全息術(shù)的歷史和進(jìn)展

1、全息術(shù)的歷史和進(jìn)展論文關(guān)鍵詞：全息術(shù)；干與計(jì)量；全息存儲(chǔ)；顯示全息；模壓全息論文摘 要： 回憶了全息術(shù)的歷史， 論述了全息術(shù)的大體原理， 然后介紹了全息術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用及其進(jìn)展方向。咱們看到的世界是三維的、彩色的，這是因?yàn)槊恳粋€(gè)物體發(fā)射的光被人眼同意時(shí)，光的強(qiáng)弱、射向和距離、顏色都不同。從波動(dòng)光學(xué)的觀(guān)點(diǎn)看，是由于各物體發(fā)射的特定的光波不同，光的特點(diǎn)要緊取決于光波的振幅（ 強(qiáng)弱 ） ，位相 （ 同相面形狀） 和波長(zhǎng) （ 顏色 ） 。若是能取得景物光波的完全特點(diǎn)，就能夠看到景物傳神的三維像，這確實(shí)是全息術(shù)。 全息術(shù)誕生到此刻 60 年來(lái)取得了專(zhuān)門(mén)大的進(jìn)展， 已被普遍地應(yīng)用于近代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中

2、。1 全息術(shù)的歷史和進(jìn)展時(shí)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(shí)驗(yàn)證明這一方式，即全息術(shù)，并制成世界上第一張全息圖。蓋伯本來(lái)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(jiàn)光證明了。 從第一張全息照片制成到 20 世紀(jì)50 年代末期， 全息圖制作具有以下一起特點(diǎn)： 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(shí)期的全息圖被稱(chēng)為第一代全息圖，標(biāo)志著全息術(shù)的萌芽。第一代全息圖存在兩個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題，一個(gè)是再現(xiàn)的原始像和共軛像分不開(kāi)，另一個(gè)是光源的相干性太差。因此在這十連年中，全息術(shù)進(jìn)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(shù)進(jìn)展提供了可能。針對(duì)第一代全息技術(shù)顯現(xiàn)的問(wèn)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(chǎn)生三個(gè)在空間相互分離的衍射分量，其中一個(gè)復(fù)制出原始物光。該方式被稱(chēng)為離軸全息術(shù)，這是全息術(shù)進(jìn)展的第二時(shí)期。第二代全息術(shù)解決了光源的問(wèn)題，而且在立體成像、干與計(jì)量檢測(cè)、信息存貯等應(yīng)用領(lǐng)域中取得龐大進(jìn)展，可是激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信息。科學(xué)家們開(kāi)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(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域的到了應(yīng)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(jìn)程中各個(gè)元件、光源和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置嚴(yán)格維持不變，這也給全息技術(shù)的實(shí)際利用帶來(lái)了各類(lèi)不便。于是，科學(xué)家們又回過(guò)頭來(lái)繼續(xù)探討白光記錄的可能性。第四代全息圖應(yīng)該是白光記錄白光再現(xiàn)的全息圖，它將使全息術(shù)最終走出有防震工作臺(tái)的黑暗實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入加倍普遍的有效領(lǐng)域。2 全息術(shù)的大體原理和特點(diǎn)全息術(shù)是一種“無(wú)透鏡”的兩步成像法，它能在感光膠片上同時(shí)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(jìn)程分全息記錄和再現(xiàn)兩步：第一步稱(chēng)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(chǎn)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(diǎn) （包括形狀、間距、位置）記錄了物光波前的位相散布。確實(shí)是說(shuō)， 全息圖上的強(qiáng)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(diǎn)。應(yīng)當(dāng)指出，任何感光底片都只能記錄振幅（ 或說(shuō)強(qiáng)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(zhuǎn)化成了干與條紋的強(qiáng)度散布。假設(shè)沒(méi)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(lái)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(guò)

