对全息技术与应用的研究

对全息技术与应用的研究

对全息技术与应用的研究

摘 要：全息技术是一种区别于普通照相的技术，他可以不通过透镜，利用光的干涉原理，在感光材料上实现对物体信息的全部记录，然后再通过复杂光的衍射又能呈现出原物体的一个实像和共轭像，全息技术在当代社会中应用十分广泛，比如全息照相可以得到立体的3D照片、全息投影可以很生动展现出物体的全部影像，全息干涉计量则区别于一般的光学检测方法，实现低成本的光学检测，全息存储则可以实现数据的永久保存。

关键词：全息技术、记录、再现、全息投影、全息干涉计量

全息技术[1]最早提出是在1947年，当时英国科学家丹尼斯•伽柏（Dennis Gabor）主要是为了提升电子显微镜的分辨率，在布拉格（Bragg）和泽泥克（.Z.enike）工作的基础上提出了全息技术的概念。当时丹尼斯虽然解决了全息术发明中的基本问题，但是由于当时缺乏明亮的相干光源，全息图的成像质量很差。然而全息照相经过半个多世纪科学家们不断的探索，终于迎来了它的发展春天。1962年，利斯（）和乌帕尼克斯（）利用相干性较好的激光器发明了离轴全息术，有效地解决了全息照相中出现的成像质量差的问题，再到1969年，科学家本顿基于全息照相发明的彩虹全息术，使得以白光显示为特征全息三维显示的迎来了它的新高潮。而在当今社会中，全息技术的运用更为广泛，更加平凡的出现在我们的视线当中，比如现在在电视上综艺节目的舞台上，经常出现的人物复活的场景，这是因为他们利用了现在比较流行的全息投影技术，这样的技术不仅可以使观众可以看到那些在舞台上难以呈现的场景，还可使表演者与场景共同融入到其中，一起进行表演，产生令人匪夷所思的视觉效果。

2全息技术

2.1 全息技术原理

全息技术照相区别于我们生活中的常见的普通照相，全息照像的过程要求非常严格，而且它显示出来的物像是物体的立体像，从不同的角度看，可看到景物不同的样子。而普通照相看到的景象只是平面的，无法看到景物的侧面。那为什么会出现这样的情况呢？这是因为普通照相技术只能记录被摄物体表面反射物光光线强弱的变化（即光波的振幅），而全息照相则不仅能记录了物光振幅，还能记录了物光的相位，这样就实现了把对物体的光波场的全部信息的记录，这样使得我们拍摄的照片有了立体感。

2.2.1全息技术的记录

全息照相的过程我们可以把它概括为记录和再现过程，如右图所示呈现的全息技术的照相的记录过程的原理图，它其实是利用光的干涉原理，以干涉条纹实现对物光信息的全部记录，完成对物体像的储存。在上图中，选用相干性较好的激光束（氦氖激光器发出的光），通过分光镜B，实现了对光的分离，完成一部分光穿过分光镜，然后经过平面镜M的反射,均匀地照射到被摄蝴蝶O上，经过蝴蝶O表面产生漫反射，并形成物光束照射到全息底片（感光材料）H上，这部分携有蝴蝶全部的调制信号，故也被称为物光。而另外一部分则经过分光镜B反射后，照射到另一平面镜M2上，然后再经过M2反射射到全息底片上与上一束份光相遇，这束分光也被叫做参考光，由于物光和参考光源自于同一光源，满足光学干涉的条件，因此两束光光叠加便会产生干涉条纹，这些条纹最后全部被全息底片记录

了下来，形成一张“全息照片”（也称全息图），这个过程我们就把它叫做全息技术的记录过程。

2.2.2再现物体的像

实验室中通常是利用光学中的光栅衍射原理来使全息图再现原来物体发出的光波，它是利用原参考光波照射全息图。如右图所示，我们选用实心的箭头作为物体的实像，选用空心的箭头作为物体的虚像，当移走物体后，再现光源（参考光）通过全息照片时，在全息照片上的每一组干涉条纹我们都可以把它看作是一个光栅，因此它也会发生光的衍射，在全息图中每一点所产生的衍射波，就包括了原物体上各点照射到全息图上该点的所有光波，全息图中许多的点的衍射子波叠加后，在全息图的一侧（如上图左侧）就合成出了原物光波的波前，并继续传播，当迎着此光看去就能看到原物体的一个虚像。在摄制全息照片的感光片上，因为全息照片的每一个位置都能完整地记录整个物体反射的光所携带的信息，因此重新再现整个物体的像时，只需要能够保留其中的一小部分就可以了。

而1969年，科学家本顿基于全息照相发明的彩虹全息术，它是用红、绿和蓝三种颜色的激光分别对统一物体在厚乳胶感光片上摄制全息照片，该感光乳胶不同于普通的感光材料，其厚度等于几个光波波长的感光片，它可以在乳胶片内形成干涉层，经过显影处理后，可在太阳光或灯光下观察，会出现立体感并且色彩丰富的彩色全息图，这也是我们通常所说的白光显示。

