《全息影像技术》

全息影像技术

全息摄影就是在摄影的同时将上述两类信息同时记录来实现的。采用激光

作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一

束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感

光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以

全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。与普通的摄

影技术相比，全息摄影技术记录了更多的信息，因此容量比普通照片信息

量大得多（百倍甚至千倍以上）。

全息影像的显示，则是通过光源照射在全息图上，这束光源的频率和传输

方向与参考光束完全一样，就可以再现物体的立体图像。观众从不同角度看，就可以看到物体的多个侧面，只不过看得见摸不到，因为记录的只是

影像。

目前最常用的光源是投影机，因为一来光源亮度相对稳定，二来，投影机

还具有放大影像的作用，作为全息展示非常实用。

技术原理

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；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位相和振幅转换成在

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，这是成象过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，

一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象（又称初始象）和共轭象。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。

全息原理是“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。这可叫做“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。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做共形对称群。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，这可叫新共形共形。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作出。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，就是在一个极限下作出的。在这类极限下，“点内空间”过渡到一个新的时空，或叫做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，长度不趋于零，每条由线旋耦合成环量子的弦可分到微单元10的-33次方厘米，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。

技术应用

全息学的原理适用于各种形式的波动，如X射线、微波、声波、电子波等。只要这些波动在形成干涉花样时具有足够的相干性即可。光学全息术可望在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监

视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感，研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程（如爆炸和燃烧）等各个方面获得广泛应用。

在生活中，也常常能看到全息摄影技术的运用。比如，在一些信用卡和纸币上，就有运用了俄国物理学家尤里·丹尼苏克在20世纪60年代发明的全彩全息图像技术制作出的聚酯软胶片上的“彩虹”全息图像。但这些全息图像更多只是作为一种复杂的印刷技术来实现防伪目的，它们的感光度低，色彩也不够逼真，远不到乱真的境界。研究人员还试着使用重铬酸盐胶作为感光乳剂，用来制作全息识别设备。在一些战斗机上配备有此种设备，它们可以使驾驶员将注意力集中在敌人身上。把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来，展出时可以真实地立体再现文物，供参观者欣赏，而原物妥善保存，防失窃，大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照。小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰，它可再现人们喜爱的动物，多彩的花朵与蝴蝶。迅猛发展的模压彩虹全息图，既可成为生动的卡通片、贺卡、立体邮票，也可以作为防伪标识出现在商标、证件卡、银行信用卡，甚至钞票上。装饰在书籍中的全息立体照片，以及礼品包装上闪耀的全息彩虹，使人们体会到21世纪印刷技术与包装技术的新飞跃。模压全息标识，由于它的三维层次感，并随观察角度而变化的彩虹效应，以及千变万化的防伪标记，再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合，把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌顶点。

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象，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测等。

除用光波产生全息图外，已发展到可用计算机产生全息图。全息图用途很广，可作成各种薄膜型光学元件，如各种透镜、光栅、滤波器等，可在空间重叠，十分紧凑、轻巧，适合于宇宙飞行使用。使用全息图贮存资料，具有容量大、易提取、抗污损等优点。

全息照相的方法从光学领域推广到其他领域。如微波全息、声全息等得到很大发展，成功地应用在工业医疗等方面。地震波、电子波、X射线等方面

的全息也正在深入研究中。全息图有极其广泛的应用。如用于研究火箭飞

行的冲击波、飞机机翼蜂窝结构的无损检验等。现在不仅有激光全息，而

且研究成功白光全息、彩虹全息，以及全景彩虹全息，使人们能看到景物

的各个侧面。全息三维立体显示正在向全息彩色立体电视和电影的方向发展。

全息技术不仅在实际生活中正得到广泛应用，而且在上世纪兴起并快速发

展的科幻文学中也有大量描写和应用，有兴趣的话可去看看。可见全息技术在未来的发展前景将是十分光明的。在超大屏幕的影院里，戴上特制的眼镜，以超大立体画面配合环绕立体声音效让观众本身融入影片中，带来

身临其境的真实感。那么，是不是看3D特效就必须戴眼镜呢？有没有不需要带眼镜就能看到的3D影像呢？全息影像技术就提供了这样一种解决方案。由于全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。因此，

