全息技术的应用及其前景展望

全息术的发展及其应用展望

全息术的发展及其应用展望

第一章全息术简介

1.1什么是光全息术？

光全息术是利用光的干涉和衍射原理,将物体反射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,并在一定条件下使其再现,形成与原物体逼真的三维像.由于记录了物体的全部信息(振幅和位相) ,因此称为全息术或全息照相术. 显然,这是一种用光学方法在人的视觉上再现物体三维清晰像的典型技术. 近年来,这种技术的实际应用范围越来越广,且已超出工程技术领域,扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域. 正如1983 年英国泰晤士报宣称:“全息照相术面临的突破比150 年前照相术面临的突破更加有意义. ”提出这种观点的基础是因为模压全息图的产生. 这种产品使几十年来仅限于少数专家在实验室中的全息显示技术形成了能大规模生产的产业.

1.2全息术的类型

全息术的类型很多, 可以从不同的角度来进行分类: 比如根据拍摄时物与底片距离的远近分为夫琅和费全息与菲涅耳全息; 根据参考光与物光共轴与否分为共轴全息与离轴全息;也可以根据底片上乳胶层的厚度与干涉条纹间距的比例分为平面全息(乳胶层很薄以至全息片的性能不受乳胶层厚度影响) 和体全息(介质厚度大于干涉条纹间距, 介质内部也记录了干涉场的信息)。

1.3全息术的特点

1三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。2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。

3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。

4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。

第二章光全息术的发展

光全息术是D. Gabor在1948年为改善电子显微镜像质所提出的，其意义在于完整的记录。盖伯的实验解决了全息术发明中的基本问题，即波前的记录和再现，但由于当时缺乏明亮的相干光源(激光器),全息图的成像仍然质量很差。科家们认为新的显示时代已到来. 但由于当时没有足够强的相干辐射源,全息术的发展陷入了休眠状态.面临着巨大的障碍和仅有的一点结果,使它的早期研究者不得不放弃了这种光学显示技术.

全息术黯淡的前途直至60 年代初由于美国密执安大学雷达实验室进行的工作才使它

重放光彩. 该实验室从事综合孔径天线研究的E. N. Leith 和J . Upatnieks 几乎在J aven 等人制成氦氖激光器的同时,对Gabor的技术做了划时代的改进,同时成功地进行了三维立体漫射物的记录和再现实验. 同时期(1962年) , 前苏联科学家Y. N. Denisyuk 根据G. Lipp2 mann 的驻波天然彩色照相法(1908 年获诺贝尔物理学奖) 提出了白光反射全息图. 从此应用研究不断发展,许多科学工作者开始了他们自己的研究以探讨全息术的应用潜力及其应用领域,如全息干涉计量术、全息存储、全息光学元件、全息显微术、显示全息、计算全息等等.

这期间,S. A. Benton彩虹全息术的发明揭开了显示全息图的应用序幕(80年代产业化的模压全息术就是建立在Benton 彩虹全息图的基础上) . 他们的成功,使Gabor 的全息思想在1971 年获得诺贝尔物理学奖. 二十世纪六十年代以来，全息技术的应用不断发展。1962年随着激光器的问世，利思和乌帕特尼克斯(Leith and Upatnieks)在盖伯全息术的基础上引入载频的概念发明了离轴全息术，有效地克服了当时全息图成像质量差的主要问题---孪生像，三维物体显示成为当时全息术研究的热点，但这种成像科学远远超过了当时经济的发展，制作和观察这种全息图的代价是很昂贵的，全息术基本成了以高昂的经费来维持不切实际的幻想的代名词。1969年本顿(Benton)发明了彩虹全息术，掀起以白光显示为特征的全息三维显示新高潮。彩虹全息图是一种能实现白光显示的平面全息图，与丹尼苏克(Denisyuk)的反射全息图相比，除了能在普通白炽灯下观察到明亮的立体像外，还具有全息图处理工艺简单、易于复制等优点。

总结上文可以发现自六十年代以来全息术的发展大致经历了以下几个阶段：

1同轴全息术

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。从那时起到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±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。

2离轴全息术

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。1 962 年, 美国科学家利思(L eith) 和乌帕特尼克斯(U patn iek s) 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, 同轴全息图的2 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。

3白光再现全息术

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1 000万份增加到再版后的1 600 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。反射全息利用体积全息图对波长的灵敏性, 可以用激光记录, 白光再现出单色像; 也可以用3 种波长的光(红、绿、蓝) 记录, 用白光照明再现产生物体的真彩色像, 3 种波长通常是用氦2氖激光器的红光(632. 8 nm ) 和氩离子激光器的绿光(514. 5 nm ) 及蓝光(476. 5 nm )。

4白光全息术

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。

5 最新进展

1996 年, Shimizu 小组采用计算全息图观察到了第一幅原子束再现的全息像, 并开创了原子全息术的实验研究。1997 年, Tonomura 等人拍摄了第一张电子全息图, 不过全息再现时使用的是光波。具有原子尺度分辨本领的中子全息照相术也已实现，它采用了“内探测

