全息術(shù)歷史和發(fā)展論文

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論文關(guān)鍵詞：全息術(shù)；干涉計(jì)量；全息存儲(chǔ)；顯示全息；模壓全息

論文摘要：回顧了全息術(shù)的歷史，闡述了全息術(shù)的基本原理，然后介紹了全息術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用及其發(fā)展方向。

我們看到的世界是三維的、彩色的，這是因?yàn)槊總€(gè)物體發(fā)射的光被人眼接受時(shí)，光的強(qiáng)弱、射向和距離、顏色都不同。從波動(dòng)光學(xué)的觀點(diǎn)看，是由于各物體發(fā)射的特定的光波不同，光的特征主要取決于光波的振幅(強(qiáng)弱)，位相(同相面形狀)和波長(zhǎng)(顏色)。如果能得到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三維像，這就是全息術(shù)。全息術(shù)誕生到現(xiàn)在60年來(lái)取得了很大的進(jìn)展，已被廣泛地應(yīng)用于近代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中。

1全息術(shù)的歷史和發(fā)展階段

1948年，丹尼斯·蓋伯提出一種記錄光波振幅和相位的方法，隨后用實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一想法，即全息術(shù)，并制成世界上第一張全息圖。蓋伯本來(lái)是為提高電子顯微鏡的分辨率而提出的設(shè)想，雖然未能用電子波證實(shí)其原理，但用可見(jiàn)光證實(shí)了。從第一張全息照片制成到20世紀(jì)50年代末期，全息圖制作具有以下共同特點(diǎn)：全息圖都是用汞燈作為光源；而且是所謂同軸全息圖，即物光和參考光在一條光路上得到的全息圖。這一時(shí)期的全息圖被稱為第一代全息圖，標(biāo)志著全息術(shù)的萌芽。第一代全息圖存在兩個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，一個(gè)是再現(xiàn)的原始像和共軛像分不開(kāi)，另一個(gè)是光源的相干性太差。因此在這十多年中，全息術(shù)進(jìn)展緩慢。

1960年激光的出現(xiàn)，提供了一種高相干度光源，為全息技術(shù)發(fā)展提供了可能。針對(duì)第一代全息技術(shù)出現(xiàn)的問(wèn)題，利思和烏帕特尼克斯(1962)提出，將通信理論中的載頻概念推廣到空域中，用離軸的參考光與物光干涉形成全息圖，再利用離軸的參考光照射全息圖，使全息圖產(chǎn)生三個(gè)在空間互相分離的衍射分量，其中一個(gè)復(fù)制出原始物光。該方法被稱為離軸全息術(shù)，這是全息術(shù)發(fā)展的第二階段。第二代全息術(shù)解決了光源的問(wèn)題，并且在立體成像、干涉計(jì)量檢測(cè)、信息存貯等應(yīng)用領(lǐng)域中獲得巨大進(jìn)展，但是激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信息。

科學(xué)家們開(kāi)始致力于研究第三代全息圖到。這是用激光記錄，而用白光再現(xiàn)的全息圖，在一定的條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩。第三代全息術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域的到了應(yīng)用，例如：像全息、反射全息、彩虹全息、模壓全息等。

激光的高度相干性，要求全息拍攝過(guò)程中各個(gè)元件、光源和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置嚴(yán)格保持不變，這也給全息技術(shù)的實(shí)際使用帶來(lái)了種種不便。于是，科學(xué)家們又回過(guò)頭來(lái)繼續(xù)探討白光記錄的可能性。第四代全息圖應(yīng)該是白光記錄白光再現(xiàn)的全息圖，它將使全息術(shù)最終走出有防震工作臺(tái)的黑暗實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入更加廣泛的實(shí)用領(lǐng)域。

2全息術(shù)的基本原理和特點(diǎn)

全息術(shù)是一種“無(wú)透鏡”的兩步成像法，它能在感光膠片上同時(shí)記錄物體的全部信息，即物體光的振幅和位相。全息照相過(guò)程分全息記錄和再現(xiàn)兩步：第一步稱為波前記錄(全息記錄)；第二步物體的再現(xiàn)(重現(xiàn))。

