全息技術(shù)的發(fā)展及前景.docx

淺談全息技術(shù)的發(fā)展及前景 作者： 日期：淺談全息技術(shù)的發(fā)展及前景摘 要：從全息思想的提出至今已經(jīng)有半個多世紀(jì)的歷史。期間，全息技術(shù)的發(fā)展取得了很大的成就。梳理一下全息技術(shù)的發(fā)展以及當(dāng)今的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，有助于我們深入了解全息技術(shù)對生產(chǎn)、生活的重要影響以及其今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：全息；防偽；存儲1.引言全息技術(shù)一門正在蓬勃發(fā)展的光學(xué)分支，主要運用了光學(xué)原理，是一種不用透鏡，而用相干光干涉得到物體全部信息的二部成像技術(shù)。如果說全息技術(shù)在照相方面的應(yīng)用與普通照相技術(shù)的最大區(qū)別，那就是全息技術(shù)能夠利用激光的相干性原理，將物體對光的振幅和相位反射（或透射）同時記錄在感光板上，也就是把物體反射光的所有信息全部記錄下來，并能夠再現(xiàn)出立體的三維圖像。也就是全息技術(shù)所記錄不是圖像，二是光波。全息技術(shù)近年來已滲透到社會生活的各個領(lǐng)域并被廣泛地應(yīng)用于近代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，特別是在現(xiàn)代測試、生物工程、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)、商業(yè)、保安及現(xiàn)代存儲技術(shù)等方面已顯示出特殊的優(yōu)勢。隨著全息技術(shù)的快速發(fā)展，全息技術(shù)的產(chǎn)品正越來越多地走向市場、應(yīng)用于現(xiàn)代生活中。 2.全息技術(shù)的發(fā)展簡介 全息照相技術(shù)是1948年英國科學(xué)家丹尼斯伽伯為改善電子顯微鏡成像質(zhì)量提出的重現(xiàn)波前的理論，并因此獲得了諾貝爾獎。但當(dāng)時由于缺乏純凈的能夠相互干涉的光，全息圖的質(zhì)量很差。直到十二年以后的1960年，激光器問世，美國密執(zhí)安大學(xué)的埃梅蒂利斯與朱里斯尤佩尼克拍成了第一張全息相片，全息技術(shù)才有了蓬勃快速的發(fā)展。 全息術(shù)的發(fā)展大約可分同軸全息術(shù)、離軸全息術(shù)、白光再現(xiàn)全息術(shù)、白光全息術(shù)等4個階段。同軸全息術(shù)是伽伯當(dāng)時采用的技術(shù)，這一階段主要是在1960年激光器出現(xiàn)以前。這種技術(shù)獲得的物體的再現(xiàn)像與照明光混在一起，不易觀察。1948年，伽伯為提高電子顯微鏡的分辨率，在布拉格的“x射線顯微鏡”、澤尼克的相襯原理的啟示下，提出了一種用光波記錄物光波的振幅和相位的方法，并用實驗證實了這一想法。為了進(jìn)一步證實其原理，他先后采用電子波與可見光進(jìn)行了驗證，并在可見光中得到了證實，同時制成了第1張全息圖。從那時起至20世紀(jì)5O年代末期，全息圖都是用汞燈作為光源，而且是參考光與物光共軸的共軸全息即同軸全息圖。這個時期全息圖存在2個嚴(yán)重問題，一個是再現(xiàn)的原始像與共軛像分不開；另一個是光源的相干性太差，因此在這10多年中，全息術(shù)進(jìn)展緩慢。離軸全息術(shù)是在激光器出現(xiàn)以后產(chǎn)生的用激光記錄激光再現(xiàn)的全息術(shù)，其特點是獲得的物體重現(xiàn)像與照明光分離，易于觀察。1960年激光的出現(xiàn)，提供了一種高相干度光源。1962年，美國科學(xué)家利思和烏帕特尼克斯將通信理論中的載頻概念推廣到空域中，提出了離軸全息術(shù)，就是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3個在空間互相分離的衍射分量，其中一個復(fù)制出原始物光。