[科普中國]-全息技術(shù)

全息技術(shù)第一步是利用干涉原理記錄物體光波信息，即拍攝過程：被拍攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，和物光束疊加產(chǎn)生干涉，把物體光波上各點(diǎn)的位相和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強(qiáng)度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來1。記錄著干涉條紋的底片經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖，或稱全息照片；其第二步是利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息，這是成象過程：全息圖猶如一個復(fù)雜的光柵，在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出兩個象，即原始象（又稱初始象）和共軛象。再現(xiàn)的圖像立體感強(qiáng)，具有真實(shí)的視覺效應(yīng)。全息圖的每一部分都記錄了物體上各點(diǎn)的光信息，故原則上它的每一部分都能再現(xiàn)原物的整個圖像，通過多次曝光還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來。

原理“一個系統(tǒng)原則上可以由它的邊界上的一些自由度完全描述”，是基于黑洞的量子性質(zhì)提出的一個新的基本原理。其實(shí)這個基本原理是聯(lián)系量子元和量子位結(jié)合的量子論的。其數(shù)學(xué)證明是，時空有多少維，就有多少量子元；有多少量子元，就有多少量子位。它們一起組成類似矩陣的時空有限集，即它們的排列組合集。全息不全，是說選排列數(shù)，選空集與選全排列，有對偶性。即一定維數(shù)時空的全息性完全等價于少一個量子位的排列數(shù)全息性；這類似“量子避錯編碼原理”，從根本上解決了量子計(jì)算中的編碼錯誤造成的系統(tǒng)計(jì)算誤差問題2。而時空的量子計(jì)算，類似生物DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的雙共軛編碼，它是把實(shí)與虛、正與負(fù)雙共軛編碼組織在一起的量子計(jì)算機(jī)。這可叫做“生物時空學(xué)”，這其中的“熵”，也類似“宏觀的熵”，不但指混亂程度，也指一個范圍。

時間指不指一個范圍？從“源于生活”來說，應(yīng)該指。因此，所有的位置和時間都是范圍。位置“熵”為面積“熵”，時間“熵”為熱力學(xué)箭頭“熵”。其次，類似N數(shù)量子元和N數(shù)量子位的二元排列，與N數(shù)行和N數(shù)列的行列式或矩陣類似的二元排列，其中有一個不相同，是行列式或矩陣比N數(shù)量子元和N數(shù)量子位的二元排列少了一個量子位，這是否類似全息原理，N數(shù)量子元和N數(shù)量子位的二元排列是一個可積系統(tǒng)，它的任何動力學(xué)都可以用低一個量子位類似N數(shù)行和N數(shù)列的行列式或矩陣的場論來描述呢？

數(shù)學(xué)上也許是可以證明或探究的。

1、反德西特空間，即為點(diǎn)、線、面內(nèi)空間，是可積的，因?yàn)辄c(diǎn)、線、面內(nèi)空間與點(diǎn)、線、面外空間交接處趨于“超零”或“零點(diǎn)能”零，到這里是一個可積系統(tǒng)，它的任何動力學(xué)都可以有一個低一維的場論來實(shí)現(xiàn)。也就是說，由于反德西特空間的對稱性，點(diǎn)、線、面內(nèi)空間場論中的對稱性，要大于原來點(diǎn)、線、面外空間的洛侖茲對稱性，這個比較大一些的對稱群叫做共形對稱群。當(dāng)然這能通過改變反德西特空間內(nèi)部的幾何來消除這個對稱性，從而使得等價的場論沒有共形對稱性。這可叫新共形共形。如果把馬德西納空間看作“點(diǎn)外空間”，一般“點(diǎn)外空間”或“點(diǎn)內(nèi)空間”也可看作類似球體空間。反德西特空間，即“點(diǎn)內(nèi)空間”是場論中的一種特殊的極限。“點(diǎn)內(nèi)空間”的經(jīng)典引力與量子漲落效應(yīng)，其弦論的計(jì)算很復(fù)雜，計(jì)算只能在一個極限下作出。例如上面類似反德西特空間的宇宙質(zhì)量軌道圓的暴漲速率，是光速的8.88倍，就是在一個極限下作出的。在這類極限下，“點(diǎn)內(nèi)空間”過渡到一個新的時空，或叫做pp波背景，可精確地計(jì)算宇宙弦的多個態(tài)的譜，反映到對偶的場論中，我們可獲得物質(zhì)族質(zhì)量譜計(jì)算中一些算子的反常標(biāo)度指數(shù)。

