全息技术的原理与应用

全息特指一种技术，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。

从不同的位置观测此物体，其显示的像也会变化。因此，这种技术拍下来的照片是三维的。全息这项技术可以被用于光学储存、重现，同时可以用来处理信息。

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，如图5.1。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，这是成像过程；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像，即原始像（又称初始象）和共轭像。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，如图5.2。

全息术最早于1947年由英国物理学家Denise Gabor（1900—1979）发现，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GB 685286）。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”，如图5.3。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。

图5.1　干涉记录第一步图

图5.2　干涉记录第二步图

图5.3　全息原理

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。

全息照相是一种不用普通光学成像系统的录像方法，是20世纪60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。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像，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等。

“一个系统原则上可以由它的边界上的一些自由度完全描述”，是基于黑洞的量子性质提出的一个新的基本原理。其实这个基本原理是联系量子元和量子位结合的量子论的。其数学证明是，时空有多少维，就有多少量子元；有多少量子元，就有多少量子位。它们一起组成类似矩阵的时空有限集，即它们的排列组合集。

全息不全，是说选排列数，选空集与选全排列，有对偶性。即一定维数时空的全息性完全等价于少一个量子位的排列数全息性；这类似“量子避错编码原理”，从根本上解决了量子计算中的编码错误造成的系统计算误差问题。而时空的量子计算，类似生物DNA的双螺旋结构的双共轭编码，它是把实与虚、正与负双共轭编码组织在一起的量子计算机。这可叫作“生物时空学”，这其中的“熵”，也类似“宏观的熵”，不但指混乱程度，也指一个范围。

时间指不指一个范围？从“源于生活”来说，应该指。因此，所有的位置和时间都是范围。位置“熵”为面积“熵”，时间“熵”为热力学箭头“熵”。其次，类似N数量子元和N数量子位的二元排列，与N数行和N数列的行列式或矩阵类似的二元排列，其中有一个不相同，是行列式或矩阵比N数量子元和N数量子位的二元排列少了一个量子位，这是否类似全息原理，N数量子元和N数量子位的二元排列是一个可积系统，它的任何动力学都可以用低一个量子位类似N数行和N数列的行列式或矩阵的场论来描述呢？

数学上也许是可以证明或探究的。

①反德西特空间，即为点、线、面内空间，是可积的，因为点、线、面内空间与点、线、面外空间交接处趋于“超零”或“零点能”零，到这里是一个可积系统，它的任何动力学都可以有一个低一维的场论来实现。也就是说，由于反德西特空间的对称性，点、线、面内空间场论中的对称性，要大于原来点、线、面外空间的洛仑兹对称性，这个比较大一些的对称群叫作共形对称群。当然这能通过改变反德西特空间内部的几何来消除这个对称性，从而使得等价的场论没有共形对称性。这可叫新共形对称形。如果把马德西纳空间看作“点外空间”，一般“点外空间”或“点内空间”也可看作类似球体空间。反德西特空间，即“点内空间”是场论中的一种特殊的极限。“点内空间”的经典引力与量子涨落效应，其弦论的计算很复杂，计算只能在一个极限下做出。例如上面类似反德西特空间的宇宙质量轨道圆的暴涨速率，是光速的8.88倍，就是在一个极限下做出的。在这类极限下，“点内空间”过渡到一个新的时空，或叫作pp波背景，可精确地计算宇宙弦的多个态的谱，反映到对偶的场论中，我们可获得物质族质量谱计算中一些算子的反常标度指数。

②这个技巧是，弦并不是由有限个球量子微单元组成的。要得到通常意义下的弦，必须取环量子弦论极限，在这个极限下，长度不趋于0，每条由线旋耦合成环量子的弦可分到微单元10－33 cm，而使微单元的数目不是趋于无限大，从而使得弦本身对应的物理量如能量、动量是有限的。在场论的算子构造中，如果要得到pp波背景下的弦态，我们恰好需要取这个极限。这样，微单元模型是一个普适的构造，也清楚了。在pp波这个特殊的背景之下，对应的场论描述也是一个可积系统。

5.1.1.1　全息照相

光是电磁波，决定其波动特性的参数是振幅和位相：振幅表示光的强弱信息；位相表示光在传播中各质点所在的位置及振动的方向（或者说光波传到某一位置是在时间上的先后）。因此光的全部信息应由振幅和位相来表示。在以往的成像问题和照相工程中，都没有用波长、位相等波动概念，而只沿用了光线概念，并纯粹用几何光学方法来进行研究。这种方法是便于实用的成像技术，当然仅是一种近似的方法。

