全息術(shù)，（holography）是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體光波波前的一種技術(shù)。其第一步是利用干涉原理記錄物體光波信息，此即拍攝過程：被攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束（圖a）；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(chǎn)生干涉，把物體光波上各點(diǎn)的位相和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強(qiáng)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。

別名

全息照相術(shù)、全息攝影術(shù)

特點(diǎn)

記錄光波振幅等再現(xiàn)物體三維圖像

時間

1947年

適用對象

光波、電子波、聲波、X射線等

簡介

全息術(shù)

在全息術(shù)中記錄著干涉條紋的底片經(jīng)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(xiàn)物體光波信息，這是成象過程：全息圖猶如一個復(fù)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(xiàn)的圖像立體感強(qiáng)，具有真實(shí)的視覺效應(yīng)。全息圖的每一部分都記錄了物體上各點(diǎn)的光信息，故原則上它的每一部分都能再現(xiàn)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。

全息照片可分為振幅型（又叫吸收型）和位相型兩大類，它們按照與被記錄時的曝光量相對應(yīng)的方式分別改變照明光波的振幅或位相。如果根據(jù)干涉條紋的間距和感光膜層厚度的相對大小來劃分，則有薄型（二維型或平面型）和厚型（三維型或體積型）兩類全息照片。在厚型全息照片中，按拍攝時物光束與參考光束是否在感光膜的同側(cè)入射，分為透射型全息照片和反射型全息照片。如按記錄全息圖時光路布局的不同分類，有同軸型全息圖和離軸型全息圖。

發(fā)展介紹

全息術(shù)

全息術(shù)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(xué)全息術(shù)可望在立體電影、電視、展覽、顯微術(shù)、干涉度量學(xué)、投影光刻、軍事偵察監(jiān)視、水下探測、金屬內(nèi)部探測、保存珍貴的歷史文物、藝術(shù)品、信息存儲、遙感，研究和記錄物理狀態(tài)變化極快的瞬時現(xiàn)象、瞬時過程（如爆炸和燃燒）等各個方面獲得廣泛應(yīng)用。

又稱全息照相術(shù)。記錄波動干擾的振幅和位相分布以及隨后使之重現(xiàn)的技術(shù)。廣泛地用作三維光學(xué)的成像，也可用于聲波（見聲全息）和射頻波?！叭ⅰ笔怯上ＥD字"holos"變來的，意即完全的信息──不僅包括光的振幅信息還包括位相信息。

發(fā)展簡史1947年D.伽柏從事提高電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的工作。受W.L.布喇格在X射線金屬學(xué)方面工作及F.澤爾尼克的關(guān)于引入相干背景來顯示位相的工作的啟發(fā)，伽柏提出了全息術(shù)的設(shè)想以提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)。1948年他利用水銀燈首次獲得了全息圖及其再現(xiàn)象，從而創(chuàng)立了全息術(shù)，為此他在1971年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

50年代G.L.羅杰斯等人的工作大大擴(kuò)充了波陣面再現(xiàn)理論。但是由于“孿生像”問題和光源相干性的限制，1955年以后全息術(shù)進(jìn)入低潮階段。激光的出現(xiàn)，為全息術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊的前景，1961～1962年，E.N.利思等人對伽柏全息圖進(jìn)行了改進(jìn)，引入“斜參考光束法”一舉解決了“孿生像”問題，用氦氖激光器成功地拍攝了第一張實(shí)用的激光全息圖。這樣就使得全息術(shù)在1963年以后成為光學(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一。1964年利思等人又提出了漫射全息圖的概念，并得到三維物體的再現(xiàn)。與此同時，蘇聯(lián)的物理學(xué)家根據(jù)李普曼彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息圖的概念。1965年以來全息術(shù)的一個重要分支──脈沖全息術(shù)得到了發(fā)展，這使得動態(tài)全息干涉計量獲得了實(shí)際應(yīng)用。

基本原理

全息術(shù)