這樣，同軸全息圖兩大難題宣告解決，產(chǎn)生了激光記錄、激光再現(xiàn)的全息圖。從而使全息術(shù)在沉睡了十幾年之后得到了新生并進(jìn)入了一個極為活躍的階段。此后，又相 繼出現(xiàn)了多種全息方法，如大景深全息照相法、激光記錄與激光再現(xiàn)的彩色全息照相法等。白光再現(xiàn)全息術(shù)是用激光記錄，白光照明再現(xiàn)的全息圖制作技術(shù)，它在一定的條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩，這是目前應(yīng)用最廣的全息術(shù)。由于激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信息，科學(xué)家們開始致力于研究第3代全息圖。班頓發(fā)現(xiàn)了用激光記錄，使用白光還原影像的方法，從而使這項技術(shù)逐漸走向?qū)嵱秒A段。美國國家地理雜志第1次使用白色光全息片貼在封面時，銷售量由1000萬份增加到再版后的1600萬份。這一技術(shù)后來由美國傳到歐洲和其它國家，激光全息攝影技術(shù)也隨之風(fēng)靡全世界。常見的有反射全息術(shù)、像全息術(shù)、彩虹全息術(shù)和合成全息術(shù)等。白光全息術(shù)是利用白光制作全息圖，用激光或白光照明觀察再現(xiàn)，這是全息術(shù)的最高階段，至今雖有不少人做了一些初步工作，但尚未有突破性進(jìn)展。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(zhì)的相對位置嚴(yán)格保持不變。這也給全息技術(shù)的實際使用帶來了種種不便。于是，科學(xué)家們又回過頭來繼續(xù)探討白光記錄白光再現(xiàn)全息圖的可能性。它將使全息術(shù)最終走出有防震工作臺的黑暗實驗室，進(jìn)入更加廣泛的實用領(lǐng)域 。3.全息技術(shù)的應(yīng)用前景3.1全息顯示全息顯示主要利用全息照相能重現(xiàn)物體三維立體圖像的特點，因全息片能給出和原物大小一樣、細(xì)節(jié)精美、形狀逼真的三維圖像，所以是極有發(fā)展前景的應(yīng)用之一。它可以用來復(fù)制歷史文物藝術(shù)珍品、全息肖像、全息裝飾品和全息風(fēng)景畫等也可用于超景深照相，使遠(yuǎn)距離到近距離的物體同時記錄在一張全息底片上。而從其再現(xiàn)像中逐次按不同距離分層觀測，不受普通照相景深的限制。全息顯示常用的全息術(shù)有：透射和反射全息、像面全息 彩虹全息、真彩色全息、合成全息和模壓全息等多種類型。其中除透射全息圖需要用激光再現(xiàn)外，其余都可用自光再現(xiàn)，從而使在自晝自然環(huán)境中可觀察到三維影像。近年來模壓全息逐步進(jìn)入到人們生活中，并受到人們的歡迎和喜愛模壓全息把浮雕藝術(shù)和照相藝術(shù)相結(jié)合，用多層次體現(xiàn)三維空間，極具有觀賞價值它除了作為藝術(shù)全息品便于攜帶和保存外，已廣泛用于防偽標(biāo)識、商標(biāo)和圖書插圖等領(lǐng)域，國內(nèi)外都已形成一種巨大的產(chǎn)業(yè)。 3.2全息干涉計量全息干涉的相干光束是由同一系統(tǒng)產(chǎn)生的。因而可以消除系統(tǒng)的誤差、降低對光學(xué)元件的精度要求。全息干涉計量能實現(xiàn)高精度非接觸無損三維測量，對任意形狀、任意粗糙表面的三維漫反射表面的物體，都能相對分析測量到波長數(shù)量級的水平，同時還可以對一個物體在2個不同時刻的狀態(tài)進(jìn)行對比，從而探測物體在一段時間內(nèi)發(fā)生的任何變化。全息干涉測量技術(shù)已與莫爾技術(shù)、光電檢測技術(shù)、CCD數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等結(jié)合起來，實現(xiàn)了自動、快速、準(zhǔn)確的實時測量。目前，全息干涉計量分析在無損檢驗 、尺寸形狀和等高線的檢測、振動分析等領(lǐng)域中已得到廣泛的應(yīng)用。