丹尼斯·加博爾
喜歡用谷歌搜索引擎的朋儕會(huì)發(fā)現(xiàn)，前幾天的谷歌Logo套上了一個(gè)奇怪的水晶棺，那是谷歌為紀(jì)念全息攝影術(shù)的發(fā)明者——丹尼斯·加博爾生辰110周年的紀(jì)念涂鴉。那么，終于什么是全息攝影呢？我們?yōu)榇蠡飪核鸭艘恍┻@方面的資料。
谷歌紀(jì)念丹尼斯·加博爾生辰110 周年
瑞典皇家科學(xué)院將1971年度的獎(jiǎng)金授予了一個(gè)已獲得100多項(xiàng)發(fā)明專利權(quán)的人——丹尼斯·加博爾，主假如由于他在全息照相術(shù)上取得的成就，該成就可認(rèn)為是發(fā)現(xiàn)，也可以認(rèn)為是發(fā)明。丹尼斯因發(fā)明和發(fā)展了全息照相法，獲得了1971年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是他所獲得的最高榮譽(yù)。
全息攝影是指一種記錄被攝物體反照波的振幅和位相等全部信息的新型攝影技術(shù)。一般攝影是記錄物體面上的光強(qiáng)分布，它不能記錄物體反照光的位相信息，因而失去了立體感。
全息攝影采用激光作爲(wèi)照明光源，並將光源發(fā)出的光分爲(wèi)兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反照後再射向感光片。兩束光在感光片上疊加産生幹涉，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。因此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。
非常遺憾的是，我們?cè)诰無(wú)法爲(wèi)大伙兒在這裏展示全系攝影的奇妙結(jié)果，因爲(wèi)人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的幹涉條紋，但如果用激光去照射它，人眼透過(guò)底片就能看到原來(lái)被拍攝物體完全雷同的三維立體像。一張全息攝影圖片即使只余下一小部分，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(wú)損探傷，超聲全息，全息顯微鏡，全息攝影存儲(chǔ)器,全息電影和電視等許多方面。
全息攝影又稱全像攝影（Holography），是光學(xué)上極富誘惑的一項(xiàng)技術(shù)。我們?cè)诰都有這樣的體會(huì)，灑在馬路的油膜在陽(yáng)光下會(huì)呈現(xiàn)出多種色彩，而在吹起的肥皂泡上也會(huì)看到同樣的情況，原因是由于肥皂泡兩個(gè)面的反照光出現(xiàn)了幹涉，稱光的薄膜幹涉現(xiàn)象。光是攝影的生命，而光有很多的特征，如色散和散射，有經(jīng)驗(yàn)的攝影師可以充分使用這些現(xiàn)象變有害爲(wèi)有利，從而爲(wèi)作品添加一些新奇的結(jié)果。照相機(jī)鏡頭是由多組透鏡合成的,爲(wèi)幸免光在透鏡外表的反照損失，人們發(fā)明出鏡頭的鍍膜技術(shù)，使一定波長(zhǎng)的光在反照時(shí)相互抵消，以增加進(jìn)入鏡頭的光線使成像更清晰。同樣，人們使用光波的幹涉特征研究出了具有立體結(jié)果的全息攝影技術(shù)。全息攝影曾一度是科學(xué)家進(jìn)行科研的專利技術(shù)，現(xiàn)在一般人經(jīng)過(guò)一定的學(xué)習(xí)也可以掌握了，如普遍用于信用卡或圖書(shū)封面的仿僞卡，那是一種立體顯像的東西，在陽(yáng)光下顯示著五彩斑斕色的反照光。
全息這一詞我們?cè)诰會(huì)感想到很熟悉，聯(lián)想到全息投影，聯(lián)想到耳針中的人體全息圖。人耳是人體的一個(gè)縮影，上面對(duì)應(yīng)人體各個(gè)器官，從這裏人們進(jìn)一步研究出人體的任何一局部都有整個(gè)身體的信息，因此稱全息圖，了解這點(diǎn)對(duì)全息攝影也就容易明白了。
在物理課的力學(xué)中我們?cè)诰做過(guò)水波的幹涉實(shí)驗(yàn)，而根據(jù)光的波動(dòng)特征，人們也成功地觀察到了光波的幹涉與衍射現(xiàn)象。爲(wèi)獲得頻率雷同的二條光線，讓光從一個(gè)狹縫中同時(shí)射向第二屏的兩個(gè)小孔，兩束光在屏後出現(xiàn)了幹涉條紋，條紋的出現(xiàn)是因爲(wèi)二束光的波谷與波谷會(huì)由于疊加時(shí)（同相）光加強(qiáng)，相互抵消時(shí)（反相）光減弱。這一現(xiàn)象使美國(guó)麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Stephen Benton發(fā)現(xiàn)其後面隱藏著一項(xiàng)高科技，從而對(duì)這項(xiàng)技術(shù)做出進(jìn)一步的研究。
