全息技术的原理及应用

全息技术的原理及应用

摘要：随着时代的发展，人们对光学的理解与认识更加透彻，关于光学的各种技术发展越来越快，其中全息技术广泛应用于生活中各个领域，如医学领域、军事领域、艺术领域、测量领域等。本文主要介绍全息技术的基本原理，以及全息技术在防伪技术的中的应用，在简要介绍在其他方面的应用。

关键字：振幅，相位，参考光波，全息防伪，全息投影。

1全息技术的原理

1.1物光波面的记录

全息技术的第一步是将光波的全部振幅和相位信息记录在感光材料上。由于感光材料只能接收光的振幅信息，因此必须想法把相位信息转换成强度的变化才能记录下来。，干涉法是将空间相位调制转换为空间强度调制的标准方法，因此采用相干光干涉条纹来记录图像。

设物体散射的物光波为

Êo(x,y)=a o(x,y)exp[iφ0(x,y)]

另一个与物光波相干的参考光波为

Êr(x,y)=a r(x,y)exp[iφr(x,y)]

a o(x,y)、a r(x,y)、φ0(x,y)、φr(x,y)分别表示各波面的振幅和相位，

这两个相干光波在记录平面上叠加形成的光强为

I(x,y)=| Êo(x,y)+ Êr(x,y)|2

=| Êo(x,y)|2+| Êr(x,y)|2+Êo*(x,y) Êr(x,y)+ Êo(x,y) Êr*(x,y)

=a r2+a o2+2a r a o cos[φr-φo]

其中，第一项和第二项分别表示参考光波和物光波单独到达全息图的强度，它们的和表示干涉条纹的平均强度，第三项包含了物光波和参考光波的振幅和相位信息。参考光波的作用是使物光波波前的相位分布转化为干涉条纹的强度分布。

底片振幅透射系数t(x,y)为

t(x,y)=k o+k1I(x,y)

其中k o，k1是常数，k1<0是负片，k1>0是正片.

t=(k0+k1|Êr|2)+k1(|Êo|2+|Êr*Êo+ ÊrÊo*|)=t1+t2+t3+t4

1.2 物光波面的重现

全息术的第二步是利用衍射原理有全息图重现物光波。

如果照明光是与全息图记录时的参考光波完全相同的光波Êc=Êr,

透过全息图的光波的复振幅分布Ê，(x,y)为

Ê，(x,y)=Êr t={(k0+k1|Êr|2)}Êr+k1|Êo|2Êr+k1|Êr|2Êo+ k1Êr2Êo*|

=t1，+t2，+t3，+t4，

其中，第一项和第二项表示衰减的重现光Êr方向不变的透过全息图，第三项是透过全息图的+1级衍射光，除了一个常数衰减外，这是一个与原物光波完全相同的重现物光波，第四项是通过全息图的-1级衍射波，这是一个与原物光波的共轭波。

2全息技术的应用

2.1全息防伪技术

全息防伪技术是应用激光全息技术发展起来的一种新型防伪技

术，又称激光防伪，此技术引用早期，确实起到了一定防伪作用，但是随着时间的推移，激光全息图像制作技术迅速扩散。如今已被造假者各个方面攻破，几乎完全丧失了防伪的能力。改进型激光全息图像防伪技术，第一代激光全息防伪技术的泛滥，促使人们不得不开始寻求改进现有技术。改进后的技术主要有三种：一是应用计算机图像处理技术改进全息图像；二是透明激光全息图像防伪技术；三是反射激光全息图像防伪技术。

