信息光学论文

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1、信息光学研究发展现状【摘要】 从全息思想的提出至今已经有半个多世纪的历史。期间， 全息技术的发展取得了很大的成就。梳理一下全息技术的发展以及当 今的研究和应用现状，有助于我们深入了解全息技术对生产、生活的 重要影响以及其今后的发展方向。【关键词】全息 防伪 存储 全息透镜【引言】全息技术一门正在蓬勃发展的光学分支，主要运用了光学原理，是一种不用透镜，而用相干光干涉得到物体全部信息的二部成像技术。如果说全 息技术在照相方面的应用与普通照相技术的最大区别，那就是全息技术能够利用 激光的相干性原理，将物体对光的振幅和相位反射(或透射)同时记录在感光板 上，也就是把物体反射光的所有信息全部记录下来，并

2、能够再现出立体的三维图 像。也就是全息技术所记录不是图像，二是光波。全息技术近年来已渗透到社会 生活的各个领域并被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中，特别是在现代测 试、生物工程、医学、艺术、商业、保安及现代存储技术等方面已显示出特殊的 优势。随着全息技术的快速发展，全息技术的产品正越来越多地走向市场、应用 于现代生活中。一、全息技术的发展简介全息照相技术是1948年英国科学家丹尼斯伽伯(Dennis Gabor)为改善电 子显微镜成像质量提出的重现波前的理论，并因此获得了诺贝尔奖。但当时由于 缺乏纯净的能够相互干涉的光，全息图的质量很差。直到十二年以后的1960年， 激光器问世，美国密执安

3、大学的埃梅蒂利斯与朱里斯尤佩尼克拍成了第一张 全息相片，全息技术才有了蓬勃快速的发展。1948年，伽伯为提高电子显微镜的分辨率，在布拉格的“x射线显微镜”、 泽尼克的相衬原理的启示下，提出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方 法，并用实验证实了这一想法。为了进一步证实其原理，他先后采用电子波与可 见光进行了验证，并在可见光中得到了证实，同时制成了第1张全息图。从那时 起至20世纪50年代末期，全息图都是用汞灯作为光源，而且是参考光与物光共 轴的共轴全息即同轴全息图。它与 4-1 级衍射波是分不开的，这是全息术的萌芽 时期。这个时期全息图存在 2 个严重问题，一个是再现的原始像与共轭像分不开；

4、 另一个是光源的相干性太差，因此在这 10多年中，全息术进展缓慢。离轴全息术是在激光器出现以后产生的用激光记录激光再现的全息术，其特 点是获得的物体重现像与照明光分离，易于观察。1960 年激光的出现，提供了一种高相干度光源。1962 年，美国科学家利思 (Lei th)和乌帕特尼克斯(Upa tnieks)将通信理论中的载频概念推广到空域中， 提出了离轴全息术，就是用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的 参考光照射全息图，使全息图产生 3 个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复 制出原始物光。这样，同轴全息图两大难题宣告解决，产生了激光记录、激光再 现的全息图。从而使全息术在沉睡了

5、十几年之后得到了新生并进入了一个极为活 跃的阶段。此后，又相 继出现了多种全息方法，如大景深全息照相法、激光记 录与激光再现的彩色全息照相法等。白光全息术是利用白光制作全息图，用激光或白光照明观察再现，这是全息 术的最高阶段，至今虽有不少人做了一些初步工作，但尚未有突破性进展。激光 的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格 保持不变。这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过 头来继续探讨白光记录白光再现全息图的可能性。它将使全息术最终走出有防震 工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域 。二、全息技术的应用前景全息技术的应用非常广泛，并不断被

6、应用于新的领域，以下列举了全息技术 的部分重要应用。(一) 全息显示全息显示主要利用全息照相能重现物体三维立体图像的特点，因全息片能给 出和原物大小一样、细节精美、形状逼真的三维图像，所以是极有发展前景的应 用之一。它可以用来复制历史文物艺术珍品、全息肖像、全息装饰品和全息风景 画等也可用于超景深照相，使远距离到近距离的物体同时记录在一张全息底片 上。而从其再现像中逐次按不同距离分层观测，不受普通照相景深的限制。全息 显示常用的全息术有：透射和反射全息、像面全息 彩虹全息、真彩色全息、合 成全息和模压全息等多种类型。其中除透射全息图需要用激光再现外，其余都可 用自光再现，从而使在自昼自然环境中

