論文：全息技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

1、全息技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展李瑞彬摘 要 從全息思想的提出至今已經(jīng)有半個多世紀(jì)的歷史。期間，全息技術(shù)的發(fā)展取得了很大的成就。梳理一下全息技術(shù)的發(fā)展以及當(dāng)今的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，有助于我們深入了解全息技術(shù)對生產(chǎn)、生活的重要影響以及其今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞 全息 防偽 存儲 全息透鏡 Abstract The proposal from the hologram has been half a century since. During the development of holographic technology has made great achievements. Comb the develop

2、ment of holography and the current status of research and application, holographic technology will help us understand the production, the important influence of life and its future development.Key words Holography Anti-fake Storage Holographic lens一、引言全息技術(shù)以光波的干涉與衍射原理為基礎(chǔ)。相干的兩束光波，其中一束經(jīng)物體的漫反射后形成物光束投射到全

3、息底片上;另一束參考光波直接投射到全息底片上，與物光發(fā)生干涉，并在全息底片上形成干涉條紋。干涉條紋記錄了物光的全部信息：振幅和相位。當(dāng)用原參考光照射全息底片時，便可呈現(xiàn)出立體、逼真的物體光像。光全息技術(shù)是由英國科學(xué)家丹尼斯·加伯（Dennis Gabor）在1947年提出的。但當(dāng)時沒有足夠強(qiáng)的相干光源，全息術(shù)的發(fā)展陷入休眠狀態(tài)。直到1960年激光出現(xiàn)，以及1962年利思（Leith）厄帕特克克斯（Upatnieks）提出離軸全息圖以后，開辟了全息圖的新領(lǐng)域，成為光學(xué)的一個重要分支。離軸全息圖使得再現(xiàn)的原始像與共軛像分離。同時期，前蘇聯(lián)科學(xué)家Y.N.Denisyuk提出了白光反射全息圖

4、。白光再現(xiàn)全息圖的特點(diǎn)是能夠在白晝自然環(huán)境中或者在一般白光照明下觀察到三維圖像。白光再現(xiàn)全息術(shù)讓全息從科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室走了出來。浮雕彩虹全息圖的研制成功發(fā)展了全息圖模壓大批量復(fù)制技術(shù)，現(xiàn)已形成全息產(chǎn)業(yè)。全息技術(shù)的迅速發(fā)展，使加伯的全息思想于1971年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。本文就全息防偽、全息存儲、全息光學(xué)元件這三個有特點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行探討，以期明確全息技術(shù)在這三個領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。二、全息防偽技術(shù)防偽與我們的生活息息相關(guān)，將全息技術(shù)應(yīng)用于防偽領(lǐng)域可以大大提高防偽功效。如第二代身份證上的視讀防偽：當(dāng)以適當(dāng)角度看身份證正面時，會有長城標(biāo)志出現(xiàn)，變換角度，長城標(biāo)識的顏色會發(fā)生變化。從全球角度看，

5、第一個將全息圖片作為防偽標(biāo)識的產(chǎn)品是Johnny Walke Whishy（一種威士忌），該酒的銷售額較以前增加了45。上世紀(jì)90年代全息防偽迎來首個鼎盛時期，無論高檔商品促銷、名優(yōu)商品的防假冒或有價證券（如信用卡、鈔票、護(hù)照簽證）的防偽和加密以及圖書、印刷、印染、裝潢、紀(jì)念郵票和廣告標(biāo)牌等等，都普遍采用激光模壓技術(shù)。該技術(shù)在八十年代末九十年代初傳入我國，1990年至1994年期間，全國各地引進(jìn)生產(chǎn)線上百條。主要防偽技術(shù)。1. 激光全息標(biāo)識定位燙印技術(shù)全息燙印的原理是：在燙印設(shè)備上通過加熱的燙印模頭將全息燙印材料上的熱熔膠層和分離層加熱熔化，在一定的壓力作用下，將燙印材料的信息層全息光柵條紋與