1948年伽柏提出了一種全新的兩步無透鏡成像法──全息術(shù)，也稱為波陣面再現(xiàn)術(shù)。整個過程由兩步──波陣面記錄和波陣面再現(xiàn)──來完成。

波陣面記錄這個過程中，引入適當(dāng)?shù)南喔蓞⒖疾?，使它與由物體衍射（或散射）的光（物光）相干涉，把這干涉場記錄下來，即可得到一張全息圖。全息圖是與物體毫不相似的干涉圖，它上面不僅記錄了物光的振幅信息而且也把在普通照相過程丟失的位相信息記錄下來。記錄如圖1a所示。設(shè)在記錄媒質(zhì)如干板處物光和參考光波陣面的復(fù)振幅表達(dá)式分別由波的疊加原理知，照相干板記錄下的總的光強(qiáng)分布是：

把照相干板(或其他記錄媒質(zhì))放在(x，y)面內(nèi)曝光，經(jīng)過顯影、定影后，就會把I(x,y)以復(fù)振幅透過率τ(x,y)的形式記錄下來。在一定的條件下τ(x,y)∝I(x，y)，式中τo(x,y)只和參考光的光強(qiáng)有關(guān)；第二項(xiàng)與物光的光強(qiáng)（或振幅）有關(guān)；第三項(xiàng)由參考光和物光的位相來決定。這樣全息圖的復(fù)振幅透過率τ(x，y)就是對物光振幅和位相的完全記錄。

波陣面再現(xiàn)波陣面記錄的結(jié)果是得到一張記有物光振幅和位相信息的全息圖。波陣面再現(xiàn)過程是利用適當(dāng)?shù)南喔稍佻F(xiàn)光B(x，y)照射全息圖而得到物的實(shí)像或虛像。用相干再現(xiàn)光B(x，y)照射全息圖，則透過全息圖的光μ(x，y)，

通常再現(xiàn)光B(x，y)選為A(x，y)或A*(x，y)，當(dāng)B(x，y)=A(x，y)時，如果經(jīng)適當(dāng)選擇使|A(x，y)|2在各處有均勻的分布，則μ4就代表物光O(x，y)的再現(xiàn)，即得到物的三維虛像。當(dāng)B(x，y)=A*(x，y)時，同樣適當(dāng)選擇A(x,y)使|A(x,y)|2在各處有均勻分布時，則μ3（x,y）就代表物光的共軛光，得到物的三維實(shí)像。而在這兩種情況中的其他各項(xiàng)以均勻背景或畸變像出現(xiàn)。在技術(shù)上可以想辦法把它們消除或減少它們的影響。

分類介紹

全息術(shù)

全息術(shù)按全息圖的分類種類繁多，有許多不同的分類方法。比如根據(jù)記錄媒質(zhì)的厚度與條紋間距之比，可以分為薄全息圖和厚全息圖；根據(jù)復(fù)振幅透過率的調(diào)制變量的不同可以分為振幅型全息圖和位相型全息圖；根據(jù)記錄時物光和參考光的方位情況，可以分為同軸全息圖和離軸全息圖；根據(jù)記錄時物光和參考光在干板的同側(cè)還是兩側(cè)，可分為透射全息圖和反射全息圖；還可以根據(jù)記錄的物體與干板的距離，分為菲涅耳型和夫瑯和費(fèi)型全息圖；根據(jù)制作時所有光源的性質(zhì)，又可分為連續(xù)波激光全息圖和脈沖激光全息圖等等，下面簡要介紹一下各類全息圖：

同軸全息圖和離軸全息圖

1948年，伽柏利用透明體的透射光為參考光，散射光為物光，記錄了第一張全息圖──同軸全息圖。由于這種全息圖再現(xiàn)時有孿生像問題，利思等人引入斜參考光束，就得到了離軸全息圖，克服了孿生像問題。

