全息攝影的介紹及其應(yīng)用前景
摘要 本文通過對(duì)全息攝影的介紹，來展現(xiàn)這種特殊照相技術(shù)與其他傳統(tǒng)照相方式相比的優(yōu)勢(shì)和相關(guān)的應(yīng)用，以及在特殊場(chǎng)合的應(yīng)用。
關(guān)鍵字 全息攝影；激光光源；三維立體
一．全息攝影的百科名片[1]
全息攝影亦稱：“全息照相”，一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術(shù)。全息攝影是通過一束參考光和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產(chǎn)生干涉條紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強(qiáng)度），而且還記錄反射光波的相對(duì)相位攝影亦稱：“全息照相”，一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術(shù)。全息攝影是通過一束參考光和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產(chǎn)生干涉條紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強(qiáng)度），而且還記錄反射光波的相對(duì)相位
二．原理[2]
全息攝影是指一種記錄被攝物體反射波的振幅和位相等全部信息的新型攝影技術(shù)。
普通攝影是記錄物體面上的光強(qiáng)分布，它不能記錄物體反射光的位相信息，因而失去了立體感。
全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點(diǎn)的感光程度不僅隨強(qiáng)度也隨兩束光的位相關(guān)系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強(qiáng)度，也記錄了位相信息。人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的干涉條紋，但如果用激光去照射它，人眼透過底片就能看到原來被拍攝物體*相同的三維立體像
2.激光全息攝影包括兩步：記錄和再現(xiàn)。
把激光束分成兩束；一束激光直接投射在感光底片上,稱為參考光束；另一束激光投射在物體上，經(jīng)物體反射或者透射，就攜帶有物體的有關(guān)信息，稱為物光束.物光束經(jīng)過處理也投射在感光底片的同一區(qū)域上.在感光底片上，物光束與參考光束發(fā)生相干疊加，形成干涉條紋，這就完成了一張全息圖。
b激光全息攝影再現(xiàn)
用一束激光照射全息圖，這束激光的頻率和傳輸方向應(yīng)該與參考光束*一樣，于是就可以再現(xiàn)物體的立體圖象。人從不同角度看，可看到物體不同的側(cè)面,就好像看到真實(shí)的物體一樣，只是摸不到真實(shí)的物體。
全息成像是科技，全息照相和常規(guī)照相不同，在底片上記錄的不是三維物體的平面圖象，而是光場(chǎng)本身。常規(guī)照相只記錄了反映被拍物體表面光強(qiáng)的變化，即只記錄光的振幅，全息照相則記錄光波的全部信息，除振幅外還記錄了光波的圖相。即把三維物體光波場(chǎng)的全部信息都貯存在記錄介質(zhì)中。
全息原理是“一個(gè)系統(tǒng)原則上可以由它的邊界上的一些自由度*描述”，是基于黑洞的量子性質(zhì)提出的一個(gè)新的基本原理。其實(shí)這個(gè)基本原理是量子元和量子位結(jié)合的量子論的。其數(shù)學(xué)證明是，時(shí)空有多少維，就有多少量子元；有多少量子元，就有多少量子位。它們一起組成類似矩陣的時(shí)空有限集，即它們的排列組合集。全息不全，是說選排列數(shù)，選空集與選全排列，有對(duì)偶性。即一定維數(shù)時(shí)空的全息性*等價(jià)于少一個(gè)量子位的排列數(shù)全息性；這類似“量子避錯(cuò)編碼原理”，從根本上解決了量子計(jì)算中的編碼錯(cuò)誤造成的系統(tǒng)計(jì)算誤差問題。而時(shí)空的量子計(jì)算，類似生物DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的雙共軛編碼，它是把實(shí)與虛、正與負(fù)雙共軛編碼組織在一起的量子計(jì)算機(jī)。這可叫做“生物時(shí)空學(xué)”，這其中的“熵”，也類似“宏觀的熵”，不但指混亂程度，也指一個(gè)范圍。
