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全息术基本原理及应用崔荣荣 （陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安，710062）摘 要：本文在对全息术进行概述的基础上，阐述了传统光学全息术和数字全息术的发展、应用及国内外的研究现状，着重介绍了传统光学全息术的基本原理并对数字全息技术做了简单介绍。先从最基本的菲涅耳衍射入手对波前记录和波前再现做了解释，通过这两部分的研究对全息术原理有了初步了解之后，介绍了数字全息这一新技术.其次对全息技术的应用领域，例如：全息无损检测，全息存储，全息显微技术等做了简单说明.最后对全息技术的未来发展前景做了展望.关键词：全息术; 数字全息; 菲涅耳衍射; 激光; 全息存储1 引言1.1光学全息技术的回顾早在一九四八年英国科学家丹尼斯伽伯（Dennis Gabor）提出了一种新的成像原理，称为全息术(holography)，这一名词是引用希腊字“Holos”而得名的，是“完全”的意思.我国译为“全息”意即完全信息。采用全息原理，不用摄影物镜可以记录物体真正的三维影像。这是第一代全息图,这个时期,是全息术的萌芽时期. 第一代全息图存在两个严重问题,一个是再现的原始像和共轭像分不开,另一个是光源的相干性太差. 因此在这十多年中,全息术进展缓慢. 1960 年激光的出现,提供了一种高相干度光源. 1962 年,美国科学家利思(Leith) 和乌帕特尼克斯(Upatnieks) 将通信理论中的载频概念推广到空域中,提出了离轴全息术,就是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. 这样,第一代全息图的两大难题宣告解决,产生了激光记录、激光再现的第二代全息图. 由于激光再现的全息图失去了色调信息,科学家们开始致力于研究第三代全息图,这是用激光记录,而用白光再现的全息图,例如反射全息、像全息、彩虹全息、模压全息等,在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩. 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使用带来了种种不便. 于是,科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性. 第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图,它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室,进入更加广泛的实用领域.全息术以波动光学为基础，利用光的千涉和衍射原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定的条件下使其重现。全息术分为两步:波前记录和波前重现.波前记录是将物体光波与另一相干光波参考光波相干涉，用照相的方法将干涉条纹记录下来，获得全息图或全息照片;波前重现是用原记录时的参考光波或其它合适的光波照射全息图，光通过全息图后发生衍射，其衍射光波会形成原物体逼真的立体像.随着全息技术的发展，出现了多种类型的全息图，从不同的角度考虑，全息图可以有不同的分类方法:从物光和参考光的位置是否同轴考虑，可以分为同轴全息图和离轴全息图;从记录时物体与全息图的相对位置考虑，可以分为菲涅耳全息图、夫琅和费全息图和像面全息图;从记录介质的厚度考虑，可以分为平面全息图和体积全息图.本文的研究对象是应用广泛的离轴菲涅耳全息图.全息术与普通照相技术相比有如下的基本特点:1)可以形成三维像;2)全息照相可以进行多重记录，信息容量大;3)光学系统简单原理上无须透镜成像，是一种无透镜成像方法;4)全息照片的重现像可放大或缩小1.1.2数字全息技术概述1965年，罗曼(DLhmmal)等人把通讯理论中的抽样理论应用到空间滤波器的计算机综合中，奠定了计算全息技术的理论基础，并且做出了世界上第一张计算全息图(CGH).