全息技术的发展及现状--洪岳博士

2020-12-14

1 全息技术的发展

1947年,英国人丹尼斯•盖博率先提出全息技术这一理念。全息技术依据光的干涉与衍射原理,在特定条件下重现光波,形成三维图像,这幅图像记录被摄物的外形、振幅、亮度、相位等,包含了全部信息,因此称为全息术。但因当时记录设备有限,全息成像质量较差,大量研究人员消耗近十年时间仍没取得大的进展。

1962年。美国科学家艾帕特尼克斯和利斯根据基础全息术理论,结合通信业“侧视雷达”理论,发明了全新的离轴全息技术,推进全息技术到了另一个新的历史时期。此技术通过带偏角的参考光束记录重现被摄物,使得实像、虚像在方向上相互偏离,有效克服成像质量差等难题,得到能为人所用的清晰图像。

1969年,本顿提出了彩虹全息技术,它的问世,带动全息术进入第三个发展阶段。该技术使全息术即使在白光照射下也能得到肉眼可见的立体影像。彩虹全息打破了传统全息技术中感光记录面板与成像面间距极小的要求限制,使记录全息图的观察范围比较大,同时采用合适的光路能更高效地利用能量。然后彩虹全息技术的记录过程较为繁琐,且需要用肉眼对波前重现结果进行观察,难以对光波信息进行定量分析,全息图噪声较大,不能形成足够准确清晰的全息影像。

20世纪60年代末,数字全息技术这一理念由劳伦斯和古德曼等科学家提出,实现了全息技术的数字化,从此全息技术开始步人精确时代。

2 全息技术的特点

全息技术可以分为多种类型,常见的划分有:共轴全息和离轴全息;振幅型全息和相位型全息;菲涅尔全息与夫琅禾费全息等。 但是无论是哪种分类,全息技术都具有以下显著特点:

(1)三维立体性。 全息技术的立体性与 3D 电影的立体性有着本质的区别,人眼所能看到 3D 电影的立体画面是由于两个偏振片的作用。 两个偏振片的偏振方向不同,左右眼就看到了不同的画面, 如此频繁切换使得双眼获得了有细微差别的图像,大脑中就会生成一幅3D立体图像。 而全息技术准确得记录了物光的振幅和相位信息, 再现时就可以看到和实物一模一样的三维图像,并且通过肉眼就可以直接观察到。

(2)可分割性。 全息图记录着物光与参考光的干涉条纹,任何一点都记录着空间每个点的振幅和相位信息, 所以具有可分割性。 任何一个碎片都可以完整再现物体的三维图像,这是全息照相技术的巨大优势。

(3)信息储存量大。 一张全息感光板能够多次重复曝光,并且完整再现不同的图像,所以储存信息的能力更强,全息存储的成本也更低。

3全息技术现状

3. 1全息技术在生活中的应用

全息技术作为一项裸眼并可以观察到 3D 效果的技术,被广泛应用在投影中。 利用全息投影可以来展示各种东西,我们常在电影中见到的立体幻象,都是全息技术作用的结果。 在博物馆,科技馆和各类主题公园,全息投影设备被广泛应用。 全息展示柜也出现在生活的各个角落, 通过展示柜表面玻璃的反射,观察者能够从各个角度看到漂浮在空中的产品影像。 产品的细节和内部结构也都可以通过全息展示柜清晰得呈现在观察者面前。 360 度幻影成像,也是利用全息技术形成幻象。在实景的半空中悬浮着三维画面影像, 实现了实物与影像相结合,多被用于全息幻影舞台,为观众呈现奇特的视觉效果。

因为全息技术具有信息储存量大的特点,全息存储也为人类生活带来了便利。 通过全息照相的方式,可以把信息存储起来。 物光和参考光的耦合还可以实现信息的处理,有效得把信息存储和信息处理结合了起来。 除此之外,选用抗腐蚀能力强的全息干板,例如银盐干板,可以永久保存信息。 全息存储可存储的容量大而且读取速率高, 更重要的是局部的缺陷并不会引起信息的丢失, 这些优势都使得全息存储占据着越来越重要的地位。

