全息照相及其应用.docx

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全息照相及其应用

全息照相及其应用

摘要：

全息照相与普通照相不同，普通照相只记录了被摄物体表面反射光的强度信息，形成的是二维平面图像，其像点与物点一一对应。

而全息照相利用波的干涉，借助参考光记录物体光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质上得到的不是物体的像，而是只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密条纹。

随着科技的发展，全息技术已经得到非常广泛的应用。

本文首先回顾了全息照相的历史，其次通过对全息照相原理的介绍,肯定了全息照相的拍摄要求，最后介绍了全息照相的应用，并对全息术的应用前景进行了展望。

关键词：

全息照相；全息应用；应用前景

HologramandItsApplication

Abstract:

Hologramisdifferentfromordinaryphotographwhichonlyrecordsthelightintensityofthesubjectsurface.Therefore,theimagerecordedbyordinaryphotographisatwo-dimensionalimage,andonepointoftheimageiscorrespondingtotheonepointoftheobject.Whilehologramrecordstheinformationofamplitudeandphaseofobjectwavesbymakinguseofinterferenceofwavesandthroughinterferencelight.Theimageoftheobjectcan’tbegottenfromtherecordingmedium,butsomefinestripesthatareonlyobservedinthehigh-powermicroscope.Withthedevelopmentoftechnology,holographictechnologyhasbeenverywidelyused.Thispaperfirstlyreviewsthehistoryofhologram.Thentheholographicprincipleisintroducedandtherecordingrequirementsofhologramareaffirmed.Finally,thepapergivesanintroductionabouttheapplicationofhologramandhasanoutlookabouttheapplicationprospectofhologram.

Keywords:

Hologram;Holographicapplications;Applicationprospect

我们看到的世界是三维的、彩色的,这是因为每个物体发射的光被人眼接受时,光的强弱、射向和距离、颜色都不同。

从波动光学的观点看,是由于各物体发射的特定的光波不同,光的特征主要取决于光波的振幅,位相和波长。

如果能得到景物光波的完全特征,就能看到景物逼真的三维像,这就是全息术。

全息照相利用波的干涉，记录被摄物体反射（或透射）光波中的信息（振幅、相位），我们把这种既记录振幅又记录相位的照相称为全息照相[1]。

全息照相是以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，借助于参考光记录物体光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质上得到的不是物体的像，而是只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密条纹，这些条纹记录了光波的强度，之所以能够记录光波的强度，其原因是参考光照射到底片上的强度是各处一样的，但物光强度则各处不同，其分布由被摄物体上各处发来的光决定，这样参考光和物光叠加干涉时形成的干涉条纹在底片上各处的浓度也就不同。

这种浓度反应物体上各处发光的强度，这一点与普通照相相类似。

全息照相经过半个多世纪的发展，目前在国内外已有较成熟的理论，在生产生活中也有越来越广泛的应用，其中，全息存储、显示全息、模压全息、全息干涉计量、计算全息已有广泛的应用，随着全息技术的不断发展，全息照相以其高端的实用性向经济、生活、国防、军事等领域逐步迈进，在不久的将来，全息照相的各种应用会进一步地提高和完善，并且，全息照相也将进入更加广泛的实用领域。

1全息照相的历史

1948年,丹尼斯·伽柏提出一种记录光波振幅和相位的方法,随后用实验证实这一想法,即全息术,并制成世界上第一张全息图[2]。

伽柏本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想,虽然未能用电子波证实其原理,但用可见光证实了。

从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期,全息图制作具有以下共同特点:

全息图都是用汞灯作为光源,而且是所谓同轴全息图,即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。

这一时期的全息图被称为第一代全息图,标志着全息术的萌芽。

第一代全息图存在两个严重问题,其一是再现的原始像和共轭像分不开,其二是光源的相干性太差。

因此在这十多年中,全息术进展缓慢。

1960年激光的出现,提供了一种高相干度光源,为全息技术发展提供了可能。

针对第一代全息技术出现的问题,利思和乌帕特尼克斯（1962）提出,将通信理论中的载频概念推广到空域中,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[3]。

