送给光学人的双十二干货：光学全息原理和技术应用

2. 1962年利Leith和Upatnieks提出了离轴全息术，复制出原始的物光。实现了激光记录激光再现。（第二代）

3.激光记录白光再现，如反射全息、像全息、彩虹全息及模压全息等，能够在白昼环境下或一般白光照明下观察到三维图像。（第三代）

4、白光记录、白光再现——第四代

计算全息：用计算机计算波前及其干涉图，绘制输出到胶片上或显示器件上。计算全息可实现对虚构物体的再现。此外还有微波全息、声全息等。

数字全息：用面阵光电检测器件（如CCD）记录物光波与参考光波的干涉，用数字方法再现。

波前记录与再现

1.波前记录

盖伯避免相位信息丢失的技巧是干涉方法。当两束光相干时，其干涉场分布（包括干涉条纹的形状、疏密及明暗分布）与这两束光的波面特性（振幅及相位）密切相关。

两束平面波相干，干涉场的强度面是明暗相同的平面族；两束球面波相干，干涉场为一组旋转双曲面；平面波和同轴的球面波相干，干涉场是旋转的抛物面。平面波与复杂波面相干，得到复杂的干涉场分布；等等。但无论是简单的还是复杂的分布，一种分布只对应着唯一的相干方式，若两束光的波面形状有微小有变化，或者两者的相对位置有微小改变，都会引起干涉场分布的变化。因而干涉场的分布与波面相位可以说是一一对应的。由此可以推知，利用干涉场的条纹可以“冻结”住相位信息。

基于前面的分析，利用感觉材料来记录干涉场的条纹，可以得到“冻结”物光相位信息的目的。具体方法是物光到达感光板的同时，用另一束已知振幅及相位并能与物光相干的光波同时照射感光板。曝光后感光板上记录到的是两者相干涉的条纹。由前面讲述的一一对应关系可知，物光的振幅和相位信息便以干涉条纹的形状、疏密、和强度的形式“冻结”在感光的全息干板上。这就是波前记录的过程。

物光Ｏ 参考光Ｒ 再现光C

• 全息干板上相干光的复振幅等于物光复振幅加参考光复振幅

• 全息干板上相干光的光强度等于物光复振幅加参考光复振幅之和的平方

• 经线性冲洗（显影 定影）全息干板有一定透过率分布

• 再现光照射全息干扳 出射光中有原物光波前成分。

2.波前在现

波前再现是使记录时被“冻结”在全息干板上的物波前在特定条件下“复活”，构成与原物波前完全相同的新的波前继续传播，形成三维立体像的过程。波前再现需要借助于照明光，而该照明光必须满足一定的条件才能再现原物的波前。

全息三维显示

1）全息三维显示技术的基本原理

人是通过接收自然界反射/辐射的光波来对物体进行观察的，这些光波携带的信息包括振幅相位。其中，振幅信息反映了物体的表面特性（比如颜色、材质和光照效果等），而相位信息则反映物体的空间位置特性。目前，市场上的图像记录和显示设备只能记录和显示物体的振幅信息，没有保存表示物体立体结构特征的相位信息。

而全息技术利用干涉原理，将光波的振幅和相位信息记录下来，使物光波的全部信息都存储在记录介质中。当用光波照射记录介质时，根据衍射原理，就能重现出原始物光波，从而实现十分逼真的三维图像。基于全息技术的三维显示被认为是目前最理想的三维显示方式。

2）全息三维显示技术的发展现状

20世纪发明的全息术是一种基于物理光学原理，以完整记录和重建三维物体光波为基础的三维显示技术。由于全息的再现光波保留了原有物体光波的全部信息（振幅信息和相位信息），故全息再现影像与原始物体有着完全相同的三维特性，能够提供人眼视觉系统所需的全部深度感知信息。人们在观看全息再现影像时，会得到与观看原物时完全相同的视觉效果。因此，全息术被国际上广泛认为是最有发展前景的真三维显示技术。

如图1所示，传统的全息术基于光学记录材料，主要用来显示静态图像和具有简单动作的动态图像，该全息图是1999年美国Zebra Image公司所研制的真彩色合成全息图，面积达1.8×1.2米，视场角超过100度，景深达1.8米。但是由于三维显示的媒介是一张张的全息图，且其制作受到光学记录材料、制造工艺、成本、实验环境要求等方面的限制，因此这种技术并不适于视觉信息的传输和共享。目前，传统的全息图主要用于艺术创作、室内装饰、博物馆展示、信用卡、票据和商品防伪等。如图2所示，近年来，美军开始用其制作三维军用地图。

图1 汽车模型全息三维图

图2 城市地图全息三维图

计算全息三维显示技术是近年来全息术与光电技术及计算机高速计算技术相结合发展起来的一种最具潜力的真三维显示技术。最早成功实现计算全息三维图像视频显示的是美国麻省理工学院媒体实验室Benton领导的空间光学成像试验小组。他们自1989年以来先后开发了以扫描声光调制器为核心的三代全息投影显示系统。其中第二代系统可以显示成像空间为150mm×75mm×150mm和视场角为30度的三维图像。但是由于声光调制器是一个一维装置，必须通过扫描镜来获取水平和垂直的图像，因此该系统在使用时受到了限制。

英国QinetiQ公司和剑桥大学高级光子和电子技术中心于2004年利用电寻址的液晶空间光调制器和光寻址的双稳态液晶空间光调制器研制了一套视频显示的计算全息三维投影显示系统，其像素数超过100M，且帧速刷新频率为30Hz，通过视频方式可显示宽度大于300mm的全视差三维彩色图像。该系统采用了4×4的光寻址液晶空间光调制器拼接和400个CPU并行运算，系统复杂且造价昂贵。

