全息術的歷史和進展

1、全息術的歷史和進展論文關鍵詞：全息術；干與計量；全息存儲；顯示全息；模壓全息論文摘 要： 回憶了全息術的歷史， 論述了全息術的大體原理， 然后介紹了全息術在實際中的應用及其進展方向。咱們看到的世界是三維的、彩色的，這是因為每一個物體發(fā)射的光被人眼同意時，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(fā)射的特定的光波不同，光的特點要緊取決于光波的振幅（ 強弱 ） ，位相 （ 同相面形狀） 和波長 （ 顏色 ） 。若是能取得景物光波的完全特點，就能夠看到景物傳神的三維像，這確實是全息術。 全息術誕生到此刻 60 年來取得了專門大的進展， 已被普遍地應用于近代科學研究和工業(yè)生產中

2、。1 全息術的歷史和進展時期1948年，丹尼斯蓋伯提出一種記錄光波振幅和相位的方式，隨后用實驗證明這一方式，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假想，盡管未能用電子波證明其原理， 但用可見光證明了。 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一起特點： 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取得的全息圖。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峻問題，一個是再現(xiàn)的原始像和共軛像分不開，另一個是光源的相干性太差。因此在這十連年中，全息術進展緩慢。1960

3、 年激光的顯現(xiàn)， 提供了一種高相干度光源， 為全息技術進展提供了可能。針對第一代全息技術顯現(xiàn)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行到空域中，用離軸的參考光與物光干與形成全息圖，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相互分離的衍射分量，其中一個復制出原始物光。該方式被稱為離軸全息術，這是全息術進展的第二時期。第二代全息術解決了光源的問題，而且在立體成像、干與計量檢測、信息存貯等應用領域中取得龐大進展，可是激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調信息?？茖W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(xiàn)的全息圖，在必然的條件下給予全息圖以鮮艷的色彩。

4、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，要求全息拍照進程中各個元件、光源和記錄介質的相對位置嚴格維持不變，這也給全息技術的實際利用帶來了各類不便。于是，科學家們又回過頭來繼續(xù)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(xiàn)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，進入加倍普遍的有效領域。2 全息術的大體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數(shù)信息，即物體光的振幅和位相。全息照相進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

5、前記錄依據(jù)的是干與原理，物光波和參考光波相干疊加而產生干與條紋。干與條紋的反襯度記錄了物光波前的振幅散布，干與條紋的幾何特點 （包括形狀、間距、位置）記錄了物光波前的位相散布。確實是說， 全息圖上的強度散布記錄了物光波的全數(shù)信息 - 振幅散布和位相散布，它們別離反映了物體的明暗和縱深位置等方面的特點。應當指出，任何感光底片都只能記錄振幅（ 或說強度 ） 的散布，而不能直接記錄位相散布，全息照相之因此能記錄位相散布，是利用了參考光波把它轉化成了干與條紋的強度散布。假設沒有參考光波，或它與物光波不相干，波前上的位相散布是不可能記錄下來的。波前再現(xiàn)的理論依據(jù)是衍射原理，照明光波 （ 再現(xiàn)光 ） 通過

6、全息圖衍射后顯現(xiàn)一個復雜的光波場。全息圖的衍射波含有三種要緊成份，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(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以下特點：(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，能夠看到傳神的三維圖像。(2) 不可撕毀性因為全息圖記錄的是物光與參考光的干與條紋，因此具有可分割性。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阻礙。

7、(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(xiàn)各個不同的圖像。(4) 全息圖的再現(xiàn)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(xiàn)相就會發(fā)生放大或縮小。(5) 全息術的要緊應用及其進展方向全息術通過60 年的進展， 已與運算機技術、 光電技術和非線性光學技術緊密結合，成為一種高新技術，擴展到醫(yī)學、藝術、裝飾、包裝、印刷等領域，在一些發(fā)達國家還興起了全息產業(yè)，而且正在形成日趨廣漠的市場，有效前景超級可觀。本文介紹全息術中幾個應用較為普遍、產業(yè)化較成熟的領域并說明其進展方向。全息存儲全息存儲是依據(jù)全息術的原理，將信息以全息照相的方式存儲起來，它