该方法被称为离轴全息术,这是第二代全息术。

第二代全息术与第一代相比，解决了原始像和共轭像分不开和光源相干性差的问题,并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展,但是由于第二代全息术是用激光再现全息图像，这使全息图失去了色调信息。

科学家们开始致力于研究第三代全息图，这是用激光记录,而用白光再现的全息图。

白光再现全息照相要求全息底片感光乳胶层较厚,约15µm-20µm左右,而且分辨率要达到6000线/mm以上,这样才能产生高密度的干涉条纹[4]。

第三代全息术已经在很多领域得到了应用,例如:

像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。

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应用带来了种种不便。

于是,科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性，它是第四代全息图,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。

2全息照相基本原理

2.1基本原理

麦克斯韦理论告诉我们,光是某一波段的电磁波,振幅、频率（波长）和相位表示了光的全部信息。

从被摄物体上各点反射出来的光不仅强度不同,而且位相也不同。

普通照相是利用透镜成像原理,在感光胶片上只记录被摄物体表面反射光的强度（振幅）变化---形成二维平面像,而对于反射光的位相信息却没有记录，这样，普通照相底片上的像点与物点便成一一对应的关系，这种平面像毫无立体感。

而全息照相则是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助于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，如图1所示。

图1全息照相原理图

将一束相干光（激光）垂直照射在两条平行狭缝S1和S2上,通过S1和S2发出的两束光,在屏幕D上迭加成干涉条纹。

如果把狭缝S2看作物体,S1作为参考光束,则屏幕D上的干涉条纹就是物体S2的全息图,用照相底片将它记录下来就得到一张狭缝S2的全息照片。

如果狭缝S2用其他实物替代,则可拍到实物三维空间的立体全息照片。

这种记录了干涉条纹的全息照片可以看作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，在照片后就可以观察到原被照物的三维图像。

2.2全息照相记录过程[5]

　普通照相只记录了物体各点的光强信息（反映在振幅上），丢掉了位像信息，得到的是一个二维平面图像，毫无立体感。

而全息照相既记录了物体各点的光强信息，又记录了物体各点的位相信息，得到的是三维空间的立体像。

全息照相是利用光的干涉进行全息记录的，如图2所示。

图2　全息照相记录光路

设照相底片所在平面为X-Y平面,物光波O和参考光波R均为平面波,令:

（1）

（2）

据叠加原理,底片上的总场为:

（3）

到达底片上的光强是它们合振幅的平方,即:

（4）

式中O02,R02分别是物光波与参考光波各自独立照射底片时的光强度；第三、四项为物光与参考光之间的相干项。

它们把物光的位相信息转化成不同光强的干涉条纹记录在干涉场中照相底片上。

　　可见，全息底片记录下来的干涉条纹光强分布包含了物光波在底片上各点的振幅和位相，因为底片上某点的光强是到达该点的参考光波与到达该点的整个物光波干涉的结果。

物体上不同点由不同方向射到该点的物光都对该点的光强有贡献，这一点与普通照相底片上的像点与物点一一对应不同。

全息照片底片上的任何一小部分都记录着所有物点的信息，因此，通过全息照片的一块碎片也能看到整个物体的像。

2.3全息照相再现过程

曝光后的底片经过显影与定影后，得到透光率各处不同（由曝光时间及光强分布决定）的全息片，考虑振幅透射率T（＝透射光的复振幅／入射光的复振幅）是曝光量的函数，选择合适的曝光量及冲洗条件，可以使得T与曝光时的光强I之间为线性关系:

（5）

式中T0为未曝光部分的透射率，K为小于1的比例系数，它们均为常量。

当以原参考光为再现光入射全息照片时，透射光波应是：

（6）

上式表明，透射光包含三部分：

　　第一项

是

按一定比例重建的参考光，沿原来方向传播，即光栅的零级衍射。

　　第二项

与物光振动方程

一样,只是振幅多乘了一个系数KR02；这便是按一定比例重建的物光波，相当于一级衍射波。

根据基尔霍夫衍射原理，这一场分布决定了全息图后面的衍射空间有一个与原始物光波振幅和位相的相对分布完全相同的衍射波。

正是这一光波形成了与物体完全逼真的三维立体图像，从不同的角度去观察，能看到原被遮住的侧面。

　　第三项

与物光波的共轭光波有关，它是因衍射而产生的另一个一级衍射波，称为孪生波，它在有些情况下会形成一个发生畸变的，并且在观察者看来物体的前后关系与实物相反的实像。

全息照相还具有多次记录性，用几束不同方向的参考光可以在同一张底片上分别记录几个不同的物体，用相应方向的参考光可以分别再现各自独立、互不干涉的图像。

如果一个物体的形状随时间发生变化，那么若在同一张全息底片上相继进行两次重复曝光，再现时，前后两个全息图同时再现，并且两个像的再现光之间会因干涉而形成干涉条纹。

根据干涉条纹的分布可以计算物体表面各点位移的大小和方向。

在此基础上发展了一门新的测量物体微小变化的全息干涉技术。

3全息照相拍摄要求及特点

3.1全息照片拍摄系统必须具备的条件[6,7]

（1）光源必须是相干光源

通过前面分析知道，全息照相是根据光的干涉原理，所以要求光源必须具有很好的相干性。

激光的出现，为全息照相提供了一个理想的光源。

这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性，实验中采用He-Ne激光器，用其拍摄较小的物体，可获得良好的全息图。

（2）全息照相系统要具有稳定性

由于全息底片上记录的是干涉条纹，而且是又细又密的干涉条纹，如卤化银全息干板分辨率可达每毫米3000条，所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，甚至使干涉条纹无法记录。

比如，拍摄过程中若底片位移一个微米，则条纹就分辨不清，为此，要求全息实验台是防震的。

全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上。

另外，气流通过光路，声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。

因此，在曝光时应该禁止大声喧哗，不能随意走动，保证整个实验室绝对安静。

（3）物光与参考光应满足的条件

物光和参考光的光程差应尽可能相等，满足等光程原则，调光路时用细绳量好；两束光之间的夹角要在30°～60°之间，最好在45°左右，因为夹角小，干涉条纹就稀，这样对系统的稳定性和感光材料分辨率的要求较低；两束光的光强比要适当，一般要求在1∶3～1∶5之间都可以，光强比用硅光电池测出。

（4）使用高分辨率的全息底片

因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹，所以需要高分辨率的感光材料。

普通照相用的感光底片由于银化物的颗粒较粗，每毫米只能记录50～100个条纹，目前卤化银全息干板，其分辨率可达每毫米3000条，能满足全息照相的要求。

（5）全息照片的冲洗过程

冲洗过程也是很关键的。

我们按照配方要求配药，配出显影液和定影液。

上述两种药方都要求用蒸馏水配制，但实验证明，用纯净的自来水配制，也能获得成功。

冲洗过程要在暗室进行，药液千万不能见光，保持在室温20℃左右进行冲洗，配制一次药液保管得当可使用一个月左右。

3.2全息照相的特点

第一,它再现出来的像是跟原来物体一模一样逼真的立体像,和直接观察实物感觉完全一样。

第二,把全息照片分成若干小块,每一小块都可以完整地再现原来物体的像,所以全息照片即使有缺损,也不会使像失真。

第三,信息容量大---在同一张感光片上可以重叠记录许多像,这些像能够互不干扰地单独显示出来。

第四,全息照片很易复制。

4全息照相的应用

全息术经过60年的发展,已与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合,成为一种高新技术,扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域,在一些发达国家还兴起了全息产业,并且正在形成日益广阔的市场,实用前景非常可观。

在此介绍全息术中几个应用较为广泛、产业化较成熟的领域。

4.1全息存储[8-10]

