一種不用透鏡而能記錄和再現物體的三維(立體)圖象的照相方法。它是能夠把來自物體的光波波陣面的振幅和相位的信息記錄下來，又能在需要時再現出這種光波的一種技術。
基本介紹
- 中文名：全息攝影
- 外文名：Holography
- 別稱：全息照相
原理,全息照相記錄過程,拍攝要求,優點,研究簡史,趣味歷史,套用,實驗應力分析範疇,圖象識別和無損檢驗,照相領域,發展,最新技術,
原理
光波是一種電磁波，它在傳播中帶有振幅和相位的信息。普通照相是用感光材料(如照相底片)作記錄介質，用透鏡成象系統（如照相機）使物體在感光材料上成象。它所記錄的只是來自物體的光波的強度分布圖象，即振幅的信息，而不包括相位的信息。因此普通照相只能攝取二維(平面)圖象。為要同時記錄光波的振幅和相位的信息，可藉助於一束相干的參考光，利用物光和參考光的光程差，以確定兩束光波之間的相位差。因此藉助參考光,便可記錄來自物體的光波的振幅和相位的信息。
全息照相記錄過程
在典型的離軸型全息照相的光路布局中(圖1），由雷射器發出的光束被分光鏡B分成兩束光，一束經反射鏡M反射後直接投射於全息底片H(―種高解析度的感光材料)，稱為參考光；另一束則照射物體，從物體反射(或透射）的光，稱為物光。物光和參考光在全息底片上相互干涉的結果，構成一幅非常複雜而又精細的干涉條紋圖，這些干涉條紋以其反差和位置的變化，記錄了物光的振幅和相位的信息。全息底片經過常規的顯影和定影處理之後，就成為全息圖。全息圖的外觀和原物體的外形似乎毫無聯繫，但它卻以光學編碼的形式記錄下物光的全部信息。
拍攝要求
為了拍出一張滿意的全息照片，拍攝系統必須具備以下要求：
⑴ 光源必須是相干光源：通過前面分析知道，全息照相是根據光的干涉原理，所以要求光源必須具有很好的相干性。雷射的出現，為全息照相提供了一個理想的光源。這是因為雷射具有很好的空間相干性和時間相干性，實驗中採用He-Ne雷射器，用其拍攝較小的漫散物體，可獲得良好的全息圖。
⑵ 全息照相系統要具有穩定性：由於全息底片上記錄的是干涉條紋，而且是又細又密的干涉條紋，所以在照相過程中極小的干擾都會引起干涉條紋的模糊，甚至使干涉條紋無法記錄。比如，拍攝過程中若底片位移一個微米，則條紋就分辨不清，為此，要求全息實驗台是防震的。全息台上的所有光學器件都用磁性材料牢固地吸在工作檯面鋼板上。另外，氣流通過光路，聲波干擾以及溫度變化都會引起周圍空氣密度的變化。因此，在曝光時應該禁止大聲喧譁，不能隨意走動，保證整個實驗室絕對安靜。我們的經驗是，各組都調好光路後，同學們離開實驗台，穩定一分鐘後，再在同一時間內曝光，得到較好的效果。
⑶ 物光與參考光應滿足：物光和參考光的光程差應儘量小，兩束光的光程相等最好，最多不能超過2cm，調光路時用細繩量好；兩束光之間的夾角要在30°～60°之間，最好在45°左右，因為夾角小，干涉條紋就稀，這樣對系統的穩定性和感光材料解析度的要求較低；兩束光的光強比要適當，一般要求在1∶1～1∶10之間都可以，光強比用矽光電池測出。
⑷ 使用高解析度的全息底片：因為全息照相底片上記錄的是又細又密的干涉條紋，所以需要高解析度的感光材料。普通照相用的感光底片由於銀化物的顆粒較粗，每毫米只能記錄50～100個條紋，天津感光膠片廠生產的I型全息乾板，其解析度可達每毫米3000條，能滿足全息照相的要求。
⑸ 全息照片的沖洗過程：沖洗過程也是很關鍵的。我們按照配方要求配藥，配出顯影液、停影液、定影液和漂白液。上述幾種藥方都要求用蒸餾水配製，但實驗證明，用純淨的自來水配製，也獲得成功。沖洗過程要在暗室進行，藥液千萬不能見光，保持在室溫20℃在右進行沖洗，配製一次藥液保管得當可使用一個月左右。
優點
全息照相顯著的特點和優勢有如下幾點：
1． 再造出來的立體影像有利於保存珍貴的藝術品資料進行收藏。
2． 拍攝時每一點都記錄在全息片的任何一點上，一旦照片損壞也關係不大。