<1>.应用计算机图像处理技术改进全息图像

计算机图像处理技术改进激光全息图像经历了两个发展形态，第一形态是计算机合成全息技术，这种技术是将系列普通二维图像经光学成像后，按照全息图像的成像原理进行处理后记录在一张全息记录材料上，从而形成计算机像素全息图像。观察这种像素全息图像时，可在不同的视角看到不同的三维图像，其图形和色彩都具有异常灵活多变的动态效应，并且不受再现光线方向的限制。第二形态是计算机控制直接曝光技术，与普通全息成像不同，这种技术不需要拍摄对象，所需图形完全由计算机生成，通过计算机控制两束相干光束以像素为单位逐点生成全部图案，对不同点可改变双光束之间的夹角，从而制成具有特殊效果的三维全息图。

<2>.透明激光全息图像防伪技术

普通的激光全息图像一般是用镀铝的聚酯膜经过模压（也可以先用聚酯薄膜经过模压再镀铝）而成，镀铝的作用是增加反射光的强度使再现图像更加明亮。照明光和观察方向都在观察者这一侧，这样的

激光彩虹模压全息图是不透明的。透明激光全息图像实际上就是取消了镀铝层，将全息图像直接模压在透明的聚酯薄膜上。1996年我国公安部将透明激光全息图像应用在居民身份证上，将身份证用透明膜整体覆盖，在光线下观察身份证正面时，不但能看清证件内容，还能看到透明膜上显现出来的二维、三维彩虹全息图像（“长城”及“中国”的中英文字样）。

<3>.反射激光全息图像防伪技术

反射激光全息图像成像原理是将入射激光射到透明的全息乳胶介质上，一部分光作为参考光，另一部分透过介质照亮物体，再由物体散射回介质作为物光，物光和参考光相互干涉，在介质内部生成多层干涉条纹面，介质底片经处理后在介质内部生成多层半透明反射面（例如6微米厚的乳胶层里可以有20多个反射面），用白光点光源照射全息图，介质内部生成的多层半透明反射面将光反射回来，迎着反射光可以看到原物的虚像，因而称为反射激光全息图。

2.2全息技术在医学方面的应用

全息投影技术在医学的应用改变了医疗诊断和治疗方式，从而减轻了病人在诊断与治疗是的痛苦，全息投影技术可以用于量血压，照X光，直接用眼镜就能看到病人体内的病变情况，从而帮助医生分析与治疗。当然全息投影可以通过图片处理与立体制作将展现4D 的全息投影技术，将人体信息全部呈现出来，真实性更高，同时此图片可以保存，多次播放便于医生仔细观察，而且对于某些较小部位不易观察的地方可以通过放大，旋转，倒置等措施进行清晰放大，更易

于观察。全息投影技术也可以在牙科技术上使用，把此技术镶嵌在检查笔内，然后吧笔放在口中全体扫描，记录。再把此图像呈现在电脑上便可清晰观察牙齿的排列情况，从而选用合适的牙套进行牙齿的矫正。

2.3全息技术在艺术方面的应用

互动多媒体全息投影技术舞台美术设计虚拟应用互动多媒体科技创新型的应用与设计，正逐渐的改变着人们的视听感受，改变着人们对事物的欣赏态度。这让很多人习惯于在立体直观的视角去接受和理解事物。美轮美奂的布景，引人入胜的转场，灯光迷离的光效，给人们极大的视觉体验。

立体式互动体验舞台美术设计和指导在技术应用上普遍会用到全息投影技术，全息投影技术不仅可以产生立体的空中幻像，还可以使幻像与表演者产生互动，一起完成表演，产生令人震憾的演出效果。在互动多媒体全息投影技术与影视片段创新性的融合与协同科技中，舞台艺术与电影片断在同一空间出现了非凡的融合，给观众展示了世界多媒体艺术最新的创新成果。全息投影技术在舞美中的应用提升的不仅仅是一种观赏视觉，更是一种自我满足式的体验化消费，人们在一种光影和科技幻化出的虚拟视界里面，一边在惊叹于科技技术手段的神奇，同时也会被丰富多彩的内容所吸引。

参考文献：

【1】叶玉堂,饶建珍,肖峻等编著.—北京:清华大学出版社,2005.8(2008重印)ISBN 978-7-302-11461-1;