全息攝影

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全息攝影英語Holography),又稱全像投影,是一種記錄被攝物體反射(或透射光波中全部信息(振幅相位)的照相技術,而物體反射或者透射的光線可以通過記錄膠片完全重建,彷彿物體就在那裡一樣。通過不同的方位和角度觀察照片,可以看到被拍攝的物體的不同的角度,因此記錄得到的像可以使人產生立體視覺

全息攝影歷史與概述[編輯]

1947年,英國匈牙利裔物理學家[1]丹尼斯·蓋伯[2]發明了全息攝影術,他因此項工作獲得了1971年的諾貝爾物理學獎。其它的一些科學家在此之前也曾做過一些研究工作,解決了一些技術上的的問題。全息攝影的發明是蓋伯在英國BTH公司研究增強電子顯微鏡性能手段時的偶然發現,而這項技術由該公司在1947年12月申請了專利(專利號GB685286)。這項技術從發明開始就一直應用於電子顯微技術中,在這個領域中被稱為電子全息攝影技術,但是全息攝影技術一直到1960年激光的發明才取得了實質性的進展。

第一張實際記錄了三維物體的光學全息攝影照片是在1962年由蘇聯科學家尤里·丹尼蘇克拍攝的[3]。 與此同時,美國密歇根大學雷達實驗室的工作人員艾米特·利思尤里斯·烏帕特尼克斯也發明了同樣的技術[4]尼古拉斯·菲利普斯改進了光化學加工技術,以生產高質量的全息攝影圖片[5]

全息攝影可以分為如下若干類。透射全息攝影,如利思和烏帕特尼克斯所發明的技術,這種技術通過向全息攝影膠片照射激光,然後從另一個方向來觀察重建的圖像。後來經過改進,彩虹全息攝影可以使用白色光來照明,以觀察重建的圖像。彩虹全息攝影現在廣泛的應用於諸如信用卡安全防偽和產品包裝等領域。這些種類的彩虹全息攝影通常在一個塑料膠片形成了表面浮雕圖案,然後通過在背面鍍上鋁膜使光線透過膠片以重建圖像。另一種常見的全息攝影技術稱為反射全息攝影,或稱為丹尼蘇克全息攝影。這種技術可以通過使用白色光源從和觀察者相同的方向來照射膠片,通過反射來重建彩色的圖像,以重建圖像。鏡面全息攝影[6]是一種通過控制鏡面在二維表面上的運動來製造三維圖像的相關技術。它通過控制反射光線或者折射光線來構造全息圖像,而蓋伯的全息攝影是通過繞射光來重建波前的。

促使全息攝影在短短的一段時間內就蓬勃發展的關鍵原因是低成本的固體激光器的大規模生產,如DVD播放機和其他的一些常用設備中所使用的激光器。這些激光器對全息攝影的發展也產生了極大的促進作用。這些廉價的體積又很小的固體激光器可以在某些條件下與最初用於全息攝影的那些大型的昂貴的氣體激光器相媲美,因此使得預算較低的研究者、藝術家甚至業餘愛好者都可以參與到全息攝影的研究中來。

全息攝影理論[編輯]

全息攝影的過程。

儘管全息攝影經常被稱為三維攝影,這是一個不正確的說法。一個更好地類比是在錄音的過程中通過將聲場編碼,使得隨後可以將其重現。在全息攝影中,一個物體或者一組物體散射的光線會照射到記錄介質上,此時,第二束被稱為參考光的光線也照射在記錄介質上,這樣,兩束光發生了干涉。產生的光場產生了看起來隨機的圖案,而變化的密度被記錄介質記錄了下來。可以證明,如果使用與參考光相同的光線,參考光可以在照片上產生繞射,而繞射的光場和物體散射的光場相同。這樣,如果觀察全息攝影的照片就會看到那個物體,儘管物體其實並不在那裡。包括攝影膠捲在內的多種記錄介質都可以用於全息攝影。

