全息技術(shù)應(yīng)用調(diào)研

1、全息技術(shù)應(yīng)用調(diào)研師范班 2010 級(jí)劉曉輝學(xué)號(hào) 1903一全息術(shù)的發(fā)展1948 年，英籍物理學(xué)家伽博（ Gabor）首先提出了全息學(xué)原理，從而為全息術(shù)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)1 全息學(xué)理論的提出全息術(shù)的發(fā)展至今已經(jīng)歷三個(gè)階段： 第一階段是全息術(shù)的初始階段， 這一階段主要是理論研究和少量的實(shí)驗(yàn)。光全息術(shù)是由 D.Gabor 發(fā)明的。他早期的工作是致力于提高電子顯微鏡的分辨率，那時(shí)科學(xué)家們認(rèn)為新的顯示時(shí)代已到來(lái)。 1947 年 D.伽柏從事提高電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的工作，受 W.L.布喇格在 X 射線金屬學(xué)方面工作及 F.澤爾尼克的關(guān)于引入相干背景來(lái)顯示位相的工作的啟發(fā) 2 ，伽柏提出了全息術(shù)的設(shè)想以提

2、高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)。 1948 年他利用水銀燈首次獲得了全息圖及其再現(xiàn)象，從而創(chuàng)立了全息術(shù)。 但由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有足夠強(qiáng)的相干輻射源， 全息術(shù)的發(fā)展陷入了休眠狀態(tài)。面臨著巨大的障礙和僅有的一點(diǎn)結(jié)果， 使它的早期研究者不得不放棄了這種光學(xué)顯示技術(shù) .50 年代 G.L.羅杰斯等人的工作大大擴(kuò)充了波陣面再現(xiàn)理論。但是由于 “孿生像 ”問(wèn)題和光源相干性的限制，1955 年以后全息術(shù)進(jìn)入低潮階段。2 激光記錄激光再現(xiàn)時(shí)期第二階段是在激光出現(xiàn)以后，用激光記錄并以激光再現(xiàn)的時(shí)期。全息術(shù)黯淡的前途直至 60 年代初由于美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的工作才使它重放光彩。 該實(shí)驗(yàn)室從事綜合孔徑天線研究的， 對(duì) G

3、abor 的技術(shù)做了劃時(shí)代的改進(jìn)，同時(shí)成功地進(jìn)行了三維立體漫射物的記錄和再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。激光的出現(xiàn)， 為全息術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了廣闊的前景， 19611962 年，E.N.利思等人對(duì)伽柏全息圖進(jìn)行了改進(jìn)，引入“斜參考光束法”一舉解決了“孿生像”問(wèn)題，用氦氖激光器成功地拍攝了第一張實(shí)用的激光全息圖。 這樣就使得全息術(shù)在 1963 年以后成為光學(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一。 1964 年利思等人又提出了漫射全息圖的概念， 并得到三維物體的再現(xiàn)。 與此同時(shí)，蘇聯(lián)的物理學(xué)家根據(jù)李普曼彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息圖的概念。3 激光記錄白光再現(xiàn)時(shí)期20 世紀(jì) 80 年代以后至今是全息術(shù)發(fā)展的第三階段，這個(gè)階段是進(jìn)

4、行激光記錄而用白光再現(xiàn)的研究，如反射全息、像全息、彩虹全息、模壓全息及合成全息等。1962 年，前蘇聯(lián)科學(xué)家，許多科學(xué)工作者開(kāi)始了他們自己的研究以探討全息術(shù)的應(yīng)用潛力及其應(yīng)用領(lǐng)域，如全息干涉計(jì)量術(shù)、全息存儲(chǔ)、全息光學(xué)元件、全息顯微術(shù)、顯示全息、計(jì)算全息等等。這期間，使 Gabor 的全息思想在 1971年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。二全息術(shù)種類菲涅耳全息全息照相分為兩步：波前的干涉記錄和波前的衍射重建7 。以菲涅耳全息為例，首先是波前的干涉記錄，如圖1 就是菲涅耳全息照相的記錄光路。圖 1全息照相的記錄光路如圖，激光束通過(guò)快門(mén)后經(jīng)過(guò)分束板分為兩束：透射的一束經(jīng)平面鏡M 2 反射、擴(kuò)束鏡 L2 擴(kuò)束后作