6、PET基材分離，使鋁箔信息層與承燙面黏合，融為一體，達(dá)到完美結(jié)合。（1）該技術(shù)要求印刷廠家擁有精密定位燙印設(shè)備，并要求印刷廠的相關(guān)設(shè)備有能適應(yīng)定位燙印的要求，具有精密的走步和定位功能，因此造假者很難制假。（2）定位燙印與包裝物本身有機(jī)融合為一體。同時經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)可以大大提高包裝物的質(zhì)量和檔次，這樣無論在防偽力度還是美觀方面，都提高了一大步。（3）定位燙印可實(shí)現(xiàn)調(diào)整大規(guī)格自動化生產(chǎn)，與高速印刷設(shè)備配套，滿足了印刷廠家的生產(chǎn)工藝要求。（4）防偽標(biāo)識燙印到包裝盒上后無須覆膜，可滿足綠色包裝的要求，比普遍采用不干膠全息防偽貼標(biāo)前進(jìn)了一大步，并且徹底解決了防偽標(biāo)識的重復(fù)使用問題。2. 全息標(biāo)識上的加密

7、技術(shù)。該技術(shù)是在防偽標(biāo)識中設(shè)置特殊的加密記號以增強(qiáng)防偽效果。其原理是在物體與全息底板之間加一個編碼器，使得物光發(fā)生畸變；只有用該特定的解碼器才能重現(xiàn)物體，否則，只能出現(xiàn)一些散斑。因此，該技術(shù)具有較高的防偽功能，常用于一般商品的防偽。3. BOPP激光全息防偽收縮膜包裝防偽技術(shù)。該技術(shù)是發(fā)展起來的新型防偽技術(shù)。由于該技術(shù)對BOPP收縮膜基材有特殊要求，購買和開發(fā)BOPP生產(chǎn)設(shè)備造價昂貴，從而在源頭上堵住了造假者制假的可能性和可行性。激光全息防偽收縮膜在生產(chǎn)中首創(chuàng)采用寬幅全息透明模壓技術(shù)與加密全息圖像防偽技術(shù)相結(jié)合，并巧妙解決了熱壓與基材熱收縮的矛盾；在使用中通過BOPP防偽收縮膜兩個表面提供熱封

8、，將被包裝物整體包裹；在拆包時必須先撕開BOPP防偽膜，而這樣也就破壞了原防偽膜的完整性。由于該防偽手段技術(shù)層面復(fù)雜、防偽力度高，工藝精細(xì)、外觀精美，被中國防偽行業(yè)協(xié)會激光全息技術(shù)專業(yè)委員會給予很高的評價。BOPP生產(chǎn)線高昂的價格和熱封型熱收縮膜復(fù)雜的加工工藝，加上透明全息防偽圖像和隱秘的微縮密碼，使得那些分散的中小型工廠極難制假。三、全息存儲光盤技術(shù)這種按位存儲和讀出的“串行”方式要求讀出頭相對于記錄介質(zhì)作機(jī)械運(yùn)動，因而光盤的記錄密度被限制在機(jī)械調(diào)節(jié)的精度以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率也受到低速機(jī)械運(yùn)動的限制。當(dāng)前光盤技術(shù)的前沿研究已使光盤存儲容量接近光學(xué)極限，數(shù)據(jù)已達(dá)到每秒幾兆字節(jié)的數(shù)量級，這雖然滿足