全息干涉計量是全息應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。3.3全息存儲光盤技術(shù)這種按位存儲和讀出的“串行”方式要求讀出頭相對于記錄介質(zhì)作機(jī)械運動，因而光盤的記錄密度被限制在機(jī)械調(diào)節(jié)的精度以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率也受到低速機(jī)械運動的限制。1當(dāng)前光盤技術(shù)的前沿研究已使光盤存儲容量接近光學(xué)極限，數(shù)據(jù)已達(dá)到每秒幾兆字節(jié)的數(shù)量級，這雖然滿足當(dāng)前多媒體技術(shù)的需要，但計算機(jī)技術(shù)正在向高速、并行性和智能化方向發(fā)展，按位存取的磁盤和光盤顯然不能滿足需要。要尋求一種既能并行讀/寫、提高數(shù)據(jù)速率、又能增大存儲容量的海量存儲技術(shù)，激光全息存儲則是一種最佳選擇。1.目前主要使用的全息存儲材料及其特點銀鹽材料。超微粒的銀鹽乳膠有很高的感光靈敏度和分辨率，有較寬廣的光譜靈敏范圍。目前，超微粒的銀鹽乳膠已經(jīng)具有成熟的制備技術(shù)，穩(wěn)定的商品化產(chǎn)品全息干板。銀鹽材料的缺點主要在于：不能擦除后重復(fù)使用，濕顯影處理程序較為繁瑣，且對于位相型全息圖，其較高的衍射效率卻往往帶來噪聲的增加和圖像質(zhì)量的下降。光致抗蝕劑。它可以旋涂在基片上制成干板，光照射后，抗蝕劑中將發(fā)生化學(xué)變化，且隨著曝光量的不同，發(fā)生變化的部分將具有不同的溶解力。選用合適的溶劑顯影，便可制成表面具有凹凸的浮雕相位型全息圖。為了獲得較好的圖像質(zhì)量，需要對負(fù)性光致抗蝕劑進(jìn)行足夠曝光，但這往往與全息圖成像的最佳曝光量相矛盾，從而使負(fù)性光致抗蝕劑存儲的全息圖的精細(xì)線條往往由于曝光量不夠，而在顯影時被腐蝕掉，影響全息圖的質(zhì)量。光折變材料。光折變材料受到非均勻的光強(qiáng)度照射時，材料局部折射率的變化與入射光強(qiáng)成正比。光折變材料具有動態(tài)范圍大、存儲持久性長、可以固定以及生長工藝成熟等優(yōu)點。光折變材料主要有無機(jī)存儲材料和有機(jī)存儲材料兩類。常見光光折變無機(jī)材料主要有摻鐵鈮酸鋰晶體（LiNb3：Fe）、鈮酸鍶鋇（SBN）、和鈦酸鋇（BaTiO3）；而常見的有機(jī)光折變聚合物則有PMMA 等。光致聚合物。光致聚合物主要由單體、聚合體和光敏劑組成。記錄光照射聚合物后，光敏劑被激發(fā)，并引發(fā)曝光過程；然后，自由基引發(fā)單體分子聚合，最后在材料中形成位相型全息圖。光致聚合物具有較高感光靈敏度、高分辨率、高衍射效率以及高信噪比，可用完全干法處理及快速顯影，記錄的生息圖具有很高的幾何保真度，并易于長期保存。光致聚合物的主要缺點在于其體積容易受到影響而發(fā)生變化。信噪比，并且可以使對存儲數(shù)據(jù)的尋址通過改變光束的位相而不是改變光束的方向來實現(xiàn)，從而使尋址過程更快。波長復(fù)用：由于全息圖的再現(xiàn)對讀出光的波長也十分敏感，所以波長復(fù)用也是全息光存儲的主要復(fù)用方式之一。波長復(fù)用也是基于全息光存儲所具有的布喇格角選擇性，只是此時每幅存儲的全息圖是與一個特定的光源波長相對應(yīng)，記錄和讀出過程中參考光和物光之間的夾角保持不變。2.取得的成就20世紀(jì)60年代末發(fā)現(xiàn)光折變效應(yīng)后，在光折變晶體中進(jìn)行全息存儲一度成為熱點。1975年，美國RC公司報道了在1cm鈮酸鋰晶體中存儲500幅全息圖的實驗。美國Northrop公司于1991年在摻鐵鈮酸鋰晶體中存儲并高度保真再現(xiàn)了500幅高分辨率軍用車輛全息圖。1992年，有在同樣的鈮酸鋰晶體中存儲1000頁的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并無任何錯誤地復(fù)制到數(shù)字計算機(jī)的存儲器。1994年美國加州理工學(xué)院在1cm摻鐵鈮酸鋰晶體中記錄了10000幅全息圖。