三．全息攝影和普通攝影的區(qū)別和特點(diǎn)
1.區(qū)別
在普通攝影中,照相機(jī)拍攝的景物，只記錄了景物的反射光的強(qiáng)弱，也就是反射光的振幅信息，而不能記錄景物的立體信息。而全息攝影技術(shù)，能夠記錄景物反射光的振幅和相位。在全息影像拍攝時(shí)，記錄下光波本身以及二束光相對(duì)的位相，位相是由實(shí)物與參考光線之間位置差異造成的。
從全息照片上的干涉條紋上我們看不到物體的成像，必須使用具有凝聚力的激光來準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)目標(biāo)照射全息片，從而再現(xiàn)出物光的全部信息。一個(gè)叫班頓的人后來又發(fā)現(xiàn)了更為簡便使用白光還原影像的方法，從而使這項(xiàng)技術(shù)逐漸走向?qū)嵱秒A段。
2.顯著的特點(diǎn)
a、 再造出來的立體影像有利于保存珍貴的藝術(shù)品資料進(jìn)行收藏。
b、 拍攝時(shí)每一點(diǎn)都記錄在全息片的任何一點(diǎn)上，一旦照片損壞也關(guān)系不大。
c、 全息照片的景物立體感強(qiáng)，形象逼真，借助激光器可以在各種展覽會(huì)上進(jìn)行展示，會(huì)得到非常好的效果。
四．全息照相的拍攝要求
為了拍出一張滿意的全息照片，拍攝系統(tǒng)必須具備以下要求
1. 光源必須是相干光源
通過前面分析知道，全息照相是根據(jù)光的干涉原理，所以要求光源必須具有很好的相干性。激光的出現(xiàn)，為全息照相提供了一個(gè)理想的光源。這是因?yàn)榧す饩哂泻芎玫目臻g相干性和時(shí)間相干性，實(shí)驗(yàn)中采用He-Ne激光器，用其拍攝較小的漫散物體，可獲得良好的全息圖。
由于全息底片上記錄的是干涉條紋，而且是又細(xì)又密的干涉條紋，所以在照相過程中極小的干擾都會(huì)引起干涉條紋的模糊，甚至使干涉條紋無法記錄。比如，拍攝過程中若底片位移一個(gè)微米，則條紋就分辨不清，為此，要求全息實(shí)驗(yàn)臺(tái)是防震的。全息臺(tái)上的所有光學(xué)器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺(tái)面鋼板上。另外，氣流通過光路，聲波干擾以及溫度變化都會(huì)引起周圍空氣密度的變化。因此，在曝光時(shí)應(yīng)該禁止大聲喧嘩，不能隨意走動(dòng)，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)室安靜。我們的經(jīng)驗(yàn)是，各組都調(diào)好光路后，同學(xué)們離開實(shí)驗(yàn)臺(tái)，穩(wěn)定一分鐘后，再在同一時(shí)間內(nèi)爆光，得到較好的效果。
3.物光與參考光應(yīng)滿足
物光和參考光的光程差應(yīng)盡量小，兩束光的光程相等，zui多不能超過2cm，調(diào)光路時(shí)用細(xì)繩量好；兩束光之間的夾角要在30°～60°之間，在45°左右，因?yàn)閵A角小，干涉條紋就稀，這樣對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和感光材料分辨率的要求較低；兩束光的光強(qiáng)比要適當(dāng)，一般要求在1∶1～1∶10之間都可以，光強(qiáng)比用硅光電池測(cè)出。
因?yàn)槿⒄障嗟灼嫌涗浀氖怯旨?xì)又密的干涉條紋，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銀化物的顆粒較粗，每毫米只能記錄50～100個(gè)條紋，天津感光膠片廠生產(chǎn)的I型全息干板，其分辨率可達(dá)每毫米3000條，能滿足全息照相的要求。
沖洗過程同樣是很關(guān)鍵的。我們按照配方要求配藥，配出顯影液、停影液、定影液和漂白液。上述幾種藥方都要求用蒸餾水配制，但實(shí)驗(yàn)證明，用純凈的自來水配制，也獲得成功。沖洗過程要在暗室進(jìn)行，藥液千萬不能見光，保持在室溫20°C左右進(jìn)行沖洗，配制一次藥液保管得當(dāng)可使用一個(gè)月左右。
五．全息攝影的日常生活和特殊場(chǎng)合的應(yīng)用[4]
1.生活中全息攝影技術(shù)的運(yùn)用。