波前記錄依據(jù)的是干涉原理，物光波和參考光波相干疊加而產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋的反襯度記錄了物光波前的振幅分布，干涉條紋的幾何特征(包括形狀、間距、位置)記錄了物光波前的位相分布。就是說(shuō)，全息圖上的強(qiáng)度分布記錄了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布，它們分別反映了物體的明暗和縱深位置等方面的特征。應(yīng)當(dāng)指出，任何感光底片都只能記錄振幅(或者說(shuō)強(qiáng)度)的分布，而不能直接記錄位相分布，全息照相之所以能記錄位相分布，是利用了參考光波把它轉(zhuǎn)化成了干涉條紋的強(qiáng)度分布。假如沒(méi)有參考光波，或者它與物光波不相干，波前上的位相分布是不可能記錄下來(lái)的。

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(+1級(jí)衍射波)，物光波的共軛波(-1級(jí)衍射波)，照明光波的照直前進(jìn)(零級(jí)衍射波)。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。

全息術(shù)的原理決定了它所記錄的全息圖有下列特點(diǎn)：

(1)三維性——因?yàn)槿D記錄了物光的相位信息，圖像具有顯著的視差特性，可以看到逼真的三維圖像。

(2)不可撕毀性——因?yàn)槿D記錄的是物光與參考光的干涉條紋，所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再現(xiàn)完整的被攝物形象，只是分辨率受到一些影響。

(3)信息容量大——同一張全息感光板可多次重復(fù)曝光記錄，并能互不干擾地再現(xiàn)各個(gè)不同的圖像。

(4)全息圖的再現(xiàn)相可放大或縮小——因?yàn)檠苌浣桥c波長(zhǎng)有關(guān)，用不同波長(zhǎng)的激光照射全息圖，再現(xiàn)相就會(huì)發(fā)生放大或縮小。

3全息術(shù)的主要應(yīng)用及其發(fā)展方向

全息術(shù)經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展，已與計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)以及非線性光學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，成為一種高新技術(shù)，擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)、藝術(shù)、裝飾、包裝、印刷等領(lǐng)域，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家還興起了全息產(chǎn)業(yè)，并且正在形成日益廣闊的市場(chǎng)，實(shí)用前景非常可觀。本文介紹全息術(shù)中幾個(gè)應(yīng)用較為廣泛、產(chǎn)業(yè)化較成熟的領(lǐng)域并說(shuō)明其發(fā)展方向。

3.1全息存儲(chǔ)

全息存儲(chǔ)是依據(jù)全息術(shù)的原理，將信息以全息照相的方式存儲(chǔ)起來(lái)，它利用兩個(gè)光波之間的耦合和解耦合，可以把信息存儲(chǔ)和信息之間的比較(相關(guān))、識(shí)別，甚至聯(lián)想的功能結(jié)合起來(lái)，也就是可以把信息存儲(chǔ)和信息處理結(jié)合起來(lái)。用于全息信息存儲(chǔ)的記錄介質(zhì)較多，可永久保存信息的全息圖用銀鹽干板、銀鹽非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蝕劑等；可擦除重復(fù)使用的實(shí)時(shí)記錄材料有光導(dǎo)熱塑料、有機(jī)或無(wú)機(jī)光折變材料等。全息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)容量方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，原因是：

(1)全息存儲(chǔ)具有存儲(chǔ)容量大的優(yōu)勢(shì)。用感光干板作為普通照相記錄信息時(shí)，信息存儲(chǔ)密度的數(shù)量級(jí)一般為105bit/mm2；用平面全息圖存儲(chǔ)信息時(shí)，存儲(chǔ)密度一般可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)106bit/mm2；如果用體全息圖存儲(chǔ)信息時(shí)，存儲(chǔ)密度可高達(dá)1013bit/mm2。

(2)全息存儲(chǔ)具有極大的冗余性，存儲(chǔ)介質(zhì)的局部缺陷和損傷不會(huì)引起信息丟失。

(3)全息存儲(chǔ)具有讀取速率高和能并行讀取的特點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)可包含達(dá)1Mbit的信息，寫(xiě)人一頁(yè)的時(shí)間在100ms左右，讀信息的時(shí)間可以小于100μs，而磁盤的尋址時(shí)間至少需要10ms。