2、這個技巧是，弦并不是由有限個球量子微單元組成的。要得到通常意義下的弦，必須取環(huán)量子弦論極限，在這個極限下，長度不趨于零，每條由線旋耦合成環(huán)量子的弦可分到微單元10的-33次方厘米，而使微單元的數(shù)目不是趨于無限大，從而使得弦本身對應(yīng)的物理量如能量動量是有限的。在場論的算子構(gòu)造中，如果要得到pp波背景下的弦態(tài)，我們恰好需要取這個極限。這樣，微單元模型是一個普適的構(gòu)造，也清楚了。在pp波這個特殊的背景之下，對應(yīng)的場論描述也是一個可積系統(tǒng)。

特點(diǎn)優(yōu)勢1、 再造出來的立體影像有利于保存珍貴的藝術(shù)品資料進(jìn)行收藏。

2、 拍攝時每一點(diǎn)都記錄在全息片的任何一點(diǎn)上，就算照片損壞也關(guān)系不大。

3、 全息照片的景物立體感強(qiáng)，形象逼真，借助激光器可以在各種展覽會上進(jìn)行展示，會得到非常好的效果。

技術(shù)種類投影技術(shù)一共分為三種：

1.空氣投影和交互技術(shù)：這是美國麻省名叫Chad Dyne的29歲理工研究生發(fā)明的，是顯示技術(shù)上的一個里程碑，它可以在氣流形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。 此技術(shù)來源海市蜃樓的原理，將圖像投射在水蒸氣上，由于分子震動不均衡，可以形成層次和立體感很強(qiáng)的圖像。

2.激光束技術(shù)：是日本Science and Technology公司發(fā)明了一種可以用激光束來投射實(shí)體的3D影像，這種技術(shù)是利用氮?dú)夂脱鯕庠诳諝庵猩㈤_時，混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質(zhì)，并在空氣中形成一個短暫的3D圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進(jìn)行小型爆破來實(shí)現(xiàn)的。

3.360度全系顯示：它是由南加利福尼亞大學(xué)創(chuàng)新科技研究院的研究人員當(dāng)前宣布他們成功研制的，這種技術(shù)是將圖像投影在一種高速旋轉(zhuǎn)的鏡子上從而實(shí)現(xiàn)三維圖像，只是會有些危險(xiǎn)。

可以說這些技術(shù)很多國家都在研制，毫不夸張的說這項(xiàng)技術(shù)它包含了未來，誰最先使用這項(xiàng)技術(shù)，誰就最先走入未來的先進(jìn)技術(shù)行列。全息投影技術(shù)是全息攝影技術(shù)的逆向展示，本質(zhì)上是通過在空氣或者特殊的立體鏡片上形成立體的影像。不同于平面銀幕投影僅僅在二維表面通過透視、陰影等效果實(shí)現(xiàn)立體感，全息投影技術(shù)是真正呈現(xiàn)3D的影像，可以從360°的任何角度觀看影像的不同側(cè)面。

技術(shù)應(yīng)用全息學(xué)的原理適用于各種形式的波動，如X射線、微波、聲波、電子波等。只要這些波動在形成干涉花樣時具有足夠的相干性即可。光學(xué)全息術(shù)可望在立體電影、電視、展覽、顯微術(shù)、干涉度量學(xué)、投影光刻、軍事偵察監(jiān)視、水下探測、金屬內(nèi)部探測、保存珍貴的歷史文物、藝術(shù)品、信息存儲、遙感，研究和記錄物理狀態(tài)變化極快的瞬時現(xiàn)象、瞬時過程（如爆炸和燃燒）等各個方面獲得廣泛應(yīng)用3。