计算全息是先用计算机制作物体的全息图，然后用光学衍射的方法进行重现.一般来说，计算全息图的制作过程分为如下几个步骤冈:1)设计与物光波数据有关的数学模型;2)根据模型和其它的预定要求进行编程;3)运算并控制绘图制成全息图样:4)光学缩版或光刻并精缩到适合的尺寸;5)光学重现所需要的光波波前.现在，由于计算机技术的发展，可以对一些复杂的物体制作全息图，并已经成功地应用在制作全息光学元件、空间滤波、像差校正版、以及信息加密等方面.计算全息的优点是利用数字计算机来综合全息图，不需要物体的实际存在，只需要物光波的数学描述，因此，计算全息具有很大的灵活性.数字全息技术是Goodman于1967年提出的.数字全息技术结合了数字处理技术和传统的光学全息技术，它用CCD记录物体的全息图，并将其存储到计算机，然后由计算机数值重现并进行处理和分析.数字全息技术实现了全息图记录、存储、处理、重现和显示等全过程的数字化，给全息技术的发展和应用增加了一种新的方法.相对于光学全息术，数字全息技术具有以下优点:一、省去了光学全息术中必须的曝光、显影、定影等复杂的物理化学处理过程，整个记录和重现过程都数字化，并且所需要的记录时间短，可以连续记录运动物体的各个瞬间过程，而且重现过程简单，重现周期得以缩短，有利于实现实时化.二、计算机技术和数字图像处理技术的引入，可以很方便地在数字全息图的处理过程中加入图像处理方法.这样，就可以消除噪声以及干板特性曲线的非线性等因素带来的影响，提高全息图重现像的质量.三、全息图在计算机内经数值重现后，得到的是物场的复振幅分布，可以同时获得物体振幅和相位灰度图像.并且数字全息技术适用于不具备光学设备的其他领域，能够离开光学实验室看到被记录的物体.四、数字全息的数值重现可以方便地进行数字聚焦，容易实现三维物体的观测.以上四点在光学全息中很难做到，而数字全息技术则可以在很短的时间内完成，这就增加了数字全息技术的实用性和应用范围2.2 全息技术基本原理2.1菲涅耳衍射我们知道，几何光学的基本定理一光沿直线传播，只是光的波动理论的近似.作为电磁波，光的传播需要应用衍射理论才能准确说明.本文中所讨论的全息成像理论是建立在菲涅耳衍射基础之上的，所以有必要探讨一下光波的菲涅耳衍射理论. 图2.1衍射原理光学衍射原理如图2.1所示，对于位于物平面（X。Y。）上的物体，经光学衍射传播距离d后到达像平面XY上。根据瑞利一索末菲衍射积分公式，可以得到像平面上的复振幅分布为: （2.1）式中， (2.2)r是物平面上某点与像平面上某点之间的距离.将式2.2端做二项式展开并取二级近似: （2.3） 可以看出，如果 (2.4)则只需保留2.3的前两项，则式2.1可化简为 （2.5） 式2.5就是菲涅耳衍射光场的复振幅分布表达式，也称为菲涅耳积分公式.式2.4是菲涅耳近似条件，这个近似式成立的区域称为菲涅耳衍射区，或者称为近场衍射湘对于夫琅和费衍射，亦称远场衍射 3.2.2传统光学全息术的基本原理2.2.1 普通照相及其缺陷光可以引起照相底片（感光材料） 上乳胶层的化学变化,而且这化学变化的深度随入射光的强度增大而增大. 因而照相底片可以“感受”（记录）光强的分布，不同的光强在底片上反映为不同的浓淡； 但是底片不能“感受”相位的分布，不同的相位在底片上并无区别.基于几何光学成像原理的普通照相，是通过照相机镜头使物体成像于底片上，底片只记录了光强(振幅) 分布，反映了物体各部分的明暗.而对相位的差别则不能分辨，也就无法反映物体表面的凹凸和距底片的远近，从而失去了立体感.2.2.2全息照相的物理思想普通照相所不能记录的相位分布在全息照相中是如何被记录的？ 它的创造性的思想就是：把感光材料所不能“感受”的相位分布，利用光的干涉现象，使之转化为底片能记录的光强分布.具体地说，把来自物体的光波称为物光(O 光) ，再引入一束与之相干的参考光(R 光) ，让参考光和物光同时照在底片上. 在底片上的各点处,R 光相位都相同，而O 光的相位不相同，从而O 光与R 光在各处的相位差也不同，经干涉后各处的条纹亮暗程度就不同.这样底片就可以在记录下物光振幅分布的同时，也记录下了其相位分布，即记录下了物光的全部信息，这就是全息照相的重要物理思想.2.2.3传统光学全息术的记录过程 传统光学全息术分为两步:波前记录和波前再现.