普通照相是把物体表面反射或散射的光波，或物体本身发射的光波经过物镜成像，将光的强度记录在感光胶片上，然后在照相纸上放大或印出物体的平面像。(www.xing528.com)

当激光问世以后，利用激光进行的摄影既能记录光波振幅的信息，又能记录光波的位相信息。当两束相干光相遇发生干涉时，在底片上记下的干涉条纹，即包含了光的强度信息又包含着位相信息。我们把这种记录光波全部信息的照相称为全息照相。

可见全息照相与普通照相其原理截然不同，底片上单位图像也不一样。普通照相在底片上能够看到平面的图像；而全息照相在底片上是干涉图形，直接用肉眼观察不到图像。

照相技术是利用了光能引起感光乳胶发生化学变化的原理，变化的强度随入射光强的增大而增大。普通照相使用透镜成像原理，底片上化学反应的强度直接由物体各处的明暗决定，即由入射光波的强度决定。而全息照相不但记录了入射光波的强度，也记录了入射光波的相位。

在典型的离轴型全息照相的光路布局中，由激光器发出的光束被分光镜B分成两束光。一束经反射镜M反射后直接投射于全息底片H（一种高分辨率的感光材料），称为参考光；另一束则照射物体，从物体反射（或透射）的光，称为物光。物光和参考光在全息底片上相互干涉的结果，构成一幅非常复杂而又精细的干涉条纹图。这些干涉条纹以其反差和位置的变化，记录了物光的振幅和相位的信息。全息底片经过常规的显影和定影处理之后，就成为全息图。全息图的外观和原物体的外形似乎毫无联系，但它却以光学编码的形式记录下物光的全部信息。

为了使相干照明条件下物光波的振幅分布与位相分布再现出来，首先必须把物光波的振幅信息与位相信息全部储存起来。为此，可以用一个振幅分布和位相分布均为已知的相干参考波与物光波叠加，再记录底片上形成的干涉图样，这个干涉图样就包含了物光波的振幅信息与位相信息。

用一束足够强的相干光照明物体，从物体反射的光波（即物体光波）射向感光胶片。同时再使这束相干光的一部分直接（或通过反射镜反射）照射在感光胶片上。这部分相干光就是参考光束。参考光束和物光在胶片上相干涉形成许多明暗不同的花纹、这样的感光胶片通过彰显、定影后就成了全息照片。干涉图样的形状记录了物光与参考光束间的位相关系，而其明暗对比程度（反差）反映了光束的强度（振幅）关系。光束越强，反差越大。这就把物体光波的全部信息记录下来了，全息摄影装置要放在防震台上，或者用脉冲激光器。

当同一束相干光在与拍摄时参考光束相同的角度照射到全息照片上时，被照片上的干涉图样所衍射。这时，全息照片成了一个反差不同、间距不等、弯弯曲曲发出了畸变的“光栅”。在它后面出现了一系列零级、一级、二级等衍射波。零级波可以看成是衰减后的入射光束。其中一列一级衍射波和物体在原位置发出的光波完全一样，构成物体的虚像。另一列一级衍射波虽然也是物体波精确的复制，但它的曲率与原物体波的曲率相反，原来发散光变成了会聚光，这就构成了前后倒置的物体实像，可用感光胶片拍下来。

拍摄全息照片需注意以下几点：

①拍摄时尽量使参考光与物光的强度比为1∶5～1∶1；

②两束光的光程尽量一致；

③两束光在底片上相遇的角度为30～60℃；

④摄影系统的稳定性要求严格，在曝光时间内条纹移动要小于1／4波长。因此摄影系统须放在防震台上或用脉冲激光器；

⑤感光片是分辨率很高的全息底片，一般要求大于1000条／mm。

尽管在目前技术条件下，制作全息照片比普通照片要复杂和困难得多，但由于全息照相有许多重要的特点，应用潜力很大，因而受到人们的普遍重视。

全息照相的主要特点如下：

①由于全息照相记录了物体光波的全部信息，所以再现出来的物体形象和原来的物体一模一样，它是一个十分逼真的立体像。而且这种立体像还具有一些普通的立体照片所没有的极为动人的特点：它和观察实物完全一样，具有相同的视觉效应。例如，从某一方向观察时，一物被另一物遮住，那只需把头偏移一下，就可以绕过原来的障碍物，看到原来被遮住的物体。当观察者把视线从景物中的近物移到远物上时，眼睛必须重新调焦，这和原来直接观察景物是完全一样的。