3． 全息照片的景物立體感強，形象逼真，藉助雷射器可以在各種展覽會上進行展示，會得到非常好的效果。
研究簡史
全息圖（Hologram）是蓋伯（Gabor）在1948年為改善電子顯微鏡像質所提出的，其意義在於完整的記錄。蓋伯的實驗解決了全息術發明中的基本問題，即波前的記錄和再現，但由於當時缺乏明亮的相干光源（雷射器），全息圖的成像質量很差。1962年隨著雷射器的問世，利思和烏帕特尼克斯(Leith and Upatnieks）在蓋伯全息術的基礎上引入載頻的概念發明了離軸全息術，有效地克服了當時全息圖成像質量差的主要問題---孿生像，三維物體顯示成為當時全息術研究的熱點，但這種成像科學遠遠超過了當時經濟的發展，製作和觀察這種全息圖的代價是很昂貴的，全息術基本成了以高昂的經費來維持不切實際的幻想的代名詞。1969年本頓（Benton）發明了彩虹全息術，掀起以白光顯示為特徵的全息三維顯示新高潮。彩虹全息圖是一種能實現白光顯示的平面全息圖，與丹尼蘇克（Denisyuk）的反射全息圖相比，除了能在普通白熾燈下觀察到明亮的立體像外，還具有全息圖處理工藝簡單、易於複製等優點。
趣味歷史
凡是見過法國肖維岩洞(Chauvet Cave）中的那些史前繪畫的人，無不為那細微的明暗變化、運用自如的透視法和優雅流暢的線條所折服。這些原始人用赭石繪製於32000年前的犀牛、獅子和熊，雖經歲月侵蝕，卻依然能夠給人帶來極大的視覺撼動。但是，並不是所有人都像讓-馬林·肖維和他的兩位朋友那么運氣：當他們在1994年12月18日於偶然之中發現了這個岩洞的時候，所有的岩洞都為他們敞開大門，所有的繪畫都無條件展現在他們簡陋的探照燈下。然而，當這一發現被公之於眾，並作為當年最偉大的考古和藝術發現之一被法國政府斥巨資加以研究保護之後，肖維岩洞的大門卻對公眾關閉了。連從事相關研究的專家，在入洞考察之前，都不但要經過繁瑣的審批過程，還要披掛齊全，做足保護功夫，並且保證不能接觸洞壁。普通人就更無緣一睹真容，只能望著雜誌上平板的圖片憑空摹想了。
不過，居住在古老的葡萄酒之鄉波爾多城郊小鎮上的伊夫·根特及其兄弟菲力普·根特卻可能用他們的全息照片將這一切變為歷史。
一個世紀以前，當電報的發明人塞繆爾·摩爾斯第一次見到使用銀版照相術拍攝下來的照片時，曾驚訝地認為，如此逼真的圖象決不應當被稱作大自然的複製品，它們就是自然本身的一部分。在如今見多識廣的人們眼中，摩爾斯的反應未免有些大驚小怪。在這個數位相機能充分展現其魅力的時代中，沒人會像當初聖彼得堡中初見照片的人們那樣，害怕照片中的人會對自己眨眼睛，看出自己的想法。但是，當南巴黎大學的化學物理學家和膠片感光專家傑奎琳·貝洛妮(Jacqueline Belloni）在一次學術會議上將伊夫·根特製作的一幅蝴蝶的全息照片展示給大家時，一位恰巧同時也是蝴蝶標本收集愛好者的物理學家卻非常費解地問她，到底為什麼要在作學術報告時候展示這種鱗翅類昆蟲的標本盒子。那位物理學家無論如何都不肯相信這只不過是一幅全息照片。
其實，那位物理學家的驚疑也在情理之中，儘管全息攝影術對大多數人而言早就不是一個新鮮概念。早在雷射出現以前，1948年伽博為了提高電子顯微鏡的分辨本領而提出了全息照相的理論，並開始全息照相的研究工作。1960年以後出現了雷射，為全息照相提供了一個高亮度高度相干的光源，從此以後全息照相技術進入一個嶄新的階段。相繼出現了多種全息的方法，不斷開闢全息套用的新領域。伽伯也因全息照相的研究獲得1971年的諾貝爾物理學獎金。
無論是全息攝影，還是最早的銀版照相術，它們的奧秘都在對光的記錄。所有的光都擁有三種屬性，它們分別是光的明暗強弱、光的顏色以及光的方向。早期的銀版照相和黑白照片只能記錄下光的明暗變化，而彩色照片在此之外，還能通過記錄光的波長變化，反應出它的顏色。全息攝影是唯一能同時捕捉到光的三種屬性的一種攝影術，通過雷射技術，它能記錄下光射到物體上再折射出來的方向，逼真地再現物體在三維空間中的真實景象。