全息攝影的發明人丹尼斯·蓋伯解決的問題是怎樣為所有穿過一個大窗口的光線拍照,而不僅僅是為穿過一個很小的針孔的光線拍照。在透過這個窗口進行觀察的時候,由於每隻眼睛觀察到不同的場景,觀察者會產生立體的感覺。而且,如果觀察者能夠將他的頭圍繞着窗口外部移動,他可以看到物體的不同的角度(二十世紀六十年代早期的的一個全息攝影實驗拍攝了一個物體,物體前面幾厘米的位置擺放了一個放大鏡,觀察這可以通過將頭上下擺動,看到物體透過透鏡成的像和物體本身)。

丹尼斯·蓋伯為了進行全息攝影,需要使用一個高速的快門,快門的速度非常快,使得它可以將光波穿過窗口時的相位固定住,也就是說,這個快門需要以光速工作。如果光線閃爍的時間和物體運動的周期一致,每次看到的都是物體同樣的部位,這樣物體看起來就是固定的,頻閃燈就是用這個原理來「固定」快速移動的物體如發動機,蓋伯採用了類似的辦法來實現。在全息攝影中,和頻閃燈類似的功能由參考光來完成。在上邊的示意圖中,光線的一部分照明光被物體散射,直接照射在膠片上(這裡沒有使用針孔或者透鏡來成像),而另一部分參考光沒有照在物體上,而是從原始激光束中分離後直接照射在膠片上。

在全息攝影重構過程中,為了回放膠片中拍攝的內容,需要重新提供參考光線,將它照射在沖洗出來的膠片上,也就是我們所說的窗口中。這使得在攝影過程中捕捉的穿過窗口的光線相位和他們當初離開物體照在膠片上的時候的相位完全一致的重現。實際上,如示意圖所示,現在可以通過窗口觀察到其後的物體了。

丹尼斯·蓋伯的發明的原理並不像頻閃燈那樣簡單。為了進一步的理解全息攝影的理論,我們需要理解光波的干涉和繞射。對於那些不熟悉這些概念的人,在閱讀本節以下部分之前可以通過閱讀那些專門介紹的文章來學習這些概念。

干涉與繞射[編輯]

在一個或者多個波前疊加的時候會出現干涉現象。而在一個波前接觸到一個物體的時候就會產生繞射。全息攝影重建的過程在下面完全是用干涉和折射進行了解釋。這個解釋有所簡化,但是足以理解全息攝影過程的工作原理了。

平面波前的情況[編輯]

繞射光柵是一種具有周期性結構的器件。一個刻有均勻的刻線的金屬板就是一個簡單的光柵。光線穿過它的時候會產生彎曲,彎曲的角度θ由光線的波長λ和刻線的間距d決定, 關係為sinθ = λ/d。

非常簡單的全息攝影可以通過將從同一光源射出的兩束平面波疊加來示意。參考光垂直照射在攝影膠片上,而另一束光以一定的角度θ照射在膠片上。兩束光之間的相對相位差在膠片上不停地變化,變化的關係為2π y sinθ/λ,其中y是沿着膠片的距離。這兩束光的干涉會產生干涉圖樣。由於光線的相位差每經過d = λ/sinθ的距離變化2π,干涉條紋的間距也是d。這樣參考光和物體發出的光之間的相對相位就由干涉條紋的最亮處和最暗處記錄下來了。

在攝影膠片沖洗出來以後,干涉條紋可以用作繞射光柵。這樣,當參考光線照射在膠片上的時候,部分光線會以相同的角度θ發生繞射。這樣,物體發出的光線就被重建出來了。使用兩個波的干涉創建出的繞射光柵可以重建出物體發射的光線,這樣它可以看作是上面定義的全息攝影。

點光源的情況[編輯]

全息攝影重建過程。

更複雜的全息攝影可以使用點光源作為物體,同時使用一束平面波來作為參考光來照射在攝影膠片上。這時,產生的干涉圖樣是曲線,曲線的形狀為一圈一圈的圓環,離中心越遠,圓環的間距越小,這個形狀也被稱為波帶板

照相底片沖洗以後會顯示出複雜的干涉圖樣,這個圖樣可以被認為是有不同間隔的繞射圖案的疊加。當沖洗後的膠片單單被參考光照明的時候,膠片上的圖案可以看作是一個光柵,這個光柵會根據光柵刻線的間距將光線繞射至不同的角度。可以證明,這個效果的淨效應是重建了物體(點光源)發出的光線。由於從膠片發出的光線與點光源所發射出來的光線一模一樣,觀察者可以看到光線是從膠片後面的一個點發射出來的,儘管這個物體其實並不存在。