②全息照片的每一部分，无论有多大，总能再现原来物体的整个图像。就是说，可以把全息照片分成若干小块，每一块都可以完整地再现原来的物像，只是当全息照片的面积缩小后，像的分辨率减小了。全息照相的这一特点的每一点都受到被摄物体各部分反射光的作用的缘故，所以全息片即使有缺损，也不会使再现像失真。

③同一张底片上，经过多次曝光后，可以重叠许多像，而且每一个像又能不受其他像的干扰而单独地显示出来。如果对不同的景物采用不同角度入射的参考光束，由于所得的干涉图样随物光和参考光之间的夹角而变化，因此相应的各种景物的再现像出现在不同的衍射方向上，因而在各个不同的地方组成了各个景物的独立的再现像。

④全息照片易于复制。如用接触法复制新的全息照片，将使原来透明部分变成不透明，原来不透明部分变成透明，用这张复制照片再现出来的像仍和原来全息照片的像完全一样。

⑤全息照片显现时可方便地放大或缩小，若λ1为拍摄照明的相干光波长，λ2为再现时照明的相干光波长，则再现时像比物放大倍M＝λ2／λ1倍。

5.1.1.2　数字全息

光学场的传播可以通过衍射理论完备精确地描述，因此也就可以用数值计算来表述。1967年，Joseph Goodman等（斯坦福大学）首次演示了全息图像数值重建的可能性。总结一下他们的描述，参考波和物波形成的干涉条纹直接由摄像机的光敏面来探测（不带镜头）。摄像机的输出由256×256像元阵列进行采样，而且定量为8个灰度级。PDP6计算机用来编程实现阵列的二维傅立叶变换，并提取结果的平方模量。采用Cooley－Tukey算法（即快速傅立叶变换，FFT），能够在5 min计算时间内获得图像。计算结果可以直接输出到示波器的显示器。

人们开发了各种有用的和特殊的技术来提升全息处理问题的能力并扩大其应用范围。在数字全息显微中，一张单独的全息图可以用来进行任意距离全息图像的数值定焦。由于可以直接获取相位信息，因此数字相位显微技术可以测量透射或反射相位物体，并达到纳米量级的灵敏度，而且可以进一步处理，例如进行像差校正。与基于算法的软件方法相比，多波长光学相位解包裹是一项快速有效去除2π不连续相位的方法。数字全息的一个重大局限是像元数和成像器件的分辨率。通过移相的办法来抑制零级，数字全息就可以有效地使用像元阵列。由于没有分离的参考光束，数字加博全息通过提供四维空间时记录的粒子场，能够实现粒子成像应用。与电子散斑干涉（ESPl）类似，形变和振动的计量是数字全息的一个主要应用领域。数字全息提供了新的光学处理能力、例如模式识别和加密。

数字全息的加速发展得益于计算能力的进步。举个例子，使用一台一般的个人计算机进行1024×1024阵列的二维FFT运算只需一瞬间，与之相比传统全息中的光化学处理过程需要大量时间。

数字全息（DH）这个概念可用于多种语境，在本书中只有一个明确的意义，即光学方法产生一个全息图，然后再用电子方式采集和数值重建获得图像。另一个意思是数值计算全息干涉图的相反过程，然后再打印或输出到真实空间，所以重建过程可以通过光学方法实现，现在称为计算全息（CGH）。CGH的历史更长，而且在发展初期，DH和CGH基本上有相同的意义。1967年，A.W.Lohmann和D.P.Paris（IBM公司）演示了“对于仅有数学形式而物理上不存在的物体，可以通过计算获得其全息图的方法”。先用绘图仪来绘制一幅较大尺寸的全息图，然后再通过胶片缩拍。为了体现相位，使用了黑白绘图仪，他们开发了一项叫作二元迂回相位编码全息的技术，每一个像素的孔位随着相位的变化而移动。光学重建图像与灰阶全息图重建图像完全相似。CGH可以制作规定强度和相位结构的虚拟物体全息图。后来又开发了许多计算技术和光学重建技术。