全息攝影
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基本內容
中文名：全息攝影
別 稱：全息照相
外文名：Holography
研究簡史
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麼運氣：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，只能望着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。在這個數碼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。
全息攝影
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 激光出現以前，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年以後出現了激光，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，不斷開闢全息應用的新領域。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，通過激光技術，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道中，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着全息攝影的研究，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着 老撾傳統 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。
全息攝影
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，但法國的投資者過于謹慎，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。伴隨着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。
應用領域
全息攝影在信號記錄、形變計量、計算機存儲、生物學和醫學研究、軍事技術等領域得到廣泛的應用。80年代初，法國全息攝影展在世界各地展覽，人們欣賞到了神奇莫測的全息攝影。牆頭上，看來明明伸出了一隻水龍頭，舉手前去擰一下，結果是抓了個空；一隻鏡框，裡面沒有什麼圖象，可是當一束光射過來，框裡就出現一位美麗的姑娘，她緩慢地摘下眼鏡，正向人微笑致意；一隻玻璃罩，裡面空無一物，可是，在光的照射下，罩里馬上現出維納斯像；在鏡框上，玻璃罩內，圖象還在不斷地變換。
在我們的生活中，當然也常常能看到全息攝影技術的運用。比如，在一些信用卡和紙幣上，就有運用了俄國物理學家尤里·丹尼蘇克(Yuri Denisyuk）在20世紀60年代發明的全彩全息圖象技術製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為一種複雜的印刷技術來實現防偽目的，它們的感光度低，色彩也不夠逼真，遠不到亂真的境界。研究人員還試着使用重鉻酸鹽膠作為感光乳劑，用來製作全息識別設備。在一些戰鬥機上配備有此種設備，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技術拍攝下來，展出時可以真實地立體再現文物，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、衛星以及各種三維廣告，亦可採用脈衝全息術再現人物肖像、結婚紀念照。小型全息圖可以戴在頸項上形成美麗裝飾，它可再現人們喜愛的動物，多彩的花朵與蝴蝶。模壓全息標識由於它的三維層次感，並隨觀察角度而變化的彩虹效應，以及千變萬化的防偽標記，再加上與其他高科技防偽手段的緊密結合，把新世紀的防偽技術推向了新的輝煌頂點。
綜上所述，全息照相是一種不用普通光學成象系統的錄象方法，是六十年代發展起來的一種立體攝影和波陣面再現的新技術。由於全息照相能夠把物體表面發出的全部信息（即光波的振幅和相位）記錄下來，並能完全再現被攝物體光波的全部信息，因此，全息技術在生產實踐和科學研究領域中有着廣泛的應用。例如：全息電影和全息電視，全息儲存、全息顯示及全息防偽商標等。
除光學全息外，還發展了紅外、微波和超聲全息技術，這些全息技術在軍事偵察和監視上有重要意義。我們知道，一般的雷達只能探測到目標方位、距離等，而全息照相則能給出目標的立體形象，這對於及時識別飛機、艦艇等有很大作用。因此，備受人們的重視。但是由於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於無法進行工作。為克服這個困難發展出紅外、微波及超聲全息技術，即用相干的紅外光、微波及超聲波拍攝全息照片，然後用可見光再現物象，這種全息技術與普通全息技術的原理相同。技術的關鍵是尋找靈敏記錄的介質及合適的再現方法。
超聲全息照相能再現潛伏於水下物體的三維圖樣，因此可用來進行水下偵察和監視。由於對可見光不透明的物體，往往對超聲波透明，因此超聲全息可用於水下的軍事行動，也可用於醫療透視以及工業無損檢測測等。
除用光波產生全息圖外，已發展到可用計算機產生全息圖。全息圖用途很廣，可作成各種薄膜型光學元件，如各種透鏡、光柵、濾波器等，可在空間重疊，十分緊湊、輕巧，適合於宇宙飛行使用。使用全息圖貯存資料，具有容量大、易提取、抗污損等優點。
全息照相的方法從光學領域推廣到其他領域。如微波全息、聲全息等得到很大發展，成功地應用在工業醫療等方面。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用。如用於研究火箭飛行的衝擊波、飛機機翼蜂窩結構的無損檢驗等。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展。
攝影技術
為了滿足產生 光的干涉條件，通常要用相干性好的 激光作 光源，而且光和照射物體的光是從同一束激光分離出來的。 感光片顯影后成為全息圖。全息圖並不直接顯示物體的圖象。用一束激光或 單色光在接近參考光的方向入射，可以在適當的角度上觀察到原物的像。這是因為 激光束在全息圖的干涉條紋上 衍射而重現原物的 光波。再現的像具有三維立體感。 在攝製全息圖時感光片上，每一點都接收到整個物體反射的光，因此，全息圖的一小部分就可再現整個物體。用感光乳膠厚度等於幾個光波波長的感光片，可在乳膠內形成干涉層，製成的全息圖可用白光再現。如果用紅、綠和藍三種顏色的激光分別對同一物體用厚乳膠感光片上攝製全息照片，經適當的顯影處理後，可得到能在白光（太陽光或燈光）下觀察的有立體感和豐富色彩的諾利德彩色3D全息圖。
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。