7、可观察到三维景像。近年来模压全息逐步 进入到人们生活中，并受到人们的欢迎和喜爱模压全息把浮雕艺术和照相艺术相 结合，用多层次体现三维空间，极具有观赏价值它除了作为艺术全息品便于携带 和保存外，已广泛用于防伪标识、贺卡、商标、纪念封和图书插图等领域，国内 外都已形成一种巨大的产业。（二）全息干涉计量全息干涉的相干光束是由同一系统产生的。因而可以消除系统的误差、降低 对光学元件的精度要求。全息干涉计量能实现高精度非接触无损三维测量，对任 意形状、任意粗糙表面的三维漫反射表面的物体，都能相对分析测量到波长数量 级的水平，同时还可以对一个物体在2个不同时刻的状态进行对比，从而探测物 体在一段时间内发生

8、的任何变化。全息干涉测量技术已与莫尔技术、光电检测技 术、CCD数据采集技术、计算机技术等结合起来，实现了自动、快速、准确的实 时测量。目前，全息干涉计量分析在无损检验 、尺寸形状和等高线的检测、振 动分析等领域中已得到广泛的应用。全息干涉计量是全息应用的一个重要领域。（三）全息防伪技术防伪与我们的生活息息相关，将全息技术应用于防伪领域可以大大提高防伪 功效。如第二代身份证上的视读防伪：当以适当角度看身份证正面时，会有长城 标志出现，变换角度，长城标识的颜色会发生变化。从全球角度看，第一个将全 息图片作为防伪标识的产品是Johnny Walke Whishy（ 种威士忌），该酒的销 售额较以前

9、增加了45。上世纪90年代全息防伪迎来首个鼎盛时期，无论高档 商品促销、名优商品的防假冒或有价证券（如信用卡、钞票、护照签证）的防伪 和加密以及图书、印刷、印染、装潢、纪念邮票和广告标牌等等，都普遍采用激 光模压技术。该技术在八十年代末九十年代初传入我国，1990年至1994年期间， 全国各地引进生产线上百条。主要防伪技术。1. 激光全息标识定位烫印技术全息烫印的原理是：在烫印设备上通过加热的烫印模头将全息烫印材料上的 热熔胶层和分离层加热熔化，在一定的压力作用下，将烫印材料的信息层全息光 栅条纹与PET基材分离，使铝箔信息层与承烫面黏合，融为一体，达到完美结合。（1）该技术要求印刷厂家拥有精

10、密定位烫印设备，并要求印刷厂的相关设 备有能适应定位烫印的要求，具有精密的走步和定位功能，因此造假者很难制假。（2）定位烫印与包装物本身有机融合为一体。同时经过合理的设计可以大 大提高包装物的质量和档次，这样无论在防伪力度还是美观方面，都提高了一大 步。（3）定位烫印可实现调整大规格自动化生产，与高速印刷设备配套，满足 了印刷厂家的生产工艺要求。2. 全息标识上的加密技术。该技术是在防伪标识中设置特殊的加密记号以增强防伪效果。其原理是在物 体与全息底板之间加一个编码器，使得物光发生畸变；只有用该特定的解码器才 能重现物体，否则，只能出现一些散斑。因此，该技术具有较高的防伪功能，常 用于一般商品

11、的防伪。3. BOPP激光全息防伪收缩膜包装防伪技术。该技术是发展起来的新型防伪技术。由于该技术对 BOPP 收缩膜基材有特殊 要求，购买和开发 BOPP 生产设备造价昂贵，从而在源头上堵住了造假者制假的 可能性和可行性。激光全息防伪收缩膜在生产中首创采用宽幅全息透明模压技术 与加密全息图像防伪技术相结合，并巧妙解决了热压与基材热收缩的矛盾；在使 用中通过 BOPP 防伪收缩膜两个表面提供热封，将被包装物整体包裹；在拆包时 必须先撕开 BOPP 防伪膜，而这样也就破坏了原防伪膜的完整性。由于该防伪手 段技术层面复杂、防伪力度高，工艺精细、外观精美，被中国防伪行业协会激光 全息技术专业委员会给予