當(dāng)前，在世界范圍內(nèi)掀起了全息存儲(chǔ)研究的熱潮，并取得很大的進(jìn)展，其主要表現(xiàn)在：

(1)存儲(chǔ)容量迅速提高和性能不斷改善，并逐步走向?qū)嵱没＠纾?994年美國(guó)加州理工學(xué)院在1cm3摻鐵妮酸銼晶體中記錄了1000幅全息圖，同年，斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組把經(jīng)壓縮的數(shù)字化圖像視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)全息存儲(chǔ)器中，并再現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)而圖像質(zhì)量無(wú)顯著下降。1999年美國(guó)加州理工大學(xué)利用空-角復(fù)用技術(shù)，在同一塊在摻鐵鈮酸鋰晶體中存儲(chǔ)了26000幅全息圖。北京清華大學(xué)實(shí)現(xiàn)了在摻鐵妮酸鏗晶體中的同一空間位置記錄1500幅全息圖，并研制了具有緊湊結(jié)構(gòu)的靈巧型全息存儲(chǔ)裝置。

(2)實(shí)用化的全息存儲(chǔ)系統(tǒng)逐漸推出。例如，1995年由美國(guó)政府高級(jí)研究項(xiàng)目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大學(xué)等聯(lián)合成立了協(xié)作組織并在美國(guó)國(guó)家存儲(chǔ)工業(yè)聯(lián)合會(huì)(NS1C)支持下川，投資約7000萬(wàn)美元，實(shí)施了光折變信息存儲(chǔ)材料(PRISM)和全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)(HDSS)項(xiàng)目，預(yù)期在5年內(nèi)開(kāi)發(fā)出具有容量為1Tbit數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)速率為1000MB/s的一次寫(xiě)人或重復(fù)寫(xiě)人的全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。同樣的研究在法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)家也正在加緊進(jìn)行。

近幾年來(lái)，光電子技術(shù)和器件取得了系列重大進(jìn)展，為全息存儲(chǔ)器提供了所必要的高性能半導(dǎo)體激光器、液晶空間光調(diào)制器、CCD陣列探測(cè)器等核心元器件，全息存儲(chǔ)的理論和方法的發(fā)展使這項(xiàng)技術(shù)日趨成熟然而，美中不足的是全息圖的壽命問(wèn)題尚待解決，雖然張澤明、謝敬輝等對(duì)Ce：Fe：LiNbO3晶體的全息存儲(chǔ)和熱定影進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，從方法上給出了記錄角度越大，光柵周期越小，熱定影所需最小離子數(shù)密度越高，存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體性能越好，但是目前還未解決的一個(gè)難題是尋找合適的記錄材料。無(wú)疑，這將成為全息存儲(chǔ)界研究的熱門課題。

3.2顯示全息

顯示全息技術(shù)是在激光透射全息圖的基礎(chǔ)上來(lái)制作各種類型的全息圖，如白光反射全息圖、白光透射全息圖等，各種類型的顯示全息圖可用于舞臺(tái)布景、建筑、室內(nèi)裝飾、投影等；再如，以動(dòng)態(tài)顯示的全息技術(shù)、層面X射線照相術(shù)、3DCAD技術(shù)、3D動(dòng)畫(huà)片、雷達(dá)顯示、導(dǎo)向和模擬系統(tǒng)等，每3年一次的顯示全息國(guó)際會(huì)議上都有全息界泰斗展出令人吃驚的全息圖，它們充分展示了全息技術(shù)創(chuàng)造性的魅力和藝術(shù)的美。

