全息成像技术

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1、全息成像技术一、引言 全息成像技术一门正在蓬勃发展的光学分支，主要运用了光学原理，是一种不用透镜，而用相干光干涉得到物体全部信息的二部成像技术。如果说全息技术在照相方面的应用与普通照相技术的最大区别，那就是全息技术能够利用激光的相干性原理，将物体对光的振幅和相位反射（或透射）同时记录在感光板上，也就是把物体反射光的所有信息全部记录下来，并能够再现出立体的三维图像。也就是全息技术所记录不是图像，二是光波。全息技术近年来已渗透到社会生活的各个领域并被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中，特别是在现代测试、生物工程、医学、艺术、商业、保安及现代存储技术等方面已显示出特殊的优势。随着全息技术的快速发展

2、，全息技术的产品正越来越多地走向市场、应用于现代生活中。 二、全息成像技术的发展史 1947 年，英国人丹尼斯盖博(Dennis Gabor)在研究电子显微镜的过程中，提出了全息摄影术(Holography)这样一种全新的成像概念，并获得了诺贝尔奖。全息术的成像利用了光的干涉原理，以条纹形式记录物体发射的特定光波，并在特殊条件下使其重现，形成逼真的三维图像，这幅图像记录了物体的振幅、相位、亮度、外形分布等信息，所以称之为全息术，意为包含了全部信息。但在当时的条件下，全息图像的成像质量很差，只是采用水银灯记录全息信息，但由于水银灯的性能太差，无法分离同轴全息衍射波，因此大量的科学家花费了十年的时

3、间却没有使这一技术有很大进展。1962 年，美国人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息术的基础上，将通信行业中“侧视雷达”理论应用在全息术上，发明了离轴全息技术，带动全息技术进入了全新的发展阶段。这一技术采用离轴光记录全息图像，然后利用离轴再现光得到三个空间相互分离的衍射分量，可以清晰的观察到所需的图像，有效克服了全息图成像质量差的问题。1969 年，本顿发明了彩虹全息术，能在白炽灯光下观察到明亮的立体成像。其基本特征是，在适当的位置加入一个一定宽度的狭缝，限制再现光波以降低像的色模糊，根据人眼水平排列的特性，牺牲垂直方向物体信息，保留水平方向物体信息，从而降低对光源的要求。彩虹全息术的发明，带动全息

4、术进入了第三个发展阶段。传统全息技术采用卤化银等材料制成感光胶片，完成全息图像信。20 世纪60 年代末期，古德曼和劳伦斯等人提出了新的全息概念数字全息技术，开创了精确全息技术的时代。到了 90 年代，随着高分辨率 CCD 的出现，人们开始用 CCD 等光敏电子元件代替传统的感光胶片或新型光敏等介质记录全息图，并用数字方式通过电脑模拟光学衍射来呈现影像，使得全息图的记录和再现真正实现了数字化。数字全息技术的成像原理是，首先通过 CCD 等器件接收参考光和物光的干涉条纹场，由图像采集卡将其传入电脑记录数字全息图；然后利用菲涅尔衍射原理在电脑中模拟光学衍射过程，实现全息图的数字再现；最后利用数字图

5、像基本原理再现的全息图进行进一步处理，去除数字干扰，得到清晰的全息图像。数字全息技术是计算机技术、全息技术和电子成像技术结合的产物。它通过电子元件记录全息图，省略了图像的后期化学处理，节省了大量时间，实现了对图像的实时处理。同时，其可以进行通过电脑对数字图像进行定量分析，通过计算得到图像的强度和相位分布，并且模拟多个全息图的叠加等操作。 三、全息成像的基本原理 记录全息图样的基本建立模式 全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。其第一步是波前记录，就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

6、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，它的衍射波含有三种主要成分，即物光波(+1 级衍射波)，物光波的共轭波(-1 级衍射波)，照明光波的照直前进(零级衍射波)。 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

7、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。 重现或重建全息图样的基本建立模式 四、全息成像技术的优势 利用全息照片来重现十分逼真的物体的三维图像。这个领域是商业价值较高的领域，尤其是白光再现全息术，它是走出实验室的最实用的全息术。全息摄影与普通摄影的区别主要有： 类别 全息摄影 普通摄影 记录方式 物束光与参考光束 光学镜头成像（物束光）记录内容 物体散射光的强度及相位信息 物体本身或反射光的强度 成像介质 记录后称全息片（全灰色调） 感光胶片影像观察方式 一般借助激光还原观看 眼睛直