如图3所示，2010年，美国亚利桑那大学光学科学学院的Nasser Peyghambarian博士领导的小组研制了一种基于新型全息记录材料的全息显示技术，可以以2 秒每帧的刷新率显示窗口大小为250mm×250mm的三维图像。该技术一经发表，就引起了轰动。媒体认为其有望让电影《星球大战》中的场景出现在真实现实生活中Nasser Peyghambarian博士表示：这项技术的进展使得我们离制造出远程、具有临场感的全息三维显示装置这一终极目标又近了一步。该装置最终能够将高分辨率、全彩色、图像尺寸与人类大小相仿的三维影像以视频形式从世界的某个地方传送到另一个地方。

图3 基于新型全息记录材料的全息三维显示技术

综上，传统全息技术是利用空间物理光学进行再现图像的，它使用银盐、明胶等化学介质和

感光材料来记录全息图。随着计算机技术和数字传感技术的发展，图像分辨率逐步提高，特别是电耦合器件等数字光敏元件的出现，全息技术从需要化学介质感光材料记录及化学处理发展到数字记录及数字再现，形成了一门全新的全息技术——数字全息技术。

采用数字全息可实现动态三维显示，但目前尚不能得到高分辨率的空间光调制器。为此，一种基于可擦写材料的全息三维显示技术应运而生。该技术的关键是采用了基于光生电荷运动和诱捕的光致折变聚合物材料，这种材料具有可逆特性。利用两束相干激光和外部施加电场在聚合物中形成复制干涉图案的空间电荷场，空间电荷效应对局部折射率进行改变，使得全息图以折射率图案的形式编码。

研究人员已研究出基于可擦写材料的全息三维显示系统，但存在全息图对震动敏感以及还没有完全达到实时更新等问题。研究人员力求研制出更快速记录和低延迟时间的光折变聚合物，从而实现真正的动态全息三维显示。

此外，国内的西北工业大学、北京理工大学、清华大学、上海交通大学、东南大学、北京邮电大学、上海大学、中山大学、安徽大学及浙江大学等高校也对计算全息三维显示进行了研究，并在全息图计算算法、三维显示系统等方面取得了卓有成效的进展。

全息存储

目前现有得DVD单片容量为8.5GB，而下一代DVD存储容量能够达到50GB，被《福布斯》杂志评为未来10大“最酷”技术之一的全息存储技术理论上可以达到1000GB以上的数据，目前的全息存储产品已经达到了300GB的容量，是所谓的下一代DVD存储容量的6倍。全息存储技术的研发已经持续了40多年，一直没有真正的实现，最近日本、美国的几家公司相继宣布，将在2006年推出可以商业化销售的全息存储产品。其中，美国的印菲斯技术公司，以传统的“双光束干涉法”为基础研制出全息存储器，其信号光束和参照光束分别来自不同的方向，照射在同一位置上。日本日立万胜公司宣布，采用这种技术研制出了容量为300GB的全息存储器，今年9月将推向市场。另外日本Optoware公司采用同线全息技术，其信号光束和参照光束来自相同的方向，他们研发出了容量为200GB的全息存储器，将于今年年中投放市场。

全息存储是依据全息术的原理，将信息以全息照相的方式存储起来，它利用两个光波之间的耦合和解耦合，可以把信息存储和信息之间的比较(相关)、 识别， 甚至联想的功能结合起来，也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。最大优点是超高密度，具有极大的提升潜力

全息存储是受全息照相的启发而研制的，当你明白全息照相的技术原理，对于全息存储就可以更好地理解。我们在拍摄全息照片时，对应的拍摄设备并不是普通照相机，而是一台激光器。该激光器产生的激光束被分光镜一分为二，其中一束被命名为“物光束”，直接照射到被拍摄的物体，另一束则被称为“参考光束”，直接照射到感光胶片上。当物光束照射到所摄物体之后，形成的反射光束同样会照射到胶片上，此时物体的完整信息就能被胶片记录下来，全息照相的摄制过程就这样完成了。乍看过去，全息照片上只有一些乱七八糟的条纹，但当我们使用一束激光去照射这张照片时，真实的原始立体图像就会栩栩如生地展现出来。

全息存储技术同样需要激光束的帮忙，研发人员要为它配备一套高效率的全息照相系统。首先利用一束激光照射晶体内部不透明的小方格，记录成为原始图案后，再使用一束激光聚焦形成信号源，另外还需要一束参考激光作为校准。当信号源光束和参考光束在晶体中相遇后，晶体中就会展现出多折射角度的图案，这样在晶体中就形成了光栅。一个光栅可以储存一批数据，称为一页。我们把使用全息存储技术制成的存储器称为全息存储器，全息存储器在存储和读取数据时都是以页为单位。

全息相关器

基于光学相关的图像识别技术利用光学透镜的傅立叶变换性质、计算全息滤波器和频域滤波技术实现光学图像的相关运算处理。

当用物光中的某幅图像(或其部分)照射公共体积内由角度复用存储的多重全息图，会读出一系列不同方向的“参考光”，各光的强度大小代表对应存储图像与输入图像之间的相似程度。

天然的空间并行性

宽空间带宽积

度极快

信息容量大

不受电磁干扰

图4 体全息相关器原理图

图5 体全息存储、相关一体系统的原理图

上图中数据信息被空间光调制器（此处为所示为透射式SLM，可以使用反射式LCoS空间光调制器）对信息进行编码，由相干光源发出的光通过分束镜分为物光波和参考光，物光波通过透过SLM之后携带了数据信息与参考光通过干涉记录的方法把信息存储进存储介质中，通过参考光衍射在现出记录信息被数据探测器探测并解码输出数据。

光电互动:关于全息技术您有什么认识？返回搜狐，查看更多