顯示全息目前主要有兩大類：第一類是Lippmann全息圖，制作方法有Denisyuk的單光束法和Benton的開(kāi)窗法。第二類是S.A.Benton的彩虹全息圖，這是一種透射式顯示全息圖，可在白光照明下再現(xiàn)立體圖像，且圖像的顏色隨觀察的位置的變化而變化，從紅到紫如雨后彩虹而得名。隨著高質(zhì)量記錄材料的發(fā)展，隨后的一些研究者和藝術(shù)家不斷追求更實(shí)用的拍攝技術(shù)，如假彩色編碼和真彩色反射全息圖等。美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主辦的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世紀(jì)80年代都有關(guān)于這方面的論文報(bào)道。由SPIE主辦的《Holosphere》和美國(guó)全息制造商協(xié)會(huì)主辦的《HolographyNews》以往和近年都不斷地報(bào)道有關(guān)顯示全息圖的最新制作技術(shù)和商業(yè)信息。但從這些報(bào)道情況來(lái)看，顯示全息存在不足主要表現(xiàn)在：

(1)視角范圍、圖像體積有限；

(2)沒(méi)有獲得特別有效的全息圖的計(jì)算方法；

(3)由于全息計(jì)算數(shù)量巨大，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)顯示異常困難。克服以上不足，將可能成為顯示全息研究的幾個(gè)熱點(diǎn)。

近年來(lái)，顯示全息技術(shù)掀起一場(chǎng)數(shù)字化變革，數(shù)字合成全息技術(shù)為全息三維顯示開(kāi)辟了前所未有的應(yīng)用前景。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的提高和高分辨空間調(diào)制器件的發(fā)展，利用顯示全息的大視場(chǎng)、大景深、全視差、真彩色、可拼裝、價(jià)格低廉等特性，在不久的將來(lái)開(kāi)發(fā)出真正意義的全息電影和全息電視，為顯示全息技術(shù)創(chuàng)造良好的商業(yè)前景。

3.3模壓全息

模壓全息是1979年RCA公司為解決視頻標(biāo)準(zhǔn)件的全息拷貝而提出的，它是將全息術(shù)和電鍍、壓印技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使全息圖的制作產(chǎn)業(yè)化，用白光再現(xiàn)時(shí)，可得到色彩鮮艷逼真的三維圖像，并可通過(guò)印刷方式大批量生產(chǎn)，使得它在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，以商品形式走向市場(chǎng)。模壓全息的制作主要分為三個(gè)階段：激光攝制原片全息圖；電成型制金屬模板；模壓復(fù)制。這三個(gè)階段生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求都比較高，因此，模壓全息作為安全防偽首當(dāng)其沖，是安全防偽技術(shù)的一個(gè)里程碑。正如全息圖的新奇性、強(qiáng)烈的視角效果、制作的難度以及易于應(yīng)用在鈔票的包裝上，不能去除性、價(jià)格低廉、容易驗(yàn)證等特點(diǎn)，使它很快占領(lǐng)了防偽領(lǐng)域。模壓全息是一種技術(shù)與藝術(shù)結(jié)合的高科技產(chǎn)品，無(wú)論在高檔商品促銷、名優(yōu)商品的防假冒或在有價(jià)證券(如信用卡、鈔票、護(hù)照簽證)的防偽和加密以及圖書(shū)、印刷、印染、裝磺、紀(jì)念郵票和廣告標(biāo)牌等都有采用模壓全息技術(shù)，并備受使用者青睞。

模壓全息出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，80年代中期已形成了一種產(chǎn)業(yè)，90年代達(dá)到了鼎盛時(shí)期。本世紀(jì)初，隨著防偽技術(shù)要求的不斷提高，模壓全息技術(shù)又有了新的突破：美國(guó)斑馬圖像公司推出了二維圖像的數(shù)字化采集和拍攝技術(shù)；2003年，蘇州大學(xué)研制成功并已批量生產(chǎn)“數(shù)碼激光全息照排系統(tǒng)”；同年，倪星元、張志華等成功研制了可替代傳統(tǒng)鍍鋁防偽薄膜的透明TiO2激光全息防偽薄膜。這些模壓全息的一個(gè)個(gè)技術(shù)突破，使防偽功能有了提高，讓激光全息防偽技術(shù)達(dá)到新的境界。

