1、全息顯示技術(shù)的發(fā)展與未來06009431 劉劍峰 摘要：全息這項(xiàng)技術(shù)可以被用于光學(xué)儲(chǔ)存、重現(xiàn)，同時(shí)可以用來處理信息。本文 介紹了全息顯示技術(shù)的原理以及發(fā)展和應(yīng)用。關(guān)鍵字：全息術(shù)；發(fā)展；應(yīng)用; 未來。全息(Holography),特指一種技術(shù)，可以讓從物體發(fā)射的衍射光能夠被重 現(xiàn)，其位置和大小同之前一模一樣。從不同的位置觀測(cè)此物體，其顯示的像也會(huì) 變化。因此，這種技術(shù)拍下來的照片是三維的。全息術(shù)的原理及特點(diǎn)全息術(shù)是利用干涉原理, 將物體發(fā)出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下 來, 使物光波前的全部信息都存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)中 ,故所記錄的干涉條紋圖樣被稱 為“全息圖”。當(dāng)用光波照射全息圖時(shí), 由于衍射原

2、理能重現(xiàn)出原始物光波, 從而 形成與原物體逼真的三維像。因此全息術(shù)具有以下突出的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn):三維立體性全息照相再現(xiàn)的像是三維立體的 , 具有如同觀看真實(shí)物體一 樣的立體感, 這一性質(zhì)與現(xiàn)有的用偏振鏡觀看的立體電影有著本質(zhì)的區(qū)別?？煞指钚匀⒄掌乃槠耘f能反映出整個(gè)物體的像來, 不會(huì)因照片的 破碎而失去像的完整性。信息容量大體全息存儲(chǔ)的理論存儲(chǔ)容量上限為1oK3 1 (K為記錄光波 長), 遠(yuǎn)大于磁盤和光盤的存儲(chǔ)容量。全息術(shù)的發(fā)展光全息術(shù)是D. Gabor在1948年為改善電子顯微鏡像質(zhì)所提出的，其意義在 于完整的記錄。蓋伯的實(shí)驗(yàn)解決了全息術(shù)發(fā)明中的基本問題，即波前的記錄和再 現(xiàn)，但由于當(dāng)時(shí)缺

3、乏明亮的相干光源(激光器),全息圖的成像仍然質(zhì)量很差?？萍?們認(rèn)為新的顯示時(shí)代已到來. 但由于當(dāng)時(shí)沒有足夠強(qiáng)的相干輻射源 ,全息術(shù)的發(fā) 展陷入了休眠狀態(tài).面臨著巨大的障礙和僅有的一點(diǎn)結(jié)果,使它的早期研究者不得 不放棄了這種光學(xué)顯示技術(shù).全息術(shù)黯淡的前途直至 60 年代初由于美國密執(zhí)安大學(xué)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的工 作才使它重放光彩 . 該實(shí)驗(yàn)室從事綜合孔徑天線研究的 E. N. LEITH 和 J . UpATNIEKS幾乎在J AVEN等人制成氦氖激光器的同時(shí)，對(duì)Gabor的技術(shù)做了劃時(shí) 代的改進(jìn),同時(shí)成功地進(jìn)行了三維立體漫射物的記錄和再現(xiàn)實(shí)驗(yàn) . 同時(shí)期(1962 年) , 前蘇聯(lián)科學(xué)家 Y. N

4、. DENISYUK 根據(jù) G. LIpp2MANN 的駐波天然彩色照相法 (1908 年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)) 提出了白光反射全息圖. 從此應(yīng)用研究不斷發(fā)展,許 多科學(xué)工作者開始了他們自己的研究以探討全息術(shù)的應(yīng)用潛力及其應(yīng)用領(lǐng)域 ,如 全息干涉計(jì)量術(shù)、全息存儲(chǔ)、全息光學(xué)元件、全息顯微術(shù)、顯示全息、計(jì)算全息 等等.這期間,S. A. Benton彩虹全息術(shù)的發(fā)明揭開了顯示全息圖的應(yīng)用序幕(80年 代產(chǎn)業(yè)化的模壓全息術(shù)就是建立在 BENToN 彩虹全息圖的基礎(chǔ)上) . 他們的成功, 使Gabor的全息思想在1971年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).二十世紀(jì)六十年代以來， 全息技術(shù)的應(yīng)用不斷發(fā)展。 1962 年隨

5、著激光器的問世，利思和烏帕特尼克斯 (Leith and Upatnieks)在蓋伯全息術(shù)的基礎(chǔ)上引入載頻的概念發(fā)明了離軸全息 術(shù)，有效地克服了當(dāng)時(shí)全息圖成像質(zhì)量差的主要問題-孿生像，三維物體顯示成 為當(dāng)時(shí)全息術(shù)研究的熱點(diǎn)，但這種成像科學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制作和 觀察這種全息圖的代價(jià)是很昂貴的，全息術(shù)基本成了以高昂的經(jīng)費(fèi)來維持不切實(shí) 際的幻想的代名詞。1969年本頓(Benton)發(fā)明了彩虹全息術(shù)，掀起以白光顯示 為特征的全息三維顯示新高潮。彩虹全息圖是一種能實(shí)現(xiàn)白光顯示的平面全息 圖，與丹尼蘇克(Denisyuk)的反射全息圖相比，除了能在普通白熾燈下觀察到明 亮的立體像外，還具有全

