国内全息技术科研询证报告——丁茹博士

2020-12-14

1 引言


本报告借助万方创新数据情报工具(数据统计截止到2020年12月04日),对国内全息技术相关科研活动的分布、技术演化、科研现状以及成果转化现状等做出了系统而全面的分析。本报告不仅客观的呈现出全息技术在我国十几年的发展脉络,更有助于企业打通全息产业上下游产业链、布局技术研发方向及聚集专业领域人才。不仅如此,还能及时发掘高校科研院所的科研成果,结合市场需求进行高效转化,将有助于打破技术与产业的信息孤岛,实现科学有效的产学研活动。


2 全息技术简介


2.1 概念阐述


全息学(Holography)自20世纪60年代激光器问世后得到了迅速的发展。其基本机理是利用光波干涉法同时记录物光波的振幅与相位。由于全息再现象光波保留了原有物光波的全部振幅与相位的信息,故再现象与原物有着完全相同的三维特性。20世纪80年代后,激光全息技术的迅速发展,成为一种异军突起的高新技术产业。在激光全息技术中,全息显示技术由于更接近于人们的日常生活而倍受关注。它不仅可制出惟妙惟肖的立体三维图片美化人们的生活,还可将其用于证券、商品防伪、商品广告、促销、艺术图片、展览、图书插图与美术装潢、包装、室内装潢、医学、刑侦、物证照相与鉴别、建筑三维成像、科研、教学、信息交流、人像三维摄影及三维立体影视等众多领域,近年来还发展成为宽幅全息包装材料而得到了广泛的应用。


全息显示技术:人类之所以能感受到立体感,是由于人类的双眼是横向观察物体的,且观察角度略有差异,图像经视并排,两眼之间有6厘米左右的间隔,神经中枢的融合反射及视觉心理反应便产生了三维立体感。根据这个原理,可以将3D显示技术分为两种:一种是利用人眼的视差特性产生立体感;另一种则是在空间显示真实的3D立体影像,如基于全息影像技术的立体成像。全息影像是真正的三维立体影像,用户不需要佩戴带立体眼镜或其他任何的辅助设备,就可以在不同的角度裸眼观看影像。


2.2 发展史


1947年,诺贝尔奖获得者丹尼斯盖博(Dennis Gabor)在研究电子显微镜时首次提出了全息摄影术(Holography)的成像概念。全息术的成像利用了光的干涉原理,以条文形式记录物体发射的特定光波,并在特殊条件下使其重现,形成逼真的三维图像,这幅图像记录了物体的振幅、相位、亮度、外形分布等信息,所以称之为全息术,意为包含了全部信息。


但当时全息图像的成像质量很差,只是采用水银灯记录全息信息,由于水银灯的性能差,无法分离同轴全息衍射波,因此此技术停滞了数十年进展缓慢。


在此之后,全息成像基于物理介质和成像工艺的“年代局限性”,经历了1962年的“离轴全息技术”(提高成像质量)和1969年的“彩虹全息术”(降低对光源的要求)两个重要历史阶段。然而这仍处于传统全息技术的范畴,传统全息技术采用卤化银等材料制成感光胶片,完成全息图像信息的定影等后期处理。而现代的全息技术材质采用新型光敏介质,如光导热塑料、光折变晶体、光致聚合物等,不仅可以省去传统技术中的后期处理步骤,而且信息的容量和衍射率都比传统材料较高。


然而,不论是采用感光胶片还是新型光敏介质,都需要通过光波衍射重现记录的波前信息,肉眼直接观察再现结果,这样难以定量分析图像的精确度,无法形成精确的全息影像。也就是说,材质和工艺的克服无法根本性提升全息影像的精度。


20世纪60年代末期,古德曼和劳伦斯等人提出了新的全息概念———数字全息技术,开创了精确全息技术的时代。


到了90年代,随着高分辨率CCD的出现,人们开始用CCD 等光敏电子元件代替传统的感光胶片或新型光敏等介质记录全息图,并用数字方式通过电脑模拟光学衍射来呈现影像,使得全息图的记录和再现真正实现了数字化。


数字全息技术是计算机技术、全息技术和电子成像技术结合的产物。它通过电子元件记录全息图,省略了图像的后期化学处理,节省了大量时间,实现了对图像的实时处理。同时,其可以进行通过电脑对数字图像进行定量分析,通过计算得到图像的强度和相位分布,并且模拟多个全息图的叠加等操作。


3 发展现状


3.1 区域发展


通过对地区的科技成果、国家自然科学基金、专利的产出,定位全息技术领域的热点地区,了解该技术领域的各省市地区的发展情况。

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图1:全息技术在全国各区域的科研分布现状


3.2 产业发展


通过展示近年来全息技术知识产权的逐年产出及总体趋势,用于对全息产业技术发展现状及趋势判断。

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图2:1985~2020年我国全息相关专利知识产权情况


3.3 国内基础研究

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图3:全息技术国内基础研究年代分布列表


逐年和累计统计全息技术点在基础科研中论文产出量,用于对该技术在基础科研中的研究现状和发展趋势进行分析判断。


4 技术演化


通过对该技术点进行学科渗透性、科研相关度、技术演化统计,用于分析全息技术技术点的科研脉络和技术演化规律。


4.1 学科渗透性


科研数值是分领域统计了全息技术相关的专利、论文、奖励及产学研研究成果和事件的总和。科研数值越大,基于该学科的科研越集中;如果出现这两个及以上学科数值大,则可能是交叉学科研究。   

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图4:主要学科所涉及到的科研数值(柱状图)

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4.2 技术相关度

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图6:展现技术科研相关度,数值越大,技术点的科研相关度越高。


4.3 技术演化

根据近5年对全息技术热门技术点的统计分析,展现技术点近年的演变,揭示科研脉络和演化规律。见图7,其中标有红色点的技术点为第一次出现。

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图7


5 成果转化

通过对应用该技术点的相关科技成果、专利产出进行统计,用于了解该技术点在成果转化中的现状和趋势分析。


5.1科技成果

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图8:对该技术相关的国家及省部级科技成果按类别进行统计


 5.2 专利产出

对全息技术点相关的专利进行分类统计,并且展示最近的相关专利信息。下图是对全息技术点进行按类型、年统计分析,用户了解该技术相关的专利现状和趋势。

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图9:专利类型统计表(柱状图)


 6 小结


通过对国内科研数据的统计分析,针对全息技术挖掘其发展现状、技术演变、技术研发趋势、科研成果及专利情况,初步能够得到以下结论:


(1)北京、上海、广东、山东、江苏、湖北、浙江、陕西是国内全息技术研发的主力区域。


(2)从2011年后,我国的全息产业开始以较快的速度发展。


(3)国内全息技术的基础研究早在建国前就有所涉足,直到1980年往后的基础研究立项以每年几百的数量倍增;而从2012年往后每年的学术论文发表数量在1000或以上。


(4)从技术演化上,全息技术的研究多为交叉学科,且“全息图”、“全息装置”、“激光全息”、“数字全息”、“衍射效率”、“全息光栅”、“全息术”、“全息图像”、“全息投影”、“全息照相”为我国全息技术研究的热门技术点,而近三年“全息投影”、“数字全息”更成为热门。


(5)从科技成果转化情况来看,全息技术的应用多集中于于数字建模、数据监测、防伪、三维图像显示、医疗诊断、信息存储等领域。


(6)从专利产出情况来看,2011年之后的专利数量猛增,而实用新型专利和外观设计专利的占比显著提高,说明全息技术的商业化从2011年往后开始蓬勃发展。