全息攝影的介紹及其應用前景

摘要 本文通過對全息攝影的介紹，來展現(xiàn)這種特殊照相技術與其他傳統(tǒng)照相方式相比的優(yōu)勢和相關的應用，以及在特殊場合的應用。

關鍵字 全息攝影；激光光源；三維立體

一．全息攝影的百科名片[1]

全息攝影亦稱：“全息照相”，一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術。全息攝影是通過一束參考光和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產(chǎn)生干涉條紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強度），而且還記錄反射光波的相對相位攝影亦稱：“全息照相”，一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術。全息攝影是通過一束參考光和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產(chǎn)生干涉條紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強度），而且還記錄反射光波的相對相位

二．原理[2]

　全息攝影是指一種記錄被攝物體反射波的振幅和位相等全部信息的新型攝影技術。 

普通攝影是記錄物體面上的光強分布，它不能記錄物體反射光的位相信息，因而失去了立體感。

1.照明光源

　全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度，也記錄了位相信息。人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的干涉條紋，但如果用激光去照射它，人眼透過底片就能看到原來被拍攝物體*相同的三維立體像

2.激光全息攝影包括兩步：記錄和再現(xiàn)。

a.激光全息攝影記錄

　 把激光束分成兩束；一束激光直接投射在感光底片上,稱為參考光束；另一束激光投射在物體上，經(jīng)物體反射或者透射，就攜帶有物體的有關信息，稱為物光束.物光束經(jīng)過處理也投射在感光底片的同一區(qū)域上.在感光底片上，物光束與參考光束發(fā)生相干疊加，形成干涉條紋，這就完成了一張全息圖。 

全息成像是科技，全息照相和常規(guī)照相不同，在底片上記錄的不是三維物體的平面圖象，而是光場本身。常規(guī)照相只記錄了反映被拍物體表面光強的變化，即只記錄光的振幅，全息照相則記錄光波的全部信息，除振幅外還記錄了光波的圖相。即把三維物體光波場的全部信息都貯存在記錄介質(zhì)中。

 3.全息原理

　　全息原理是“一個系統(tǒng)原則上可以由它的邊界上的一些自由度*描述”，是基于黑洞的量子性質(zhì)提出的一個新的基本原理。其實這個基本原理是量子元和量子位結(jié)合的量子論的。其數(shù)學證明是，時空有多少維，就有多少量子元；有多少量子元，就有多少量子位。它們一起組成類似矩陣的時空有限集，即它們的排列組合集。全息不全，是說選排列數(shù)，選空集與選全排列，有對偶性。即一定維數(shù)時空的全息性*等價于少一個量子位的排列數(shù)全息性；這類似“量子避錯編碼原理”，從根本上解決了量子計算中的編碼錯誤造成的系統(tǒng)計算誤差問題。而時空的量子計算，類似生物DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的雙共軛編碼，它是把實與虛、正與負雙共軛編碼組織在一起的量子計算機。這可叫做“生物時空學”，這其中的“熵”，也類似“宏觀的熵”，不但指混亂程度，也指一個范圍。 

三．全息攝影和普通攝影的區(qū)別和特點

1.區(qū)別

　在普通攝影中,照相機拍攝的景物，只記錄了景物的反射光的強弱，也就是反射光的振幅信息，而不能記錄景物的立體信息。而全息攝影技術，能夠記錄景物反射光的振幅和相位。在全息影像拍攝時，記錄下光波本身以及二束光相對的位相，位相是由實物與參考光線之間位置差異造成的。 

從全息照片上的干涉條紋上我們看不到物體的成像，必須使用具有凝聚力的激光來準確瞄準目標照射全息片，從而再現(xiàn)出物光的全部信息。一個叫班頓的人后來又發(fā)現(xiàn)了更為簡便使用白光還原影像的方法，從而使這項技術逐漸走向?qū)嵱秒A段。

2.顯著的特點

　　a、 再造出來的立體影像有利于保存珍貴的藝術品資料進行收藏。 

　　b、 拍攝時每一點都記錄在全息片的任何一點上，一旦照片損壞也關系不大。 

　　c、 全息照片的景物立體感強，形象逼真，借助激光器可以在各種展覽會上進行展示，會得到非常好的效果。

2. 全息照相系統(tǒng)要具有穩(wěn)定性

由于全息底片上記錄的是干涉條紋，而且是又細又密的干涉條紋，所以在照相過程中極小的干擾都會引起干涉條紋的模糊，甚至使干涉條紋無法記錄。比如，拍攝過程中若底片位移一個微米，則條紋就分辨不清，為此，要求全息實驗臺是防震的。全息臺上的所有光學器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺面鋼板上。另外，氣流通過光路，聲波干擾以及溫度變化都會引起周圍空氣密度的變化。因此，在曝光時應該禁止大聲喧嘩，不能隨意走動，保證整個實驗室安靜。我們的經(jīng)驗是，各組都調(diào)好光路后，同學們離開實驗臺，穩(wěn)定一分鐘后，再在同一時間內(nèi)爆光，得到較好的效果。