全息圖像的特點(diǎn)
有關(guān)全息的原理在1947年就已由英國(guó)物理學(xué)家丹尼斯伽柏提出了，科學(xué)家本人也因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。在全息影像拍攝時(shí)，記錄下光波自己以及二束光相對(duì)的位相，位相是由實(shí)物（圖中藍(lán)色光線）與參考光線（圖中紅色光線）之間位置差異造成的，從全息照片上的幹涉條紋上我們?cè)诰看不到物體的成像，必須使用具有凝聚力的激光來(lái)準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)目標(biāo)照射全息片，從而再現(xiàn)出物光的全部信息。一個(gè)叫班頓的人後來(lái)又發(fā)現(xiàn)了更爲(wèi)簡(jiǎn)便使用白光還原影像的方法，從而使這項(xiàng)技術(shù)逐漸走向?qū)嵱秒A段。美國(guó)《國(guó)家地理雜志》第一次使用白色光全息片貼在封面時(shí)，銷售量由一千萬(wàn)份增加到再版後的一千六百萬(wàn)份。這一技術(shù)後由美國(guó)傳到歐洲和其它國(guó)家，廣泛用于信用卡等仿僞技術(shù)。激光全息攝影技術(shù)也隨之風(fēng)靡全世界。
全息攝影是使用激光光波的幹涉將影像與再現(xiàn)影像記錄下來(lái)的一種攝影，它與一般的立體照片技術(shù)完全不同，我們?cè)诰可以圍著它觀看各個(gè)側(cè)面，只是摸不到真實(shí)的物體，其顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)有如下幾點(diǎn)：
1、 再造出來(lái)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(shí)每一點(diǎn)都記錄在全息片的任何一點(diǎn)上，一旦照片損壞也關(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(huì)上進(jìn)行展示
會(huì)獲得非常好的結(jié)果。
爲(wèi)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：
(1) 光源必須是相幹光源
通過(guò)前面分析知道，全息照相是根據(jù)光的幹涉原理，因此要求光源必須具有很好的相幹性。激光的出現(xiàn)，爲(wèi)全息照相提供了一個(gè)理想的光源。這是因爲(wèi)激光具有很好的空間相幹性和時(shí)間相幹性，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。
(2) 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幹涉條紋，同時(shí)是又細(xì)又密的幹涉條紋，因此在照相過(guò)程中極小的幹?jǐn)_都會(huì)引起幹涉條紋的模糊，甚至使幹涉條紋無(wú)法記錄。譬如，拍攝過(guò)程中若底片位移一個(gè)微米，則條紋就辨別不清，爲(wèi)此，要求全息實(shí)驗(yàn)臺(tái)是防震的。全息臺(tái)上的所有光學(xué)器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺(tái)面鋼板上。另外，氣流通過(guò)光路，聲波幹?jǐn)_以及溫度變化都會(huì)引起周?chē)諝饷芏鹊淖兓。因此，在曝光時(shí)應(yīng)該禁止大聲喧嘩，不能隨意走動(dòng)，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)安靜。我們?cè)诰的經(jīng)驗(yàn)是，各組都調(diào)好光路後，同學(xué)們離開(kāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，穩(wěn)定一分鍾後，再在同一時(shí)間內(nèi)爆光，獲得較好的結(jié)果。