6、息圖處理工藝簡(jiǎn)單、易于復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)。全息術(shù)的主要應(yīng)用經(jīng)過近十幾年的發(fā)展, 全息術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。下面就應(yīng)用的主 要方面進(jìn)行介紹:模壓全息技術(shù)模壓全息技術(shù)是把全息和電鍍、壓印等技術(shù)結(jié)合起來的一種技術(shù), 它使全息 技術(shù)沖破實(shí)驗(yàn)室的束縛實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。這種模壓全息技術(shù)可以像印刷一樣大批量快 速復(fù)制, 又可以和其他印刷術(shù)結(jié)合使用 , 且價(jià)格低廉, 被稱為“ 2 1 世紀(jì)的印刷 術(shù)”。由于全息圖的制作工藝復(fù)雜, 技術(shù)難度大, 再加上在拍攝過程中, 可以加上 編碼技術(shù)進(jìn)行加密處理, 所以模壓全息技術(shù)已作為一種行之有效的防偽手段越 來越廣泛的用于商品包裝、信用卡、鈔票等的防偽上。此外, 由于激光全息圖的

7、 色彩神奇、圖像逼真, 在藝術(shù)和裝飾等方面也頗受青睞。全息干涉計(jì)量用全息干涉的方法進(jìn)行精密測(cè)量, 稱為全息干涉計(jì)量, 是目前全息應(yīng)用最廣 泛的領(lǐng)域之一。干涉計(jì)量的基礎(chǔ)是波前比較。全息術(shù)是唯一能記錄和再現(xiàn)波前的 技術(shù), 這使我們有可能用嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)波前與一個(gè)編寫物體產(chǎn)生的波前相比較而實(shí) 現(xiàn)干涉計(jì)量。由于標(biāo)準(zhǔn)波前和變形波前是通過同一光路來產(chǎn)生的, 因而可以消除 系統(tǒng)誤差, 這樣對(duì)光學(xué)元件的精度要求可以降低, 這是其它干涉計(jì)量方法不容易 做到的。目前, 全息干涉計(jì)量分析在無損檢驗(yàn)、振動(dòng)分析、微應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量、形 狀和等高線的檢測(cè)等領(lǐng)域中已得到廣泛的應(yīng)用。計(jì)算全息的應(yīng)用將計(jì)算機(jī)技術(shù)和全息技術(shù)相結(jié)合, 稱為計(jì)

8、算全息。計(jì)算全息不僅可以全面記 錄光波的振幅和位相 , 而且能綜合復(fù)雜的 , 或者世間不存在的物體的全息圖 (只 要知道該物體的數(shù)學(xué)表達(dá)式即可) , 在低噪聲、高重復(fù)率等方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光學(xué) 全息, 因而具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和極大的靈活性。例如在工程設(shè)計(jì)中, 為避免制作復(fù) 雜模型, 只需將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī) , 制作計(jì)算全息圖 , 就可顯示出三維立體像 來。目前, 計(jì)算全息的主要應(yīng)用范圍是: 二維和三維物體像的顯示; 制作各種空間 濾波器; 產(chǎn)生特定波面用于全息干涉計(jì)量; 計(jì)算全息掃描器等等。此外, 計(jì)算全息 在安全方面也有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。例如, 將要加密的圖像信息根據(jù)干涉原理隨機(jī)分解 成兩部分, 分別記

9、錄在兩張計(jì)算全息圖上。當(dāng)兩張全息圖對(duì)準(zhǔn)合在一起照明再現(xiàn) 時(shí), 才可以再現(xiàn)出原來的信息, 只有同時(shí)擁有這兩張配對(duì)的全息圖才可解出原來 的信息, 因而用于圖像信息加密時(shí), 具有很高的安全性。隨著大容量、高速度計(jì) 算機(jī)的不斷出現(xiàn), 以及激光掃描器、電子束、粒子束等成像技術(shù)的發(fā)展, 計(jì)算全 息必將顯示更大的優(yōu)越性, 展寬更多的應(yīng)用領(lǐng)域。全息術(shù)的展望目前, 全息技術(shù)的產(chǎn)品正越來越多地走向市場(chǎng), 而且這種新技術(shù)正以極大的 魅力吸引著眾多的科技人員致力研究, 其發(fā)展前景無限美好。下述課題的研究有 可能成為全息術(shù)研究的熱點(diǎn)：白光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖將使全息術(shù)最終走出實(shí)驗(yàn)室 , 進(jìn)入更廣泛的實(shí) 用領(lǐng)域。干涉計(jì)量用全息彩虹相機(jī)的研究, 研制出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且實(shí)用的全息照相機(jī); 數(shù)字 全息圖的研究。模壓光柵全息圖的研究。這是將飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)引進(jìn)模壓全息工業(yè)的 杰作, 制作三維物體以及二維、三維物體混合的模壓光柵全息圖,將成為全息工作 者要解決的問題。納米級(jí)精度光學(xué)全息元件的研究。這是個(gè)學(xué)科交叉的課題, 需要有相關(guān)技術(shù)與 全息技術(shù)相結(jié)合才能完成。尋找制作全息電影和全息電視的簡(jiǎn)捷途徑 , 使之實(shí)用化將是全息工作者追求 的目標(biāo)?？梢韵嘈? 隨著全息技術(shù)的快速發(fā)展, 它必然會(huì)越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代 生活中。研制性能更好的光全息存儲(chǔ)器與已經(jīng)成