全息存储是依据全息术的原理,将信息以全息照相的方式存储起来,它利用两个光波之间的耦合和解耦合,可以把信息存储和信息之间的比较、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。

用于全息信息存储的记录介质较多,可永久保存信息的全息图可用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等；可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。

全息存储还具有巨大的优势。

（1）全息存储具有存储容量大的优势。

用感光干板作为普通照相记录信息时，信息存储密度的数量级一般为105

bit/mm2；用平面全息图存储信息时,存储密度一般可提高一个数量级达

bit/mm2；如果用体全息图存储信息时,存储密度可高达bit/mm2。

（2）全息存储具有极大的冗余性,存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。

（3）全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点,每个数据页可包含1MB的信息,写入一页的时间在100ms左右,读信息的时间可以小于100s,而磁盘的寻址时间至少需要10ms。

全息存储的优势符合高密度信息存储高速数据处理的要求，使之成为极有潜力的光存储技术，而性能优良的光电子器件如空间光调制器、高速大像素的CCD探测器，以及半导体泵浦激光器等奠定的重要的硬件基础，使全息存储系统的研究迈向实用化和军事化。

例如，美国的InPhase公司研制的体全息存储器，面向广播电视台的媒体存储系统，单盘容量为100GB，传输速率为20MB/S。

日本的Optware公司使用全息技术，沿用已有的CD-ROM与DVD技术开发新一代高端存储器，存储容量达到1TB，传输速率达到1GB/S。

Holoplex公司的指纹识别系统，样机存储1000幅指纹图像，在一秒内便可完成输入指纹与所有存储内容的快速准确比较。

清华大学研制了小型体全息存储识别系统，存储密度达21.5GB/

，兼有多页面高速并行相关处理功能，寻址速率4500幅/S。

实现了单点1000幅图像（1024×768像素）的存储与读出。

全息存储对器件有一定的要求。

首先，用于全息存储系统的光源必须具有高度的空间和时间相干性，一般都是采用激光，总的说来，用于体全息存储的激光必须要有足够的功率（通常几百毫瓦），以便在记录介质上形成稳定的干涉图案，同时要求所有尺寸应该尽量小，以便减少存储系统的尺寸。

其次，用于体全息存储的空间光调制器要求很高的对比度和响应时间。

同时，帧速要达到1000帧/s,才可能达到100MB/s的数据传输速率。

再次，典型的光电探测器是电荷耦合设备CCD。

决定CCD质量的因素主要有量子效率、数据传输速率和单个像素的数目和尺寸，量子效率定义为射到光电探侧器的光敏面上的每一个光子能够感生出来的电子平均数，它往往与波长有很大的关系。

4.2显示全息[11]

显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图,如白光反射全息图、白光透射全息图等。

显示全息目前主要有两大类:

第一类是Lippmann全息图,制作方法有Denisyuk的单光束法和Benton的开窗法。

第二类是S.A.Benton的彩虹全息图,这是一种透射式显示全息图,可在白光照明下再现立体图像,且图像的颜色随观察的位置的变化而变化,从红到紫如雨后彩虹而得名。

随着高质量记录材料的发展,随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术,如假彩色编码和真彩色反射全息图等。

美国光学学会主办的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世纪80年代都有关于这方面的论文报道。

由SPIE主办的《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《HolographyNews》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息。

但从这些报道情况来看,显示全息也存在不足，主要表现在:

（1）视角范围、图像体积有限；

（2）没有获得特别有效的全息图的计算方法；

（3）由于全息计算数量巨大,导致动态显示异常困难。

近年来,显示全息技术掀起一场数字化变革,数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景。

随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展，利用显示全息的大视场、大景深、全视差、真彩色、可拼装、价格低廉等特性,在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视,为显示全息技术创造良好的商业前景。

4.3模压全息

模压全息是1979年RCA公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的,它是将全息术和电镀、压印技术结合起来,使全息图的制作产业化,用白光再现时,可得到色彩鲜艳逼真的三维图像,并可通过印刷方式大批量生产,使得它在许多领域得到广泛的应用,以商品形式走向市场。