9、當(dāng)前多媒體技術(shù)的需要，但計(jì)算機(jī)技術(shù)正在向高速、并行性和智能化方向發(fā)展，按位存取的磁盤和光盤顯然不能滿足需要。要尋求一種既能并行讀/寫、提高數(shù)據(jù)速率、又能增大存儲容量的海量存儲技術(shù)，激光全息存儲則是一種最佳選擇。1.目前主要使用的全息存儲材料及其特點(diǎn)銀鹽材料。超微粒的銀鹽乳膠有很高的感光靈敏度和分辨率，有較寬廣的光譜靈敏范圍。目前，超微粒的銀鹽乳膠已經(jīng)具有成熟的制備技術(shù)，穩(wěn)定的商品化產(chǎn)品全息干板。銀鹽材料的缺點(diǎn)主要在于：不能擦除后重復(fù)使用，濕顯影處理程序較為繁瑣，且對于位相型全息圖，其較高的衍射效率卻往往帶來噪聲的增加和圖像質(zhì)量的下降。光致抗蝕劑。它可以旋涂在基片上制成干板，光照射后，抗蝕劑中將

10、發(fā)生化學(xué)變化，且隨著曝光量的不同，發(fā)生變化的部分將具有不同的溶解力。選用合適的溶劑顯影，便可制成表面具有凹凸的浮雕相位型全息圖。為了獲得較好的圖像質(zhì)量，需要對負(fù)性光致抗蝕劑進(jìn)行足夠曝光，但這往往與全息圖成像的最佳曝光量相矛盾，從而使負(fù)性光致抗蝕劑存儲的全息圖的精細(xì)線條往往由于曝光量不夠，而在顯影時被腐蝕掉，影響全息圖的質(zhì)量。光折變材料。光折變材料受到非均勻的光強(qiáng)度照射時，材料局部折射率的變化與入射光強(qiáng)成正比。光折變材料具有動態(tài)范圍大、存儲持久性長、可以固定以及生長工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。光折變材料主要有無機(jī)存儲材料和有機(jī)存儲材料兩類。常見的光折變無機(jī)材料主要有摻鐵鈮酸鋰晶體（LiNb3：Fe）、鈮酸鍶

11、鋇（SBN）、和鈦酸鋇（BaTiO3）；而常見的有機(jī)光折變聚合物則有PMMA 等。光致聚合物。光致聚合物主要由單體、聚合體和光敏劑組成。記錄光照射聚合物后，光敏劑被激發(fā)，并引發(fā)曝光過程；然后，自由基引發(fā)單體分子聚合，最后在材料中形成位相型全息圖。光致聚合物具有較高感光靈敏度、高分辨率、高衍射效率以及高信噪比，可用完全干法處理及快速顯影，記錄的生息圖具有很高的幾何保真度，并易于長期保存。光致聚合物的主要缺點(diǎn)在于其體積容易受到影響而發(fā)生變化。光致變色材料。這是由于光致變色膜層內(nèi)的分子極化特性發(fā)生改變，會導(dǎo)致膜層折射率的變化。尤其記錄波長與介質(zhì)吸收譜非共振時，膜層內(nèi)部可產(chǎn)生顯著的折射率變化。光致變色

12、材料具有無顆粒特征，分辨率僅受記錄光波長和光學(xué)系統(tǒng)的影響。但是光致變色材料存儲的全息圖的衍射效率并不高。2.全息存儲中的復(fù)用技術(shù)角度復(fù)用：這是一種使用最早、研究最為充分的復(fù)用技術(shù)，它利用了體積全息圖的角度選擇性，使不同的信息頁面可以互不相干地疊加在同一個空間區(qū)域內(nèi)。每幅全息圖在記錄和讀出時所采用的物光和參考光的夾角都各不相同，但采用的激光波長是固定的。角度復(fù)用存儲的全息圖數(shù)目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干擾的疊加將導(dǎo)致讀出數(shù)據(jù)的信噪比下降，這些因素也影響和限制了角度復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的存儲容量。位相復(fù)用：為了克服角度復(fù)用技術(shù)串?dāng)_噪聲較大的缺點(diǎn)，人們又提出了正交位相編碼復(fù)用技術(shù)。在這種復(fù)

