全息術歷史和發展論文

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論文關鍵詞：全息術；干涉計量；全息存儲；顯示全息；模壓全息

論文摘要：回顧了全息術的歷史，闡述了全息術的基本原理，然后介紹了全息術在實際中的應用及其發展方向。

我們看到的世界是三維的、彩色的，這是因為每個物體發射的光被人眼接受時，光的強弱、射向和距離、顏色都不同。從波動光學的觀點看，是由于各物體發射的特定的光波不同，光的特征主要取決于光波的振幅(強弱)，位相(同相面形狀)和波長(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。全息術誕生到現在60年來取得了很大的進展，已被廣泛地應用于近代科學研究和工業生產中。

1全息術的歷史和發展階段

1948年，丹尼斯·蓋伯提出一種記錄光波振幅和相位的方法，隨后用實驗證實這一想法，即全息術，并制成世界上第一張全息圖。蓋伯本來是為提高電子顯微鏡的分辨率而提出的設想，雖然未能用電子波證實其原理，但用可見光證實了。從第一張全息照片制成到20世紀50年代末期，全息圖制作具有以下共同特點：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。這一時期的全息圖被稱為第一代全息圖，標志著全息術的萌芽。第一代全息圖存在兩個嚴重問題，一個是再現的原始像和共軛像分不開，另一個是光源的相干性太差。因此在這十多年中，全息術進展緩慢。

1960年激光的出現，提供了一種高相干度光源，為全息技術發展提供了可能。針對第一代全息技術出現的問題，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，使全息圖產生三個在空間互相分離的衍射分量，其中一個復制出原始物光。該方法被稱為離軸全息術，這是全息術發展的第二階段。第二代全息術解決了光源的問題，并且在立體成像、干涉計量檢測、信息存貯等應用領域中獲得巨大進展，但是激光再現的全息圖失去了色調信息。

科學家們開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。第三代全息術已經在很多領域的到了應用，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，要求全息拍攝過程中各個元件、光源和記錄介質的相對位置嚴格保持不變，這也給全息技術的實際使用帶來了種種不便。于是，科學家們又回過頭來繼續探討白光記錄的可能性。第四代全息圖應該是白光記錄白光再現的全息圖，它將使全息術最終走出有防震工作臺的黑暗實驗室，進入更加廣泛的實用領域。

2全息術的基本原理和特點

全息術是一種“無透鏡”的兩步成像法，它能在感光膠片上同時記錄物體的全部信息，即物體光的振幅和位相。全息照相過程分全息記錄和再現兩步：第一步稱為波前記錄(全息記錄)；第二步物體的再現(重現)。

波前記錄依據的是干涉原理，物光波和參考光波相干疊加而產生干涉條紋。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，全息圖上的強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。應當指出，任何感光底片都只能記錄振幅(或者說強度)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化成了干涉條紋的強度分布。假如沒有參考光波，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的。

波前再現的理論依據是衍射原理，照明光波(再現光)經過全息圖衍射后出現一個復雜的光波場。全息圖的衍射波含有三種主要成分，即物光波(+1級衍射波)，物光波的共軛波(-1級衍射波)，照明光波的照直前進(零級衍射波)。在現代記錄和重現的全息照相裝置中，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物光波的虛像或其共軛波的實像。

全息術的原理決定了它所記錄的全息圖有下列特點：

(1)三維性——因為全息圖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——因為全息圖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曝光記錄，并能互不干擾地再現各個不同的圖像。

(4)全息圖的再現相可放大或縮小——因為衍射角與波長有關，用不同波長的激光照射全息圖，再現相就會發生放大或縮小。

3全息術的主要應用及其發展方向

全息術經過60年的發展，已與計算機技術、光電技術以及非線性光學技術緊密結合，成為一種高新技術，擴展到醫學、藝術、裝飾、包裝、印刷等領域，在一些發達國家還興起了全息產業，并且正在形成日益廣闊的市場，實用前景非?？捎^。本文介紹全息術中幾個應用較為廣泛、產業化較成熟的領域并說明其發展方向。