模压全息的制作主要分为三个阶段:

激光摄制原片全息图；电成型制作金属模板；模压复制。

这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高,因此,模压全息作为安全防伪首当其冲,是安全防伪技术的一个里程碑。

正如全息图的新奇性、强烈的视角效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上,不能去除性、价格低廉、容易验证等特点,使它很快占领了防伪领域。

模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品,无论在高档商品促销、名优商品的防假冒或在有价证券（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都有采用模压全息技术,并备受使用者青睐。

模压全息出现于20世纪70年代,80年代中期已形成了一种产业,90年代达到了鼎盛时期。

本世纪初,随着防伪技术要求的不断提高,模压全息技术又有了新的突破:

美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术；2003年,苏州大学研制成功并已批量生产“数码激光全息照排系统”[12]。

这些是模压全息的一个个技术突破,使防伪功能有了提高,让激光全息防伪技术达到新的境界。

模压全息产业在我国起步较晚,但发展速度迅猛,目前国内已有100多条模压全息生产线。

为了使模压全息技术健康发展,我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视:

首先是开拓全息烫金材料,取代金膜和银膜,其次开发全息包装材料,实现立体防伪包装,第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合,体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力。

4.4全息干涉计量

全息干涉计量术是将不同物光,在不同的时间记录在同一张全息干板上,然后利用全息术的空间波前再现原理,非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。

全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面,它能实现高精度非接触性无损测量,与一般光学干涉计量相比有很多优点。

一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件,而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量,测量精度为光波波长λ的数量级。

目前,全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法（单次曝光法）、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法。

此外,J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支---激光斑纹计量术。

随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展,使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠,并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量，再加之相移技术、外差技术和锁相技术等,可使测量精度提高到λ/100或更高。

全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化,我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定,其中有些达到当时的先进水平。

经过近几年的开发和研制,我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有:

（1）用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪；

（2）用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪；（3）包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统；（4）用于对航空、航天、石油化工等部门常用的膜盒进行位移检测的激光全息光栅精密测试系统[13]。

目前美国和德国已经研制出由菌子质作为记录介质的激光全息干涉计量设备。

将全息干涉计量术与计算机图像处理技术相结合,借助光电图像传感器、大孔径面阵CCD器件和小型化的脉冲固体激光器等先进设备,发展系统化、智能化、小型化的全息干涉计量装置将是未来全息干涉计量术的发展方向。

4.5计算全息的应用

计算全息是将计算机技术和全息技术相结合,利用计算机编码制作全息图。

计算全息不仅可以全面记录光波的振幅和位相,而且还能记录综合复杂的物体的全息图,在低噪声、高重复率等方面也远远优于光学全息,因而具有独特的优点和极大的灵活性。

例如在工程设计中,为避免制作复杂模型,只需将设计数据输入计算机,制作计算全息图,就可显示出三维立体像来。

目前,计算全息的主要应用范围是:

二维和三维物体像的显示；制作各种空间滤波器；产生特定波面用于全息干涉计量；计算全息扫描器等等[14]。

此外,计算全息在安全方面也有独特的优点。

例如,将要加密的图像信息根据干涉原理随机分解成两部分,分别记录在两张计算全息图上。

当两张全息图对准合在一起照明再现时,才可以再现出原来的信息,只有同时拥有这两张配对的全息图才可解出原来的信息,因而用于图像信息加密时,具有很高的安全性。

随着大容量、高速度计算机的不断出现,以及激光扫描器、电子束、粒子束等成像技术的发展,计算全息必将显示出更大的优越性,进入更多的应用领域。

4.6全息照相的军事应用

全息照相不仅记录了物光波的强度,而且记录了其相位信息,因此能再现原物体的立体像。

随着人们对全息照相的深入研究,多种全息技术应运而生,如全息干涉计量技术、全息无损检测技术、全息显微技术、全息存储技术、全息模压技术等。

除此之外,全息照相也广泛应用于军事领域。

4.6.1军事资料及机密文件的