6、全息圖衍射后顯現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的光波場(chǎng)。全息圖的衍射波含有三種要緊成份，即物光波 （+1 級(jí)衍射波 ） ， 物光波的共軛波（-1 級(jí)衍射波 ） ， 照明光波的照直前進(jìn) （ 零級(jí)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(guān)測(cè)物光波的虛像或其共軛波的實(shí)像。全息術(shù)的原理決定了它所記錄的全息圖有以下特點(diǎn)：(1) 三維性因?yàn)槿D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?yàn)槿D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(fù)曝光記錄， 并能 互不干擾地再現(xiàn)各個(gè)不同的圖像。(4) 全息圖的再現(xiàn)相可放大或縮小因?yàn)檠苌浣桥c波長(zhǎng)有關(guān)， 用 不同波長(zhǎng)的激光照射全息圖，再現(xiàn)相就會(huì)發(fā)生放大或縮小。(5) 全息術(shù)的要緊應(yīng)用及其進(jìn)展方向全息術(shù)通過(guò)60 年的進(jìn)展， 已與運(yùn)算機(jī)技術(shù)、 光電技術(shù)和非線(xiàn)性光學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，成為一種高新技術(shù)，擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)、藝術(shù)、裝飾、包裝、印刷等領(lǐng)域，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家還興起了全息產(chǎn)業(yè)，而且正在形成日趨廣漠的市場(chǎng)，有效前景超級(jí)可觀(guān)。本文介紹全息術(shù)中幾個(gè)應(yīng)用較為普遍、產(chǎn)業(yè)化較成熟的領(lǐng)域并說(shuō)明其進(jìn)展方向。全息存儲(chǔ)全息存儲(chǔ)是依據(jù)全息術(shù)的原理，將信息以全息照相的方式存儲(chǔ)起來(lái)，它

8、利用兩個(gè)光波之間的耦合和解耦合，能夠把信息存儲(chǔ)和信息之間的比較 ( 相關(guān) ) 、識(shí)別，乃至聯(lián)想的功能結(jié)合起來(lái)，也確實(shí)是能夠把信息存儲(chǔ)和信息處置結(jié)合起來(lái)。用于全息信息存儲(chǔ)的記錄介質(zhì)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(fù)利用的實(shí)時(shí)記錄材料有光導(dǎo)熱塑料、有機(jī)或無(wú)機(jī)光折變材料等。全息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)容量方面具有龐大的優(yōu)勢(shì)，緣故是：(1) 全息存儲(chǔ)具有存儲(chǔ)容量大的優(yōu)勢(shì)。 用感光干板作為一般照相記錄信息時(shí)， 信息存儲(chǔ)密度的數(shù)量級(jí)一樣為 105bit/mm2 ； 用平面全息圖存儲(chǔ)信息時(shí)， 存儲(chǔ)密度一樣可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)106bit/mm2 ； 若是用體

9、全息圖存儲(chǔ)信息時(shí)，存儲(chǔ)密度可高達(dá)1013bit/mm2 。(2) 全息存儲(chǔ)具有極大的冗余性， 存儲(chǔ)介質(zhì)的局部缺點(diǎn)和損傷可不能引發(fā)信息丟失。(3) 全息存儲(chǔ)具有讀取速度高和能并行讀取的特點(diǎn)， 每一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)可包括達(dá)1Mbit的信息，寫(xiě)人一頁(yè)的時(shí)刻在100ms左右，讀信息的時(shí)刻能夠小于100ws,而磁盤(pán)的尋址時(shí)刻至少需要 10ms當(dāng)前，活著界范圍內(nèi)掀起了全息存儲(chǔ)研究的熱潮，并取得專(zhuān)門(mén)大的進(jìn)展，其要緊表此刻：（1） 存儲(chǔ)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(guó)加州理工學(xué)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(xué)的一個(gè)研究小組把經(jīng)緊縮的數(shù)字化圖像

10、視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)全息存儲(chǔ)器中，并再現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)而圖像質(zhì)量無(wú)顯著下降。 1999 年美國(guó)加州理工大學(xué)利用空 - 角復(fù)用技術(shù)， 在同一塊在摻鐵鈮酸鋰晶體中存儲(chǔ)了 26000 幅全息圖。北京清華大學(xué)實(shí)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(jié)構(gòu)的靈巧型全息存儲(chǔ)裝置。（2） 有效化的全息存儲(chǔ)系統(tǒng)慢慢推出。例如， 1995 年由美國(guó)政府高級(jí)研究項(xiàng)目局（ARPA）、舊M公司的Almaden研究中心、斯坦福大學(xué) 等聯(lián)合成立了協(xié)作組織并在美國(guó)國(guó)家存儲(chǔ)工業(yè)聯(lián)合會(huì)（NS1C）支持下川，投資約7000萬(wàn)美元，實(shí)施了光折變信息存儲(chǔ)材料（PRISM邢全息 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)（HDS