8、接观看 色彩表现 色彩干涉条纹图像 彩色物体图影像特点 3D 空间立体感的景物 平面物体图像 只有散射光线而没有实物与普通摄影相比，全息成像具有如下优点：再造出来的立体影像有利于保存珍贵的艺术品资料进行收藏。拍摄时每一点都记录在全息片的任何一点上，一旦照片损坏也关系不大。全息照片的景物立体感强，形象逼真，借助激光器可以在各种展览会上进行展示，会得到非常好的效果。 对比一下全息投影与 3D 技术，可以发现：全息投影是记录了物体所有图像信息来重塑整个物体，使人能够 360无死角地观看而产生立体感；3D 技术则是通过记录物体部分图像信息，再通过模拟“双目效应” ，使人产生立体感。打个比方，全息投影犹

9、如再造机，它记录下物体所有图像信息后，便在造出一模一样的个体；3D 技术犹如复印机，它记录下物体某一面的图像信息，重新复印一次。由此可知，全息投影技术的技术含量远高于 3D 立体投影技术。 不仅从技术含量上全息投影更为先进，在投影质量上，全息投影同样是更胜一筹。 我们知道，3D 不论立体感再如何强，它始终需要巨大的银幕作为背投，这便给观众一种非真实感，即感觉上始终是二维平面上的特技处理。其次，3D 只记录了物体部分的图像信息，因此画面并不完整，它只有 120左右的观看视角。比如，画面中有人物正对观众，如果观众想看看人物后背，他是不可能走到银幕背后去看人物的后背的，因为那里的图像信息并没有被 3

10、D 记录下来，它丢失了。而全息投影则不同，它根本就不需要银幕，因为整个画面是投影在空中的，这边不会产生 3D 的非真实感，其次，全息投影记录了物体所有图像信息，它的观赏视角是 360无死角的，这就意味着，我们在 3D 中是不能走到画面背后去看人物后背，但在全息投影中，不仅仅是后背，人物的侧面、顶部、下部，一切视角的图像我们都可以看到，如同一个真实的人站在那里有我们观察，因为全息投影记录了物体的所有图像信息，它不存在丢失的情况。 五、全息成像的应用 全息成像在民品开发主要集中在全息显示领域，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，而使原物妥善保存，防止失

11、窃。大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可再现人物肖像、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植物，如多彩的花朵与蝴蝶等。用于全息显示的全息图主要有菲涅耳全息图、像全息图、反射全息图、彩虹全息图、合成全息图等。这些图片可用于投影、室内装潢、舞台布景、建筑等，层面 X 射线照相术、3DCAD 技术、3D 动画片、3D 电影电视等充分展示了全息术的创造性魅力和艺术美。 全息显微术是全息成像的原理与显微技术相结合。与一般显微术相比，其优点是能存储标本物整体，无须制备标本物的切片。尤其是对一些活的标本物，它可以用高功率的连续光或脉冲激光拍照全息图，长期保存，

12、再现像具有立体性，能显示样品的细节。全息显微术主要有两种形式：一种是将全息技术和显微镜结合，称为“全息显微镜” ，解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾，避免了像差影响而达到很小衍射极限，可以获得更大的视野；一种是利用全息图本身的特性来进行放大，称为“全息放大” 。如果在拍摄和显示时，采用不同波长，衍射角不同，这等于将全息图作了相应的调整，可以实现图像放大。全息显微术广泛应用于生物学、科研等方面。 全息以它独特的优点在医学方面也得到应用，为疾病的诊治做出了贡献。激光全息技术首先在眼科疾病诊治的应用中获得了成功，一张全息照片所提供的信息相当于 480 张普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的诊断

13、过程中，利用激光全息成像技术可以提供整个眼睛的三维立体图像，并可以用显微镜对整个眼睛图像的不同位置(如角膜、前房、晶状体、玻璃体以及视网膜等) 进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息成像技术提供眼睛各个部分单独的三维立体图像以做深入的检查。在临床检查中，利用全息诊断方法可以查出直径在1 mm 以上的乳腺癌，有利于癌症的早期诊断和治疗。超声全息可用于医疗上的透视等。 除此之外 ，全息成像技术还可以应用于干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、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）等各方面。 六、总结 作为一门新兴学科，全息成像技术还处在蓬勃发展阶段，但它给我们的生活带来了很大的方便，随着时代的发展，科技的进步，全息技术将不断被研发改进，将会更多地被应用在我们生活的方方面面，让我们的生活变得更加丰富多彩。 七、参考文献 1 王典民.激光全息照相技术吉林科学技术出版社 1993 2-8 2 柴晓冬.全息成像的研究 3 王云新；王大勇；杨怡姝；赵洁；欧阳丽婷；肖向茜；戎路.数字全息技术在生物医学成像和分析中的应用 4 马中洲；张凤晶；王晓娟.激光全息摄影技术及其应用 5 杨茂华.浅谈全息摄影技术 宿州学院学报