模壓全息產(chǎn)業(yè)在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展速度迅猛，目前國(guó)內(nèi)已有100多條模壓全息生產(chǎn)線。為了使模壓全息技術(shù)健康發(fā)展，我國(guó)模壓全息產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須在三個(gè)方向上引起重視：首先是開(kāi)拓全息燙金材料，取代金膜和銀膜，其次開(kāi)發(fā)全息包裝材料，實(shí)現(xiàn)立體防偽包裝，第三個(gè)方向是模壓全息技術(shù)和現(xiàn)代印刷術(shù)相結(jié)合，體現(xiàn)傳統(tǒng)的美術(shù)效果和現(xiàn)代科技的藝術(shù)魅力。

3.4全息干涉計(jì)量

全息干涉計(jì)量術(shù)是將不同物光，在不同的時(shí)間記錄在同一張全息干板上，然后利用全息術(shù)的空間波前再現(xiàn)原理，非接觸地對(duì)物體表面進(jìn)行三維測(cè)量而獲得信息。全息干涉計(jì)量術(shù)是全息應(yīng)用的一個(gè)重要方面，它能實(shí)現(xiàn)高精度非接觸性無(wú)損測(cè)量，比一般光學(xué)干涉計(jì)量有很多優(yōu)點(diǎn)。一般光學(xué)計(jì)量只能測(cè)量形狀比較簡(jiǎn)單、表面光度很高的零部件，而全息計(jì)量方法則能對(duì)任意形狀、任意粗糙表面的物體進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為光波波長(zhǎng)λ的數(shù)量級(jí)。目前，全息干涉計(jì)量術(shù)在方法上先后發(fā)展了實(shí)時(shí)全息干涉法(單次曝光法)、二次曝光全息干涉法、時(shí)間平均全息干涉法、雙波長(zhǎng)干涉法以及雙脈沖頻閃全息干涉法，此外，J.A.Leendertz開(kāi)辟了全息干涉計(jì)量術(shù)的另一個(gè)新的分支-激光斑紋計(jì)量術(shù)。隨著光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、CCD器件及光纖技術(shù)的飛速發(fā)展，使得全息干涉計(jì)量技術(shù)在信息采集和處理上更為方便、快捷和可靠，并得以在惡劣環(huán)境條件下對(duì)某些物理量進(jìn)行定時(shí)測(cè)量。再加之相移技術(shù)、外差技術(shù)和鎖相技術(shù)等，可使測(cè)量精度提高到λ/100或更高。

全息干涉計(jì)量在20世紀(jì)80年代美國(guó)等西方先進(jìn)國(guó)家已產(chǎn)業(yè)化，我國(guó)在20世紀(jì)80年代初有幾所大學(xué)和科研單位的研究項(xiàng)目通過(guò)鑒定，其中有些達(dá)到當(dāng)時(shí)的先進(jìn)水平。經(jīng)過(guò)近幾年的開(kāi)發(fā)和研制，我國(guó)在全息干涉計(jì)量測(cè)試設(shè)備方面主要發(fā)展有：

(1)用于測(cè)試火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧化特性的YSCI型離子瞬態(tài)激光全息測(cè)試儀；

(2)用于激光熱核聚變稠密等離子體電子密度測(cè)量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外線激光全息探測(cè)儀；

(3)包括記錄、再現(xiàn)、圖像處理三部分的瞬態(tài)激光全息干涉計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)；

(4)用于對(duì)航空、航天、石油化工等部門常用的膜盒進(jìn)行位移檢側(cè)的激光全息光柵精密測(cè)試系統(tǒng)。目前美國(guó)和德國(guó)已經(jīng)研制出有菌子質(zhì)記錄介質(zhì)的激光全息干涉計(jì)量設(shè)備。

將全息干涉計(jì)量術(shù)與計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)相結(jié)合，借助光電圖像傳感器、大孔徑面陣CCD器件和小型化的脈沖固體激光器等先進(jìn)設(shè)備的出現(xiàn)，發(fā)展系統(tǒng)化、智能化、小型化的全息干涉計(jì)量裝置將是未來(lái)全息干涉計(jì)量術(shù)的發(fā)展方向。