11、S預(yù)目，預(yù)期在5年內(nèi)開(kāi)發(fā)出具有容量為1T bit 數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)速度為1000MB/S的一次寫(xiě)人或重復(fù)寫(xiě)人的全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系 統(tǒng)。一樣的研究在法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)家也正在加緊進(jìn)行。近幾年來(lái)，光電子技術(shù)和器件取得了系列重大進(jìn)展，為全息存儲(chǔ)器提供了所必要的高性能半導(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)的理論和方式的進(jìn)展使這項(xiàng)技術(shù)日趨成熟但是，美中不足的是全息圖的壽命問(wèn)題尚待解決，盡管張澤明、謝敬輝等對(duì)Ce： Fe： LiNbO3 晶體的全息存儲(chǔ)和熱定影進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)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(chǔ)系統(tǒng)的整體性能越好，

12、可是目前還未解決的一個(gè)難題是尋覓適合的記錄材料。無(wú)疑，這將成為全息存儲(chǔ)界研究的熱點(diǎn)課題。 顯示全息顯示全息技術(shù)是在激光透射全息圖的基礎(chǔ)上來(lái)制作各類(lèi)類(lèi)型的全息圖，如白光反射全息圖、白光透射全息圖等，各類(lèi)類(lèi)型的顯示全息圖可用于舞臺(tái)布景、建筑、室內(nèi)裝飾、投影等；再如，以動(dòng)態(tài)顯示的全息技術(shù)、層面X射線(xiàn)照相術(shù)、3DCA跋術(shù)、3D動(dòng)畫(huà)片、雷達(dá)顯示、導(dǎo)向和模擬系統(tǒng)等，每 3 年一次的顯示全息國(guó)際會(huì)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(shù)制造性的魅力和 藝術(shù)的美。顯示全息目前要緊有兩大類(lèi)： 第一類(lèi)是 Lippmann 全息圖， 制作方式有 Denisyuk 的單光束法和 Benton 的

13、開(kāi)窗法。第二類(lèi)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(guān)看的位置的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變，從紅到紫如雨后彩虹而得名。隨著高質(zhì)量記錄材料的進(jìn)展，隨后的一些研究者和藝術(shù)家不斷追求更有效的拍照技術(shù)，如假彩色編碼和真彩色反射全息圖等。美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主辦的 Applied Optics 和 Optics Letters 在 20世紀(jì)80年代都有關(guān)于這方面的論文報(bào)導(dǎo)。由SPIE主辦的Holosphere »和美國(guó)全息制造商協(xié)會(huì)主辦的 Holography News 以往和最近幾年都不斷地報(bào)導(dǎo)有關(guān)顯示全息圖的最新制作技術(shù)和商業(yè)信息。但從這些報(bào)導(dǎo)情形來(lái)

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(méi)有取得專(zhuān)門(mén)有效的全息圖的計(jì)算方式；(3) 由于全息計(jì)算數(shù)量龐大， 致使動(dòng)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(gè)熱點(diǎn)。最近幾年來(lái)，顯示全息技術(shù)掀起一場(chǎng)數(shù)字化變革，數(shù)字合成全息技術(shù)為全息三維顯示開(kāi)辟了前所未有的應(yīng)用前景。隨著運(yùn)算機(jī)運(yùn)行速度的提高和高分辨空間調(diào)制器件的進(jìn)展，利用顯示全息的大視場(chǎng)、大景深、全視差、真彩色、可拼裝、價(jià)錢(qián)低廉等特性，在不久的以后開(kāi)發(fā)出真正意義的全息電影和全息電視，為顯示全息技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)件的全息拷貝而提出的，它是將全息術(shù)

15、和電鍍、壓印技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使全息圖的制作產(chǎn)業(yè)化，用白光再現(xiàn)時(shí)，可取得色彩鮮艷傳神的三維圖像，并可通過(guò)印刷方式大量量生產(chǎn)，使得它在許多領(lǐng)域取得普遍的應(yīng)用，以商品形式走向市場(chǎng)。模壓全息的制作要緊分為三個(gè)時(shí)期：激光攝制原片全息圖；電成型制金屬模板；模壓復(fù)制。這三個(gè)時(shí)期生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求都比較高，因此，模壓全息作為平安防偽首當(dāng)其沖，是平安防偽技術(shù)的一個(gè)里程碑。正如全息圖的新奇性、強(qiáng)烈的視角成效、制作的難度和易于應(yīng)用在鈔票的包裝上，不能去除性、價(jià)錢(qián)低廉、容易驗(yàn)證等特點(diǎn)，使它專(zhuān)門(mén)快占據(jù)了防偽領(lǐng)域。模壓全息是一種技術(shù)與藝術(shù)結(jié)合的高科技產(chǎn)品， 不管在高級(jí)商品促銷(xiāo)、 名優(yōu)商品的防冒充或在有價(jià)證券（ 如信譽(yù)卡、鈔