這張全息照相的照片可以產生凹透鏡的效果,因為它使平面波前轉變為發散的波前。它也可以增加照射在其上的任何波前的分散性,就和普通地透鏡一樣。它的焦距就是點光源與膠片的間距。

複雜物體的情況[編輯]

為了記錄複雜物體的全息影像,首先要將一束激光用分光器分成兩束:一束光用於照亮物體,物體會將它散射,反射光會照在記錄介質上;另一束光直接照射在記錄介質上面。

根據繞射理論,物體上面的每一個點都可以看作是一個點光源。每個點光源所發射出來的光都會和參考光發生干涉,產生干涉圖樣。結果產生的干涉圖樣是所有的點光源和參考光源產生的干涉圖樣的疊加。

當移除了物體並沖洗膠片以後以後,將參考光重新照射記錄了全息影像的膠片,每一個點光源繞射光柵都可以繞射部分的參考光線,重建他們對應的點光源的波前。這些單獨的波前疊加起來以後就可以重建整個物體散射的光線的波前。由於觀察者感知到的波前和物體散射出的光線的波前完全一致,因此觀察者仍然可以看到在那裡的物體。這個圖像可以看作是虛像,因為那裡並沒有實際物體發出光線。而且可以看到照亮物體的光源的方向和原始的照明光線方向是一致的。

數學模型[編輯]

光波可以使用一個複數變量U來表示其光波中的電場磁場。光波的幅度相位可以使用複數的幅角來表示。在全息攝影的系統中,每一點處的物體發出的光和參考光可以用變量UOUR來表示,這樣聯合起來的光波可以表示為UO + UR。這個光波的能量和電場幅度的平方成正比:

|U_O + U_R|^2=U_O U_R^*+|U_R|^2+|U_O|^2+ U_O^*U_R

如果一張攝影膠片暴露在這兩束光中,然後沖洗出來,它的透射函數將於照射在其上的光線能量成正比,可以表示為:

T=k[U_O U_R^*+|U_R|^2+|U_O|^2+ U_O^*U_R]

其中k是常數。沖印出來的膠片在使用參考光照射的時候,透過膠片的光波可以用UH表示:

U_H=TU_R=k[U_O U_R^*+|U_R|^2+|U_O|^2+ U_O^*U_R]U_R=k[U_O|U_R|^2+|U_R|^2U_R+|U_O|^2U_R+ U_O^*U_R^2]

可以看出UH中包含四項,第一項正比於 UO,可以用來重建物體發射出來的光。第二項代表了參考光,其幅度變成了 UR2。第三項同樣代表了參考光,其幅度為UO2,這個修改可以引起參考光線在其中心方向周圍發生繞射。第四項被稱為共軛物體光線。它的凹凸性和物體正好相反,而且在全息膠片的前方形成了一個實像。由於全息攝影在拍攝時都要讓物體和參考光垂直的照射在膠片上,這意味着全息攝影被參考光照射後產生的四束光會疊加在一起。由利思和烏帕特尼克斯發明的離軸全息攝影可以解決這個問題。物體光和參考光以一個角度照射在全息記錄介質上,因此虛像、實像和參考光波前以不同的角度射出,使得可以清晰的觀察到重建的像的光線。

全息攝影膠片[編輯]

漫射光背景下的全息攝影膠片,區域大小為8x8毫米。

右圖所示為一張在漫射光背景下拍攝的全息照片,照片上已經記錄了全息的光信息。圖中所示的區域的大小為大約8x8毫米。全息攝影中記錄下來的是光線強度的隨機變化,這個變化被稱為客觀散斑。膠片中規則的線條是由光線在裝載膠片的玻璃板中多次反射產生的干涉條紋。直接觀察全息攝影的膠片時是無法根據記錄的結構辨識出所拍攝的物體的,就像無法根據留聲機在唱片上留下的刻痕直接讀出音樂一樣。當使用激光束照亮全息攝影膠片的時候,觀察者可以看到拍攝的物體(右邊這張照片拍攝的一輛玩具汽車),這是因為激光可以被膠片繞射,從而重建物體散射出的光線。

