全息术的原理应用及展望

1全息术的原理、应用及展望摘要：全息术是一种用相干光干涉得到物体全部信息的2步成像技术，是一门正在蓬勃发展的光学分支，近年来已渗透到社会生活的各个领域并被广泛地应用于近代科学研究、工业生产和生活中.本论文首先介绍了全息术的发展历程，然后就其原理及应用进行了深入探讨，最后探讨了一下全息术的发展前景．关键字：全息术；原理；应用；展望；白光再现ThePrincipal,ApplicationandProspectsofholographyAbstract：Holographyisatwo-stepimagingtechnologywhichobtainsthewholeinformationfromanobjectwiththecoherentlightinterference.Itisanactivebranchofoptical,inrecentyears,ithaspenetratedintoeveryfieldofthesociallifeandwidelyusedinmodernscientificresearch,industrialproduction,andithavealreadybeensteppingintothemodernlife.Firstly,thisthesisintroducesthedevelopmentofholography,andthenhadathoroughdiscussionontheprincipleandapplication,andfinallydiscussestheprospectsforthedevelopmentofholography.Keywords：Holography；Principal；Application；Prospects；Whitelightreconstruction引言1948年伽柏提出了一种全新的两步无透镜成像法──全息术，也称为波阵面再现术。整个过程由两步──波阵面记录和波阵面再现来完成。在波阵面记录过程中，引入适当的相干参考波，使它与由物体衍射（或散射）的光（物光）相干涉，把这干涉场记录下来，即可得到一张全息图。全息图是与物体毫不相似的干涉图，它上面不仅记录了物光的振幅信息而且也把在普通照相过程丢失的位相信息记录下来。它具有三维立体性、可分割性以及信息容量大等特点。1全息照相概述全息术是利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波——干涉的形式记录下来，并在一定的条件下使其再现，形成原物逼真的立体像。因为它记录了物体光波的全部信息(振幅和相位)，因此称为全息照相或全息术。其原理可用8个字来表述：“干涉记录，衍射再现”。[1]全息术是一种不用透镜成像，而用相干光干涉得到物体2全部信息的2步成像技术。1.1全息照相与普通照相的异同全息照相与普通照相在原理和方法上都有本质的差别。普通照相是以几何光学原理为基础，利用透镜成像来记录物体各点的光强分布，反映的是物体波场的振幅信息，所成像为二维平面图像。而全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助所谓参考光波与原物光波的相互作用，记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹，这种干涉条纹不仅保存了物光波（从物体反射的光波）的振幅信息，同时还保存了物光波的位相信息，它只有在高倍显微镜下才能观察到[2]。记录了干涉条纹的全息照片可以看做是个复杂的衍射光栅，当用与原参考光波相同的光再照射该光栅时，其衍射波能重现原来的物光波，在照片后原物的位置就可以观察到原被照物的三维图像。由于振幅和相位都被记录下来了，重构光波自然包含了物体的三维信息，观察着接收重构光波时，能感受逼真的三维物体，所以称为全息[3]。下图即为一张用普通相机对重构光场拍摄的照片，图1.1和1.2从不同角度观察同一场景，得到不同的透视关系，而且对准物清晰，为对准物模糊。这与直接观察三维物体效果相同，所以全息图能产生身临其境的感觉。(a)(b)图一全息图的三维效果1.2全息术的发展历程全息术是Gabor早在激光出现之前发明的。下面先从他的思想的由来谈起。伽柏在15岁开始对物理产生了特别的爱好，对阿贝显微理论和Lippman彩色照相术着了迷。1934年他到英国一家公司研究室工作后，该公司的姐妹公司制造电子显微镜需要提高分辨率，他对此很感兴趣，并获得机会进行光学实验研究，当时电子显微镜的分辨能力已比最好的光学显微镜提高了一百倍，但仍不足以分辨晶格，为了提高分辨率，伽柏经过长期思索后，正值1947年复活节的一个晴天，他在网球场等待一场球赛时突然想到：“为什么不拍摄一张不清楚的电子照片，使它包含着全部信息，再用3光学方法去校正它呢？”他考虑到电子物镜永远不会完善，若把它省去，利用相干电子波记录相位和强度信息，再利用相干光再现无相差的像，则电子显微镜的分辨率可提高到0.1nm，从而可以观察晶格。就是伽柏当时研究全息术的基本思想。在发明全息术的前几年，伽柏看过布喇格的“X射线显微镜”，布喇格采用两次衍射使晶格的像重现。尽管X射线无法利用透镜成像，但原子的间距与X射线的波长同数量级，周期性排列的原子对入射X射线相互散射，会产生衍射点阵；用相干光对这种衍射图样做第二次衍射，便可恢复晶格的像。这就是伽柏两步成想法的由来。然而他注意到，布喇格的方法还不足以记录相位信息，故只适用于入射线与衍射线之间发生的相位改变量已知的一些特殊物体。为了解决相位的记录问题，伽柏想到了Zernike在研究透镜差时使用过的“相干背景”。他认为：如果没有什么东西作比较，丢失相位是不足为奇的；但加上一个标准，即用“相干背景”作为参考波，那么参考波与衍射波相互干涉，用照相底片记录干涉图样，便得到包含相位信息在内的干涉图像，伽柏称之为“全息图”。“全息”二字来源于希腊字，意思是“信息的全部记录”。