在生活中，也常常能看到全息攝影技術(shù)的運(yùn)用。比如，在一些信用卡和紙幣上，就有運(yùn)用了俄國物理學(xué)家尤里·丹尼蘇克在20世紀(jì)60年代發(fā)明的全彩全息圖像技術(shù)制作出的聚酯軟膠片上的“彩虹”全息圖像。但這些全息圖像更多只是作為一種復(fù)雜的印刷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)防偽目的，它們的感光度低，色彩也不夠逼真，遠(yuǎn)不到亂真的境界。研究人員還試著使用重鉻酸鹽膠作為感光乳劑，用來制作全息識別設(shè)備。在一些戰(zhàn)斗機(jī)上配備有此種設(shè)備，它們可以使駕駛員將注意力集中在敵人身上。把一些珍貴的文物用這項(xiàng)技術(shù)拍攝下來，展出時可以真實(shí)地立體再現(xiàn)文物，供參觀者欣賞，而原物妥善保存，防失竊，大型全息圖既可展示轎車、衛(wèi)星以及各種三維廣告，亦可采用脈沖全息術(shù)再現(xiàn)人物肖像、結(jié)婚紀(jì)念照。小型全息圖可以戴在頸項(xiàng)上形成美麗裝飾，它可再現(xiàn)人們喜愛的動物，多彩的花朵與蝴蝶。迅猛發(fā)展的模壓彩虹全息圖，既可成為生動的卡通片、賀卡、立體郵票，也可以作為防偽標(biāo)識出現(xiàn)在商標(biāo)、證件卡、銀行信用卡，甚至鈔票上。裝飾在書籍中的全息立體照片，以及禮品包裝上閃耀的全息彩虹，使人們體會到21世紀(jì)印刷技術(shù)與包裝技術(shù)的新飛躍。模壓全息標(biāo)識，由于它的三維層次感，并隨觀察角度而變化的彩虹效應(yīng)，以及千變?nèi)f化的防偽標(biāo)記，再加上與其他高科技防偽手段的緊密結(jié)合，把新世紀(jì)的防偽技術(shù)推向了新的輝煌頂點(diǎn)。

除光學(xué)全息外，還發(fā)展了紅外、微波和超聲全息技術(shù)，這些全息技術(shù)在軍事偵察和監(jiān)視上有重要意義。我們知道，一般的雷達(dá)只能探測到目標(biāo)方位、距離等，而全息照相則能給出目標(biāo)的立體形象，這對于及時識別飛機(jī)、艦艇等有很大作用。因此，備受人們的重視。但是由于可見光在大氣或水中傳播時衰減很快，在不良的氣候下甚至于無法進(jìn)行工作。為克服這個困難發(fā)展出紅外、微波及超聲全息技術(shù)，即用相干的紅外光、微波及超聲波拍攝全息照片，然后用可見光再現(xiàn)物象，這種全息技術(shù)與普通全息技術(shù)的原理相同。技術(shù)的關(guān)鍵是尋找靈敏記錄的介質(zhì)及合適的再現(xiàn)方法。超聲全息照相能再現(xiàn)潛伏于水下物體的三維圖樣，因此可用來進(jìn)行水下偵察和監(jiān)視。由于對可見光不透明的物體，往往對超聲波透明，因此超聲全息可用于水下的軍事行動，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無損檢測等。

除用光波產(chǎn)生全息圖外，已發(fā)展到可用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖。全息圖用途很廣，可作成各種薄膜型光學(xué)元件，如各種透鏡、光柵、濾波器等，可在空間重疊，十分緊湊、輕巧，適合于宇宙飛行使用。使用全息圖貯存資料，具有容量大、易提取、抗污損等優(yōu)點(diǎn)。

全息照相的方法從光學(xué)領(lǐng)域推廣到其他領(lǐng)域。如微波全息、聲全息等得到很大發(fā)展，成功地應(yīng)用在工業(yè)醫(yī)療等方面。地震波、電子波、X射線等方面的全息也正在深入研究中。全息圖有極其廣泛的應(yīng)用。如用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機(jī)機(jī)翼蜂窩結(jié)構(gòu)的無損檢驗(yàn)等。不僅有激光全息，而且研究成功白光全息、彩虹全息，以及全景彩虹全息，使人們能看到景物的各個側(cè)面。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發(fā)展。

全息技術(shù)不僅在實(shí)際生活中正得到廣泛應(yīng)用，而且在上世紀(jì)興起并快速發(fā)展的科幻文學(xué)中也有大量描寫和應(yīng)用，有興趣的話可去看看。 可見全息技術(shù)在未來的發(fā)展前景將是十分光明的。

衍生產(chǎn)品全息投影有一種投影方式，使用特殊的屏幕，屏幕本身近乎透明，但是卻可以相當(dāng)清晰地表現(xiàn)出投影內(nèi)容；在光源和圖形控制得當(dāng)，并且觀看角度固定時，可以有亂真的立體效果。日本初音未來演唱會曾使用這種技術(shù)。雖名為“全息”，實(shí)際上投的是2D影像，因此這種投影方式也可以稱之為2.5D。

