张宇辉

（云南楚雄实验中学，楚雄 675000）

1 全息技术的基本概念

全息技术是信息光学的一个分支，主要采用光学原理，利用相干光干涉得到物体的全部信息，区别于传统光学器件，全息技术并不使用透镜。全息技术利用了激光的相干性原理，记录下光的振幅和相位信息，从而得到物体的全部信息，包括全息立体图像的大小，形状，亮度和对比度等，与普通照相技术只记录图片不同，全息技术能够通过记录下的光信息将还原物体的三维图像。

全息一般是用激光完成的，因为激光具有良好的相干性。其中只可以在相同色光的激光下来观察的叫单色全息图像，能够在自然光下观察到全息图的是白光全息图像。全息技术与普通摄影不同，具有以下几个显著特征：

（1）立体性。全息照片重现的时候，可以看到三维的物体的像，是与实物一样的立体视角。这种性质与用偏振片观看立体电影有本质的不同。在放映偏光式3D电影的时候，需要同时使用两个放映机，将两个摄影机拍下的两组胶片进行同步放映，使两组胶片上的内容在同一屏幕上堆叠。用肉眼直接观看的话，会看到模糊不清的画面。而全息图像再现时能够更加逼真地还原物体的三维图像，而且仅用裸眼即可观察到。

（2）可分割性。全息图上的任何局部点都记录着来自空间每个点的振幅和相位信息。这是全息照相技术相对于普通照相技术的巨大优势，即使全息记录载体有缺陷或部分损坏，也不影响整个图像的再现，仍然能够完整的还原物体的三维图像。

（3）信息存储能力强。在理论上全息存储的存储容量要远远大于磁盘和光盘的存储容量。相同的全息感光板可以被重复曝光记录，并可以重现每一个物体的三维图像而且相互之间不干扰。所以它的信息容量更大。

2 全息技术的发展简介

1948年，英国科学家丹尼斯·加博（Dennis Gabor）首次提到了全息技术的概念。他总结了先前人们的经验，发现了一种避免相位信息丢失的技术，这就是利用光波来记录光的相位信息和振幅。他用实验证明了自己的理论，制作了第一张全息图。随后几年，人们扩充了并加深了他的理论，对于这种新的成像技术有了更多的研究。但是迫于没有合适的相干光光源，当时的全息技术一直得不到突破。1960年第一台激光器的诞生，才得以突破这个瓶颈。激光技术的问世极大地促进了全息术的发展。之后，美国科学家利斯（Leith）和乌帕特尼克斯（Upatnieks）在1962年提出了离轴全息技术，又一次使全息技术的发展向前跨进了一大步。近50年以来，全息技术的研究越来越深入，全息应用的领域也越来越广泛。它已经是现代光学的最重要的分支之一。

梳理其发展历程，可以将其可分为四个阶段：第一个阶段是萌芽时期。这个时期是利用水银灯作为光源，拍摄同轴全息图，此时还不能将全息图中的±1级衍射波分开，称之为第一代全息技术。第一代全息图有两点不足，一个是原始图像和共轭图像没有分离，另一个即光源的相干性不强。这个时期是全息研究的萌芽阶段，研究的进程非常慢。第二阶段是采用激光记录和激光再现的离轴全息图，用离轴参考光和光干涉形成全息图，然后用离轴参考光照射全息图，全息图产生三维分离的空间衍射元件中的一个复制原始光。离轴光路形成的全息图不会有第一代全息图的重现像混叠的问题，这就是第二代全息术。第二代全息图仍然有缺陷，其全息图没有色调信息。颜色信息的损失是由激光再现引起的。为了解决第二代全息图的问题，有人提出了激光记录再用白光来再现的思路，最早由班顿采用了这种方法，此后用白光来重现物体影像的方法逐渐成熟。第三代全息图的第一次应用是在美国《国家地理杂志》的封面上，这使得杂志销量大涨，该技术也随之在全世界流行起来。全息光学技术在显示领域充分展现其优越性。但是，第三代全息技术对于光源和记录的程序有较高的要求，进而给全息技术的实际应用带来了诸多不便，所以开始了第四代全息技术的研究。第四阶段是采用白光记录和白光重现的全息图，这是吸引人们去研究和探索的诱人方向。

3 全息技术的应用

全息技术近年来已渗透到社会生活各个领域，被广泛应用于现代科学研究和工业生产，特别是现代检测，生物工程，医药，艺术，商业，安全和现代储存技术等方面具有特殊优势，从全息成像技术到今天的全息成像已经与许多学科交叉整合，形成了全息显示，全息干涉测量，全息显微，全息存储，全息成像等技术。随着全息技术的快速发展，全息技术产品越来越多地被应用于现代生活中。

3.1 全息显示

全息显示器（holographic display）是指利用全息照片来再现物体的非常逼真的三维图像。全息显示器具有很高的商业价值，可以使用全息技术来录制广告，促销品，动植物，肖像，历史文物等，通过三维复制，向观众展示，可以提供观赏，全息保存等功能。

3.2 全息干涉仪

全息干涉测量是最重要和最成功的全息应用之一。全息干涉可以测量到波长的数量级的水平，它可以在两个不同的时间比较同一个物体的状态。全息干涉的基本方法包括单次曝光（实时），双重曝光，连续曝光（时间平均），三光束单次曝光，非线性记录全息干涉，全息前对准干涉测量，全息莫尔条纹技术等。全息干涉测量分析已经很多领域得到了很好的应用。全息测量技术可以其他技术相结合，实现实时自动化，具有高灵敏度，非接触，快速，高精度等特点。