2.2.3全息技术的特点

全息图由于通过干涉条纹能够准确记录物体的相位信息和振幅信息，因此在再现物体像的时候又能看到物体的一个完整的而逼真的三维像，无论从哪一个角度去看，都可以看出物体的像具有真实的立体感，也就是说全息技术具有三维性；其次由于在全息底片上每一个位置都记录了物体的完整的信息，因此就算全息底片出现了破损，只要保留了其中一部分，也可以完整的重现物体的像，所以这个过程我们把它叫做全息技术的不可分割性；另外由于全息技术在记录的时候可以实现多次重复曝光，并且能实现地再现各个图像互不干扰，因此我们也说全息技术能够实现对信息的大量存储，因此全息技术也具有大信息存储的特性。 3全息技术的运用

3.1全息投影技术

在2016年3月23日，《我是歌手》第四季时，已经过世了二十三年的黄家驹重新“站”在了大家熟悉的舞台上演唱《海阔天空》，惊爆了全场在座的明星嘉宾。我们不得不佩服现在科技的力量，能够将已经不存在的事物重现在大家的视野。那我们所讲的这件事又与我们所讲的全息投影又有什么关系呢。要知道这个问题，首先我们的知道，什么是全息投影[]，全息投影技术又叫虚拟成像技术，是基于全息照相技术的一种投影技术，简单说来，就类似于科幻电影中经常出现的隔空对话，虽然本人不在此地，而通过某种技术可以实现对这个人物投影，实现面对面交流。而目前的全息投影技术可以大致分为三种，第一种是来自美国麻省理工学院理工研究生ChadDyne的发明的空气投影和交互技术，，他的原理主要启发于海市蜃楼。Dyner成立的公司目前IO2已经成功研制了这项技术的放映设备，这种设备把空气吸进设备之中，然后改变其成像特性，再重新射出，并在转变后的空气从下向上投影图像，从而使影像悬浮空中，无论人们从什么角度都去看这个图像，都是一个真实的立体图像，这种感觉就类似于看3D电影一样能够身临其境去体会电影中的场景，但是很大的不同是它不需要投影屏，而是将影像直接展示在空中。但到目前为止，这项技术还没有达到一个成熟的阶段，但是相信随

着时间的推移，这项技术能够广泛的运用到生活之中。 虽然是这样，但这项技术却成功的打开了全息投影技术的大门，使全息技术迎来了另一个新的发展高潮。第二种便是与我国隔海相望的一家名为ScienceandTechnology的日本公司发明了用激光束来投射实体的3D影像，这种技术是利用氮气和氧气在空气中散开时，混合成的气体变成灼热的浆状物质，并在空气中形成一个完整的3D影像。这种方法主要是不断在空气中进行小型爆破来实现的激光束投射实体的3D影像。然而第三种，是而来自南加利福利亚大学创新科技研究院发明的360度全息显示屏，这种技术是将影像投影在一种高速旋转的镜子上来呈现三维图像的，但是危险系数较高。虽然目前这三种技术已经被发明，但是他们都面临着一个大问题，即介质的问题，普通的全息投影的介质是靠全息投影膜，但全息投影膜的价格昂贵，若真的能把空气做介质的技术运用成熟，那将会更加拓宽全息投影技术的发展道路。

3.2全息干涉计量

全息干涉计量（HoloLensgraphic interferometry），也曾经被称为“差分干涉计量术”,是目前全息技术比较成功的应用之一。全息干涉计量主要是利用同一光源所产生相干光束，因此我们也可以把它看成是波前的分割，因而利用全息干涉计量术可以消除由于不同光源而产生的误差。一般的光学干涉检对检测测方法对环境、条件要求非常严格，这是因为物光波是与标准的参考光波（如一个平面波）相比较，这种条件下，物光会受到包围待测物体的介质的影响而产生附加条纹，结果最后获得到的条纹图样会变得相对复杂化。而利用全息干涉计量术进行检测时，却可以有效地避免这种情况的出现，这是由于它将同一束光在不同时间的波前来进行干涉，因而包围介质的欠缺引起的光程变化会自动抵消，故这种方法与包围待测物体的介质的光学质量无关；所以，全息干设计量术对光学元件的精度要求也会普通光学干涉检测方法低得多，对环境、条件的要求也比较低，因而设备的成本费用也相对比较低。

3.3全息信息存储

随着科技的快速发展，现代人对存储技术的需求越来越广泛，小到只有指甲大小的内存卡，大到不可估量的云储存，而全息全存储技术的发展，也取得了很大的进步。相比之下，全息信息存储技术似乎更是一个全新的领域，也具备很多普通存储器不具备的特点，比如，全息存储具有很高的冗余度，它的每一信息位都以分布式均匀地存储在全息图的整个表面上或者整个体积中，因此记录介质即使发生的破损，只要能保留其中一部分，也能呈现出完整的物体的像。从而很好的实现了我们对信息的保存。

