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1、全息技术及其发展应用王群（陕理工物电学院（系）物理学专业091班，陕西 汉中 ）指导教师：贺雅琦【摘要】全息技术从其出现至今经历了快速的发展，随着理论和技术的逐渐成熟，全息技术已经越来越多的进入我们的生活，本文从全息技术的原理开始，回顾了全息技术的发展过程，并介绍了全息技术近年来的几个重要应用。【关键词】全息技术； 全息成像； 干涉； 全息图像； 激光。全息技术是一种全新的光学成像技术，自1949年英国科学家丹尼斯盖伯(Dennis Gabor)提出以来，取得了飞速的发展，目前已经应用到科学研究、新技术的发展以及工业生产的许多方面。一、全息影像技术概念及原理 所谓“全息（holography）
2、”即“全部信息”，是指用摄影的方法记录并且再现被拍摄物体发出的光的全部信息，实现真实的三维图像的记录和再现。它的基础和核心是全息照相。一般的三维图像只是在二维的平面上通过构图及色彩明暗变化实现人眼的三维感觉，而全息立体摄影产生的全息图则包含了被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息，能提供“视差”。普通照相是用光学镜头把物体成像在感光胶片上经过冲洗印相得到与物体相似的平面像，它记录的是物体各点的光强分布。全息照相不用镜头成像，它的基本方法是把一束激光用分束器分成两束，一束激光直接照在感光胶片上，称为参考光束；另一束光照明被摄物体再反射到胶片上.这束光称为物光。物光与参考光在胶片上叠加起来，形
3、成干涉图。这样的胶片经过冲洗后就得到全息照片。全息照相底片并没有物体形象，是一片极细的各种条纹构成的图案，若用原参考光去照射，便可得到原物体的空间(三维)再现影像，一般可得到一个虚像和一个实像。 全息影像一般用激光进行，这是因为激光的频率单一效果好。全息影像有两种:一种是单色全息影像，一种是白光全息影像。单色全息影像只能在相同色光的激光下来观察白光全息影像可以在自然光下来观察。二、全息影像技术的特点与普通摄影不同，全息摄影技术有以下几个突出特点：（1）三维立体性 所谓三维立体性，是指全息照片再现的图像是三维立体的，具有如同观看真实物体一样的立体感。这一性质与现有的用偏振镜观看立体电影有着本质的
4、区别。全息图形象生动，再现的时候，全息图能如实地呈现出物体的三维立体图像，清晰度和逼真度高。（2）可分割性 所谓可分割性，是指全息图上任何局部的点都记录了来自空间每一点的振幅、相位信息。所以全息图即使记录载体有缺损或部分损伤，也不影响整个图像的再现依旧成像完整。（3）信息容量大一体全息存储的理论存储量上限远大于磁盘和光盘的存储容量。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。因此其信息容量较大。三、全息技术的发展阶段 全息技术最初由英国科学家丹尼斯盖伯(Dennis Gabor)于1948年提出，他在前人的基础上找到一种避免相位信息丢失的技巧，为提高电子显微镜的分辨率，
5、他提出了一种用光波记录物光振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法，而且制成了第一张全息图。整个20世纪50年代，一些科学家大大扩展了盖伯的理论并加深了对这一新的成像技术的理解。直到1960年第一台激光器问世，解决了相干光源问题，继而在1962年美国科学家利斯（Leith）和乌帕特尼克斯（Upatnieks）提出了离轴全息图以后，全息技术的研究才获得突飞猛进的发展，并越来越为人们所重视。近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个重要分支。纵观历史，全息技术的发展可分为四个阶段：第一阶段是萌芽时期，是用汞灯作为光源，摄制同轴全息图，全息图的1级衍射波是
6、分不开的，称为第一代全息。第一代全息图存在两个缺陷：一是再现的原始像和共轭像分不开；二是光源的相干性差。这个时期是全息术研究的萌芽期，研究进展较为缓慢。第二阶段是激光记录、激光再现的离轴全息图，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。离轴光路解决了第一代全息图的再现像混叠的问题，此称为第二代全息。第二代全息图仍然存在缺陷,其全息图没有色调信息。色调信息的损失是由于激光再现所引起的，为了解决第二代全息图的问题，科学家提出激光记录、白光再现的思想。在一定的条件下给全息图赋予鲜艳的色彩，即第三代全息图，此即第
7、三阶段。主要包括白光反射全息、像全息、彩虹全息、真彩色全息及合成全息等，使光全息技术在显示领域充分展现其优越性。但由于激光的高度相干性，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运用带来了种种不便，于是第四代全息技术应运而生。第四阶段是用白光记录、白光再现的全息图，这是一个极具诱惑力的方向，正在吸引人们去研究和探索。四、全息影像技术的应用从全息影像技术的提出到今天全息影像已经和多个学科交叉融合形成了全息显示、全息干涉计量、全息显微、全息储存、全息模压等技术.并在人们生产生活的各个方面得到广泛应用。1.全息显示全息显示（holographic disp