然而，一直到根特兄弟的作品問世之前，所謂的真實再現一直都不過是理論上的。或許是因為好的全息圖象罕見而且難於生成，或許因為全息攝影的科學原理過於深奧，在全息攝影發明了半個世紀之後，它卻仍然是一項充滿了神秘色彩的技術。
在一些媒體對伊夫·根特及其兄弟成就的報導中，有人將他們描述為“唯一真正實現了全息攝影的再現自然功能的人”，還有人說，他們的作品就像摩爾斯所說那樣，是“大自然的一部分”。這些評論可能有些言過其辭，因為實際上，全世界也有許多其他人在從事著全息攝影的研究，國際全息圖象製造者聯合會（International Hologram Manufacturers Association）就是一個聚集了全球全息攝影專家和愛好者的組織。但伊夫·根特毫無疑問是這些專家中的翹楚，在2001年冬季，這個聯合會將“本年度最佳全息攝影作品”和“最新全息攝影技術”這兩項最有分量的大獎頒發給了伊夫，就是最好的說明。一次在奧地利召開的全息攝影學術會議上，當根特兄弟發言並展示自己的作品時，“140多位經驗豐富的全息攝影高手都充滿欽佩之情地深吸了一口氣”。菲力普在回憶當時的場景時不無得意，他說，“當人們湧上來觀看我們製作的全息圖片的時候，整個屋子都為之一空。”當時在場的所有專家都被那些幾可亂真的圖片迷住了，他們忍不住伸手去觸摸作品中身著寮國傳統舞蹈服裝的小木偶衣服上的精美花紋，還有人想要拭去掛在正在吃小甜餅的小姑娘嘴邊的餅乾碎屑——當然，他們摸到的，同那位物理學家一樣，只不過是一層薄薄的玻璃而已。
伊夫的工作得到了業界承認和讚許，可是，當他在1992年因為所在的實驗室倒閉而被解僱，回到家鄉小鎮上以一個自由職業者的身份開始自己的全息攝影技術研究時，情況卻完全不同。他花了兩年左右時間研究出所有必需設備，包括一台最重要的便攜全息肖像照相機。但當這一切就緒之時，唯一一家生產他所需要的膠片的製造商——愛克發公司（Agfa）——卻突然決定停止生產此種膠片。在發明了“牛”之後，伊夫還必須教會自己製造出“草”來。
在隨後的幾年中，伊夫·根特就在自己簡陋的實驗室中自學相關的化學原理，並反覆實踐。菲力普的加入給了他很大幫助。後來，他們終於發明出名為“終極”（Ultimate）的感光乳劑。同其他的感光乳劑一樣，“終極”的主要成分也是感光性極好的溴化銀顆粒，但“終極”中的溴化銀顆粒直徑只有10納米，是普通膠片上感光顆粒的1/10到1/100。正是這些微小的顆粒使“終極”能記錄下細至纖毫的每一個細節，並在同一個感光層上同時記錄下紅、綠、藍三色。
伊夫找到了被他稱為“30年來所有人都在尋找的感光乳劑”，但他卻還有很長的路要走。他做出了複製肖維岩洞壁畫的整個方案，卻因為找不到政府的權威人士而求告無門。他還建議為巴黎的迪斯尼樂園建立一個來訪名人的全息攝影肖像館，談判卻一拖再拖。所有見過他作品的人，都承認那是完美的全息圖象，但法國的投資者過於謹慎，他們不僅要下金蛋的鵝，還要一群這樣的鵝能夠工業化、大規模下出金蛋，才肯從自己的口袋裡掏錢。為了尋求投資人，根特兄弟及其父親甚至想過要移民到魁北克。
轉機出現在一位美國合伙人的加入之後。他所擁有的機器能將“終極”母版上的全息圖象複製到杜邦公司製造的某種聚合體材料上。儘管這些圖象還達不到“終極”膠片上的圖象水準，但卻遠比從前的聚合體材料上的全息圖象好多了。伴隨著這種杜邦材料上的全息圖象的大規模生產，使用“終極”膠片的工業化生產也是指日可待。此外，國際全息圖象製造者聯合會的首肯也為根特兄弟的工作增添了分量。
套用
全息照相的套用領域很廣泛。
實驗應力分析範疇
常用於實驗應力分析範疇的是全息干涉法，如用來研究物體的三維位移場和應力分布(見位移場全息干涉分析，全息光彈性法)以及分析複雜構件的振型、振幅等。採用脈衝全息照相，還可研究固體中應力波的傳播和裂紋擴展過程以及在風洞實驗中研究飛行器的空氣動力特性等。在無損檢驗中，可用來檢測物體的內部缺陷和微小裂紋。
圖象識別和無損檢驗