全息存储技术的理同样是基于全息照相技术的原理，它所需要的光源同样是需要相干性较好的激光束，研发人员要为它配备一套效率较高的全息照相系统。全息存储在存储数据和读取数据时都是以页为单位。在这个过程中，我们首先需要利用一束激光照射到物体上，然后经过物体的漫反射，使物光投射到记录介质上。物光所携带的全部数据被扩大到能够完全照射在整个立体光调制器（SLM），光以亮的和暗的像素阵列阵用整页的方式显示所要存储的二进制数据，物光穿过SLM后有的点亮有的点暗，也就是携带了该页的数据，而记录下来的图案，我们也称为原始图案，当然除此之外，我们还需要来自同一光源的另一束激光作为参考光，投射到记录介质上。当源光束和参考光束在记录介质中重叠后，就会展现出多种干涉图案，这样在记录介质就形成了干涉条纹图样，实现了整页的数据源

信息的存储。 通常我们也把根据全息存储技术原理制作完成的存储器称为全息存储器，

美国俄勒冈大学曾经利用一种名为“钇铝石榴石”的氧化铝合成晶石作为记录材料进行过全息存储实验，科究人员曾将1760位数据序列进行编码并输入激光束中，然后将它们成功地存储在晶体中，并且进行了反复的读取实验，因而证明了全息存储是可实现的。

与传统的存储技术相比，全息存储在容量、速度和可靠性方面都远远的胜过了传统的存储技术。在存储容量方面， 使用全息存储技术后，一块方糖大小的立方体就能存储高达1TB/cm3的数据，而目前已经达到了10Gb/cm3。它之所以能够达到存储数量惊人的效果，主要因为在感光材料的表面上或许体积内记录多张全息图，从而实现了数据的重叠效果。打个比较形象的比方，我们可以把全息存储看成像书本一样，它的每一页都可以实现对数据的大量存储，然后类似书一样一页接着一页叠在一起，看似厚度没有增加多少，而储备的内容信息却远远超过了我们的想象。

在存储速度方面，其存储数据的速度也达到了非常惊人的效果，据专家估计，在未来实验条件满足的情况下，其传输速度可以突破1GB/s，并且小于1毫秒的随机访问时间。那为什么它会那么快呢？这是由于全息存储器不同页面的数据，可以同时存储，同时读出，其数据库可以用无惯性的光束偏转来进行寻址，使数据传输速率以及存取速率可以达到一个很高的程度。

可靠性方面，全息存储几乎可以实现永久对数据的保存，它的使用寿命、数据可靠性、安全性都达到理想的状况，在电能供应断掉的情况下，只要感光介质耐用性足够好，其数据可在其中保存数百年之久，这一点也是其他存储器远远不可比的。另外，作为全息存储材料，通常都选用化学性能最稳定，光学性能最好的银盐晶体、有机高分子聚合物或着是金属化合物晶体（一般包括：光致抗蚀剂，银盐材料，光聚合物光折变材料等）。

而在之前不久，致力于研发全息存储技术的InPhase公司和Maxell公司在美国广播公司协会大会上展示了商用Tapestry样品，从而使全息数据存储概念20年后成为现实。该样品是一个300GB驱动器，能在单个可抽取12厘米磁盘上存储超过35个小时的电视广播质量高清晰度视频内容。该产品之所以能够实现这么高的容量，是因为数据时记录在整个材料体上的，而不是仅仅急了在材料表面。这种全息技术不仅容许数据页的重叠，而且允许数据簙重叠，因而在体积相同的材料上可以存储更多的全息图。

3.4全息技术的在未来军事方面的应用

全息技术在军事上的运用十分广泛，比如利用全息存储技术，由于全息存储技术具有较小的体积较大的容量，而且在传输速度上远远快于其他的其他的存储器，而且具有较好的经济价值，可以广泛运用机密文件的存储。其次，飞机和潜艇中，如果安装有而红外全息技术的探测器，它不仅仅可以包括普通雷达探测器的所有功能，而且可以实现对目标的全方位的三维显示。相信这能在军事系统中有至关重要的作用。总之，全息技术的发展会逐渐拓展它的应用领域，特别是在军事领域的应用，这会对未来的军事作战有着重大的影响 。

4.结束语

从1947年全息技术的首次提出，初步实现了对物体的三维记录过程，到如今全息技术的广泛运用，全息技术无时无刻在展现出它的光芒，从一张张简单的普通平面照片，到生动活泼的立体图像。也许现在我们不能像科幻电影一样拥有那种

超乎想象的全息技术，但就目前目前全息技术的发展来看，它的价值是不可估量的

参考文献

[1]杨帆，杨宁.激光照相技术及其应用前景，中山大学学报第25卷第2期 2008.04

[2]姚启钧.光学教程（第五版） 北京：高等教育出版社

[3]张三慧 .波动与光学 北京：清华大学出版社