波前记录是使经物体衍射后(可以是反射也可以是透射)的物光波与参考光波相干涉，用光化学方法将干涉条纹记录在全息记录介质上，成为全息图样。当用记录时的原参考光或其它合适的光波照射全息图时，光通过全息干板时的衍射和衍射光之间的千涉形成与物体光波相似的光波，即物体波前的再现，从而构成了物体的再现像4.2.2.4波前记录 图2.2全息照相光路图物光波波前信息包括振幅和相位，然而现有的记录介质只能记录光强，我们正是利用全息术，以干涉的方法将空间相位调制转化为空间强度调制，从而记录下包含了物光波全部信息尤其是相位信息的全息图.设全息记录平面上物光波和参考光波分别为: （2.6）则被记录的总光强为： （2.7） 前两项分别是物光波和参考光波的的强度分布，只跟振幅有关，而与相位无关可以看成直流分量.第三项是干涉项，包含了物光波的振幅和相位信息.参考光波作为一种高频载波，其振幅和相位都受到物光波的调制，干涉条纹的形状、疏密和强度正是显示了这种效果.全息干板的作用相当于线性变换器，它把曝光时的入射光强线性地变换为显影后负片的振幅透过率.2.2.5波前再现 全息图的再现就是借助照明光，恢复原来记录在全息干板上的物光波前，构成与原物光波前完全相同的新的波前继续传播，形成三维立体图像的过程. 图2.3 全息再现光路图当用再现光照射全息图ab，透过ab的光复振幅为:（2.8）若用原参考光波照射全息图，即C(x,y)=R(x,y),则透射光场的四部分可分别表示为 （2.9）其中，是参考光的直透部分.代表物体各点的自相干以及物体各点之间的互相干项。因为物体上各点相距很近，在全息图中记录的干涉条纹的空间频率很小，波前再现过程中该部分衍射光波偏离直射光的角度很小，因而互相干项产生的衍射光分布在照明光波的附近，形成一种晕轮光.在离轴全息的情况下,适当地加大物光和参考光之间的夹角，互相干项可以不干扰物体的再现像.，是参考光波的强度，当参考光为平面光波时，除了一个常数因子外，就是原始物光波前的准确再现。当这一光波传播到观察者眼睛里，和真实物体的光波完全相同，尽管物体己移开，仍可以看到物体的虚像.透射光场的第四项式中，O平方是物光波前的共轭。若原始物波是发散的，则共轭光波是会聚的，所以给出物体的一个实像，但由于R平方的调制，实像会变形5.2.3数字全息技术分析 数字全息术的基本原理与普通光学全息术一样，都包括记录及再现两个过程.不同的是对全息图的记录、存储和再现采用了不同的手段，其一是以电荷藕合成像器件CCD代替普通全息记录材料记录全息图，记录到的全息图经数字化处理后存储于计算机中;其二是用计算机模拟再现取代光学衍射来实现所记录物场的数字再现.2.3.1数字记录 图2.5为数字全息记录和再现光路示意图，假设被记录的物体位于x。y。平面，记录全息图的CCD光敏面位于xy平面，再现像位于平面，CCD记录面与物平面和再现像平面的距离分别为d和dr，分别称为记录距离和再现距离.设位于（Xo,Yo）平面的物光场分布为O(Xo,Yo)，当 （2.10）满足菲涅耳衍射条件，CCD记录面上的光场分布为: （2.11）式中，为波数6.2.3.2数字再现在数字全息术中，计算机技术和数字图像处理技术的引入，可以很方便地在数字全息图的处理过程中加入图像处理方法.这样，就可以消除噪声以及干板特性曲线的非线性等因素带来的影响，提高全息图重现像的质量.全息图在计算机内经数值重现后，得到的是物场的复振幅分布，可以同时获得物体振幅和相位灰度图像.并且数字全息技术适用于不具备光学设备的其他领域，能够离开光学实验室看到被记录的物体.2.3.3数字全息术的特点数字记录并数字再现的数字全息为全息术提供了一种新的记录和再现方式。与传统的光学全息术相比，数字全息术具有如下的优点:(1)省去了化学处理的过程，记录和再现过程都要比普通全息方便快捷，既增加了全息的灵活性，也提高了制作全息图的速度.(2)成像的位置可以自由调整，不需要进行复杂的机械调焦.(3)由于计算机数字再现全息图可消除像差、噪声及记录过程中底片非线性等因素的影响，整个过程简单且具有更大的灵活性，更便于进行定量分析与测量.