一张全息摄影图片即使只剩下一小部分，依然可以重现全部景物。这对于

博物馆，图书馆等保存藏品图片等，非常方便。

另外，由于全息摄影技术能够记录物体本身的全部信息，存储容量足够大，因此，作为存储的载体，全息存储技术也可以应用于图书馆、学校等机构

的文档资料保存。

与传统的3D显示技术相比，全息影像技术无需戴专门的偏光眼镜，不仅给观众带来了方便，同时也降低了成本。而且立体显示方式能够将展品以多

视角的方式介绍给观众，更加直观。

同时全息摄影可应用于工业上进行无损探伤，超声全息，全息显微镜，全

息摄影存储器，全息电影和电视等许多方面。

技术开发

比利时鲁汶校际微电子研究中心（Imec）已开发出一套微电机像素系统（MEMS）平台，让全息影视更加接近现实。Imec建造的全息显示器，是用

激光照射在一种微电机系统（MEMS）平台上，该平台能上下运动，就像一

个小的反光镜活塞。每个像素都附着在一个像弹簧一样的机械装置上，通

断电能拉长或放松。安装MEMS之前，芯片是在硅晶片上生长一层氧化硅，有序地在氧化硅上蚀掉一些方块，生成一种像国际象棋棋盘似的花纹。蚀

掉的像素仅比附近氧化硅低约150纳米，然后在整个芯片最上面涂一层铝

反光层。当激光照在芯片上，就会在相邻像素的边界以一定角度反射回来。整个芯片上衍射的光互相干涉叠加或抵消，就形成了3D图像。

小反光镜平台每秒钟若干次地迅速上下运动，交换静止图像使像素动起来，就能将这些全息图以动态形式放映。 Imec视觉系统研究小组高级研究员理查德·斯塔尔解释说，为了产生衍射以形成全息图像，每个MEMS构件都必须小于照射在芯片上的激光的波长，因此构件要在0.5微米×0.5微米左右，由硅锗混合物制成，目前公司已经用这种材料制作了可倾斜的MEMS反光镜，

并希望能融合所需的数据处理逻辑，直接控制像素下面的MEMS构件，以让快速显示更容易。

技术历史

早在激光出现以前，1948年伽伯为了提高电子显微镜的分辨本领而提出了

全息的概念，并开始全息照相的研究工作。1960年以后出现了激光，为全

息照相提供了一个高亮度高度相干的光源，从此以后全息照相技术进入一

个崭新的阶段。相继出现了多种全息的方法，不断开辟全息应用的新领域。伽伯也因全息照相的研究获得1971年的诺贝尔物理学奖金。

无论是全息摄影，还是最早的银版照相术，它们的奥秘都在对光的记录。

所有的光都拥有三种属性，它们分别是光的明暗强弱、光的颜色以及光的

方向。早期的银版照相和黑白照片只能记录下光的明暗变化，而彩色照片

在此之外，还能通过记录光的波长变化，反应出它的颜色。全息摄影是惟

一能同时捕捉到光的三种属性的一种摄影术，通过激光技术，它能记录下

光射到物体上再折射出来的方向，逼真地再现物体在三维空间中的真实景象。

然而，一直到根特兄弟的作品问世之前，所谓的真实再现一直都不过是理

论上的。或许是因为好的全息图像罕见而且难于生成，或许因为全息摄影

的科学原理过于深奥，在全息摄影发明了半个世纪之后，它却仍然是一项

充满了神秘色彩的技术。

在一些媒体对伊夫·根特及其兄弟成就的报道中，有人将他们描述为“惟

一真正实现了全息摄影的再现自然功能的人”，还有人说，他们的作品就

像摩尔斯所说那样，是“大自然的一部分”。这些评论可能有些言过其辞，因为实际上，全世界也有许多其他人在从事着全息摄影的研究，国际全息

图像制造者联合会(International Hologram Manufacturers Association)就是一个聚集了全球全息摄影专家和爱好者的组织。但伊夫·根特毫无疑

问是这些专家中的翘楚，在2001年冬季，这个联合会将“本年度最佳全息摄影作品”和“最新全息摄影技术”这两项最有分量的大奖颁发给了伊夫。在随后的几年中，伊夫·根特就在自己简陋的实验室中自学相关的化学原理，并反复实践。菲力普的加入给了他很大帮助。后来，他们终于发明出

名为“终极”(Ultimate)的感光乳剂。同其他的感光乳剂一样，“终极”