(3) 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(guò)2cm，調(diào)光路時(shí)用細(xì)繩量好;兩速光之間的夾角要在30°～60°之間，最好在45°左右，因爲(wèi)夾角小，幹涉條紋就稀，這樣對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和感光材料辨別率的要求較低;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)比用矽光電池測(cè)出。
(4) 使用高辨別率的全息底片
因爲(wèi)全息照相底片上記錄的是又細(xì)又密的幹涉條紋，因此需要高辨別率的感光材料。一般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(gè)條紋，天津感光膠片廠生産的I型全息幹板，其辨別率可達(dá)每毫米3000條，能滿足全息照相的要求。
(5) 全息照片的沖洗過(guò)程
沖洗過(guò)程也是很關(guān)鍵的。我們?cè)诰比照配方要求配藥，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，用純淨(jìng)的自來(lái)水配制，也獲得成功。沖洗過(guò)程要在暗室進(jìn)行，藥液千萬(wàn)不能見(jiàn)光，保全在室溫20℃在右進(jìn)行沖洗，配制一次藥液保管得當(dāng)可使用一個(gè)月左右。
在我們?cè)诰的生活中，當(dāng)然也常常能看到全息攝影技術(shù)的運(yùn)用。譬如，在一些信用卡和紙幣上，就有運(yùn)用了俄國(guó)物理學(xué)家尤裏·丹尼蘇克(Yuri Denisyuk)在20世紀(jì)60年代發(fā)明的全彩全息圖象技術(shù)制作出的聚酯軟膠片上的彩虹全息圖象。但這些全息圖象更多只是作爲(wèi)一種複雜的印刷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)防僞目的，它們的感光度低，色彩也不夠逼真，遠(yuǎn)不到亂確實(shí)境地。研究人員還試著使用重鉻酸鹽膠作爲(wèi)感光乳劑，用來(lái)制作全息識(shí)別設(shè)備。在一些戰(zhàn)鬥機(jī)上配備有此種設(shè)備，它們可以使駕駛員將注重力集中在敵人身上。
把一些珍貴的文物用這項(xiàng)技術(shù)拍攝下來(lái)，展出時(shí)可以真實(shí)地立體再現(xiàn)文物，供參觀者欣賞，而原物妥當(dāng)保存，防失竊，大型全息圖既可展示轎車(chē)、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(ài)的動(dòng)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(dòng)的卡通片、賀卡、立體郵票，也可以作為防偽標(biāo)識(shí)出現(xiàn)在商標(biāo)、證件卡、銀行信用卡，甚至鈔票上。裝飾在書(shū)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(huì)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(shí)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)推向了新的璀璨頂點(diǎn)。
綜上所述，全息照相是一種不用一般光學(xué)成象系統(tǒng)的錄象方法，是六十年代發(fā)展起來(lái)的一種立體攝影和波陣面再現(xiàn)的新技術(shù)。由于全息照相能夠把物體外表發(fā)出的全部信息(即光波的振幅和相位)記錄下來(lái)，並能完全再現(xiàn)被攝物體光波的全部信息，因此，全息技術(shù)在生産實(shí)踐和科學(xué)研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。例如：全息電影和全息電視，全息儲(chǔ)存、全息顯示及全息防僞商標(biāo)等。
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(cè)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，這關(guān)于即時(shí)識(shí)別飛機(jī)、艦艇等有很佳構(gòu)用。因此，備受人們的重視。但是由于可見(jiàn)光在大氣或水中傳播時(shí)衰減很快，在不良的氣候下甚至于無(wú)法進(jìn)行工作。為克服那個(gè)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，接著用可見(jiàn)光再現(xiàn)物象，這種全息技術(shù)與一般全息技術(shù)的原理雷同。技術(shù)的關(guān)鍵是尋找靈敏記載的介質(zhì)及合適的再現(xiàn)方法。