將微波技術、超音波技術和全息照相結合起來，形成了微波全息術和聲全息術，在圖象識別和無損檢驗等領域中得到廣泛套用。
照相領域
全息技術套用到照相領域要遠遠優越於普通的照相，普通照相是根據透鏡成像原理，把立體景物“投影”到平面感光底板上，形成光強分布，記錄下來的照片沒有立體感，因為從各個視角看照片得到的像完全相同。全息照相再現的是一個精確複製的物光波，當我們“看”這個物光波時，可以從各個視角觀察到再現立體像的不同側面，猶如看到逼真物體一樣，具有景深和視差。如果拍攝並排的兩輛“賓士”汽車模型，那么當我們改變觀察方向時，後一輛車被遮蓋部分就會露出來。難怪人們在展覽會會為一張“賓士”汽車拍攝的全息圖而興奮不已：“看見汽車的再現像，好像一拉車門就可以就坐上‘賓士’，太精彩了！” 一張全息圖相當於從多角度拍攝、聚焦成的許多普通照片，在這個意義一張全息的信息量相當100張或1000張普通照片。用高倍顯微鏡觀看全息圖表面，看到的是複雜的條紋，絲毫看不到物體的形象，這些條紋是利用雷射照明的物體所發出的物光波與標準光波（參考光波）干涉，在平面感光底板上被記錄形成的，即用編碼方法把物光波“凍結”起來。一旦遇到類似於參考光波的照明光波照射，就會衍射出成像光波，它好像原物光波重新釋放出來一樣。所以全息照相的原理可用八個字來表述：“干涉記錄，衍射再現”。
發展
最新技術
以色列特拉維夫大學科學家發明的一種全新的全息攝影術或將完全實現這些設備的功能。如果想要利用現有技術產生三維效果，就必須將二維圖像重製，即旋轉或擴展。但是，特拉維夫大學創新團隊的納米天線技術，允許新設計的全息圖複製圖案的深度，而不再需要圖像重製。研究人員認為，這項技術的套用將極為廣泛和多樣性，已有多家商業實體對此表示濃厚的興趣。
對光的參數和相位進行研究，是一個有趣的想法。如果我們能夠動態地改變光波之間的關係，就可以製造出某種動態發射的事物，就好像全息電視一樣。這樣技術的套用將是無限的。如果我們能夠獲得光線，並將其以一種特定的納米結構照射出去，就可以以你想要的任何方向和以你想要的任何形式投影出去。這將得到有趣的結果。
科學家們在實驗室中開展了歷時一年的相關研究工作，並發明了一種小型金屬納米天線晶片，以及一種相適應的全息算法，這種算法可以檢測一束光波的“相圖”。相位與光波從你所看到的物體到你的眼睛的傳播距離有關。在現實情況中，我們的大腦知道如何理解相位信息，因此就可以有深度感。但是當你看一幅照片時，你常常會失去這種信息，因此照片看起來就很平滑。全息攝影則保留了這種相位信息，而這種信息則是3D成像的基礎。
研究人員認為，與相關的技術相比，他們的技術首次成功形成了高解析度全息圖，並且可以從任何方向投影。斯切爾教授表示，“我們利用這項技術可以反映任何想要反映的事物。此前，科學家們只能夠產生一些基本的形狀，如圓形、條紋等。利用我們的方法就可以得到諸如特拉維夫大學的標誌等特別設計的圖案，而且可以得到最佳效果。”
這項技術還可以套用於科學研究、安全、醫學、工程等領域以及實現娛樂目的。比如，一位外科醫生必須要重製許多掃描圖像才可以產生一幅精確的圖片。但是，他只需要生成一幅全息圖，就可以從每一個角度來檢查身體的症狀。再比如，一位建築設計師可以繪製出一幅全息設計圖，就有如身臨其境走進去一般。其套用真的無窮無盡。此外，新技術還可以套用于軍事目的和防偽技術，如用來提升雷射雷達的性能等。目前，研究人員正在研究另一項新技術，即能夠讓全息圖來改變形狀和運動。
該項研究由以色列特拉維夫大學一創新團隊完成，創新團隊負責人為特拉維夫大學納米科學與納米技術中心主任雅爾-哈內恩教授、電機工程學院雅各布-斯切 爾教授和埃梅爾-鮑格教授。在哈內恩等科學家的帶領和指導下，特拉維夫大學博士生尤瓦爾-伊菲特、麥可-艾坦和澤夫-伊魯茲等人利用納米天線技術發明了 一種高效全自攝影術。該項技術利用光源本身的參數形成動態、複雜的全息圖像。科學家們的研究成果發表於美國化學學會刊物《納米快報》之上。