當一個人觀察的時候,每隻眼睛都捕捉到物體散射的光線的一部分,而人眼中的晶狀體可以作為透鏡將物體在視網膜上成像,而從不同角度上射出的光線都在相平面的不同角位上成像。由於全息攝影系統可以將射在膠片上的光場完整的重構出來,觀察者看到的光場和物體散射出來的光場完全一致,換句話說,觀察者無法區分看到的是真實的物體散射的光線,還是僅僅是一個虛像。如果觀察者移動,它看到的物體看起來也在移動,用戶仍然無法區分他看到的是究竟是原始的光場還是重構出來的光場。如果場景中有若干個物體,用戶者還可以觀察到視差現象。如果觀察者用兩隻眼睛同時觀察,就可以產生立體視覺,也就是在觀察全息攝影照片的時候得到深度的信息,這和他在觀察真實的場景的時候感受到立體視覺的原理是完全一致的。然而,全息攝影並不是三維照片。照片可以從一個觀察點將場景的像記錄下來,這個觀察點是由照相機的透鏡位置決定的。而全息攝影記錄下來的並不是像,而是將需要重建的散射光光場編碼記錄下來。在任何位置使用照相機或者眼睛都可以記錄下重建的散射光線。在早期的全息攝影研究中,通常使用棋盤作為拍攝物體,然後可以通過不同角度對重建的光線拍照來展示棋子相對位置的變化。

由於全息攝影中每個點都包含了原始場景的光線的信息,從原理上說,整個場景可以通過任意小的一部分全息攝影膠片上還原出來。為了展示這個概念,可以將全息照片分成若干部分,通過每個部分都可以觀察到整個的物體。如果一個人將全息照片看作是觀察物體的窗口,每一小片全息照片僅僅是窗口的一部分,但是通過這個窗口仍然可以觀察到物體,儘管其他的窗口已經被關閉了。然而,在全息照片的尺寸減小了以後,解像度會隨之降低,因此物體會變得模糊。這是繞射的結果。在普通的光學成像系統中,也可以觀察到類似的現象,當透鏡或者透鏡的光圈直徑降低的時候,成像的解像度會受繞射光斑的影響而降低。

觀察和創作全息攝影[編輯]

在記錄全息影像的過程中,物體散射光和參考光必須能夠產生穩定的干涉圖樣。為了達到這個效果,這些光線必須具有相同的頻率,在曝光時也保持相同的相對相位,這也就是說,這些光線必須相干。很多激光光束符合這個條件,因此自從全息攝影發明開始就使用激光來進行全息攝影了,儘管最早蓋伯提出的全息攝影使用的是准單色光。從原理上說,如果兩個不同的光源可以產生相干光,那麼就可以使用這兩個分離的光源來進行拍攝,但是實際上總是使用單一的激光光源。

另外,用於記錄全息攝影的干涉條紋的介質必須擁有足夠的解像度,以使干涉條紋可以分辨出來。下面列出了一些通常使用的記錄介質。干涉條紋的距離和物體與參考光之間的角度有關。例如,如果這個角度是45°,光波的波長為0.5微米,那麼條文的間距大約是0.7微米,也就是1400線/毫米。當然即使無法解析出所有的條紋仍然可以看到全息攝影的拍攝結果,只是圖像的解像度會隨着記錄介質解像度的下降而下降。

在拍攝全息照片的時候,機械穩定性也是非常重要的。物體和參考光的震動甚至是空氣的運動都會產生相對的相位變化,這會使得記錄介質上的條紋發生移動。如果相位變化超過π,就會導致干涉圖樣平均起來消失了,也就無法得到全息記錄的結果。通常的記錄時間需要若干秒,而相對的相位差小於π相當於要求位移小於λ/2,這是一個相當嚴格的穩定性要求了。

一般來說,光線的相干長度決定了全息攝影能夠記錄的場景深度。通常擁有良好性能的激光的相干長度可達數米,足夠用於拍攝很深的全息照片了。某些激光筆也被用來製造較小的全息照片,這些全息照片的深度並不是由激光筆產生的激光的相干長度的限制的,而是受限於激光筆的功率(低於5毫瓦)。

場景中待拍攝的物體必須有光學上粗糙的表面,因此可以在很廣的角度上散射光線。鏡面反射的表面會照射其上每一點的光線反射至一個特定的角度,因此,大多數的光線不會接觸到記錄的介質。而從物體粗糙表面散射的光線會產生具有隨機幅度和相位的客觀散斑