12、很高的评价。BOPP生产线高昂的价格和热封型热收缩 膜复杂的加工工艺，加上透明全息防伪图像和隐秘的微缩密码，使得那些分散的 中小型工厂极难制假。（四）全息存储光盘技术这种按位存储和读出的“串行”方式要求读出头相对于记录介质作 机械运动，因而光盘的记录密度被限制在机械调节的精度以内，数据传输速率也 受到低速机械运动的限制。当前光盘技术的前沿研究已使光盘存储容量接近光学 极限，数据已达到每秒几兆字节的数量级，这虽然满足当前多媒体技术的需要， 但计算机技术正在向高速、并行性和智能化方向发展，按位存取的磁盘和光盘显 然不能满足需要。要寻求一种既能并行读/写、提高数据速率、又能增大存储容 量的海量存储技

13、术，激光全息存储则是一种最佳选择。1. 目前主要使用的全息存储材料及其特点银盐材料。超微粒的银盐乳胶有很高的感光灵敏度和分辨率，有较宽广的光 谱灵敏范围。目前，超微粒的银盐乳胶已经具有成熟的制备技术，稳定的商品化 产品全息干板。银盐材料的缺点主要在于：不能擦除后重复使用，湿显影处 理程序较为繁琐，且对于位相型全息图，其较高的衍射效率却往往带来噪声的增 加和图像质量的下降。光致抗蚀剂。它可以旋涂在基片上制成干板，光照射后，抗蚀剂中将发生化 学变化，且随着曝光量的不同，发生变化的部分将具有不同的溶解力。选用合适 的溶剂显影，便可制成表面具有凹凸的浮雕相位型全息图。为了获得较好的图像 质量，需要对负

14、性光致抗蚀剂进行足够曝光，但这往往与全息图成像的最佳曝光 量相矛盾，从而使负性光致抗蚀剂存储的全息图的精细线条往往由于曝光量不 够，而在显影时被腐蚀掉，影响全息图的质量。光折变材料。光折变材料受到非均匀的光强度照射时，材料局部折射率的变 化与入射光强成正比。光折变材料具有动态范围大、存储持久性长、可以固定以 及生长工艺成熟等优点。光折变材料主要有无机存储材料和有机存储材料两类。 常见的光折变无机材料主要有掺铁铌酸锂晶体（LiNb3： Fe）、铌酸锶钡（SBN）、 和钛酸钡（BaTiO3）；而常见的有机光折变聚合物则有PMMA等。光致聚合物。光致聚合物主要由单体、聚合体和光敏剂组成。记录光照射聚

15、 合物后，光敏剂被激发，并引发曝光过程；然后，自由基引发单体分子聚合，最 后在材料中形成位相型全息图。光致聚合物具有较高感光灵敏度、高分辨率、高 衍射效率以及高信噪比，可用完全干法处理及快速显影，记录的生息图具有很高 的几何保真度，并易于长期保存。光致聚合物的主要缺点在于其体积容易受到影 响而发生变化。光致变色材料。这是由于光致变色膜层内的分子极化特性发生改变，会导致 膜层折射率的变化。尤其记录波长与介质吸收谱非共振时，膜层内部可产生显著 的折射率变化。光致变色材料具有无颗粒特征，分辨率仅受记录光波长和光学系 统的影响。但是光致变色材料存储的全息图的衍射效率并不高。2. 全息存储中的复用技术

16、角度复用：这是一种使用最早、研究最为充分的复用技术，它利用了体积全 息图的角度选择性，使不同的信息页面可以互不相干地叠加在同一个空间区域 内。每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采 用的激光波长是固定的。角度复用存储的全息图数目越多，平均衍射效率就越低， 并且由于串抗干扰的叠加将导致读出数据的信噪比下降，这些因素也影响和限制 了角度复用技术可以实现的存储容量。位相复用：为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正交 位相编码复用技术。在这种复用技术中，参考光的波长和光束角度都是固定的， 而位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码。因此，位相复用技术可

17、 以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据的信噪比，并且可以使对存 储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变光束的方向来实现，从而使寻址过 程更快。波长复用：由于全息图的再现对读出光的波长也十分敏感，所以波长复用也 是全息光存储的主要复用方式之一。波长复用也是基于全息光存储所具有的布喇 格角选择性，只是此时每幅存储的全息图是与一个特定的光源波长相对应，记录 和读出过程中参考光和物光之间的夹角保持不变。3. 取得的成就20世纪 60 年代末发现光折变效应后，在光折变晶体中进行全息存储一度成 为热点。1975年，美国RC公司报道了在1cm3铌酸锂晶体中存储500幅全息图的 实验。美国 Nor