(4)可直接得到记录物体再现像的复振幅分布及光强分布，被记录物体的表面亮度和形貌分布皆可由此复振幅获得，因此能方便地用来进行多次测量.(5)数字全息中用作记录介质的光敏电子元件和传统的银盐干板相比所需的曝光时间很短，因此能够用来记录运动物体的各个瞬时状态。但与传统全息记录材料相比，一方面，目前数字记录全息图的CCD像素尺寸大，从而使再现像的分辨率低，像质较差;另一方面，由于记录数字全息的CCD光敏面尺寸小，使记录的参物光夹角小，只能记录物体空间频谱中的低频部分，适应于小物体、远距离记录，从而使再现像面散斑尺寸增大，横向分辨率低7.3 全息技术应用 全息照相根本不同于普通照相，它具有一系列独特的优点.全息照相可能应用的范围很广，潜力很大，目前很多还处于实验阶段，到直接应用还有大量的工作要做，下面介绍几个应用.3.1 全息显微技术 在科学实验中常常要遇到测量样品中浮动粒子的大小.分布及其它特性.由于这些粒子在不停的运动，所以观测时根本来不及将显微镜调焦到这些粒子上.有的还要求在某一时刻不体积中的所有粒子全部拍摄下来.一般这类问题是无法直接观测的，只能用统计的方法进行推测.应用全息照相，就很好的解决了这个问题.如果用短脉冲激光来照明样品，拍摄一个定体积内的粒子运动情况，再现时就可以将粒子的大小，粒子的瞬时分布状况用显微镜层层聚焦，逐次观察.这方面的发展就是全息显微技术.全息照相的想法当初就是为了改进电子显微镜的分辨本领而提出的8.3.2 全息存储 全息存储是依据全息术的原理，将信息以全息照相的方式存储起来,它利用两个光波之间的耦合和解耦合，可以把信息存储和信息之间的比较(相关) 、识别，甚至联想的功能结合起来，也就是可以把信息存储和信息处理结合起来.用于全息信息存储的记录介质较多，可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等；可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等.全息存储在存储容量方面具有巨大的优势，原因是：(1) 全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时，信息存储密度的数量级一般为05bit/ mm2 ；用平面全息图存储信息时，存储密度一般可提高一个数量级达106bit/ mm2 ；如果用体全息图存储信息时，存储密度可高达1013bit/ mm2(2) 全息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失. (3) 全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点，每个数据页可包含达1Mbit 的信息，写入一页的时间在100ms左右，读信息的时间可以小于100靤 ，而磁盘的寻址时间至少需10ms9.3.3 全息无损检测 当用全息照相及其干涉度量术来进行无损检测时，一般是在被检测的元件上轻微加力（激励），并在加力前后记录二次曝光全息图（或时间平均全息图等），如果元件存在缺陷，就会使其表面产生不规则的形变，从而使在该处的干涉条纹图样也发生不规则的变形.元件缺陷的变形即使发生在0.1mm量级范围内，在干涉图样上也能清楚地显示出来.于是，通过有缺陷和无缺陷元件在同样受力条件下所形成的干涉图样的相对变化，就能指明这种不规则形变。对于大多数应用来说，只需定性地解释干涉条纹.一般说来，干涉条纹出现局部变密或出现条纹曲率不连续性的区城，标志着缺陷（或裂缝等）的存在.缺陷的大小与条纹变密区域的大小相对应，而干涉条纹密度则与缺陷的深度有关10.3.4 红外，微波及超声全息照相技术 全息照相在军事观察，侦察和监视上有重要意义.我们知道,一般的雷达只能探测到目标方位、距离等,而全息照相则能给出目标的立体形象,这对于及时识别飞机、舰艇等有很大作用。因此,备受人们的重视.但是由于可见光在大气或水中传播时衰减很快,在不良的气候下甚至于无法进行工作.为克服这个困难发展出红外、微波及超声全息技术,即用相干的红外光、微波及超声波拍摄全息照片,然后用可见光再现物象,这种全息技术与普通全息技术的原理相同.技术的关键是寻找灵敏记录的介质及合适的再现方法.