參考光線一般並不是一個平面波前,而常用的是一束分散的波前。這種波前可以通過在激光的光路中插入一個凹透鏡來實現。

為了通過透射全息照片準確的重建物體的像,照在其上的參考光必須和拍照時的參考光有相同的波長和曲率,也必須以和拍照相同的角度照在照片上。唯一可以有不同之處的地方只能是參考光的相位。違反任意一條條件都會導致重建過程失真。幾乎所有的全息照片都是使用激光拍攝的,但是窄帶的燈甚至日光都可以辨別出重構的像。

如果用於重構全息圖像的光線的波長變長,那麼重構出來的圖像會放大。最開始人們希望能夠使用X射線來拍攝全息圖像,然後使用可見光來觀察像,然而直到現在仍然沒能成功的使用X射線來拍攝全息圖像[7]。 但是這個效應可以通過使用能夠發出不同頻率光線的光源來觀察到 [8]

全息干涉度量中,會將重建的全息圖像的波前與真正的波前進行干涉,以找出任何物體的位移。如果物體沒有移動,就不會產生干涉條紋,而這裡需要精確的重建全息圖像。

全息攝影記錄介質[編輯]

根據上面的討論,記錄全息影像的介質需要有能力解析出干涉條紋。介質也必須足夠敏感,以能夠在盡量短的時間內完成拍攝,使得系統儘可能的保持其光學穩定性。光學穩定性是指兩束光之間的相對位移需要遠小於λ/2。使用大功率脈衝激光器可以在幾納秒的時間內在特定的材料上記錄下全息圖樣[9]

記錄介質需要將干涉圖樣轉換成能夠改射在其上的光線的幅度或者相位的光學元素,這被稱為幅度全息和相位全息。在幅度全息照片中,照片上不同位置對光線的吸收率不同,這是由於在沖洗出來的照片中,膠片上的感光乳劑根據照射其上的光強度不同剩餘的數量也不相同。在相位全息照片中,材料的光學距離(折射率或者厚度)隨着光強的變化而發生變化。

大多數用於相位全息照片的感光材料可以達到理論上的繞射效率 ,對於厚全息照片來說,效率達到了100%(布拉格繞射區域),而對於薄全息照片,效率達到33.9%(拉曼-奈斯繞射區域,全息照片通常只有幾微米厚)。幅度全息照片的效率要比相位全息照片的效率低,因此較少使用。

下面的列表顯示了用於全息攝影的主要的感光材料。注意這些材料並不包括用於大規模複製已有全息照片的那些材料。表中解像度的極限表示曝光後形成的光柵每毫米最多的線條數。曝光需要很長的曝光時間,而短曝光時間(少於1毫秒,如使用脈衝激光)需要大曝光量。

全息攝影記錄介質的主要性質。數據來源:[10]
材料 可否重用 加工方式 全息類型 最高效率 曝光量 [mJ/cm²] 解像度極限 [mm−1]
感光乳劑 濕加工 幅度 6% 0.001–0.1 1,000–10,000
相位 (漂白) 60%
重鉻酸鹽明膠 濕加工 相位 100% 10 10,000
光刻膠 濕加工 相位 33% 10 3,000
光致熱敏材料 充電加熱 相位 33% 0.01 500–1,200
感光樹脂 後曝光 相位 100% 1–1,000 2,000–5,000
光致變色材料 幅度 2% 10–100 >5,000
光致折變材料s 相位 100% 0.1–50,000 2,000–10,000
彈性體[11] 相位 -- 300 --

全息打印機[編輯]

全息打印機是一種全息圖像的打印設備,它可以根據一個三維模型或視頻序列輸出全彩色的數字全息圖像。一台這樣的機器價值可能達到50萬美元,體積大概能佔據一個小房間。它使用紅色、綠色和藍色的激光在全息膠片上刻印上一系列全息像素。全息像素包含有從它的位置可以觀察到的整個圖像的信息。每個全息象素的信息是根據產生的計算機圖像計算得出的。全息膠片的介質是一曝光後可能還需要衝洗。隨後,這層薄膜將被壓在一個硬塑背板上。由於每個全息像素都需要使用三種顏色單獨印刷,打印一張數字全息圖像可能需要若干個小時。每個全息像素的大小大約是1平方毫米。

