全息技術

張新陽 宋霄森

摘要：全息技術是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實三維圖像的技術。2010年3月，日本世嘉公司舉辦了一場名為“初音未來日的感謝祭”的全息投影演唱會，會場內座無虛席；2011年12月，江蘇衛視跨年演唱會上，利用全息技術，藝人周筆暢與梅艷芳、鄧麗君、張國榮等已故明星完成了一次“跨時光演唱”，取得當晚同時段收視冠軍......和未來的接觸，與往昔的重逢，美輪美奐的場景足以讓觀眾震撼，然而這只是全息技術應用的冰山一角，此類應用只是全息技術的簡單應用，與理想中的全息技術還存在很大差距。

關鍵詞：全息技術 全息投影

一、全息技術的原理

全息技術第一步是利用干涉原理記錄物體光波信息，即拍攝過程：被拍攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，和物光束疊加產生干涉，把物體光波上各點的位相和振幅轉換成在空間上變化的強度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來。記錄著干涉條紋的底片經過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖，或稱全息照片；其第二步是利用衍射原理再現物體光波信息，這是成象過程：全息圖猶如一個復雜的光柵，在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出兩個象，即原始象（又稱初始象）和共軛象。再現的圖像立體感強，具有真實的視覺效應。全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，故原則上它的每一部分都能再現原物的整個圖像，通過多次曝光還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來。

二、全息技術的特點及其技術種類

全息技術有以下特點：（1）再造出來的立體影像有利于保存珍貴的藝術品資料進行收藏。（2）拍攝時每一點都記錄在全息片的任何一點上，就算照片損壞也關系不大。（3）全息照片的景物立體感強，形象逼真，借助激光器可以在各種展覽會上進行展示，會得到非常好的效果。

投影技術一共分為三種：（1）空氣投影和交互技術：這是美國麻省名叫Chad Dyne的29歲理工研究生發明的，是顯示技術上的一個里程碑，它可以在氣流形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。此技術來源海市蜃樓的原理，將圖像投射在水蒸氣上，由于分子震動不均衡，可以形成層次和立體感很強的圖像。（2）激光束技術：是日本Science and Technology公司發明了一種可以用激光束來投射實體的3D影像，這種技術是利用氮氣和氧氣在空氣中散開時，混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質，并在空氣中形成一個短暫的3D圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進行小型爆破來實現的。（3）360度全系顯示：它是由南加利福尼亞大學創新科技研究院的研究人員當前宣布他們成功研制的，這種技術是將圖像投影在一種高速旋轉的鏡子上從而實現三維圖像，只是會有些危險。

可以說這些技術很多國家都在研制，毫不夸張的說這項技術它包含了未來，誰最先使用這項技術，誰就最先走入未來的先進技術行列。全息投影技術是全息攝影技術的逆向展示，本質上是通過在空氣或者特殊的立體鏡片上形成立體的影像。不同于平面銀幕投影僅僅在二維表面通過透視、陰影等效果實現立體感，全息投影技術是真正呈現3D的影像，可以從360°的任何角度觀看影像的不同側面。

三、全息技術的技術應用

全息學的原理適用于各種形式的波動，如X射線、微波、聲波、電子波等。只要這些波動在形成干涉花樣時具有足夠的相干性即可。光學全息術可望在立體電影、電視、展覽、顯微術、干涉度量學、投影光刻、軍事偵察監視、水下探測、金屬內部探測、保存珍貴的歷史文物、藝術品、信息存儲、遙感，研究和記錄物理狀態變化極快的瞬時現象、瞬時過程（如爆炸和燃燒）等各個方面獲得廣泛應用。在生活中，也常常能看到全息攝影技術的運用。比如，在一些信用卡和紙幣上，就有運用了俄國物理學家尤里·丹尼蘇克在20世紀60年代發明的全彩全息圖像技術制作出的聚酯軟膠片上的“彩虹”全息圖像。但這些全息圖像更多只是作為一種復雜的印刷技術來實現防偽目的，它們的感光度低，色彩也不夠逼真，遠不到亂真的境界。研究人員還試著使用重鉻酸鹽膠作為感光乳劑，用來制作全息識別設備。在一些戰斗機上配備有此種設備，它們可以使駕駛員將注意力集中在敵人身上。把一些珍貴的文物用這項技術拍攝下來，展出時可以真實地立體再現文物，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、衛星以及各種三維廣告，亦可采用脈沖全息術再現人物肖像、結婚紀念照。小型全息圖可以戴在頸項上形成美麗裝飾，它可再現人們喜愛的動物，多彩的花朵與蝴蝶。迅猛發展的模壓彩虹全息圖，既可成為生動的卡通片、賀卡、立體郵票，也可以作為防偽標識出現在商標、證件卡、銀行信用卡，甚至鈔票上。裝飾在書籍中的全息立體照片，以及禮品包裝上閃耀的全息彩虹，使人們體會到21世紀印刷技術與包裝技術的新飛躍。模壓全息標識，由于它的三維層次感，并隨觀察角度而變化的彩虹效應，以及千變萬化的防偽標記，再加上與其他高科技防偽手段的緊密結合，把新世紀的防偽技術推向了新的輝煌頂點。

除光學全息外，還發展了紅外、微波和超聲全息技術，這些全息技術在軍事偵察和監視上有重要意義。我們知道，一般的雷達只能探測到目標方位、距離等，而全息照相則能給出目標的立體形象，這對于及時識別飛機、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衰減很快，在不良的氣候下甚至于無法進行工作。為克服這個困難發展出紅外、微波及超聲全息技術，即用相干的紅外光、微波及超聲波拍攝全息照片，然后用可見光再現物象，這種全息技術與普通全息技術的原理相同。技術的關鍵是尋找靈敏記錄的介質及合適的再現方法。超聲全息照相能再現潛伏于水下物體的三維圖樣，因此可用來進行水下偵察和監視。由于對可見光不透明的物體，往往對超聲波透明，因此超聲全息可用于水下的軍事行動，也可用于醫療透視以及工業無損檢測等。除用光波產生全息圖外，已發展到可用計算機產生全息圖。全息圖用途很廣，可作成各種薄膜型光學元件，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、抗污損等優點。

四、總結

數字全息技術在理論和實驗上已經取得了重大突破，收獲了許多階段性成果。但是，全息技術若想取得進一步發展，仍然面臨許多技術瓶頸，比如研制像素數更多、分辨率更高的純味相型SLM器件，開發工作電壓更低、靈敏度更高、刷新速度更快、衍射效率更高的實時光折變聚合物材料等都是亟待解決的障礙。盡管近年來人們對全息技術的關注度持續升溫，但科技的發展并非一蹴而就，全息技術要想取得長足的發展，還應加大科研投入，加強產學研合作，使科技工作者的最新研究成果盡快轉化為產品，只有這樣，全息技術才能走上“強科研、高產出、多轉化”的理想發展之路。

參考文獻：

[1]《全息技術：酷炫科技走進現實》，朱明楓，中國知識產權報

[2]百度百科

[3]《數字全息技術研究進展及應用》，羅鵬，呂曉旭，鐘麗云，激光雜志