3.1全息存儲

全息存儲是依據全息術的原理，將信息以全息照相的方式存儲起來，它利用兩個光波之間的耦合和解耦合，可以把信息存儲和信息之間的比較(相關)、識別，甚至聯想的功能結合起來，也就是可以把信息存儲和信息處理結合起來。用于全息信息存儲的記錄介質較多，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；可擦除重復使用的實時記錄材料有光導熱塑料、有機或無機光折變材料等。全息存儲在存儲容量方面具有巨大的優勢，原因是：

(1)全息存儲具有存儲容量大的優勢。用感光干板作為普通照相記錄信息時，信息存儲密度的數量級一般為105bit/mm2；用平面全息圖存儲信息時，存儲密度一般可提高一個數量級達106bit/mm2；如果用體全息圖存儲信息時，存儲密度可高達1013bit/mm2。

(2)全息存儲具有極大的冗余性，存儲介質的局部缺陷和損傷不會引起信息丟失。

(3)全息存儲具有讀取速率高和能并行讀取的特點，每個數據頁可包含達1Mbit的信息，寫人一頁的時間在100ms左右，讀信息的時間可以小于100μs，而磁盤的尋址時間至少需要10ms。

當前，在世界范圍內掀起了全息存儲研究的熱潮，并取得很大的進展，其主要表現在：

(1)存儲容量迅速提高和性能不斷改善，并逐步走向實用化。例如，1994年美國加州理工學院在1cm3摻鐵妮酸銼晶體中記錄了1000幅全息圖，同年，斯坦福大學的一個研究小組把經壓縮的數字化圖像視頻數據存儲在一個全息存儲器中，并再現了這些數據而圖像質量無顯著下降。1999年美國加州理工大學利用空-角復用技術，在同一塊在摻鐵鈮酸鋰晶體中存儲了26000幅全息圖。北京清華大學實現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構的靈巧型全息存儲裝置。

(2)實用化的全息存儲系統逐漸推出。例如，1995年由美國政府高級研究項目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大學等聯合成立了協作組織并在美國國家存儲工業聯合會(NS1C)支持下川，投資約7000萬美元，實施了光折變信息存儲材料(PRISM)和全息數據存儲系統(HDSS)項目，預期在5年內開發出具有容量為1Tbit數據，存儲速率為1000MB/s的一次寫人或重復寫人的全息數據存儲系統。同樣的研究在法國、英國、德國和日本等國家也正在加緊進行。

近幾年來，光電子技術和器件取得了系列重大進展，為全息存儲器提供了所必要的高性能半導體激光器、液晶空間光調制器、CCD陣列探測器等核心元器件，全息存儲的理論和方法的發展使這項技術日趨成熟然而，美中不足的是全息圖的壽命問題尚待解決，雖然張澤明、謝敬輝等對Ce：Fe：LiNbO3晶體的全息存儲和熱定影進行了理論和實驗研究，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密度越高，存儲系統的整體性能越好，但是目前還未解決的一個難題是尋找合適的記錄材料。無疑，這將成為全息存儲界研究的熱門課題。

3.2顯示全息

顯示全息技術是在激光透射全息圖的基礎上來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布景、建筑、室內裝飾、投影等；再如，以動態顯示的全息技術、層面X射線照相術、3DCAD技術、3D動畫片、雷達顯示、導向和模擬系統等，每3年一次的顯示全息國際會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創造性的魅力和藝術的美。

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。隨著高質量記錄材料的發展，隨后的一些研究者和藝術家不斷追求更實用的拍攝技術，如假彩色編碼和真彩色反射全息圖等。美國光學學會主辦的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世紀80年代都有關于這方面的論文報道。由SPIE主辦的《Holosphere》和美國全息制造商協會主辦的《HolographyNews》以往和近年都不斷地報道有關顯示全息圖的最新制作技術和商業信息。但從這些報道情況來看，顯示全息存在不足主要表現在：

(1)視角范圍、圖像體積有限；

(2)沒有獲得特別有效的全息圖的計算方法；

(3)由于全息計算數量巨大，導致動態顯示異常困難。克服以上不足，將可能成為顯示全息研究的幾個熱點。

近年來，顯示全息技術掀起一場數字化變革，數字合成全息技術為全息三維顯示開辟了前所未有的應用前景。隨著計算機運行速度的提高和高分辨空間調制器件的發展，利用顯示全息的大視場、大景深、全視差、真彩色、可拼裝、價格低廉等特性，在不久的將來開發出真正意義的全息電影和全息電視，為顯示全息技術創造良好的商業前景。