5、為參考光投射到全息干板 E 上；反射的一束經(jīng)平面鏡 M 1 反射、擴(kuò)束鏡 L 1 擴(kuò)束后照到被攝物上，再經(jīng)過(guò)物體的漫反射作為物光束也投射到 E 上。整個(gè)光路光軸在同一個(gè)水平面上，光束通過(guò)各元件中心。物光與參考光夾角在 45o 左右。黑暗中把全息干板夾在干板架上，使感光乳劑面朝向物光和參考光，靜置一分鐘后啟動(dòng)定時(shí)曝光器。 取下干板，在暗室中顯影， 水洗后定影一段時(shí)間用水沖洗干凈，最后晾干，全息圖就制作好了。下面說(shuō)全息圖的再現(xiàn) 8 ，菲涅耳激光全息是用激光再現(xiàn)的。觀察虛像的方法如圖 2 所示：圖 2 虛像的觀察將制作好的全息圖放回拍攝時(shí)原物體的位置，用參考光照射全息圖， 在全息圖后面原物所在位置上

6、可以觀察到物體的虛像。若要觀察到原物體的實(shí)像， 就要改用參考光的共軛光線來(lái)照射全息圖，則可以用光屏在全息圖后面接受到物的實(shí)像，如圖3 所示光路。圖 3 實(shí)像的觀察彩虹全息彩虹全息術(shù)最初是由S.A.本頓提出的。它是用激光記錄全息圖， 用白光透射再現(xiàn)。其基本特點(diǎn)是在記錄系統(tǒng)中的適當(dāng)位置上加入一個(gè)狹縫，限制再現(xiàn)光波，以降低像的色模糊。 根據(jù)人眼是水平排列的特點(diǎn)， 成像只有在水平方向有視差效應(yīng)。彩虹全息保留了水平方向的物體信息，犧牲垂直方向的物體信息， 從而可以降低對(duì)照明光源的時(shí)間相干性的要求。它將不同波長(zhǎng)的光沿著垂直方向色散開(kāi)來(lái)，在不同的高度可以看到不同顏色的假彩色立體再現(xiàn)像。由于狹縫的作用， 眼睛

7、在不同位置將會(huì)看到不同顏色的像， 特別是當(dāng)觀察點(diǎn)的位置連續(xù)改變時(shí)， 就會(huì)看到像的顏色發(fā)生連續(xù)變化， 如雨后天空中的彩虹一樣， 因而成為彩虹全息。 彩虹全息的衍射光有會(huì)聚性能， 再現(xiàn)像的亮度較高。 采用白光照明光源，可以避免相干散斑紋效應(yīng)引起的噪聲影響。三激光全息術(shù)的應(yīng)用自激光問(wèn)世以來(lái)，激光全息得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用， 浮雕彩虹全息的實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致全息印刷業(yè)的興起， 顯微全息的實(shí)現(xiàn)推動(dòng)了顯微技術(shù)的進(jìn)步， 全息干涉自動(dòng)測(cè)量技術(shù)以及光學(xué)圖像實(shí)時(shí)處理等， 為全息術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的空間并產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。1 全息干涉計(jì)量全息干涉計(jì)量術(shù)是全息術(shù)誕生以來(lái)最廣泛地得到實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)領(lǐng)域。 早期的工作是開(kāi)

8、創(chuàng)以全息術(shù)為基本手段對(duì)非透明的漫射物表面靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化的信息進(jìn)行檢測(cè)的理論和方法。 這亦即是利用全息術(shù)的空間波前再現(xiàn)原理，非接觸地進(jìn)行對(duì)物體表面三維測(cè)量而獲得信息。 全息干涉計(jì)量術(shù)在微應(yīng)力分析、 表面微位移測(cè)量、形狀和等高線的檢測(cè)、振動(dòng)分析、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于它能解決一般的干涉計(jì)量術(shù)以及其他手段難以解決的問(wèn)題，所以該技術(shù)很快滲透到機(jī)械學(xué)、流體力學(xué)、斷裂力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)、航空航天、化工、高分子化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中去。在具體方法上， 先后發(fā)展了實(shí)時(shí)全息干涉法、二次曝光全息干涉法、 時(shí)間平均全息干涉法、雙波長(zhǎng)干涉法，以及雙脈沖頻閃全息干涉法等。隨著光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技