3.3 光学全息存储

全息光学存储技术是一种新兴的存储技术，以全息图的形式将数据信息记录到存储材料中。由于全息方法本身的物理性质，它不仅保留了目标光的幅度信息，而且保留了其全部的空间相位信息。全息光存储具有存储容量高，读写速率高，可靠性高，内容寻址能力强等优点。光学全息存储利用两个光波的耦合与解耦，将信息存储与信息比较与识别功能结合起来，解决了光盘与光盘的容量瓶颈问题，增大了存储容量。光学全息存储不仅体积大，而且数据传输率高，寻址时间短。例如，人体全息存储技术使得信息存储在小数点，容易丢失，在物理信道中，信息可以通过多种信息存储进行编码，就像在单个通信信道中传输多个信号一样，存储的信息以及信息处理的速度可以大大增加。时域全息技术结合超短脉冲技术，也存储和呈现物体和三维物体的高度变化。

3.4 模压全息图

模压全息（也称为全息印刷）是上世纪中期提出的一种技术，能够大量地复制全息图而且不需要较高的成本，该技术也是世界上唯一能够进行全息图大规模批量加工的技术手段。其生产的程序是先通过全息技术获得表面浮雕全息图，然后再通过精细化学镀膜技术制成上机镍板，最后由特定成型机加以模压，在各种材料上模压出相应的全息图。模压全息技术不用使用油墨类，因此也被称为无墨印刷。因为它可以打印立体图像，并具有广泛的前景，也被称为“三维打印”和“二十一世纪的打印”。它化解了全息图不可复制的难题，使全息图能够大规模加工，让全息图迅速工业化、商品化，使之走进人们的日常生活。模压全息图生动的立体显示，色彩鲜艳的图像层出不穷，使其在包装，产品推广和装饰等方面得到充分应用，最重要的应用领域是安防领域。目前，很多国家都在信用卡、商标、护照、身份证等领域上使用模压全息图作为防伪标签，模压全息技术的防伪功能日渐获得更加广泛的应用。

3.5 计算全息

计算机技术和全息技术的结合被称为计算机生成的全息图。计算全息术不仅具有记录光波的幅度和相位的独特优点，而且还可以整合复杂或不存在的物体的全息图，只要它们是已知的。如果物体不存在并且只有光波的数学描述是已知的，则也可以使用计算机和计算机控制的绘图仪或其他记录装置（例如，阴极射线管，电子光束扫描仪等）在透明胶片上计算机生成的全息图被称为计算全息图。计算全息图和光学全息不同的是，光学全息是将实际物体置于光源下时才产生，而计算全息合成合成全息图不需要实际物体的存在，只要输入相应的光信息即可。

计算全息技术的发展受到两个不同因素的刺激，一个是全息技术飞速发展，另一个是电脑化计算机图形的普及化的开始。全息计算的主要应用是：二维和三维物体图像显示；在光学信息处理中使用全息计算各种空间滤波器；产生一个具有十个全息干涉测量的特定波面；激光扫描仪；数据存储。计算全息图有很多优点，最重要的是你可以记录一个物理上不存在的物理对象。如果知道对象的数学表达式，则可以用计算的全息图记录对象的光波并再现对象的图像。这种性质非常适合于信息处理中的空间滤波合成，干涉测量中的特殊参考波面，以及三维小说对象的显示。全息制作过程的计算采用数字化定量计算，精度高，尤其是二进制总图，其透光率函数只有两个数值，抗干扰能力强，噪点小，易于复制。随计算机技术的发展，电子束和离子束聚束技术的发展，计算全息技术必将显示出更大的优势，应用领域也越来越广泛。

3.6 数字全息

数字全息技术作为信息光学领域的研究热点，是光学全息、计算机技术和电子成像的交叉领域。它是依据光学全息的理论，以光电成像器件为记录介质，获得全息图，然后通过计算机将其数字化，再现时将数字信息转化为全息图。这一进程可以连续记录瞬时过程中的运动物体，有利于实时在线进行全息记录，还可以通过计算机数字全息图和数字再现图像进行定量分析。数字全息是全息、计算机技术和电子成像的结合。它仍然是基于光学全息的记录理论。然而，全息图是通过使用诸如CCD照相机的电子成像装置作为记录介质并存储在计算机中，然后使用数字图像来再现全息图而获得的。数字全息术具有广泛的应用，如数字全息三维识别，数字全息显示，数字全息图像加密等。近年来的发展数字全息层析成像，脉冲数字全息成像，数字全息成像，表明数字全息技术具有广阔的应用前景。

4 全息技术前景展望

如今全息技术正在朝向数字化、光机电一体化的方向发展，作为一门新兴学科，全息技术仍处于蓬勃发展的阶段。结合光全息的原理和特点就可以看到其独特的优势，全息技术有着非常广阔的应用市场，无论在国防、医药、工业，还是公共安全等各个领域都有非常巨大的应用，其潜力仍有待挖掘。可以相信，光全息在未来社会、经济、通信及国防等各个方面将成为不可或缺的重要组成部分，随着科学技术的进一步发展和科技人员的努力，必将迎来更加美好的明天。

[1] 龙飞，招继恩，戴宝.计算机图像处理技术在全息学中的应用[J].中国信息化，2017（11）：51-53.

[2] 李科莹.影见未来新“视界”—全息技术在视觉领域的应用、原理和产品探析[J].戏剧之家，2016（13）：97.

[3] 王晓蓉.计算全息技术应用及其发展趋势综述[J].激光杂志，2016，37（06）：20-24.

[4] 陈璞，徐亨成.全息技术在检测技术中的应用[J].中国测试，2011，37（01）：89-91+96.