13、用技術(shù)中，參考光的波長和光束角度都是固定的，而位相編碼一般使用確定性位相編碼中的正交位相編碼。因此，位相復(fù)用技術(shù)可以提高讀出過程中全息圖的衍射效率，增加讀出數(shù)據(jù)的信噪比，并且可以使對存儲數(shù)據(jù)的尋址通過改變光束的位相而不是改變光束的方向來實(shí)現(xiàn)，從而使尋址過程更快。波長復(fù)用：由于全息圖的再現(xiàn)對讀出光的波長也十分敏感，所以波長復(fù)用也是全息光存儲的主要復(fù)用方式之一。波長復(fù)用也是基于全息光存儲所具有的布喇格角選擇性，只是此時每幅存儲的全息圖是與一個特定的光源波長相對應(yīng)，記錄和讀出過程中參考光和物光之間的夾角保持不變。3.取得的成就20世紀(jì)60年代末發(fā)現(xiàn)光折變效應(yīng)后，在光折變晶體中進(jìn)行全息存儲一度成為熱點(diǎn)

14、。1975年，美國RC公司報道了在1cm鈮酸鋰晶體中存儲500幅全息圖的實(shí)驗(yàn)。美國Northrop公司于1991年在摻鐵鈮酸鋰晶體中存儲并高度保真再現(xiàn)了500幅高分辨率軍用車輛全息圖。1992年，有在同樣的鈮酸鋰晶體中存儲1000頁的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并無任何錯誤地復(fù)制到數(shù)字計(jì)算機(jī)的存儲器。1994年美國加州理工學(xué)院在1cm摻鐵鈮酸鋰晶體中記錄了10000幅全息圖。同年，斯坦福大學(xué)的一個研究小組把經(jīng)壓縮的數(shù)字化圖像視頻數(shù)據(jù)存儲在一個全息存儲器中。IBM公司也研制出一臺靈活而穩(wěn)固的高分辨率的自動全息存儲系統(tǒng)試驗(yàn)臺。目前，我國有人正在研制利用二值空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)多灰階全息存儲的方法，它可近一步提高存儲密度

15、與讀出數(shù)據(jù)的傳輸速率。另有人正在研究體全息相關(guān)器的內(nèi)容尋址功能的相關(guān)研究，它可以并行快速地進(jìn)行關(guān)聯(lián)檢索，并具有很大的提升潛力。美國斯坦福大學(xué)的HDSS WORM演示平臺。2000 年， 美國斯坦福大學(xué)為DARPA 投資實(shí)施的HDSS 項(xiàng)目開發(fā)了高傳輸速率、高容量的全息光盤存儲系統(tǒng)，如下圖所示。該系統(tǒng)采用了IBM公司的鐵電液晶空間光調(diào)制器( FLC SLM) 記錄二維數(shù)據(jù)，最高分辨率為1 024×1 024 像素，采用Kodak公司的CCD 作為探測器，其分辨率與SLM 匹配，最大幀數(shù)為1 000 fps。利用脈沖倍頻NdYAG 激光器( 波長為532 nm) 進(jìn)行記錄和讀出，光盤安裝

16、在精密的空氣靜壓軸承上，使用精密光電軸角編碼器系統(tǒng)的全息信道解碼傳輸速率可達(dá)1 Gbits/s，使用1 次寫入多次讀取(WORM) 的光致聚合物作為存儲介質(zhì)，容量為120 GB。由于較厚的介質(zhì)( 如LiNbO3 晶體) 的存儲容量受到介質(zhì)動態(tài)范圍和噪聲的影響要多于復(fù)用技術(shù)，而較薄的介質(zhì)( 如光致聚合物) 則不然，所能存儲全息圖的數(shù)量在很大程度上由復(fù)用技術(shù)決定。經(jīng)常在較厚介質(zhì)中使用的角度復(fù)用技術(shù)在這里效果不大，需要使用其它復(fù)用技術(shù)，例如移位或旋轉(zhuǎn)復(fù)用技術(shù), 該系統(tǒng)采用的是散斑-移位復(fù)用技術(shù)。圖為美國斯坦福大學(xué)的HDSS WORM 演示平臺系統(tǒng)全息存儲器可望存儲幾千億字節(jié)的數(shù)據(jù)（目前光盤是6.4億