9、術(shù)、 CCD 器件及光纖技術(shù)的飛速發(fā)展，使得全息干涉計(jì)量術(shù)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(huán)境條件下對(duì)某些物理量進(jìn)行定時(shí)測(cè)量。全息干涉計(jì)量術(shù)在80 年代美國(guó)等西方先進(jìn)國(guó)家已產(chǎn)業(yè)化。僅美國(guó) 1985 年的經(jīng)營(yíng)額就達(dá) 9200 萬(wàn)美元。由于 80 年代末期電子計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展。使得 70 年代實(shí)驗(yàn)室內(nèi)誕生的電子斑紋干涉計(jì)量更加成熟和實(shí)用 9 。被稱之為電子斑紋干涉計(jì)量術(shù)即是基于斑紋干涉計(jì)量術(shù)的原理并與現(xiàn)代電子學(xué)和數(shù)學(xué)技術(shù)的緊密結(jié)合而成，其優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高， 由計(jì)算機(jī)控制信息的采集和處理，可實(shí)時(shí)地進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。在全息干涉計(jì)量術(shù)的應(yīng)用研究方面，我國(guó)在80年代

10、初已有幾所大學(xué)和科研單位的研究項(xiàng)目通過(guò)鑒定，其中包括雙脈沖紅寶石激光的全息干涉計(jì)量術(shù)研究與應(yīng)用，有些已達(dá)到當(dāng)時(shí)的先進(jìn)水平 10 。但其后全息干涉計(jì)量術(shù)的研究成果一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段， 在某些工程領(lǐng)域中被用作在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的愿望至今尚沒(méi)有完美的實(shí)現(xiàn)。2 全息存儲(chǔ)全息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)容量方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)， 加上其具有冗余度高、 數(shù)據(jù)讀取速率高及可并行讀取等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為最有潛力與傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。所以，全息存儲(chǔ)從全息術(shù)誕生之日起， 就受到了充分的注意。 高密度和大容量的全息存儲(chǔ)是利用全息術(shù)將要存儲(chǔ)的信息制作成傅里葉變換點(diǎn)全息圖， 這些按頁(yè)面方式存儲(chǔ)的點(diǎn)全息圖可以排成二或三維陣列存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)上，

11、 也可以像 CD 唱片的旋轉(zhuǎn)軌跡那樣排列存儲(chǔ)在圓盤(pán)上。 用于全息存儲(chǔ)的記錄材料較多， 有可永久保存的銀鹽干版、光聚合物及光致抗蝕劑等， 也有可擦除重復(fù)使用的光導(dǎo)熱塑料、有機(jī)或無(wú)機(jī)的光致變色和光折變材料11。60 年代末發(fā)現(xiàn)光折變效應(yīng)以后，在光折變晶體中全息存儲(chǔ)曾一度成為熱點(diǎn)并提出過(guò)許多設(shè)計(jì)精巧的存儲(chǔ)方案。進(jìn)入 80 年代后，光計(jì)算的熱潮又重新激發(fā)起對(duì)光全息存儲(chǔ)的研究興趣。 全息存儲(chǔ)技術(shù)在光計(jì)算領(lǐng)域， 如光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 光互連，以及在模式識(shí)別和自動(dòng)控制等領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。 這一時(shí)期的研究工作主要是集中在存儲(chǔ)方法和存儲(chǔ)材料方面，同時(shí)，全息存儲(chǔ)器 (系統(tǒng) )也開(kāi)始向?qū)嵱没~進(jìn)。近 10 年來(lái)，