360度幻影成像360度幻影成像是一種將三維畫面懸浮在實(shí)景的半空中成像，營造了亦幻亦真的氛圍，效果奇特，具有強(qiáng)烈的縱深感，真假難辯。形成空中幻象中間可結(jié)合實(shí)物，實(shí)現(xiàn)影像與實(shí)物的結(jié)合。也可配加觸摸屏實(shí)現(xiàn)與觀眾的互動 ?？梢愿鶕?jù)要求做成四面窗口，每面最大2-4米?？勺龀扇⒒糜拔枧_，產(chǎn)品立體360度的演示；真人和虛幻人同臺表演；科技館的夢幻舞臺等。

適合表現(xiàn)細(xì)節(jié)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)較豐富的個體物品， 如名表、名車、珠寶、工業(yè)產(chǎn)品、也可表現(xiàn)人物、卡通等，給觀眾感覺是完全立體的。

這種顯示方式需要使用金字塔形的投射玻璃，在金字塔塔尖處放置屏幕，通過金字塔的四個平面反射出來，就讓人產(chǎn)生了投影物懸浮在金字塔中空部分的幻象4。因?yàn)樗膫€平面分別投射了物體的四個角度的圖像，加上一般刻意讓物體保持旋轉(zhuǎn)，所以雖然這種顯示方式也為2D，但真實(shí)感甚至比真3D還強(qiáng)。

全息攝影簡介全息攝影是指一種記錄被攝物體反射波的振幅和位相等全部信息的新型攝影技術(shù)。普通攝影是記錄物體面上的光強(qiáng)分布，它不能記錄物體反射光的位相信息，因而失去了立體感。全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點(diǎn)的感光程度不僅隨強(qiáng)度也隨兩束光的位相關(guān)系而不同5。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強(qiáng)度，也記錄了位相信息。人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的干涉條紋，但如果用激光去照射它，人眼透過底片就能看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像。一張全息攝影圖片即使只剩下一小部分，依然可以重現(xiàn)全部景物。全息攝影可應(yīng)用于工業(yè)上進(jìn)行無損探傷，超聲全息，全息顯微鏡，全息攝影存儲器，全息電影和電視等許多方面。

要求拍攝要求，為了拍出一張滿意的全息照片，拍攝系統(tǒng)必須具備以下要求：

光源必須是相干光源

通過前面分析知道，全息照相是根據(jù)光的干涉原理，所以要求光源必須具有很好的相干性。激光的出現(xiàn)，為全息照相提供了一個理想的光源。這是因?yàn)榧す饩哂泻芎玫目臻g相干性和時間相干性，實(shí)驗(yàn)中采用He-Ne激光器，用其拍攝較小的漫散物體，可獲得良好的全息圖。

全息照相系統(tǒng)要具有穩(wěn)定性

由于全息底片上記錄的是干涉條紋，而且是又細(xì)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(shí)驗(yàn)臺是防震的。全息臺上的所有光學(xué)器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺面鋼板上。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(yīng)該禁止大聲喧嘩，不能隨意走動，保證整個實(shí)驗(yàn)室絕對安靜。我們的經(jīng)驗(yàn)是，各組都調(diào)好光路后，同學(xué)們離開實(shí)驗(yàn)臺，穩(wěn)定一分鐘后，再在同一時間內(nèi)曝光，得到較好的效果。

物光與參考光應(yīng)滿足

物光和參考光的光程差應(yīng)盡量小，兩束光的光程相等最好，最多不能超過2cm，調(diào)光路時用細(xì)繩量好；兩束光之間的夾角要在30°～60°之間，最好在45°左右，因?yàn)閵A角小，干涉條紋就稀，這樣對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和感光材料分辨率的要求較低；兩束光的光強(qiáng)比要適當(dāng)，一般要求在1∶1～1∶10之間都可以，光強(qiáng)比用硅光電池測出。

使用高分辨率的全息底片

因?yàn)槿⒄障嗟灼嫌涗浀氖怯旨?xì)又密的干涉條紋，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(chǎn)的I型全息干板，其分辨率可達(dá)每毫米3000條，能滿足全息照相的要求。

全息照片的沖洗過程

沖洗過程也是很關(guān)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制，但實(shí)驗(yàn)證明，用純凈的自來水配制，也獲得成功。沖洗過程要在暗室進(jìn)行，藥液千萬不能見光，保持在室溫20℃左右進(jìn)行沖洗，配制一次藥液保管得當(dāng)，可使用一個月左右。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

郎奠波 - 副教授 - 黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院