相法，把物体表面的变形以明暗相间的条纹形式记录下来，通过观察、分析、比较全息图，从而判断物体表面或内部是否存在缺陷。

作为超声、射线等常规无损检测方法的一种补充，目前，激光全息无损检测主要应用于航空、航天以及军事等领域，对一些常规方法难以检测的零部件进行了检测，如直升机旋翼后段、玻璃纤维胶结中锥雷达罩、碳纤维喇叭内壁纯金镀层、密封橡胶油垫、固体火箭发动机推进火药柱包覆层、运载火箭姿态发动机燃烧室、金属蜂窝结构、层合板、先进复合材料、航空轮胎等的缺陷进行检测[16]。此外，在石油化工、铁路、机械制造、电力电子等领域也获得了越来越广泛的应用，如管道和压力容器的腐蚀和裂纹检测、印刷电路板焊接缺陷的检测、机械构件的疲劳裂纹检测等。

4 白光再现全息术

前面谈到的全息图必须用相干光记录，用相干光重构，其应用受到限制。事实上，只要采用恰当的记录技术，就能够在非相干光下重构或再现物体。

全息照相时，使物体紧贴记录介质，可以得到像全息图。像全息的主要特点是可以用扩展的白光光源照明再现[17]。像全息的记录要求物或物体的像面与记录介质的距离非常小，而彩虹全息没有这种限制。制作彩虹全息图时，在记录光路中的适当位置加一个狭缝，再现时同时再现狭缝像，观察再现像时将受到狭缝再现像的限制。当用白光照明再现时，对不同波长的光，狭缝和物体的再现像的位置都不同，在不同位置将看到不同颜色的物体再现像，颜色的排列顺序与波长顺序相同，犹如彩虹一样，因此成为彩虹全息。它分为二步彩虹全息和一步彩虹全息，前者的优点是视场大[13]，但制作时需要经过两次激光记录，斑纹噪声大，直接应用有困难。一步彩虹全息简化了记录过程，噪声较小，在实用方面取得了进展，但视场受到透镜大小的限制。

5 全息术的展望

目前，全息技术的产品正越来越多地走向市场，而且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。

下述课题的研究有可能成为全息术研究的热点。[18]（1）白光记录和白光再现的全息图将使全息术最终走出实验室，进入更广泛的实用领域。（2）干涉计量用全息彩虹相机的研究，研制出结构简单且实用的全息照相机；数字全息图的研究。（3）模压光栅全息图的研究。这是将飞速发展的计算机技术引进模压全息工业的杰作，制作三维物体以及二维、三维物体混合的模压光栅全息图，将成为全息工作者要解决的问题。（4）纳米级精度光学全息元件的研究。这是个学科交叉的课题，需要有相关技术与全息技术相结合才能完成。（5）寻找制作全息电影和全息电视的简捷途径。使之实用化将是全息工作者追求的目标。

可以相信，随着全息技术的快速发展，它必然会越来越多地应用于现代生活中。参考文献：

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