器”方法, 这对于重现一个晶格内部的像是很重要的,

第三章全息术的应用

随着全息术的迅速发展, 全息照相技术的应用领域已越来越广泛, 如今它已被应用于以下领域中：

3. 1全息显微术

全息显微术是全息与显微相结合的技术。与一般显微术相比, 其优点是能存储标本物整体, 无须制备标本物的切片。尤其是对一些活的标本物,它可以用高功率的连续光或脉冲激光拍照全息图,长期保存, 再现像具有立体性, 能显示样品的细节。全息显微术主要有 2 种形式: 一种是将全息技术和显微镜结合, 称为“全息显微镜”, 解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾, 避免了像差影响而达到很小衍射极限, 可以获得更大的视野; 一种是利用全息图本身的特性来进行放大, 称为“全息放大”。如果在拍摄和显示时, 采用不同波长, 衍射角不同, 这等于将全息图作了相应的调整, 可以实现图像放大。全息显微术广泛应用于医学、生物学、科研等方面。

3. 2全息显示

全息显示是指利用全息照片来重现十分逼真的物体的三维图像。这个领域是商业价值较高的领域, 尤其是白光再现全息术, 它是走出实验室的最实用的全息术。现在民品开发主要集中在全息显示领域, 把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来, 展出时可以真实地立体再现文物, 供参观者欣赏, 而使原物妥善保存, 防止失窃。大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告, 亦可再现人物肖像、结婚纪念照。小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰,它可再现人们喜爱的动植物, 如多彩的花朵与蝴蝶等。用于全息显示的全息图主要有菲涅

耳全息图、像全息图、反射全息图、彩虹全息图、合成全息图等。这些图片可用于投影、室内装潢、舞台布景、建筑等; 层面X 射线照相术、3DCAD 技术、3D 动画片等充分展示了全息术的创造性魅力和艺术美。

3. 3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。

3. 4全息信息存储

光全息存储是依据全息学的原理, 将信息以全息照相的方式存储起来, 利用 2 个光波之间的耦合和解耦合把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别, 甚至联想的功能结合起来,也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。全息信息存储是20 世纪60 年代随着激光全息发展而出现的一种全新的存储方式。其特点是大容量、高密度、高衍射效率、低噪声、高分辨率和高保真度。光全息存储不仅容量大, 而且数据传输速率高, 寻址时间短, 比其它任何一种同时具有这些优点的信息存储技术更接近实用化阶段。

3. 5计算全息

计算全息图的物波不是来自真实物体的光波, 而是人们利用计算机算出的假想物体的物波函数——物波的光场分布。可以先由计算机算出假想物体的物波与参考波相干叠加的光强分布, 再由计算机绘图仪把算出的干涉图形画出来, 将模拟的干涉图样绘制和复制在透明胶片上。这种计算机合成的全息图称为计算全息图。目前, 计算全息的主要应用范围是: 产生特定波面用于全息干涉计量、二维和三维物体像的显示、激光扫描器、数据存贮及在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器等。通过计算机制成的全息图, 可将数量巨大的组合图像进行记录, 并能很好地平衡其颜色, 为电子文档和图像处理系统开辟了崭新的前景。

3. 6模压全息模压

全息术是20 世纪70 年代提出的一种低成本大批量复制全息图的技术, 也是目前世界上唯一能够大规模工业化生产全息图的技术方法。其生产过程是首先通过全息照相技术获得一张表面浮雕式全息图, 再通过精细化学镀膜技术制成上机镍板, 最后通过专用模压机在适当材料(PET 和PVC) 上压印出全息图像。模压全息技术[ 8 ]类似于凸版印刷术, 但由于不需要使用油墨, 因而又被称为无油墨印刷。由于它可以印刷立体图像并具有广泛的前景, 又被称为“立体印刷”和“21 世纪的印刷术”。它解决了全息图的复制问题, 可以大规模生产,使全息图最终走出实验室, 迅速商品化, 并使全息术进入人们社会生活的很多领域。模压全息图逼真的三维显示、变幻无穷五彩缤纷的图像, 使其在包装、产品促销和装饰上得到充分应用, 其最重要的应用是在防伪领域。目前, 很多国家的护照、身份证、信用卡、商标、商品包装上都用模压全息作为防伪标识[ 9 ] , 并不断推出新技术打击伪造者。

3. 7在医学中的应用

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。

3. 8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。例如, 一般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像。这在国防军事上具有重要意义, 因为及时识别目标是飞机还是导弹, 是潜艇还是鱼雷, 对采取对策极为重要。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。全息术是正在蓬勃发展的光学分支, 其应用正向纵深方向发展, 已渗透到多个领域, 成为近代科学研究、工业生产及经济建设中有效的测试工具。

第四章全息术应用展望

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：

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。

6)研制性能更好的光全息存储器与已经成熟的磁性存储技术和光盘存储技术相比, 全息存储有以下特点和优点: 高冗余度、高存储容量、高的数据传输速率和很快的存取时间即可进行并行内容寻址等。

7) 发展激光防伪包装印刷。这一新技术，在包装、印刷和防伪行业有巨大的发展空间。

总得来说，从长远来看, 全息技术今后所带来的技术发展与应用是无法估量的。