目前全世界僅有少數幾家數字全息打印機製造商。

壓印與大規模生產[編輯]

全息照片製作成功以後可以對它進行複製,複製可以採用於全息攝影類似的光學方法,或者通過壓印來製作表面浮雕全息照片。表面浮雕全息照片使用光阻材料或者光致熱敏材料進行記錄,而且可以以較低的成本進行大規模的複製生產。現在,這種壓印的全息圖像已經得到了廣泛的應用,如信用卡或合格產品上印刷的安全信息。加拿大皇家造幣廠甚至還通過複雜的沖印工藝在金幣和銀幣上製造全息圖像[12]。1984年,國家地理雜誌出版了第一本封面印有全息圖案的雜誌[13]

壓印工藝的第一步是通過電子沉積法在記錄了全息圖像的光阻材料或者光致熱敏材料上鍍上鎳,以製造壓模。當鎳層達到了要求的厚度,就將它與全息照片分離,隨後裝在金屬背板上。用於複製全息照片的材料包括聚酯薄膜、樹脂分離層、以及用以構成全息圖像層的熱塑薄膜。

壓印的過程可以通過簡單的熱壓來實現。底層用來複制全息圖像的,為熱塑層,這層首先需要加熱,當超過軟化點溫度後,使用壓模壓制。這個形狀在薄膜冷卻以後依然保持,然後從壓模剝離。為了允許通過反射來觀察到壓印的全息圖像,還需要在記錄了全息圖像的薄膜後添加一層反射層。這層薄膜通常使用鋁來製造。

目前研究表明,可以通過表面炸藥爆炸來創建需要的表面浮雕,以在鋼鐵上直接印刷全息圖像[14]

應用[編輯]

數據存儲[編輯]

除了記錄圖像,全息攝影技術還有很多其他應用。全息存儲就是一種能夠以很高的密度在晶體內部和光聚材料上存儲信息的技術。由於許多電子產品都需要包含存儲設備,這種能夠在某些介質上存儲大量信息的技術非常重要。目前的存儲技術如藍光光盤已經達到了繞射所限制的最大的數據存儲密度,因此全息存儲可能稱為下一代主要的存儲技術。這種數據存儲技術的優點是數據不僅僅是記錄在表面上,而且也記錄在材料的內部。目前可用的空間光調製器可以在1秒鐘內產生1000幅不同的圖像,圖像的解像度是1024×1024比特。使用合適的記錄材料(可能是聚合材料或者硝酸鋰)可以達到每秒1Gb的寫入速度。讀取速度比寫入速度快許多,一般認為可以達到每秒1Tb的讀取速度。

2005年,一些公司如OptwareMaxell生產了120mm的全息光盤,這個全息光盤使用全息記錄層,最多可以存儲3.9TB的信息。他們計劃以全息通用光盤來將這項技術推向市場。其他的公司如InPhase科技也在研究類似的技術格式。

大多數的全息數據存儲模型都採用了基於頁的存儲方式,每一記錄的全息圖像都包含有大量地信息。最近的研究計劃使用亞微米的微型全息圖像來實現可能的三維光存儲解決方案。儘管這種數據存儲方式無法達到基於頁的數據存儲的高數據率,這種方案的生產成本更低,技術障礙也更小。

安全領域[編輯]

使用全息圖像作為安全措施的瑞銀幻彩金條

由於複製全息圖像需要價格昂貴的專門先進設備,安全全息圖像非常難以偽造。許多貨幣都使用了全息防偽圖像,如巴西20雷亞爾鈔票、英國的5/10/20英鎊鈔票、愛沙尼亞25/50/100/500克朗鈔票、加拿大的5/10/20/50/100的鈔票、5/10/20/50/100/200/500歐元鈔票、韓國5000/10000/50000韓元鈔票、日本5000/10000日元鈔票等等。他們也經常用於銀行儲蓄卡、信用卡以及護照、身份證明、書籍、DVD以及體育器材等等。

藝術作品[編輯]

