全息技术及其发展应用

全息技术及其发展应用

王群

（陕理工物电学院（系）物理学专业091班，陕西汉中723001）

指导教师：贺雅琦

【摘要】

全息技术从其出现至今经历了快速的发展，随着理论和技术的逐渐成熟，全息技术已经越来越多的进入我们的生活，本文从全息技术的原理开始，回顾了全息技术的发展过程，并介绍了全息技术近年来的几个重要应用。

【关键词】全息技术；全息成像；干涉；全息图像；激光。

全息技术是一种全新的光学成像技术，自1949年英国科学家丹尼斯•盖伯(Dennis Gabor)提出以来，取得了飞速的发展，目前已经应用到科学研究、新技术的发展以及工业生产的许多方面。

一、全息影像技术概念及原理

所谓“全息（holography）”即“全部信息”，是指用摄影的方法记录并且再现被拍摄物体发出的光的全部信息，实现真实的三维图像的记录和再现。它的基础和核心是全息照相。一般的三维图

像只是在二维的平面上通过构图及色彩明暗变化实现人眼的三维感觉，而全息立体摄影产生的全息

图则包含了被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息，能提供“视差”。普通照相是用光学镜头把物体成像在感光胶片上经过冲洗印相得到与物体相似的平面像，它记录的是物体各点的光强分布。全息照相不用镜头成像，它的基本方法是把一束激光用分束器分成两束，一束激光直接照在感

光胶片上，称为参考光束；另一束光照明被摄物体再反射到胶片上.这束光称为物光。物光与参考光在胶片上叠加起来，形成干涉图。这样的胶片经过冲洗后就得到全息照片。全息照相底片并没有物

体形象，是一片极细的各种条纹构成的图案，若用原参考光去照射，便可得到原物体的空间(三维)

再现影像，一般可得到一个虚像和一个实像。

全息影像一般用激光进行，这是因为激光的频率单一效果好。全息影像有两种:一种是单色全息影像，一种是白光全息影像。单色全息影像只能在相同色光的激光下来观察白光全息影像可以在

自然光下来观察。

二、全息影像技术的特点

与普通摄影不同，全息摄影技术有以下几个突出特点：

（1）三维立体性

所谓三维立体性，是指全息照片再现的图像是三维立体的，具有如同观看真实物体一样的立体感。这一性质与现有的用偏振镜观看立体电影有着本质的区别。全息图形象生动，再现的时候，全

息图能如实地呈现出物体的三维立体图像，清晰度和逼真度高。

（2）可分割性

所谓可分割性，是指全息图上任何局部的点都记录了来自空间每一点的振幅、相位信息。所以

全息图即使记录载体有缺损或部分损伤，也不影响整个图像的再现依旧成像完整。

（3）信息容量大

一体全息存储的理论存储量上限远大于磁盘和光盘的存储容量。同一张全息感光板可多次重复

曝光记录并能互不干扰地再现各个不同的图像。因此其信息容量较大。

三、全息技术的发展阶段

全息技术最初由英国科学家丹尼斯•盖伯(Dennis Gabor)于1948年提出，他在前人的基础上找到一种避免相位信息丢失的技巧，为提高电子显微镜的分辨率，他提出了一种用光波记录物光振幅

和相位的方法，并用实验证实了这一想法，而且制成了第一张全息图。整个20世纪50年代，一些

科学家大大扩展了盖伯的理论并加深了对这一新的成像技术的理解。直到1960年第一台激光器问世，解决了相干光源问题，继而在1962年美国科学家利斯（Leith）和乌帕特尼克斯（Upatnieks）提出了

离轴全息图以后，全息技术的研究才获得突飞猛进的发展，并越来越为人们所重视。近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个重要分支。

纵观历史，全息技术的发展可分为四个阶段：

第一阶段是萌芽时期，是用汞灯作为光源，摄制同轴全息图，全息图的±1级衍射波是分不开的，称为第一代全息。第一代全息图存在两个缺陷：一是再现的原始像和共轭像分不开；二是光源的相干性差。这个时期是全息术研究的萌芽期，研究进展较为缓慢。第二阶段是激光记录、激光再现的离轴全息图，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生3个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。离轴光路解决了第一代全息图的再现像混叠的问题，此称为第二代全息。第二代全息图仍然存在缺陷,其全息图没有色调信息。色调信息的损失是由于激光再现所引起的，为了解决第二代全息图的问题，科学家提出激光记录、白光再现的思想。在一定的条件下给全息图赋予鲜艳的色彩，即第三代全息图，此即第三阶段。主要包括白光反射全息、像全息、彩虹全息、真彩色全息及合成全息等，使光全息技术在显示领域充分展现其优越性。但由于激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，这也给全息技术的实际运用带来了种种不便，于是第四代全息技术应运而生。第四阶段是用白光记录、白光再现的全息图，这是一个极具诱惑力的方向，正在吸引人们去研究和探索。

四、全息影像技术的应用

从全息影像技术的提出到今天全息影像已经和多个学科交叉融合形成了全息显示、全息干涉计量、全息显微、全息储存、全息模压等技术.并在人们生产生活的各个方面得到广泛应用。

1.全息显示

全息显示（holographic display）是指利用全息照片来重现十分逼真的物体的三维图像.全息显示具有很高的商业价值。可以用全息技术将广告、展销品、动植物、人物肖像、历史文物等记录下来,通过立体再现,展现给观众,既可以提供观赏,又可以实现全息保存。具体可分为：透射式全息显示图像，反射式全息显示图像，像面式全息显示图像，彩虹式全息显示图像，合成式全息显示图像，模压式全息显示图像，计算机全息显示图像等。

2．全息干涉计

全息干涉计量（holographic Interferometry）是全息技术最重要、最成功的应用之一。全息干涉能分析测量到波长数量级的水平，它可以对同一物体在两个不同时刻的状态进行对比。全息干涉的基本方法有单次曝光(实时法)、二次曝光、连续曝光(时间平均法)、三束光单次曝光法、非线性记录的全息干涉、全息波前错位干涉法、全息莫尔条纹技术法等。全息干涉计量分析在无损检验、微应力应变测量、形状和等高线的检测、振动分析等领域中已得到较好的应用。全息计量技术与光电检测技术、微斑技术、莫尔技术、CCD采集技术及计算机技术等相结合,可实现自动实时量,并具有高灵敏、非接触型、速度快及精度高等特点。

3. 光全息存储

光全息存储（holographic optical storage）技术是以全息图的形式将数据信息记录到存储材料中的一种新兴存储技术。由全息方法本身的物理特性所决定，它不仅保存了物光的振幅信息，而且还保存了其完整的空间位相信息。全息光存储具有高存储容量、高读写速率、高可靠性和内容寻址功能等优点。光全息存储利用2个光波之间的耦合和解耦合,把信息存储和信息之间的比较、识别功能结合起来，解决磁盘和光盘的容量瓶颈，使得存储容量更大。光全息存容储不仅量大,而且数据传输速率高,寻址时间短.例如体全息存储技术使得信息呈分式存储,不易丢失,在一个物理通道中,可以通过信息编码存储多路信息,就像在一个通信信道中传输多路信号,可使信息存储量和处理信息的速度大为提高.与超短脉技术相结合的时域全息术,还可以存储和呈现物体的快速变化过程以及立体物体的层面。

4.模压全息