的主要成分也是感光性极好的溴化银颗粒，但“终极”中的溴化银颗粒直

径只有10纳米，是普通胶片上感光颗粒的1/10到1/100。正是这些微小的颗粒使“终极”能记录下细至纤毫的每一个细节，并在同一个感光层上同

时记录下红、绿、蓝三色。

伊夫找到了被他称为“30年来所有人都在寻找的感光乳剂”，但他却还有

很长的路要走。他做出了复制肖维岩洞壁画的整个方案，却因为找不到政

府的权威人士而求告无门。他还建议为巴黎的迪斯尼乐园建立一个来访名

人的全息摄影肖像馆，谈判却一拖再拖。所有见过他作品的人，都承认那是完美的全息图像，但法国的投资者过于谨慎，他们不仅要下金蛋的鹅，还要一群这样的鹅能够工业化、大规模下出金蛋，才肯从自己的口袋里掏钱。为了寻求投资人，根特兄弟及其父亲甚至想过要移民到魁北克。

最早的全息摄影作品转机出现在一位美国合伙人的加入之后。他所拥有的机器能将“终极”母版上的全息图像复制到杜邦公司制造的某种聚合体材料上。尽管这些图像还达不到“终极”胶片上的图像水准，但却远比从前的聚合体材料上的全息图像好多了。伴随着这种杜邦材料上的全息图像的大规模生产，使用“终极”胶片的工业化生产也是指日可待。[1]

全息摄影

全息摄影是指一种记录被摄物体反射波的振幅和位相等全部信息的新型摄影技术。普通摄影是记录物体面上的光强分布，它不能记录物体反射光的位相信息，因而失去了立体感。全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹，但如果用激光去照射它，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。一张全息摄影图片即使只剩下一小部分，依然可以重现全部景物。全息摄影可应用于工业上进行无损探伤，超声全息，全息显微镜，全息摄影存储器,全息电影和电视等许多方面。

全息摄影的拍摄要求?

为了拍出一张满意的全息照片，拍摄系统必须具备以下要求：?

（1）光源必须是相干光源?

通过前面分析知道，全息照相是根据光的干涉原理，所以要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现，为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性，实验中采用He-Ne激光器，用其拍摄较小的漫散物体，可获得良好的全息图。

（2）全息照相系统要具有稳定性?

由于全息底片上记录的是干涉条纹，而且是又细又密的干涉条纹，所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，甚至使干涉条纹无法记录。比如，拍摄过程中若底片位移一个微米，则条纹就分辨不清，为此，要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上。另外，气流通过光路，声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此，在曝光时应该禁止大声喧哗，不能随意

走动，保证整个实验室绝对安静。我们的经验是，各组都调好光路后，同

学们离开实验台，稳定一分钟后，再在同一时间内爆光，得到较好的效果。? （3）物光与参考光应满足?

物光和参考光的光程差应尽量小，两束光的光程相等最好，最多不能超过

2cm，调光路时用细绳量好；两速光之间的夹角要在30°～60°之间，最好

在45°左右，因为夹角小，干涉条纹就稀，这样对系统的稳定性和感光材

料分辨率的要求较低；两束光的光强比要适当，一般要求在1∶1～1∶10

之间都可以，光强比用硅光电池测出。

（4）使用高分辨率的全息底片?

因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹，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银化物的颗粒较粗，每毫米只能记

录50～100个条纹，天津感光胶片厂生产的I型全息干板，其分辨率可达

每毫米3000条，能满足全息照相的要求。

（5）全息照片的冲洗过程?

冲洗过程也是很关键的。我们按照配方要求配药，配出显影液、停影液、

定影液和漂白液。上述几种药方都要求用蒸馏水配制，但实验证明，用纯

净的自来水配制，也获得成功。冲洗过程要在暗室进行，药液千万不能见光，保持在室温20℃左右进行冲洗，配制一次药液保管得当，可使用一个

月左右。

全息影像展示装置

通寰互动的全息影像展示柜利用干涉衍射原理，投射出悬浮空中极具纵深

感的三维立体光影。效果可以进行全角度观看，使展示效果更富科技感和

未来感；

适用场合：博物馆、专卖店、展会、规划展示等；

系统构成：柜体结构、高清显示器、RF成像膜、光学分光镜、配景灯光、

多媒体计算机