藝術家很早就意識到了全息攝影的作為一種藝術媒介的潛能,因此他們來到科學實驗室來創造他們的藝術品。全息攝影藝術經常是科學家和藝術家的合作結果,儘管某些全息攝影家認為他們自己既是科學家又是藝術家。薩爾瓦多·達利聲稱他是第一個在藝術中應用全息攝影的人。可以肯定,他是第一位著名的應用全息攝影的超現實主義藝術家,但是在1972年紐約達利全息攝影展之前,就已經先後有1968年的密歇根克蘭布魯克藝術學院全息藝術展覽和1970年的芬奇學院畫廊全息藝術展了。這些展覽得到了全國媒體的關注[15]

在二十世紀七十年代,一些藝術工作室和學校成立,每一家都以其獨特的方式來研究全息攝影。比較著名的有三藩市全息攝影學校,紐約全息攝影博物館,倫敦皇家藝術學院和湖林學院研討會等等[16]。目前,這些工作室都不再存在了。然而,紐約全息藝術中心[17]和首爾HOLO中心[18]仍然為藝術家提供創作和展覽全息藝術的場所。

在八十年代,許多使用全息攝影的藝術家在藝術世界中推廣了了這種所謂的新媒體。每個藝術家都找到了一種合適的表達方式來展現他們的三維藝術作品,避免了簡單的使用全息攝影再現是一個雕像或物體。例如,在巴西,許多仿形體詩人發現全息攝影可以用來表達自己的想法,更新了仿形體詩的創作。

目前還有一群人數雖然較少但仍很活躍的藝術家仍然在使用全息攝影作為他們的主要載體,更多的藝術家將全息攝影的元素集成到了他們的作品中[19]。有一些人採用了創新的全息攝影技術,例如藝術家馬特·布蘭德[20]使用計算機鏡面設計來消除鏡面全息攝影的像失真。

麻省理工學院博物館[21]和喬納森·羅斯[22]都收藏了大量的全息攝影作品,同時也提供了在線作品目錄。

業餘愛好[編輯]

自從全息攝影發明以來,許多人都探索了全息攝影的可能應用。1971年,勞埃德·克羅斯開辦了三藩市全息攝影學校,進行對入門者使用便宜的設備進行全息攝影的方法。這種方法需要使用一大桌子的深沙來固定光學器件,減弱可能毀壞圖像的振動

許多全息攝影家都在製作全息攝影藝術作品。1983年,弗雷德·安特爾捨出版了全息攝影手冊,用非常淺顯的文字描述了在家中拍攝全息照片的方法。這本書帶來了新一波的全息攝影家,他們採用非常簡單的方法使用鹵化銀來記錄全息影像。

2000年,弗蘭克·德弗萊伊塔斯出版了全息攝影書,向無數全息攝影愛好者介紹了使用激光筆進行全息攝影的方法。這個方法對於初學者非常重要,因為一支5毫瓦的激光筆價格僅5美元,以前使用的激光器價格高達1200美元。目前,全世界有成百上千的業餘全息攝影愛好者。

2006年,用於全息攝影的綠色激光器開始大量出現,而業餘全息攝影家們也可以使用重鉻酸鹽明膠來進行全息攝影。全息攝影界對重鉻酸鹽明膠對綠色光的高感光性感到非常驚異,因為以前人們認為這種敏感性應該是不存在的。傑夫·布萊斯認為採用G307配方的重鉻酸鹽明膠可以增加拍攝的速度和敏感性[23]

許多膠片提供商在鹵化銀市場進進出出。儘管越來越多的膠片製造商開始出現填補出現的空白,許多業餘愛好者開始自己製造膠片。比較流行的配方是重鉻酸鹽明膠、感光亞甲藍、以及擴散方法製備鹵化銀。傑夫·布萊斯發表了非常準確的製備膠片的配方[24],人們可以在小型實驗室甚至車庫中製備膠片。

目前甚至還有一小批業餘愛好者自製脈衝激光器來拍攝運動物體的全息照片[25]

全息干涉[編輯]

全息干涉[26][27]是一種能夠靜態和動態的檢查有粗糙表面的物體位移的技術,測量的精度可以達到光學干涉的精度(小於光線的波長)。這種技術也可以用來檢測透明介質中的光路長度的變化,因此可以顯示並分析液體的流動。它也可以用於產生物體表面的等高線。