超聲全息照相能再現(xiàn)埋伏于水下物體的三維圖樣，因此可用來(lái)進(jìn)行水下偵察和監(jiān)視。由于對(duì)可見(jiàn)光不晶瑩的物體，往往對(duì)超聲波晶瑩，因此超聲全息可用于水下的軍事行動(dòng)，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無(wú)損檢測(cè)測(cè)等。
除用光波産生全息圖外，已發(fā)展到可用計(jì)算機(jī)産生全息圖。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，非常緊湊、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、抗汙損等優(yōu)點(diǎn)。
全息照相的方法從光學(xué)土地推廣到其他土地。如微波全息、聲全息等獲得很大發(fā)展，成功地應(yīng)用在工業(yè)醫(yī)療等方面。地動(dòng)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鋒波、飛機(jī)機(jī)翼蜂窩結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢驗(yàn)等。現(xiàn)在不僅有激光全息，同時(shí)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(gè)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)的歷史
最初，全息圖(Hologram)是蓋伯(Gabor)在1948年為改善電子顯微鏡像質(zhì)所提出的，其意義在于完整的記載。蓋伯的實(shí)驗(yàn)解決了全息術(shù)發(fā)明中的基本問(wèn)題，即波前的記載和再現(xiàn)，但由于當(dāng)初缺少明亮的相干光源(激光器),全息圖的成像質(zhì)量很差。1962年隨著激光器的問(wèn)世，利思和烏帕特尼克斯(Leith and Upatnieks)在蓋伯全息術(shù)的基礎(chǔ)上引入載頻的概念發(fā)明白離軸全息術(shù)，有效地克服了當(dāng)初全息圖成像質(zhì)量差的要緊問(wèn)題---孿生像，三維物體顯示成為當(dāng)初全息術(shù)研究的熱點(diǎn)，但這種成像科學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)初經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制作和觀察這種全息圖的代價(jià)是很昂貴的，全息術(shù)基本成了以高昂的經(jīng)費(fèi)來(lái)堅(jiān)持不切實(shí)際的夢(mèng)想的代名詞。1969年本頓(Benton)發(fā)明白彩虹全息術(shù)，掀起以白光顯示為特征的全息三維顯示新熱潮。彩虹全息圖是一種能實(shí)現(xiàn)白光顯示的平面全息圖，與丹尼蘇克(Denisyuk)的反照全息圖相比，除了能在一般白熾燈下觀察到明亮的立體像外，還具有全息圖處置工藝簡(jiǎn)單、易于復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)。
全息技術(shù)應(yīng)用到照相土地要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于一般的照相，一般照相是依據(jù)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(qiáng)分布，記載下來(lái)的照片沒(méi)有立體感，因?yàn)閺母鱾(gè)視角看照片獲得的像完全雷同。全息照相再現(xiàn)的是一個(gè)精確復(fù)制的物光波，當(dāng)我們看那個(gè)物光波時(shí)，可以從各個(gè)視角觀察到再現(xiàn)立體像的不同側(cè)面，猶如看到逼真物體一樣，具有景深和視差。如果拍攝并排的兩輛奔馳汽車(chē)模型，那么當(dāng)我們轉(zhuǎn)變觀察方向時(shí)，后一輛車(chē)被遮掩部分就會(huì)露出來(lái)。難怪人們?cè)谡褂[會(huì)會(huì)為一張奔馳汽車(chē)拍攝的全息圖而興奮不已：看見(jiàn)汽車(chē)的再現(xiàn)像，好像一拉車(chē)門(mén)就可以就坐上奔馳，太精彩了! 一張全息圖相當(dāng)于從多角度拍攝、聚焦成的許多一般照片。