普通攝影是記錄物體面上的光強分布，它不能記錄物體反射光的位相信息，因而失去了立體感。
全息攝影採用激光作為照明光源，並將光源發出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經被攝物的反射後再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產生干涉，感光底片上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關係而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度，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，依然可以重現全部景物。
全息攝影可應用於工業上進行無損探傷，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。產生全息圖的原理可以追溯到300年前，也有人用較差的相干光源做過試驗，但直到1960 年發明了激光器──這是最好的相干光源──全息攝影才得到較快的發展。
激光全息攝影是一門嶄新的技術，它被人們譽為20世紀的一個奇蹟。它的原理於1947年由匈牙利籍的英國物理學家丹尼斯·加博爾發現，它和普通的攝影原理完全不同。直到10多年後，美國物理學家雷夫和於帕特倪克斯發明了激光後，全息攝影才得到實際應用。可以說，全息攝影是信息儲存和激光技術結合的產物。
激光全息攝影包括兩步：記錄和再現。
1．全息記錄過程是：把激光束分成兩束；一束激光直接投射在感光底片上，稱為參考光束；另一束激光投射在物體上，經物體反射或者透射，就攜帶有物體的有關信息，稱為物光束.物光束經過處理也投射在感光底片的同一區域上.在感光底片上，物光束與參考光束髮生相干疊加，形成干涉條紋，這就完成了一張全息圖。
2．全息再現的方法是：用一束激光照射全息圖，這束激光的頻率和傳輸方向應該與參考光束完全一樣，於是就可以再現物體的立體圖象。人從不同角度看，可看到物體不同的側面，就好像看到真實的物體一樣，只是摸不到真實的物體。
全息成像是尖端科技，全息照相和常規照相不同，在底片上記錄的不是三維物體的平面圖象，而是光場本身。常規照相只記錄了反映被拍物體表面光強的變化，即只記錄光的振幅，全息照相則記錄光波的全部信息，除振幅外還記錄了光波的圖相。即把三維物體光波場的全部信息都貯存在記錄介質中。
在普通攝影中，照相機拍攝的景物，只記錄了景物的反射光的強弱，也就是反射光的振幅信息，而不能記錄景物的立體信息。而全息攝影技術，能夠記錄景物反射光的振幅和相位。在全息影像拍攝時，記錄下光波本身以及二束光相對的位相，位相是由實物與參考光線之間位置差異造成的。
從全息照片上的干涉條紋上我們看不到物體的成像，必須使用具有凝聚力的激光來準確瞄準目標照射全息片，從而再現出物光的全部信息。一個叫班頓的人後來又發現了更為簡便使用白光還原影像的方法，從而使這項技術逐漸走向實用階段。
隨着人們對數碼相機逐漸認可和接受，數碼相機的市場也在一天一天的擴大，為了切分這塊大蛋糕，各數碼相機廠商也在不斷開發新技術或將已經存在的技術迅速應用到數碼相機領域，以保持和提升在數碼相機領域裡的地位。索尼在DSC-F707的對焦模式使用了全息攝影激光自動對焦輔助，也可以說，全息技術已經應用到了攝影領域，那麼到底什麼是全息技術呢？全息攝影和傳統的攝影又有什麼區別呢？
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（激光器），全息圖的成像質量很差。1962年隨着激光器的問世，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。
全息技術應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「奔馳」汽車模型，那麼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「奔馳」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『奔馳』，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，這些條紋是利用激光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」。
技術優勢
其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，藉助激光器可以在各種展覽會上進行展示，會得到非常好的效果。
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。激光的出現，為全息照相提供了一個理想的光源。這是因為激光具有很好的空間相干性和時間相干性，實驗中採用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。
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分辨率的要求較低；兩束光的光強比要適當，一般要求在1∶1～1∶10之間都可以，光強比用硅光電池測出。
⑷ 使用高分辨率的全息底片：因為全息照相底片上記錄的是又細又密的干涉條紋，所以需要高分辨率的感光材料。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型全息干板，其分辨率可達每毫米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。
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，這項技術的應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。這樣技術的應用將是無限的。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芯片，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分辨率全息圖，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。」
這項技術還可以應用於科學研究、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。其應用真的無窮無盡。此外，新技術還可以應用於軍事目的和防偽技術，如用來提升激光雷達的性能等。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、邁克爾-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。[1]