8、lay）是指利用全息照片来重现十分逼真的物体的三维图像.全息显示具有很高的商业价值。可以用全息技术将广告、展销品、动植物、人物肖像、历史文物等记录下来,通过立体再现,展现给观众,既可以提供观赏,又可以实现全息保存。具体可分为：透射式全息显示图像，反射式全息显示图像，像面式全息显示图像，彩虹式全息显示图像，合成式全息显示图像，模压式全息显示图像，计算机全息显示图像等。2全息干涉计全息干涉计量（holographic Interferometry）是全息技术最重要、最成功的应用之一。全息干涉能分析测量到波长数量级的水平，它可以对同一物体在两个不同时刻的状态进行对比。全息干涉的基本方法有单次曝光(实
9、时法)、二次曝光、连续曝光(时间平均法)、三束光单次曝光法、非线性记录的全息干涉、全息波前错位干涉法、全息莫尔条 纹技术法等。全息干涉计量分析在无损检验、微应力应变测量、形状和等高线的检测、振动分析等领域中已得到较好的应用。全息计量技术与光电检测技术、微斑技术、莫尔技术、CCD采集技术及计算机技术等相结合,可实现自动实时量,并具有高灵敏、非接触型、速度快及精度高等特点。3. 光全息存储光全息存储（holographic optical storage）技术是以全息图的形式将数据 信息记录到存储材料中的一种新兴存储技术。由全息方法本身的物理特性所决定，它不仅保存了物光的振幅信息，而且还保存了其完
10、整的空间位相信息。全息光存储具有高存储容量、高读写速率、高可靠性和内容寻址功能等优点。光全息存储利用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、识别功能结合起来，解决磁盘和光盘的容量瓶颈，使得存储容量更大。光全息存容储不仅量大,而且数据传输速率高,寻址时间短.例如体全息存储技术使得信息呈分式存储,不易丢失,在一个物理通道中,可以通过信息编码存储多路信息,就像在一个通信信道中传输多路信号,可使信息存储量和处理信息的速度大为提高.与超短脉技术相结合的时域全息术,还可以存储和呈现物体的快速变化过程以及立体物体的层面。4.模压全息模压全息（embossed hologram）术(又称为全息
11、印刷术)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，并使全息术进人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
12、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，并不断推出新技术打击伪造者。5.计算全息将计算机技术和全息技术相结合，称为计算全息（computer generated hologram）。计算全息不仅可以全面记录光波的振幅和位相，而且能综合复杂的或者世间不存在的物体的全息图（只要知道该物体的数学表达式即可），因而具有独特的优点。随着数字计算机与计算技术的迅速发展，人们广泛地使用计算机模拟、运算、处理各种光学过程。计算全息图成为数字信息和光学信息之间有效的联系环节，为光学和计算机科学的全
13、面配合拉开序幕。光学全息图是直接用光学干涉法在记录介质上记录物光波和参考光波叠加后形成的干涉图样。假如物体并不存在，而只知道光波的数学描述，也可以利用电子计算机，并通过计算机控制绘图仪或其它记录装置(例如阴极射线管、电子束扫描器等)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。计算全息图和光学全息围一样，可以用光学方法再现出物光波，但两者有本质的差别，光学全息唯有实际物体存在时才能制作，而计算全息的合成中，只要在计算机中输入实际物体或虚构物体的数学模型就行了。计算全息的发展受到两个不同因素的刺激，一个是全息学的发展处扩极盛时期，另一个是电子计算机控制绘图刚开始普
14、及。计算全息的主要应用范围是：二维和三维物体像的显示；在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器；产生特定波面用十全息干涉计量；激光扫描器；数据存贮。计算全息的优点很多，最主要的是可以记录物理上不存在的实物，只要知道该物体的数学表达式就可能用计算全息记录下这个物体的光波，并再现该物体的像。这种性质非常适宜于信息处理中空间滤波的合成，干涉计量中产生特殊的参考波面，三维虚构物体的显示等。计算全息制作过程采用数字定量计算，精度高，特别是二元全总图，透过率函数只有两个取值，抗干扰能力强，噪声小，易于复制。随着大容量、高速计算机的不断出现，电子束、离子束成团技术的发展，计算全息必将显示更大的优越性，扩
15、展更多的应用领域6. 数字全息作为当今信息光学研究领域中的一个热点,数字全息（digital holography）技术是光学全息术、计算机技术及电子成像技术相结合的产物。它基于光学全息理论,以CCD摄像机等电子成像器件作记录介质获取全息图,然后通过计算机用数字方法对数字化的全息图进行再现。这一过程不仅免去了传统光学全息中化学银盐干版的湿处理,从而可以连续记录运动物体的各个瞬间过程,有利于实现实时在线全息记录,而且还能通过计算机对数字全息图与数字再现图像进行定量分析。数字全息的概念是相对于光学全息并针对其不足而提出来的。数字全息技术是全息术、计算机技术及电子成像技术相结合的产物。它依然是基于光