18、throp 公司于 1991 年在掺铁铌酸锂晶体中存储并高度保真再现了 500幅高分辨率军用车辆全息图。1992年，有在同样的铌酸锂晶体中存储1000 页的数字数据，并无任何错误地复制到数字计算机的存储器。1994 年美国加州 理工学院在1cm3掺铁铌酸锂晶体中记录了 10000幅全息图。同年，斯坦福大学 的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中。IBM 公司也研制出一台灵活而稳固的高分辨率的自动全息存储系统试验台。目前，我 国有人正在研制利用二值空间光调制器实现多灰阶全息存储的方法，它可近一步 提高存储密度与读出数据的传输速率。另有人正在研究体全息相关器的内容寻址 功

19、能的相关研究，它可以并行快速地进行关联检索，并具有很大的提升潜力。美国斯坦福大学的HDSSWORM演示平台。2000年，美国斯坦福大学为DARPA 投资实施的HDSS项目开发了高传输速率、高容量的全息光盘存储系统，如下图 所示。该系统采用了 IBM公司的铁电液晶空间光调制器（FLC SLM）记录二维数 据，最高分辨率为1 024X1 024像素，采用Kodak公司的CCD作为探测器，其 分辨率与SLM匹配，最大帧数为1 000 fps。利用脉冲倍频Nd：YAG激光器（波 长为532 nm）进行记录和读出，光盘安装在精密的空气静压轴承上，使用精密 光电轴角编码器系统的全息信道解码传输速率可达1

20、Gbits/s，使用1次写入多 次读取（WORM）的光致聚合物作为存储介质，容量为120 GB。由于较厚的介质（如 LiNbO3晶体）的存储容量受到介质动态范围和噪声的影响要多于复用技术，而 较薄的介质（如光致聚合物）则不然，所能存储全息图的数量在很大程度上由复 用技术决定。经常在较厚介质中使用的角度复用技术在这里效果不大，需要使用 其它复用技术，例如移位或旋转复用技术，该系统采用的是散斑-移位复用技术。图为美国斯坦福大学的HDSS WORM演示平台系统全息存储器可望存储几千亿字节的数据（目前光盘是6.4亿字节数据），而 且具有高保真度，并以等于或大于108bit/s速度传送数据，可在100微

21、秒或更 短时间内随机选择一个数据页面。全息存储技术的迅速发展，必将在不远的未来 迎来光辉的时代。三、全息技术的展望全息照相的应用潜力是巨大的，这一新技术将会在工业、医学、国防、公共 安全等各个领域全面展开，产生显著的社会效益和经济效益。信息科学是二十一世纪三大科学研究领域之一，其诞生和发展始终与科技前 沿和先进生产力密切相关。本专业培养具备光电子或微电子及物理电子领域内宽 厚理论基础、实验能力和专业知识，能在该领域从事新技术、新产品、新材料、 新工艺的研究、开发等方面的高级工程技术人才。毫无疑问，在信息时代和知识 经济时代，电子科学与技术专业的地位显著，前景广阔。作为一门新兴学科，全 息技术还

22、处在蓬勃发展阶段，我们相信：随着科技的进一步发展和科技人员的努 力垒息照栩的应用必将迎来它更辉煌的明天。【参考文献】1. 杨帆,杨宁 中州大学学报第 25卷 第 2期2. 王典民 激光全息照相技术M吉林科学技术出版社1993 2-83. 葛宏伟，裴敏激光全息技术在防伪领域中的应用 华中理工大学学报, 19974. 李明激光全息技术的发展及应用趋势研究 激光杂志 2005 1 Uhlmann DR,Teoospects G. Sd-Gel science and technologe:Current state and future prospectJ.J sol-Gel science and technologe,19882 陶世荃.光全息存储M.北京工业大学出版社，1998.123 于美文光全息学及其应用M.北京理工大学出版社，1996.84 中国防伪协会组编中国防伪战略M.中国标准出版社，19975 王仕璠.信息光学理论与应用（第二版）M.北京邮电大学出版社，2009.2