同光致變色材料。這是由于光致變色膜層內(nèi)的分子極化特性發(fā)生改變，會導(dǎo)致膜層折射率的變化。尤其記錄波長與介質(zhì)吸收譜非共振時，膜層內(nèi)部可產(chǎn)生顯著的折射率變化。光致變色材料具有無顆粒特征，分辨率僅受記錄光波長和光學(xué)系統(tǒng)的影響。但是光致變色材料存儲的全息圖的衍射效率并不高。3.全息存儲中的復(fù)用技術(shù)2角度復(fù)用：這是一種使用最早、研究最為充分的復(fù)用技術(shù)，它利用了體積全息圖的角度選擇性，使不同的信息頁面可以互不相干地疊加在同一個空間區(qū)域內(nèi)。每幅全息圖在記錄和讀出時所采用的物光和參考光的夾角都各不相同，但采用的激光波長是固定的。角度復(fù)用存儲的全息圖數(shù)目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干擾的疊加將導(dǎo)致讀出數(shù)據(jù)的信噪比下降，這些因素也影響和限制了角度復(fù)用技術(shù)可以實現(xiàn)的存儲容量。位相復(fù)用：為了克服角度復(fù)用技術(shù)串?dāng)_噪聲較大的缺點，人們又提出了正交位相編碼復(fù)用技術(shù)。在這種復(fù)用技術(shù)中，參考光的波長和光束角度都是固定的，而位相編碼一般使用確定性位相編碼中的正交位相編碼。因此，位相復(fù)用技術(shù)可以提高讀出過程中全息圖的衍射效率，增加讀出數(shù)據(jù)的年，斯坦福大學(xué)的一個研究小組把經(jīng)壓縮的數(shù)字化圖像視頻數(shù)據(jù)存儲在一個全息存儲器中。IBM公司也研制出一臺靈活而穩(wěn)固的高分辨率的自動全息存儲系統(tǒng)試驗臺。目前，我國有人正在研制利用二值空間光調(diào)制器實現(xiàn)多灰階全息存儲的方法，它可近一步提高存儲密度與讀出數(shù)據(jù)的傳輸速率。另有人正在研究體全息相關(guān)器的內(nèi)容尋址功能的相關(guān)研究，它可以并行快速地進(jìn)行關(guān)聯(lián)檢索，并具有很大的提升潛力。美國斯坦福大學(xué)的HDSS WORM演示平臺3。2000 年，美國斯坦福大學(xué)為DARPA 投資實施的HDSS 項目開發(fā)了高傳輸速率、高容量的全息光盤存儲系統(tǒng)，如下圖所示。該系統(tǒng)采用了IBM公司的鐵電液晶空間光調(diào)制器( FLC SLM) 記錄二維數(shù)據(jù)，最高分辨率為1 0241 024 像素，采用Kodak公司的CCD 作為探測器，其分辨率與SLM 匹配，最大幀數(shù)為1 000 fps。利用脈沖倍頻NdYAG 激光器( 波長為532 nm) 進(jìn)行記錄和讀出，光盤安裝在精密的空氣靜壓軸承上，使用精密光電軸角編碼器系統(tǒng)的全息信道解碼傳輸速率可達(dá)1 Gbits/s，使用1 次寫入多次讀取(WORM) 的光致聚合物作為存儲介質(zhì)，容量為120 GB。由于較厚的介質(zhì)( 如LiNbO3 晶體) 的存儲容量受到介質(zhì)動態(tài)范圍和噪聲的影響要多于復(fù)用技術(shù)，而較薄的介質(zhì)( 如光致聚合物) 則不然，所能存儲全息圖的數(shù)量在很大程度上由復(fù)用技術(shù)決定。經(jīng)常在較厚介質(zhì)中使用的角度復(fù)用技術(shù)在這里效果不大，需要使用其它復(fù)用技術(shù)，例如移位或旋轉(zhuǎn)復(fù)用技術(shù), 該系統(tǒng)采用的是散斑-移位復(fù)用技術(shù)。圖為美國斯坦福大學(xué)的HDSS WORM 演示平臺系統(tǒng)全息存儲器可望存儲幾千億字節(jié)的數(shù)據(jù)（目前光盤是6.4億字節(jié)數(shù)據(jù)），而且具有高保真度4，并以等于或大于bit/s速度傳送數(shù)據(jù)，可在100微秒或更短時間內(nèi)隨機(jī)選擇一個數(shù)據(jù)頁面。全息存儲技術(shù)的迅速發(fā)展，必將在不遠(yuǎn)的未來迎來光輝的時代4