特指一种技术,可以让从物体发射的衍射光能够被重现,其位置和大小同之前一模一样。
历史沿革
1947年,英国
伦敦帝国科技学院的
匈牙利裔物理学家伽博(Dennis Gabor,1900—1979)发现全息技术,并因此获得了1971年的
诺贝尔物理学奖。
其他物理学家也进行了很多开创性的工作,例如Mieczyslaw Wolfke解决了之前的技术问题,以使优化有了可能。这项发现其实是英国一家公司在改进
电子显微镜的过程中不经意的产物(
专利号GB685286)。这项技术最开始使用的仍然是电子显微镜,所以最开始被称为“电子
全息图”。作为光学领域的全息图直到1960年
激光技术发明后才得以开始。
第一张记录了三维物体的全息图是在1962年由Yuri Denisyuk、Emmett Leith、Juris Upatnieks在美国拍摄的。
全息图有很多种,例如投射全息图、反射全息图、彩虹全息图等。
类型
全息摄影
全息摄影(holography)由丹尼斯·加博尔发明的摄影方法,这种摄影方式打印出来的照片可以从多个角度观看,但是有角度局限性。很多防伪标识都是使用全息摄影打印出来的图像制作的。
全息投影
全息投影(front-projected holographic display)宽泛的来说也可以算作是
全息影像的一种,但是所谓的全息画面只是投射在一块透明的“全息板”上面。因此所谓的
全息图像也不过是一个平面而非
立体图像。这是最广泛使用的全息技术。
全息投影技术(front-projected holographic display)也称
虚拟成像技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的
三维图像的记录和再现的技术。
其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息,此即拍摄过程:被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束;另一部分激光作为
参考光束射到全息底片上,和物光束叠加产生干涉,把物体光波上各点的相位和振幅转换成在空间上变化的强度,从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部
信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后,便成为一张全息图,或称全息照片;其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息,这是成象过程:全息图犹如一个复杂的光
全息术栅,在相干
激光照射下,一张线性记录的正弦全息图的衍射光波一般可给出两个象,即原始象(又称初始象)和共轭象。再现的图像
立体感强,具有真实的
视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像,通过
多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像,而且能互不干扰地分别显示出来。
全息影像
全息影像(Holographic display)尚在研究,多在科幻作品中出现的
全息影像技术。制作一种物理上的纯
三维影像,观看者可以从不同的角度不受限制的观察甚至,进入影像内部。
相关理论
普通照相,只能记录物体
光场的强度(复振幅模的平方),它不能表征物体的全部信息。采用全息方法,同样也是记录光场的强度,但它是参考光和物光干涉后的强度。对采用如此方法记录下来的
光强(
晶体或全息胶片中),利用参考光再现时,可以将全面表征物体信息的物光的
复振幅表现出来。
其制作过程如下。
对一束
相干光(频率严格一致,表现为可以产生明显的干涉作用)进行1:1分光,照射到拍摄物体的称为物光,另一束称为参考光。保证
光程(光走的距离)近似相同的情况下,使在物体上反射的物光和参考光在晶体(或者全息底片)上进行干涉。
观察的时候只要使用参考光照射全息底片,即可在全息底片上观测到原来的三维物体。
这是最简单的
全息图原理,此外,还有白光(指非相干光源,例如灯光、日光)即可再现的全息图(广泛应用于
防伪标识),彩色全息图(可以用白光再现被摄物体的颜色)等等。这些全息图的制作过程相当复杂。
虽然全息图通常指三维光学全息图,但这是一个误解。除此之外,声场也可以被制作成全息图。
全息应用
投影
全息投影是一种无需配戴眼镜的
3D技术,观众可以看到立体的
虚拟人物。这项技术在一些博物馆、舞台之上的应用较多,而在日本的舞台上较为流行。(
初音未来是世界第一个应用
全息技术的
虚拟歌手).全息
立体投影设备不是利用数码技术实现的,而是投影设备将不同角度影像投影至国外进口的MP
全息投影膜上,让你看不到不属于你自身角度的其他图像,因而实现了真正的全息
立体影像。
360度幻影成像是一种将三维画面悬浮在实景的半空中成像,营造了亦幻亦真的氛围,效果奇特,具有强烈的
纵深感,真假难辩。形成空中幻象中间可结合实物,实现影像与实物的结合。也可配加触摸屏实现与观众的互动 。可以根据要求做成四面窗口,每面最大2-11米。可做成全息幻影舞台,产品立体360度的演示;真人和虚幻人同台表演;
科技馆的梦幻舞等。
适合表现细节或内部结构较丰富的个体物品, 如名表、名车、珠宝、
工业产品、也可表现人物、
卡通等,给观众感觉是完全立体的。
照相的拍摄要求
为了拍出一张满意的
全息照片,拍摄系统必须具备以下要求:
通过前面分析知道,
全息照相是根据
光的干涉原理,所以要求光源必须具有很好的
相干性。激光的出现,为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的
空间相干性和
时间相干性,实验中采用He-Ne
激光器,用其拍摄较小的漫散物体,可获得良好的全息图。
由于全息底片上记录的是
干涉条纹,而且是又细又密的干涉条纹,所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊,甚至使干涉条纹无法记录。比如,拍摄过程中若底片位移一个微米,则条纹就分辨不清,为此,要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用
磁性材料牢固
地吸在工作台面钢板上。另外,气流通过光路,声波干扰以及温度变化都会引起周围
空气密度的变化。因此,在曝光时应该禁止大声喧哗,不能随意走动,保证整个实验室绝对安静。我们的经验是,各组都调好光路后,同学们离开实验台,稳定一分钟后,再在同
一时间内曝光,得到较好的效果。
物光和参考光的
光程差应尽量小,两束光的光程相等最好,最多不能超过2cm,调光路时用细绳量好;两束光之间的夹角要在30°~60°之间,最好在45°左右,因为夹角小,干涉条纹就稀,这样对系统的稳定性和
感光材料分辨率的要求较低;两束光的光强比要适当,一般要求在1∶1~1∶10之间都可以,光强比用
硅光电池测出。
因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹,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银化物的颗粒较粗,每毫米只能记录50~100个条纹,天津感光
胶片厂生产的I型全息
干板,其分辨率可达每毫米30000条,能满足全息照相的要求。
冲洗过程也是很关键的。我们按照配方要求配药,配出
显影液、停影液、
定影液和
漂白液。上述几种药方都要求用
蒸馏水配制,但实验证明,用纯净的自来水配制,也获得成功。冲洗过程要在暗室进行,药液千万不能见光,保持在室温20℃左右进行冲洗,配制一次药液保管得当可使用一个月左右。
相关应用
综上所述,全息照相是一种不用普通光学
成象系统的
录像方法,是六十年代发展起来的一种
立体摄影和
波阵面再现的新技术。由于全息照相能够把物体表面发出的全部信息(即光波的
振幅和相位)记录下来,并能完全再现被摄物体光波的全部信息,因此,
全息技术在生产实践和
科学研究领域中有着广泛的应用〔2,3〕。例如:
全息电影和
全息电视,全息储存、
全息显示及全息防伪商标等。
除光学全息外,还发展了红外、微波和超声全息技术,这些全息技术在
军事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。由于对可见光
不透明的物体,往往对超声波透明,因此超声全息可用于水下的
军事行动,也可用于医疗透视以及工业
无损检测测等。