[4]其真正的发展是在20世纪60年代激光发明之后。从1948年伽柏提出这一思想到二十世纪中期，全息技术都是采用汞灯作为光源，而且是所谓的同轴全息图，它的1级衍射波是分不开的，即存在“孪生像”的问题，不能获得好的全息像。这是第一代全息图，是全息术的萌芽时期。此时的全息图存在两个问题，一是再现原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。1960年激光的出现提供了高相干性光源，随后就有人提出了离轴全息术，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。由此进入第二代全息图，从而使全息术在沉睡了十几年之后得到了新生，进入了迅速发展年代，相继出现了多种全息方法，并在信息处理、全息干涉计量、全息显示、全息光学元件等领域得到广泛应用。然而由于激光再现的全息图失去了色调信息，人们开始研究第三代全息图。第三代全息图是利用激光记录和白光再现的全息图。激光的高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，并且相干噪声也很严重，这给全息术的实际应用带来了很大的不便。[2]因此，就对第四代全息术的发展提出了要求，4从而使全息术走出实验室，进入广泛的实用领域。2全息的基本原理为了更好的理解全息术，先讨论一下人眼为什么能看到某个物体。这是由于这个特定物体发出（或反射）的光波将物体的信息传递到了眼睛。如果能够记录携带物体全部信息的物光波，并在一定条件下再现（亦称重现）这个物光波，即使这个特定物体已经不存在，但只要眼睛完全接收到这个再现波，就可以“看到”原物体的三维立体图像，如同物体仍在原来的位置。全息照相分成两步，第一步是物光波记录，第二步是物光波的重现。[3]记录物体发出的光波就是既要记录物光波的振幅，又要记录物光波的相位。而全息照相的记录介质主要仍然是普通的感光片，它只对光强即光振幅敏感，对光的相位没有反应。因此需要采取措施把物光波的相位分布转换为强度分布加以记录。2.1波前记录设物体散射的物光波为yxjyxOyxOO,exp,,0另一个与物光波相干的参考光波为yxjyxRyxRR,exp,,0经常把参考光取成平均平面波，[4]即yxRo,为常数。这两个相干光波在记录平面上叠加形成的光强为yxRyxOyxRyxOyxRyxOyxRyxOyxI,,,,,,,,,222yxyxyxRyxOyxRyxORO,,cos,,2,,002020假设记录过程是线性的，胶片的复振幅透过率函数yxt,正比于光强，则yxyxyxRyxOyxRyxOtyxItyxtRObb,,cos,,2,,,,002020（1）式（1）中，bt和是反映胶片属性的两个常数。式（1）就是全息图的复振幅透光率函数，可见，它是物光和参考光干涉条纹的集合。[5]2.2波前重构用一束相干光yxB,照明式（1）描述的全息图，[6]从全息图衍射的光波为yxtyxByxU,,,yxByxRyxOyxByxRyxOyxByxRyxOyxBtb,,,,,,,,,,202054321UUUU（2）如果照明光波就是参考光波，[7]即yxRyxB,,，式（2）中的第三项变成23,,yxRyxOU（3）由于参考光波是均匀的，2,yxR为常数，所以除了多出一个常数，3U就是物光波。如果照明光波是参考光的共轭波，即yxRyxB,,，式（2）中第四项为24,,yxRyxOU（4）除了多出一个常数，4U就是物光的共轭波。[8]3全息术的应用近三十年来，全息术发展极为迅速，已渗透到国民经济的各个领域。全息与艺术的结合已经迈出了坚实的一步，种类繁多的全息艺术制品早已走进市场，走入寻常百姓的生活中。作为一种高技术，全息在工业、国防、医学、航空航天等领域已无所不用，甚至在光学计算、光学互联等前沿学科的研究中也已占有一席之地。[9]由于全息应用方面的内容极为丰富，涉及面广，下面将介绍全息术在几方面的应用。3.1在艺术领域中的应用显示全息摄影技术是在激光透射全息图片的基础上来制作各种类型的全息图片,如白光反射全息图片、白光透射全息图片等,各种类型的显示全息图片可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等；再如，以动态显示的全息技术：层面x线照相术、3DCAD技术、3D动画片、雷达显示、导向和模拟系统等，充分展示了全息技术创造性的艺术魅力[10]。显示全息术或称全息三维显示是光全息术应用的一个重要方面，随着科学技术的进步，它将被进一步推广加以应用。在每一次的显示全息术国际会议上，美国的LoithBenton和俄罗斯的Denisyuk等全息界的泰斗[11]，他们每回展出都带来令人惊讶的全息图，它们或栩栩如上，或色彩鲜艳、变化无穷，或显示的物波占前后空间达半米的立体视觉，带给人遐想和灵感。所以这项技术是科学与技术的结晶，在艺术领域中有着广泛的应用，如艺术图像精品、稀世文物再现、三维显示壁灯、科教显示图、大幅仿真商业广告等等。在反光材料领域中，具有衍射图文的模压箔(也称镭射箔、钻石胶片或晶晶彩虹片)，由于它特有的绚丽色彩和丰富变化的图案[11]，在装饰、家具贴6边，礼品包装、商品装演等方面得到应用。近年来，全息立体图和真彩色全息逐渐发展起来，使模压全息图在像质、色彩等方面均有显著地改善，可以表现动态景物，如人物肖像可呈现逼真的立体效果，并能随观看角度的变化伴随着再现像的一连串动作。3.2在防伪领域中的应用第一个模压全息防伪标识是1980年在美国生产的，由于模压全息图片技术含量高，带有附加的保密特性，可以防止复制[12]。将全息防伪标记记录、存储和转移到护照、信用卡以及高级化妆品、酒类、体育用品、家用电器、汽车和飞机的各种配件等高级产品上，起到防伪作用。现在，国内外已有生产制作卡式全息标牌的专用设备，应用于服装标牌、公司标志、产品标签等方面。目前，许多国家已经在大面值