8、利用兩個光波之間的耦合和解耦合，能夠把信息存儲和信息之間的比較 ( 相關 ) 、識別，乃至聯(lián)想的功能結合起來，也確實是能夠把信息存儲和信息處置結合起來。用于全息信息存儲的記錄介質較多，可永久保留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；可擦除重復利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龐大的優(yōu)勢，緣故是：(1) 全息存儲具有存儲容量大的優(yōu)勢。 用感光干板作為一般照相記錄信息時， 信息存儲密度的數(shù)量級一樣為 105bit/mm2 ； 用平面全息圖存儲信息時， 存儲密度一樣可提高一個數(shù)量級達106bit/mm2 ； 若是用體

9、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， 存儲介質的局部缺點和損傷可不能引發(fā)信息丟失。(3) 全息存儲具有讀取速度高和能并行讀取的特點， 每一個數(shù)據(jù)頁可包括達1Mbit的信息，寫人一頁的時刻在100ms左右，讀信息的時刻能夠小于100ws,而磁盤的尋址時刻至少需要 10ms當前，活著界范圍內掀起了全息存儲研究的熱潮，并取得專門大的進展，其要緊表此刻：（1） 存儲容量迅速提高和性能不斷改善， 并慢慢走向有效化。 例如，1994年美國加州理工學院在1cm3摻鐵妮酸鋰晶體中記錄了 1000幅全息圖，同年，斯坦福大學的一個研究小組把經緊縮的數(shù)字化圖像

10、視頻數(shù)據(jù)存儲在一個全息存儲器中，并再現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)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(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 結構的靈巧型全息存儲裝置。（2） 有效化的全息存儲系統(tǒng)慢慢推出。例如， 1995 年由美國政府高級研究項目局（ARPA）、舊M公司的Almaden研究中心、斯坦福大學 等聯(lián)合成立了協(xié)作組織并在美國國家存儲工業(yè)聯(lián)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邢全息 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)（HDS

11、S預目，預期在5年內開發(fā)出具有容量為1T bit 數(shù)據(jù)，存儲速度為1000MB/S的一次寫人或重復寫人的全息數(shù)據(jù)存儲系 統(tǒng)。一樣的研究在法國、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式的進展使這項技術日趨成熟但是，美中不足的是全息圖的壽命問題尚待解決，盡管張澤明、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，從方式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，存儲系統(tǒng)的整體性能越好，

12、可是目前還未解決的一個難題是尋覓適合的記錄材料。無疑，這將成為全息存儲界研究的熱點課題。 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類類型的全息圖，如白光反射全息圖、白光透射全息圖等，各類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(tài)顯示的全息技術、層面X射線照相術、3DCA跋術、3D動畫片、雷達顯示、導向和模擬系統(tǒng)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，它們充分展現(xiàn)了全息技術制造性的魅力和 藝術的美。顯示全息目前要緊有兩大類： 第一類是 Lippmann 全息圖， 制作方式有 Denisyuk 的單光束法和 Benton 的

13、開窗法。第二類是. 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，且圖像的顏色隨觀看的位置的轉變而轉變，從紅到紫如雨后彩虹而得名。隨著高質量記錄材料的進展，隨后的一些研究者和藝術家不斷追求更有效的拍照技術，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 Applied Optics 和 Optics Letters 在 20世紀80年代都有關于這方面的論文報導。由SPIE主辦的Holosphere »和美國全息制造商協(xié)會主辦的 Holography News 以往和最近幾年都不斷地報導有關顯示全息圖的最新制作技術和商業(yè)信息。但從這些報導情形來