17、字節(jié)數(shù)據(jù)），而且具有高保真度，并以等于或大于bit/s速度傳送數(shù)據(jù)，可在100微秒或更短時間內(nèi)隨機(jī)選擇一個數(shù)據(jù)頁面。全息存儲技術(shù)的迅速發(fā)展，必將在不遠(yuǎn)的未來迎來光輝的時代。四、全息透鏡全息透鏡是依據(jù)光的干涉和衍射原理，可以完成普通光學(xué)透鏡的任務(wù)和功能。最早的全息透鏡是1871年由瑞利制成的菲涅爾波帶片。全息透鏡有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，它的重量輕、造價低、制造快、易于復(fù)制、能多重記錄以及便于分割。英國研制出的一個全息產(chǎn)品頭盔夜視儀，它可以借助微弱的星光看清一公里遠(yuǎn)的目標(biāo)。當(dāng)前全息透鏡的主要應(yīng)用1. 補(bǔ)償透鏡 在制造全息透鏡時, 用光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的有像差的波前(對應(yīng)參考光)和完善的點(diǎn)源球面波(對應(yīng)物光波)

18、記錄。當(dāng)使用時，用有像差的波前（作為物光波）照明全息透鏡, 就可以起到補(bǔ)償?shù)淖饔?。對于有像差的波前在記錄時, 也可以不用實(shí)際的系統(tǒng), 而用一個計(jì)算全息圖來代替。2. 準(zhǔn)直物鏡 大口徑的球面或非球面準(zhǔn)直物鏡的制造是很費(fèi)工的, 如果用全息的方法制造就快得多了,當(dāng)然在制造時需要有一個大口徑、高質(zhì)量的準(zhǔn)直物鏡產(chǎn)生平面波。這種全息準(zhǔn)直物鏡用于干涉系統(tǒng)和激光系統(tǒng)是很合適的, 可以避免它的缺點(diǎn)。因這些系統(tǒng)多是用單色狹光源照明。3. 把成像元件和轉(zhuǎn)像元件結(jié)合起來 光學(xué)系統(tǒng)有時需要加一個棱鏡來轉(zhuǎn)像。如果用離軸透射全息透鏡或者反射全息透鏡, 就可以同時完成成像和轉(zhuǎn)像的功能。4. 分割透鏡 為了某些特殊的應(yīng)用, 有

19、時需要把一個透鏡分割開, 再組合起來, 例如干涉用的雙半透鏡, 把一塊透鏡分為兩半, 使其有一定的距離。又如跟蹤接收機(jī)把一個透鏡分成四部分, 再按相反方向組合起來, 可以對一個目標(biāo)產(chǎn)生四個分開的像。這一類元件如果用全息透鏡就很容易分割。5. 多重透鏡 多重透鏡的種類很多。例如一些干涉系統(tǒng), 大都需要一個標(biāo)準(zhǔn)波面和測試波面。用全息的方法就可以用一塊透鏡來完成。又如用傅里葉變換透鏡進(jìn)行空間濾波, 至少要兩個變換鏡頭, 將空間濾波器和一個變換鏡頭用一個全息系統(tǒng)來代替, 可以省去一個變換透鏡, 還可以縮短光路。6. 大相對孔徑的透鏡 全息透鏡的另一優(yōu)點(diǎn)是便于制作大相對孔徑的透鏡。在低光強(qiáng)成像系統(tǒng)或全息信息存貯系統(tǒng)中, 都需要大相對孔徑的透鏡, 用全息的方法制造就比較容易。7. 傅里葉變換透鏡 全息透鏡同普通透鏡一樣,可以完成傅里葉變換的