12、光電子技術(shù)和器件方面的情況也發(fā)生了很大的變化。光電子技術(shù)取得的一系列重大進(jìn)展為全息存儲(chǔ)器提供了所必需的高性能半導(dǎo)體激光器、 液晶空間光調(diào)制器、 CCD 陣列探測(cè)器等核心元器件。全息存儲(chǔ)的理論、方法和材料的發(fā)展使這項(xiàng)技術(shù)日趨成熟。 而當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和光計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展， 無(wú)可非議地需要有比磁盤(pán)和光盤(pán)容量更大、讀取速度更高、功能更好的存儲(chǔ)器件，因而對(duì)全息存儲(chǔ)器的要求再次提到了日程。目前，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、圖像的全息存儲(chǔ)器以及三維全息存儲(chǔ)盤(pán)的研制進(jìn)程不斷地在加快，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益展寬12。在國(guó)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界， 已進(jìn)行了許多令人難忘的實(shí)驗(yàn)演示， 證明全息存儲(chǔ)器具有作為競(jìng)爭(zhēng)性商品化產(chǎn)品所必須具有的存儲(chǔ)容量、

13、 讀出速度和保真度。 我國(guó)有幾所大學(xué)和研究所的實(shí)驗(yàn)室也投入了這熱潮中， 目前還未解決的一個(gè)難題是尋找合適的記錄材料。 無(wú)疑，今后幾年將是規(guī)劃生產(chǎn)可與其他存儲(chǔ)技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)的全息存儲(chǔ)器的良機(jī)。3 模壓全息術(shù)至今已產(chǎn)業(yè)化的模壓全息術(shù)在早期的文獻(xiàn)和光全息學(xué)專著中都沒(méi)有出現(xiàn)，但全息專家們對(duì)于花費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室中一張一張地制作小幅的全息圖已感到不滿足，因此考慮到必須研究全息圖的復(fù)制技術(shù)。 早期的復(fù)制類似普通印相法， 用相干光或非相干光機(jī)械拷貝， 并研制出相關(guān)的全息攝影復(fù)制機(jī) 13 。但產(chǎn)品率低、成本高，無(wú)法產(chǎn)業(yè)化。第一個(gè)模壓全息防偽標(biāo)識(shí)是 1980 年在美國(guó)生產(chǎn)的， 1983 年美國(guó)鈔票公司制造了帶全息防偽

14、的 VISA 銀行卡。正如國(guó)際商會(huì)情報(bào)局副主席 Peter Lower所說(shuō)：“激光全息圖的新奇性、 強(qiáng)烈的視覺(jué)效果、 制作的難度以及易于應(yīng)用在鈔票的包裝上、不能去除性、價(jià)格低廉、容易驗(yàn)證等特點(diǎn)，使它很快占領(lǐng)了防偽領(lǐng)域。 ” 于是在身份證、護(hù)照、信用卡、名優(yōu)產(chǎn)品、名牌服裝標(biāo)簽，以及各類證件中得到廣泛應(yīng)用。而其逼真的三維顯示、變幻無(wú)窮以及五彩繽紛的圖像，使其在包裝、產(chǎn)品促銷和裝飾上得到充分應(yīng)用。模壓全息術(shù)比印刷方法速度更快、 更省事地將全息圖復(fù)制于聚酯薄膜或經(jīng)處理的紙上。這是一項(xiàng)將全息照相術(shù)和化學(xué)電鍍、 模壓等復(fù)制術(shù)結(jié)合起來(lái)的綜合項(xiàng)目。因此這項(xiàng)技術(shù)很快投入生產(chǎn)而形成產(chǎn)業(yè)化。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)現(xiàn)狀的分析， 我國(guó)模壓全息產(chǎn)業(yè)的未來(lái)在三個(gè)發(fā)展方向上必須引起重視： 首先是如何嬀拓全息燙金材料。其次是全息包裝材料。 一件精良的包裝， 最重要的是要具備有特色和獨(dú)特的外觀。這直接影響到消費(fèi)者對(duì)商品由外到內(nèi)的觀感， 從而決定消費(fèi)者購(gòu)買的欲望 .透明或鍍鋁彩虹全息材料