在一些信用卡和紙幣上，就有運(yùn)用了俄國物理學(xué)家尤里·丹尼蘇克（Yuri Denisyuk）在20世紀(jì)60年代發(fā)明的全彩全息圖象技術(shù)制作出的聚酯軟膠片上的“彩虹”全息圖象。但這些全息圖象更多只是作為一種復(fù)雜的印刷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)防偽目的，它們的感光度低，色彩也不夠逼真，遠(yuǎn)不到亂真的境界。
把一些珍貴的文物用這項(xiàng)技術(shù)拍攝下來，展出時(shí)可以真實(shí)地立體再現(xiàn)文物，供參觀者欣賞，而原物妥善保存，防失竊，大型全息圖既可展示轎車、衛(wèi)星以及各種三維廣告，亦可采用脈沖全息術(shù)再現(xiàn)人物肖像、結(jié)婚紀(jì)念照。小型全息圖可以戴在頸項(xiàng)上形成美麗裝飾，它可再現(xiàn)人們喜愛的動(dòng)物，多彩的花朵與蝴蝶。迅猛發(fā)展的模壓彩虹全息圖，既可成為生動(dòng)的卡通片、賀卡、立體郵票，也可以作為防偽標(biāo)識(shí)出現(xiàn)在商標(biāo)、證件卡、銀行信用卡，甚至鈔票上。
模壓全息標(biāo)識(shí)由于它的三維層次感，并隨觀察角度而變化的彩虹效應(yīng)，以及千變?nèi)f化的防偽標(biāo)記，再加上與其他高科技防偽手段的緊密結(jié)合，把新世紀(jì)的防偽技術(shù)推向了新的輝煌頂點(diǎn)。
綜上所述，全息照相是一種不用普通光學(xué)成象系統(tǒng)的錄象方法，是六十年代發(fā)展起來的一種立體攝影和波陣面再現(xiàn)的新技術(shù)。由于全息照相能夠把物體表面發(fā)出的全部信息（即光波的振幅和相位）記錄下來，并能*再現(xiàn)被攝物體光波的全部信息，因此，全息技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。例如：全息電影和全息電視，全息儲(chǔ)存、全息顯示及全息防偽商標(biāo)等。
2.特殊場(chǎng)合運(yùn)用
除光學(xué)全息外，還發(fā)展了紅外、微波和超聲全息技術(shù)，這些全息技術(shù)在軍事偵察和監(jiān)視上有重要意義。我們知道，一般的雷達(dá)只能探測(cè)到目標(biāo)方位、距離等，而全息照相則能給出目標(biāo)的立體形象，這對(duì)于及時(shí)識(shí)別飛機(jī)、艦艇等有很大作用。因此，備受人們的重視。但是由于可見光在大氣或水中傳播時(shí)衰減很快，在不良的氣候下甚至于無法進(jìn)行工作。為克服這個(gè)困難發(fā)展出紅外、微波及超聲全息技術(shù)，即用相干的紅外光、微波及超聲波拍攝全息照片，然后用可見光再現(xiàn)物象，這種全息技術(shù)與普通全息技術(shù)的原理相同。技術(shù)的關(guān)鍵是尋找靈敏記錄的介質(zhì)及合適的再現(xiàn)方法。
超聲全息照相能再現(xiàn)潛伏于水下物體的三維圖樣，因此可用來進(jìn)行水下偵察和監(jiān)視。由于對(duì)可見光不透明的物體，往往對(duì)超聲波透明，因此超聲全息可用于水下的軍事行動(dòng)，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無損檢測(cè)測(cè)等。
除用光波產(chǎn)生全息圖外，已發(fā)展到可用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖。全息圖用途很廣，可作成各種薄膜型光學(xué)元件，如各種透鏡、光柵、濾波器等，可在空間重疊，十分緊湊、輕巧，適合于宇宙飛行使用。使用全息圖貯存資料，具有容量大、易提取、抗污損等優(yōu)點(diǎn)。
全息照相的方法從光學(xué)領(lǐng)域推廣到其他領(lǐng)域。如微波全息、聲全息等得到很大發(fā)展，成功地應(yīng)用在工業(yè)醫(yī)療等方面。地震波、電子波、X射線等方面的全息也正在深入研究中。全息圖有極其廣泛的應(yīng)用。如用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機(jī)機(jī)翼蜂窩結(jié)構(gòu)的無損檢驗(yàn)等。現(xiàn)在不僅有激光全息，而且研究成功白光全息、彩虹全息，以及全景彩虹全息，使人們能看到景物的各個(gè)側(cè)面。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發(fā)展。