3.3模壓全息

模壓全息是1979年RCA公司為解決視頻標準件的全息拷貝而提出的，它是將全息術和電鍍、壓印技術結合起來，使全息圖的制作產業化，用白光再現時，可得到色彩鮮艷逼真的三維圖像，并可通過印刷方式大批量生產，使得它在許多領域得到廣泛的應用，以商品形式走向市場。模壓全息的制作主要分為三個階段：激光攝制原片全息圖；電成型制金屬模板；模壓復制。這三個階段生產工藝和技術要求都比較高，因此，模壓全息作為安全防偽首當其沖，是安全防偽技術的一個里程碑。正如全息圖的新奇性、強烈的視角效果、制作的難度以及易于應用在鈔票的包裝上，不能去除性、價格低廉、容易驗證等特點，使它很快占領了防偽領域。模壓全息是一種技術與藝術結合的高科技產品，無論在高檔商品促銷、名優商品的防假冒或在有價證券(如信用卡、鈔票、護照簽證)的防偽和加密以及圖書、印刷、印染、裝磺、紀念郵票和廣告標牌等都有采用模壓全息技術，并備受使用者青睞。

模壓全息出現于20世紀70年代，80年代中期已形成了一種產業，90年代達到了鼎盛時期。本世紀初，隨著防偽技術要求的不斷提高，模壓全息技術又有了新的突破：美國斑馬圖像公司推出了二維圖像的數字化采集和拍攝技術；2003年，蘇州大學研制成功并已批量生產“數碼激光全息照排系統”；同年，倪星元、張志華等成功研制了可替代傳統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個技術突破，使防偽功能有了提高，讓激光全息防偽技術達到新的境界。

模壓全息產業在我國起步較晚，但發展速度迅猛，目前國內已有100多條模壓全息生產線。為了使模壓全息技術健康發展，我國模壓全息產業發展必須在三個方向上引起重視：首先是開拓全息燙金材料，取代金膜和銀膜，其次開發全息包裝材料，實現立體防偽包裝，第三個方向是模壓全息技術和現代印刷術相結合，體現傳統的美術效果和現代科技的藝術魅力。

3.4全息干涉計量

全息干涉計量術是將不同物光，在不同的時間記錄在同一張全息干板上，然后利用全息術的空間波前再現原理，非接觸地對物體表面進行三維測量而獲得信息。全息干涉計量術是全息應用的一個重要方面，它能實現高精度非接觸性無損測量，比一般光學干涉計量有很多優點。一般光學計量只能測量形狀比較簡單、表面光度很高的零部件，而全息計量方法則能對任意形狀、任意粗糙表面的物體進行測量，測量精度為光波波長λ的數量級。目前，全息干涉計量術在方法上先后發展了實時全息干涉法(單次曝光法)、二次曝光全息干涉法、時間平均全息干涉法、雙波長干涉法以及雙脈沖頻閃全息干涉法，此外，J.A.Leendertz開辟了全息干涉計量術的另一個新的分支-激光斑紋計量術。隨著光電技術、計算機技術、CCD器件及光纖技術的飛速發展，使得全息干涉計量技術在信息采集和處理上更為方便、快捷和可靠，并得以在惡劣環境條件下對某些物理量進行定時測量。再加之相移技術、外差技術和鎖相技術等，可使測量精度提高到λ/100或更高。

全息干涉計量在20世紀80年代美國等西方先進國家已產業化，我國在20世紀80年代初有幾所大學和科研單位的研究項目通過鑒定，其中有些達到當時的先進水平。經過近幾年的開發和研制，我國在全息干涉計量測試設備方面主要發展有：

(1)用于測試火箭發動機噴霧化特性的YSCI型離子瞬態激光全息測試儀；

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

(3)包括記錄、再現、圖像處理三部分的瞬態激光全息干涉計量測試系統；

(4)用于對航空、航天、石油化工等部門常用的膜盒進行位移檢側的激光全息光柵精密測試系統。目前美國和德國已經研制出有菌子質記錄介質的激光全息干涉計量設備。

將全息干涉計量術與計算機圖像處理技術相結合，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設備的出現，發展系統化、智能化、小型化的全息干涉計量裝置將是未來全息干涉計量術的發展方向。