超声全息照相能再现潜伏于水下物体的三维图样,因此可用来进行水下侦察和监视11.4 全息技术展望 全息术发展很快,其发展历程充分表明,人类社会生活的需要,相关高新技术的发展,是推动全息术不断发展的动力. 展望未来,下述课题的研究有可能成为全息术研究的热点:第三代全息图是利用激光记录和白光再现的全息图,在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩. 第四代全息图应该是白光记录和白光再现的全息图,它将使全息术最终走出实验室,进入更广泛的实用领域.全息术在光学信息处理方面的应用也很有前途. 全息存贮,全息显示也在发展. 全息显示技术研究的发展方向包括: (1) 研究高质量,高保密性能的加密模压全息图,满足社会的需求; (2) 大面积显示全息图和小面积全息显示一体化产品的研制; (3) 干涉计量用全息彩虹相机的研究,目标是研制出结构简单且实用的全息照相机; (4) 数字全息图的研究,有可能促进“全息”电视问世.纳米级精度光学全息元件的研究,是个学科交叉的课题,需要有相关技术以及全息技术相结合才能完成. 近年来兴起的模压光栅全息图,则是将飞速发展的计算机技术引进模压全息工业的杰作,制作三维物体以及二维,三维物体混合的模压光栅全息图,将成为全息工作者要解决的问题.激光全息技术的发展能够开拓巨大的应用市场,关键在于技术创新,不断拓宽激光全息技术的应用领域,促进激光全息技术和应用的进一步发展12.5 结束语 通过以上的研究和介绍，清楚了全息照相技术是利用光的干涉原理记录物光的振幅和相位信息，从而实现物体的三维立体再现。了解了这项技术，我们就可以灵活的把它用于更广泛的领域。我们可以设想，把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来，展出时可以真实地立体再现文物，供参观者欣赏，而原物妥善保存，防失窃.大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照.小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰，它可再现人们喜爱的动物，多彩的花朵与蝴蝶。迅猛发展的模压彩虹全息图，既可成为生动的卡通片、贺卡、立体邮票，也可以作为防伪标识出现在商标、证件卡、银行信用卡，甚至钞票上.装饰在书籍中的全息立体照片，以及礼品包装上闪耀的全息彩虹，使人们体会到21世纪印刷技术与包装技术的新飞跃.模压全息标识，由于它的三维层次感，并随观察角度而变化的彩虹效应，以及千变万化的防伪标记，再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合，把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌！而我们也期待着全息技术在更多领域给我们带来更多的惊喜!参考文献1 孙建朋 高贵.全息照相实验原理J.物理与工程.2002.(05):121124.2 赵凯华 钟锡华.光学M. 北京：北京大学出版社. 1984.142162.3 徐光明.全息照相漫谈 J. 中学物理参考.1997.(12):4345.4 梁柳娟.数字全息技术的初步研究J.大连理工大学学报.2005.(5):124139.5 王永昭.光学信息M.北京：机械工业出版社.1981.266272.6 王建华.全息照相及其开拓J.大学物理实验.1999.(01):112114.7 孙光颖.现代全息术的回顾与展望J.物理与工程.2002.(04):201204. 8 周战荣 何俊发.全息术现状及其发展分析J.物理与工程.2006.(06):165169.9 王贤峰.全息术的历史与发展J.现代商贸工业.2007.(05):7981.10 钟丽云等.数字全息中的一些基本问题分析J.光学学报.2004.(04):221226.11 Gaboretal.HolographyJ.Science.2 July 1971. 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