16、学全息的一种记录理论,但以CCD摄像机等电子成像器件作记录介质获取全息图,并将其存入计算机,然后用数字方法来对此全息图进行再现。归纳起来,数字全息主要分为三部分：数字全息图的记录；数字全息图的数字再现；输出经数字处理的再现图像及相关实验结果。数字全息技术的应用领域随着各种理论研究的发展和技术水平、实验条件的提高而不断拓展。数字全息技术的应用范围很广泛,主要包括:数字全息显微成像与测量、数字全息显示、数字全息图像加密、数字全息三维识别等领域.其中,显微成像与测量是数字全息最主要的应用领域,包括:生物细胞检测与监测、微光学测试、铁电体微结构量度、粒子场测量、温度场测量、MEMSMEM-OS形状与变
17、形测量、振动分析、电化学分析等.此外,还有近几年发展起来数字全息层析技术、脉冲数字全息技术、数字全息偏振成像等,表明数字全息有着广阔的应用前景. 五、光全息的应用研究前景经过半个世纪的发展，光全息术正向数字化、光机电一体化的方向发展，其发展历程充分表明，人类社会生活的需要和高新技术的发展，是推动全息术不断发展的动力。结合光全息的原理和特点可以看到就其独特的优势，光全息在未来社会、经济、通信及国防等各个领域将成为不可或缺的重要组成部分。从当前的发展趋势来看，光全息术可能存在以下的应用研究潜力。(1)白光记录和白光再现的全息图，将使全息技术最终走出实验室，更多的全息产品走向市场，这一高新技术的发展
18、和应用为人类带来更多的利益。(2)光全息在信息处理方面的应用也具有很大的竞争力，全息存贮，全息显示也在不断的完善。数字全息图的研究，有可能促进立体电影、电视等全息显示的普及。随着相关技术逐渐成熟，全息立体影视最终会走向千家万户。(3)全息显微技术可以显微放大，观察微小物体的运动状况。例如用短脉冲激光来照明浮动的粒子，拍摄一定体积内粒子运动情况，再现时就可以把粒子的大小、分布状况用显微镜层层聚焦，逐次观察。该技术有望成为生物界和物理界的新宠，具有很好的研究应用价值。(4)瞬态全息术将得到足够重视。在科学研究中，观察和捕捉短暂的闪光是研究高速、瞬态过程的重要手段，本世纪采用大功率固体激光器的瞬态全
19、息术，已经有可能在ps(1012)甚至fs(1015)的时间尺度上进行观察，这是组成物质的原子、分子和电子的最基本的相互作用的时间尺度，这些相互作用决定了重要的化学和生物过程。此外,应用瞬态全息干涉术，还可以使某些不可见的超快过程可视化，这对科学技术的发展将产生巨大的影响。(5)有关电路热变故障全息检测的研究正在兴起。这项技术还有其它潜在的研究价值，它所带来的应用与发展是无法估量。(6)近年光全息已由光学领域推广到微波、电子波等其他领域。这些可以弥补光全息的不足，拓宽全息术的应用范围。例如，超声全息能再现水下物体的三维像，可以用来进行水下侦查和监视，红外全息用于夜间侦察和监视，电子波用于显微放
20、大等。这些全息术还可用于巡航、定位检测等军事系统，可提高系统的精确度和灵敏度。参考文献1张小林. 全息术的现状及发展J. 河南科技: 上半月, 2010 (005): 60-60.2吴小平, 王凯. 近十年光全息的应用研究状况及新动向J. 凯里学院学报, 2010, 28(006): 30-33.3罗发英. 全息干涉计量的应用研究D. 重庆大学, 2007.4陈宁. 数字全息技术研究D. 广州: 暨南大学, 2004.5关磊, 马明山. 浅谈全息光存储技术J. 光盘技术, 2007, 1.6杨桂娟, 梅妍, 白亚乡. 全息术及其应用J. 应用光学, 2006, 27(2): 96-100.7谢
21、敬辉, 孙萍. 全息术的新进展J. 北京理工大学学报, 2003, 2: 000.8徐大雄. 现代全息显示技术之发展J. 激光与光电子学进展, 2009 (008): 16-18.9崔璐, 杨君顺. 浅析全息影像技术及其应用J. 美与时代, 2009, 9.Holographic technology and its development applicationsWang Qun（Grade02,Class01,Major physical，physical and telecommunication Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzho
22、ng ，Shaanxi）Tutor: He YaqiAbstract:Holographic technology from its emergence has experienced a rapidly development, with the theory and technology matures, holographic technology has been more and more familiar to our lives, in this paper, we start from the principle of holographic technology, recalling the holographic technology development process, and introduced several important applications of holographic technology in recent years.Keywords: holographic technology; holography; interference; holographic images; laser.