薄全息圖和厚全息圖

當(dāng)全息圖所記錄下來的干涉條紋間距大于記錄媒質(zhì)厚度時，它可以看作是二維光柵結(jié)構(gòu)，稱之為薄全息圖或平面全息圖。否則，全息圖可以看作三維光柵結(jié)構(gòu)，稱之為厚全息圖或體全息圖。實(shí)際上，一張全息圖通常包含著不同間隔的條紋結(jié)構(gòu)，所以它可能同時表現(xiàn)出薄結(jié)構(gòu)和厚結(jié)構(gòu)兩種特性來。例如，對于柯達(dá)649F干板（厚度≈16微米、n≈1.5）來說，只有在物光、參考光夾角小于10度時，所制作的全息圖才是薄全息圖。

透射全息圖與反射全息圖

全息術(shù)

對于最通常的全息圖來講，物體的像都是由通過全息圖的衍射透過光所形成的，這一類全息圖稱為透射全息圖，它是由處于記錄媒質(zhì)同側(cè)的物光和參考光所形成的。如果記錄媒質(zhì)是浮雕型的，在透射全息圖的浮雕表面上鍍一層反射膜就能形成一張反射全息圖。對于非浮雕型的厚記錄媒質(zhì)，利用分別處于介質(zhì)兩側(cè)的物光和參考光，就能得到更復(fù)雜的反射全息圖，通常所說的反射全息圖多指這后一種。圖4給出幾種點(diǎn)源全息圖的記錄位置。當(dāng)物光與參考光夾角接近180°(圖中的位置)時，厚反射全息圖的波長選擇性最好，因此可以用白光再現(xiàn)。實(shí)際上由于乳膠收縮（如鹵化銀干板）或膨脹（如銨板）再現(xiàn)時像的顏色向短波或長波方向偏移。

振幅型全息圖和位相型全息圖

根據(jù)全息圖的形成機(jī)理可以知道，它是以某種方式把物光和參考光干涉所形成的駐波場在全息圖面上的光強(qiáng)分布I(x，y),轉(zhuǎn)化為全息干板（或其他記錄媒質(zhì)）的復(fù)振幅透過率τ(x，y)。一般τ(x，y)可以用下式表示：(1)對于銀鹽照相干板一類的記錄媒質(zhì)，處理后可使嗞(x,y)為常數(shù)，可令為0。則(2)具有式(2)這種由吸收大小決定振幅透過率分布的全息圖，叫作振幅型全息圖。對于漂白銀鹽干板、重鉻酸明膠板、摻鐵鈮酸鋰等媒質(zhì)來講，τ(x，y)≈1，則復(fù)振幅透過率為(3)這一類全息圖上只有位相嗞(x，y)受I(x，y)的調(diào)制，叫作位相型全息圖。位相型全息圖具有均勻的透過率，但由于厚度不同或折射率變化而引起入射光的位相變化。它的特點(diǎn)是衍射效率高。表1給出了各種全息圖的理論最大衍射效率η。

菲涅耳型和夫瑯和費(fèi)型全息圖

當(dāng)二維物體距全息圖面為有限值時形成菲涅耳全息圖，再現(xiàn)時，衍射波復(fù)振幅為物波復(fù)振幅的菲涅耳變換。若物體為三維分布時，則再現(xiàn)得到三維物體的像，像全息圖可以看作是菲涅耳全息圖的一種，它是由物體的像所形成的全息圖。在物體的大小比起它距全息圖面的距離小很多時，就得到夫瑯和費(fèi)全息圖。再現(xiàn)時衍射波復(fù)振幅為物波復(fù)振幅的傅里葉變換。在這種條件下形成的全息圖叫作夫瑯和費(fèi)全息圖。傅里葉全息圖是夫瑯和費(fèi)全息圖的一種，它是利用透鏡把二維物體成像于無限遠(yuǎn)處（把物放于透鏡的焦平面上），并使用相干的平面波作參考波，這相當(dāng)于無限遠(yuǎn)的像與參考波干涉，就得到了傅里葉全息圖。此外還有無透鏡傅里葉全息圖。

計算全息圖

全息術(shù)