目前這種技術被廣泛的用於測量機械結構的應力、張力和震動情況。

干涉顯微[編輯]

全息圖像保存了光場的幅度和相位信息,有一些全息圖像保存的信息可以接近向各個方向輻射的光分佈所包含的全部信息。對這些全息圖像的數值分析可以仿真非常大的數值孔徑,因此能夠提高光學顯微鏡的解像度。相應的技術稱為干涉顯微技術。目前的干涉顯微技術可以達到1/4波長的解像度極限[28]

全息傳感器[編輯]

使用某種特定材料製成的全息攝影的膠片可以在與特定的分子發生反應的時候引起條紋周期性或者折射率的變化,因此,全息圖像反射光的顏色也將為此發生變化[29]

動態全息攝影術[編輯]

在穩定的全息攝影中,記錄、沖洗和重建等步驟依次執行,而最終會產生永久的全息照片。

還有一種不需要進行沖洗的全息感光材料,它可以在很短的時間內記錄一張全息圖像。這樣,人們就可以使用全息攝影來完成一些簡單的全光操作。這種實時的全息圖像的應用包括相位共軛鏡光緩存圖像處理(對時變圖像的模式識別)以及光計算

由於計算過程是對整個圖像的並行處理,需要進行計算的信息量可能非常巨大(Tb/s)。這樣大的計算量可以補償通常幾微秒的記錄時間。幾微秒的時間對於通常使用的電子計算機來說已經是很長的時間了。對動態全息圖像的光處理也不如電子計算機的處理方法靈活。從一方面來說,人們總是需要對整個圖像進行處理,但是從另一方面來說,對全息圖像的處理又是非常基本的,通常是乘法或者相位共軛等等。但是在光學處理中,加法和傅立葉變換在線形材料中都是非常實現的(傅立葉變換可以簡單的通過透鏡來實現)。這樣就使得在某些應用中,設備可以使用光學方法對圖像進行比較[30]

目前的研究中,人們正在積極尋找一些新型的非線性光學材料。最常見的材料就是光折變晶體,還有半導體半導體異質(如量子阱)、原子蒸汽和氣體、等離子體,甚至是能夠產生全息圖像的液體。

一個非常可能得到重要應用的研究是光學相位共軛。它可以通過讓光線再次穿過具有共軛相位的介質來移除光線在穿過致像差介質時產生的波前失真。在自由空間光通信中,這個技術可以用於補償大氣干擾(這是造成星光閃爍的原因)。

非光學應用[編輯]

從原理上說,可以對任何進行全息記錄。

電子全息攝影是將全息攝影技術應用於電子波中。電子全息攝影技術由丹尼斯·蓋伯發明,可以用於改進解像度並防止透射電子顯微鏡的吸收。現在,這種技術仍然在用於研究薄膜的電場和磁場,這是因為電場和磁場可以改變穿過樣品的干擾波的相位[31]。電子全息攝影的原理也可以用於干涉光刻[32]

全息聲學是一種能夠通過測量遠離聲源的一組壓力/粒子速度傳感器來估計聲源附近的聲場的方法。全息聲學等測量技術在許多領域都越來越重要,特別是在運輸、運載工具和飛船的設計等領域。全息聲學的基本思想已經導致了不同種類的全息聲學,如近場全息聲學、統計最優近場全息聲學。在聲學再現領域,波場合成是最相關的過程了。

全息原子學的進展已經超越了原子光學領域的基本要素的發展。在菲涅耳繞射透鏡和原子鏡的幫助下,全息原子學和原子束物理學的一起發展。最近的關於原子反射鏡,特別是脊反射鏡的進展為拍攝原子全息攝影圖像提供了重要工具[33]。然而,到目前為止,原子全息攝影還沒有被商業化。

其它應用[編輯]

在郵局、大型貨運公司以及自動化傳輸系統中使用了全息圖像掃描儀來確定包裹的三維尺寸。這個技術經常與重量選別秤一起使用,以在給定的體積內自動的打包,可以更好地用於卡車等大型貨物運輸裝置。

易混淆概念[編輯]

光柵印刷投影佩珀爾幻象都是容易與全息圖像相混淆的概念[34]

另見[編輯]

參考[編輯]

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擴展閱讀[編輯]