14、看，顯示全息存在不足要緊表此刻：(1) 視角范圍、圖像體積有限；(2) 沒有取得專門有效的全息圖的計算方式；(3) 由于全息計算數(shù)量龐大， 致使動態(tài)顯示異樣困難。 克服以上不足，將可能成為顯示全息研究的幾個熱點。最近幾年來，顯示全息技術掀起一場數(shù)字化變革，數(shù)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。隨著運算機運行速度的提高和高分辨空間調制器件的進展，利用顯示全息的大視場、大景深、全視差、真彩色、可拼裝、價錢低廉等特性，在不久的以后開發(fā)出真正意義的全息電影和全息電視，為顯示全息技術制造良好的商業(yè)前景。模壓全息模壓全息是1979年RC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

15、和電鍍、壓印技術結合起來，使全息圖的制作產業(yè)化，用白光再現(xiàn)時，可取得色彩鮮艷傳神的三維圖像，并可通過印刷方式大量量生產，使得它在許多領域取得普遍的應用，以商品形式走向市場。模壓全息的制作要緊分為三個時期：激光攝制原片全息圖；電成型制金屬模板；模壓復制。這三個時期生產工藝和技術要求都比較高，因此，模壓全息作為平安防偽首當其沖，是平安防偽技術的一個里程碑。正如全息圖的新奇性、強烈的視角成效、制作的難度和易于應用在鈔票的包裝上，不能去除性、價錢低廉、容易驗證等特點，使它專門快占據(jù)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， 不管在高級商品促銷、 名優(yōu)商品的防冒充或在有價證券（ 如信譽卡、鈔

16、票、護照簽證） 的防偽和加密和圖書、印刷、印染、裝磺、紀念郵票和廣告標牌等都有采納模壓全息技術，并備受利用者青睞。模壓全息顯現(xiàn)于 20世紀 70年代， 80年代中期已形成了一種產業(yè)，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沖破：美國斑馬圖像公司推出了二維圖像的數(shù)字化搜集和拍照技術； 2003 年， 蘇州大學研制成功并已批量生產 “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個技術沖破，使防偽功能有了提高，讓激光全息防偽技術達到新的境遇。模壓全息產業(yè)在我

17、國起步較晚，但進展速度迅猛，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進展，我國模壓全息產業(yè)進展必需在三個方向上引發(fā)重視： 第一是開拓全息燙金材料，取代金膜和銀膜，第二開發(fā)全息包裝材料，實現(xiàn)立體防偽包裝，第三個方向是模壓全息技術和現(xiàn)代印刷術相結合，表現(xiàn)傳統(tǒng)的美術成效和現(xiàn)代科技的藝術魅力。全息干與計量全息干與計量術是將不同物光，在不同的時刻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(xiàn)原理，非接觸地對物體表面進行三維測量而取得信息。全息干與計量術是全息應用的一個重要方面，它能實現(xiàn)高精度非接觸性無損測量，比一樣光學干與計量有很多優(yōu)勢。 一樣光學計量只能測量形狀比較簡單、

18、表面光度很高的零部件，而全息計量方式那么能對任意形狀、任意粗糙表面的物體進行測量，測量精度為光波波長入的數(shù)量級。目前，全息干與計量術在方式上前后進展了實時全息干與法 （ 單次曝光法） 、二次曝光全息干與法、時刻平均全息干與法、雙波長干與法和雙脈沖頻閃全息干與法，另外，開辟了全息干與計量術的另一個新的分支 - 激光斑紋計量術。 隨著光電技術、運算機技術、CCD器件及光纖技術的飛速進展，使得全息干與計量技術在信息搜集和處置上更為方便、快捷和靠得住，并得以在惡劣環(huán)境條件下對某些物理量進行按時測量。再加上相移技術、外差技術 和鎖相技術等，可使測量精度提高到入/100或更高。全息干與計量在20 世紀 80年代美國等西方先進國家已產業(yè)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，其中有些達到那時的先進水平。通過近幾年的開發(fā)和研制，我國在全息干與計量測試設備方面要緊進展有：(1)用于測試火箭發(fā)動機噴