一般全息圖都是用光學(xué)方法制作的。但由于記錄媒質(zhì)的非線性而造成像的失真以及制造過程對技術(shù)條件的苛刻要求，使得光學(xué)全息圖的質(zhì)量和制作重復(fù)性存在不少問題。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始利用計算機(jī)制作一個設(shè)想中的物體(無論多么復(fù)雜，在原則上都可以)的全息圖──計算全息圖。

它的優(yōu)點(diǎn)很多，如計算機(jī)可與灰階繪圖儀一起使用，特別是在計算全息中常常使用黑白全息圖或稱為二進(jìn)位全息圖，可使記錄媒質(zhì)的非線性影響降低到相當(dāng)小程度；另外由于計算機(jī)和繪圖儀的可靠性，使得計算全息圖的重復(fù)質(zhì)量得到了保證；此外對于光學(xué)上難以得到的復(fù)雜物體，利用計算機(jī)可根據(jù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式作出全息圖并得到再現(xiàn)像，從而可以把計算機(jī)當(dāng)作廣義的光學(xué)元件來使用。因此計算全息一出現(xiàn)就受到普遍重視，在諸如光學(xué)空間濾波、檢驗(yàn)光學(xué)表面、三維計算機(jī)顯示等方面都獲得越來越多的應(yīng)用。

計算全息圖的制作主要包括兩個步驟：第一步是計算，利用設(shè)想物的數(shù)學(xué)模型計算出該物波與相干的參考波在全息圖面上疊加后的光強(qiáng)分布。這一步也可以不用參考波，不用參考波計算出來的是物波的分布。第二步是繪圖，把計算機(jī)算出的全息圖的復(fù)振幅透過率分布用繪圖儀繪出，經(jīng)光學(xué)微縮或直接由電子計算機(jī)控制電子束繪圖機(jī)進(jìn)行繪制，就得到計算全息圖。

彩虹全息

全息術(shù)

彩虹全息術(shù)最初是由S.A.本頓提出的。它是用激光記錄全息圖，用白光透射再現(xiàn)。根據(jù)人眼是水平排列的特點(diǎn)，成像只有在水平方向有視差效應(yīng)。彩虹全息保留了水平方向的物體信息，犧牲垂直方向的物體信息，從而可以降低對照明光源的時間相干性的要求。它將不同波長的光沿著垂直方向色散開來，在不同的高度可以看到不同顏色的假彩色立體再現(xiàn)像。

彩虹全息的衍射光有會聚性能，再現(xiàn)像的亮度較高。采用白光照明光源，可以避免相干散斑紋效應(yīng)引起的噪聲影響。彩虹全息圖是在物體實(shí)像附近記錄的。根據(jù)產(chǎn)生實(shí)像的方法不同可分為一步法彩虹全息術(shù)和二步法彩虹全息術(shù)。二步法彩虹全息術(shù)的實(shí)像是由作為母片的一般全息圖產(chǎn)生的。

一步法彩虹全息術(shù)的實(shí)像是由成像透鏡產(chǎn)生的法彩虹全息術(shù)的記錄光路圖。物體通過狹縫經(jīng)透鏡成像。參考光在狹縫的上方（或下方）斜射到干板上。再現(xiàn)時，白光點(diǎn)光源位于記錄時參考光源的位置。白光被色散從而將狹縫像成在不同的垂直位置。眼睛在不同高度就看到不同顏色的像。眼睛在水平觀察范圍內(nèi)移動，可以看到再現(xiàn)像的立體效果。

應(yīng)用介紹

伽柏發(fā)明全息術(shù)不久，就指出它的三個方面的應(yīng)用前景即全息干涉量度術(shù)、全息光學(xué)元件和全息信息存儲。隨著激光器的問世，這三方面都獲得了不同程度的實(shí)用化。后來又?jǐn)U展到全息立體顯示、全息變換、特征識別等方面。全息術(shù)在科技、文化、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、藝術(shù)、商業(yè)等領(lǐng)域都獲得了一定程度的應(yīng)用。但是由于種種技術(shù)原因，最有效的應(yīng)用仍是全息干涉量度術(shù)和全息光學(xué)元件。