全息感光板具有可以重复使用的优势, 因此大批量复制全息图的成本很低,全息印刷也被广泛应用于日常生活中。 全息印刷的生产流程也较为简单, 先通过全息技术获得样品表面的全息浮雕图,然后通过镀膜技术制成上机镍板,最后通过压模压出相应的全息图。 因为全息图像可以记录三维信息,全息印刷也可以实现三维打印,打印出立体图像。 全息印刷可以大规模加工,在产品推广和包装方面都得到了应用。 目前,身份证、护照、信用卡和商标上也都有使用压模全息图作为防伪标志。

3.2 全息技术在医学领域的应用

全息技术以它独特的优势,解决了医学界的一些难题,最突出的是在眼科疾病治疗中的应用。 全息照片所记录的信息量大, 一张眼部的全息照片提供的信息量远大于一张普通的眼底照片。 在诊断眼科疾病时,全息技术可以呈现整个眼睛的三维立体信息,眼部的各个部位,比如角膜、晶状体、玻璃体都可以被清晰得逐层观察,方便医生检查。

利用全息技术也可以对人体内的器官进行三维记录,人体器官的振动和变形, 都可以通过全息图上的干涉条纹测量得到。 激光全息的二次曝光还可以分析人体器官的形变,从而寻找出病变的部位以及病灶的大小。 比如,利用全息技术可以检查出恶性肿瘤的位置, 为癌症的早期诊断和治疗做出来贡献。 因为全息照片的无损性,目前被认为是探测人体内脏器官的最佳方法,全息技术也被广泛应用在临床检查中。

3.3 全息技术在军事领域的应用

全息技术近年来也被广泛应用在军事领域, 全息监视系统、全息 3D 地图、全息导弹制导系统、全息显示装备都极大地推进了军事领域的发展。

全息图像以其全方位记录三维信息的优势, 在监视系统中发挥着重要作用,大大弥补了水下和空中监视系统的不足。传统的雷达探测系统只能通过雷达信号, 探测出目标的方位和远近,无法准确识别出目标具体是什么。 而全息监视系统,可以再现目标的三维图像,就可以准确识别目标,从而及时采取不同的应对措施。

利用全息技术可以实现全息 3D 地图。通过卫星航拍和激光扫描的图片,经过计算机技术的处理就可以制备出全息 3D地图。 制备材料的特殊性,使得观察者只需在 LED 灯的照射下,就可以清晰看到地图信息,并且可以放大缩小。 除此之外,全息 3D 地图也是记录的三维信息,因此就可以真实得显示地貌特征和环境,为制定战术和规划提供了帮助。

全息变焦物镜、 全息滤光片和全息矫正板被应用在全息导弹制导系统中,相比于传统的光学系统,全息导弹制导系统有许多优势。 全息元件可以实现普通光学元件不能实现的功能,比如三维立体信息。 此外,全息系统可以用极少的全息元件代替传统复杂的光学制导系统,这大大减轻了系统的重量,而且全息元件容易复制成本较低。

全息显示装备也在军事领域发挥着重要作用,全息透镜可以选择性通过不同波长的光波, 因此在宽波段可以达到透射率和反射率都很高的要求, 传统的光学元件很难同时具有高反射率和透射率。 元件的透射率和反射率都很高的时候,才能达到较好的显示效果, 全息透镜就可以实现良好的显示效果。 如果将全息透镜应用在头盔显示器上,即使在夜间或者是能见度较低的情况下,飞行员也可以看清外界景物。 全息透镜加入夜视镜后就形成了全息夜视镜,相比于普通夜视镜,全息夜视镜可以在任何光线条件下观察到目标。 全息头盔和全息夜视镜的应用将为军事作战提供极大的帮助。

4 总结

随着全息技术的不断发展, 如今全息技术正在往数字化和光机电一体的方向发展。 应用全息技术制作的产品也越来越多的走向市场, 与此同时也催生了微波全息、 声全息的出现。可以看到全息技术无论是在生活还是在医学和军事领域,都占有着重要地位,拥有非常广阔的市场。我们有理由相信,未来,全息技术将成为社会、经济、国防等领域不可替代的重要组成部分。