 4.使用高分辨率的全息底片 

因為全息照相底片上記錄的是又細又密的干涉條紋，所以需要高分辨率的感光材料。普通照相用的感光底片由于銀化物的顆粒較粗，每毫米只能記錄50～100個條紋，天津感光膠片廠生產(chǎn)的I型全息干板，其分辨率可達每毫米3000條，能滿足全息照相的要求。

 5.全息照片的沖洗過程

沖洗過程同樣是很關鍵的。我們按照配方要求配藥，配出顯影液、停影液、定影液和漂白液。上述幾種藥方都要求用蒸餾水配制，但實驗證明，用純凈的自來水配制，也獲得成功。沖洗過程要在暗室進行，藥液千萬不能見光，保持在室溫20°C左右進行沖洗，配制一次藥液保管得當可使用一個月左右。

在一些信用卡和紙幣上，就有運用了俄國物理學家尤里·丹尼蘇克（Yuri Denisyuk）在20世紀60年代發(fā)明的全彩全息圖象技術制作出的聚酯軟膠片上的“彩虹”全息圖象。但這些全息圖象更多只是作為一種復雜的印刷技術來實現(xiàn)防偽目的，它們的感光度低，色彩也不夠逼真，遠不到亂真的境界。 

　 把一些珍貴的文物用這項技術拍攝下來，展出時可以真實地立體再現(xiàn)文物，供參觀者欣賞，而原物妥善保存，防失竊，大型全息圖既可展示轎車、衛(wèi)星以及各種三維廣告，亦可采用脈沖全息術再現(xiàn)人物肖像、結(jié)婚紀念照。小型全息圖可以戴在頸項上形成美麗裝飾，它可再現(xiàn)人們喜愛的動物，多彩的花朵與蝴蝶。迅猛發(fā)展的模壓彩虹全息圖，既可成為生動的卡通片、賀卡、立體郵票，也可以作為防偽標識出現(xiàn)在商標、證件卡、銀行信用卡，甚至鈔票上。 

　 模壓全息標識由于它的三維層次感，并隨觀察角度而變化的彩虹效應，以及千變?nèi)f化的防偽標記，再加上與其他高科技防偽手段的緊密結(jié)合，把新世紀的防偽技術推向了新的輝煌頂點。 

綜上所述，全息照相是一種不用普通光學成象系統(tǒng)的錄象方法，是六十年代發(fā)展起來的一種立體攝影和波陣面再現(xiàn)的新技術。由于全息照相能夠把物體表面發(fā)出的全部信息（即光波的振幅和相位）記錄下來，并能*再現(xiàn)被攝物體光波的全部信息，因此，全息技術在生產(chǎn)實踐和科學研究領域中有著廣泛的應用。例如：全息電影和全息電視，全息儲存、全息顯示及全息防偽商標等。

2.特殊場合運用 

　　除光學全息外，還發(fā)展了紅外、微波和超聲全息技術，這些全息技術在軍事偵察和監(jiān)視上有重要意義。我們知道，一般的雷達只能探測到目標方位、距離等，而全息照相則能給出目標的立體形象，這對于及時識別飛機、艦艇等有很大作用。因此，備受人們的重視。但是由于可見光在大氣或水中傳播時衰減很快，在不良的氣候下甚至于無法進行工作。為克服這個困難發(fā)展出紅外、微波及超聲全息技術，即用相干的紅外光、微波及超聲波拍攝全息照片，然后用可見光再現(xiàn)物象，這種全息技術與普通全息技術的原理相同。技術的關鍵是尋找靈敏記錄的介質(zhì)及合適的再現(xiàn)方法。

　　超聲全息照相能再現(xiàn)潛伏于水下物體的三維圖樣，因此可用來進行水下偵察和監(jiān)視。由于對可見光不透明的物體，往往對超聲波透明，因此超聲全息可用于水下的軍事行動，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無損檢測測等。 

　　除用光波產(chǎn)生全息圖外，已發(fā)展到可用計算機產(chǎn)生全息圖。全息圖用途很廣，可作成各種薄膜型光學元件，如各種透鏡、光柵、濾波器等，可在空間重疊，十分緊湊、輕巧，適合于宇宙飛行使用。使用全息圖貯存資料，具有容量大、易提取、抗污損等優(yōu)點。 

　　全息照相的方法從光學領域推廣到其他領域。如微波全息、聲全息等得到很大發(fā)展，成功地應用在工業(yè)醫(yī)療等方面。地震波、電子波、X射線等方面的全息也正在深入研究中。全息圖有極其廣泛的應用。如用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機機翼蜂窩結(jié)構(gòu)的無損檢驗等?，F(xiàn)在不僅有激光全息，而且研究成功白光全息、彩虹全息，以及全景彩虹全息，使人們能看到景物的各個側(cè)面。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發(fā)展。