16、票、護(hù)照簽證） 的防偽和加密和圖書(shū)、印刷、印染、裝磺、紀(jì)念郵票和廣告標(biāo)牌等都有采納模壓全息技術(shù)，并備受利用者青睞。模壓全息顯現(xiàn)于 20世紀(jì) 70年代， 80年代中期已形成了一種產(chǎn)業(yè)，90 年代達(dá)到了鼎盛時(shí)期。本世紀(jì)初，隨著防偽技術(shù)要求的不斷提高，模壓全息技術(shù)又有了新的沖破：美國(guó)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(shù)； 2003 年， 蘇州大學(xué)研制成功并已批量生產(chǎn) “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(gè)個(gè)技術(shù)沖破，使防偽功能有了提高，讓激光全息防偽技術(shù)達(dá)到新的境遇。模壓全息產(chǎn)業(yè)在我

17、國(guó)起步較晚，但進(jìn)展速度迅猛，目前國(guó)內(nèi)已有100 多條模壓全息生產(chǎn)線(xiàn)。為了使模壓全息技術(shù)健康進(jìn)展，我國(guó)模壓全息產(chǎn)業(yè)進(jìn)展必需在三個(gè)方向上引發(fā)重視： 第一是開(kāi)拓全息燙金材料，取代金膜和銀膜，第二開(kāi)發(fā)全息包裝材料，實(shí)現(xiàn)立體防偽包裝，第三個(gè)方向是模壓全息技術(shù)和現(xiàn)代印刷術(shù)相結(jié)合，表現(xiàn)傳統(tǒng)的美術(shù)成效和現(xiàn)代科技的藝術(shù)魅力。全息干與計(jì)量全息干與計(jì)量術(shù)是將不同物光，在不同的時(shí)刻記錄在同一張全息干板上，然后利用全息術(shù)的空間波前再現(xiàn)原理，非接觸地對(duì)物體表面進(jìn)行三維測(cè)量而取得信息。全息干與計(jì)量術(shù)是全息應(yīng)用的一個(gè)重要方面，它能實(shí)現(xiàn)高精度非接觸性無(wú)損測(cè)量，比一樣光學(xué)干與計(jì)量有很多優(yōu)勢(shì)。 一樣光學(xué)計(jì)量只能測(cè)量形狀比較簡(jiǎn)單、

18、表面光度很高的零部件，而全息計(jì)量方式那么能對(duì)任意形狀、任意粗糙表面的物體進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為光波波長(zhǎng)入的數(shù)量級(jí)。目前，全息干與計(jì)量術(shù)在方式上前后進(jìn)展了實(shí)時(shí)全息干與法 （ 單次曝光法） 、二次曝光全息干與法、時(shí)刻平均全息干與法、雙波長(zhǎng)干與法和雙脈沖頻閃全息干與法，另外，開(kāi)辟了全息干與計(jì)量術(shù)的另一個(gè)新的分支 - 激光斑紋計(jì)量術(shù)。 隨著光電技術(shù)、運(yùn)算機(jī)技術(shù)、CCD器件及光纖技術(shù)的飛速進(jìn)展，使得全息干與計(jì)量技術(shù)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(duì)某些物理量進(jìn)行按時(shí)測(cè)量。再加上相移技術(shù)、外差技術(shù) 和鎖相技術(shù)等，可使測(cè)量精度提高到入/100或更高。全息干與計(jì)量在20 世紀(jì) 80年代美國(guó)等西方先進(jìn)國(guó)家已產(chǎn)業(yè)化，我國(guó)在 20世紀(jì) 80年代初有幾所大學(xué)和科研單位的研究項(xiàng)目通過(guò)鑒定，其中有些達(dá)到那時(shí)的先進(jìn)水平。通過(guò)近幾年的開(kāi)發(fā)和研制，我國(guó)在全息干與計(jì)量測(cè)試設(shè)備方面要緊進(jìn)展有：(1)用于測(cè)試火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