1、全息技术的现状与发展李瑞彬摘 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 Abstract The proposal from the hologram has been half a century since. During the development of holographic technology has made great achievements. Comb the deve
2、lopment of holography and the current status of research and application, holographic technology will help us understand the production, the important influence of life and its future development.Key words Holography Anti-fake Storage Holographic lens一、引言全息技术以光波的干涉与衍射原理为基础。相干的两束光波，其中一束经物体的漫反射后形成物光束投
3、射到全息底片上;另一束参考光波直接投射到全息底片上，与物光发生干涉，并在全息底片上形成干涉条纹。干涉条纹记录了物光的全部信息：振幅和相位。当用原参考光照射全息底片时，便可呈现出立体、逼真的物体光像。光全息技术是由英国科学家丹尼斯加伯（Dennis Gabor）在 1947 年提出的。但当时没有足够强的相干光源，全息术的发展陷入休眠状态。直到 1960 年激光出现，以及 1962年利思（Leith ）厄帕特克克斯（Upatnieks）提出离轴全息图以后，开辟了全息图的新领域，成为光学的一个重要分支。离轴全息图使得再现的原始像与共轭像分离。同时期，前苏联科学家 Y.N.Denisyuk 提出了白光
4、反射全息图。白光再现全息图的特点是能够在白昼自然环境中或者在一般白光照明下观察到三维图像。白光再现全息术让全息从科学家的实验室走了出来。浮雕彩虹全息图的研制成功发展了全息图模压大批量复制技术，现已形成全息产业。全息技术的迅速发展，使加伯的全息思想于 1971 年获得诺贝尔物理学奖。本文就全息防伪、全息存储、全息光学元件这三个有特点的应用领域进行探讨，以期明确全息技术在这三个领域内应用现状及发展趋势。二、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。
5、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（一种威士忌） ，该酒的销售额较以前增加了 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
6、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。（4）防伪标识烫印到包装盒上后无须覆膜，可满足绿色包装的要求，比普遍采用不干胶全息防伪贴标前进了一大步，并且彻底解决了防伪标识的重复
7、使用问题。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
8、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。三、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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 1cm 铌酸锂晶体中存储 500 幅全息图的实验。美国3Northrop 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 1cm 掺铁铌酸锂晶体中记录了310000 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
15、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 HDSS WORM 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 0241 024 像素，采用 Kodak 公司的 CCD 作为探测器，其分辨率与 SLM 匹配，
16、最大帧数为 1 000 fps。利用脉冲倍频 NdYAG 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 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
17、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 bit/s 速度传送数据，可在 100 微秒或更短时间内随机选择810一个数据页面。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。四、全息透镜全息透镜是依据光的干涉和衍射原理，可以完成普通光学透镜的任务和功能。最早的全息透镜是 1871 年由瑞利制成的菲涅尔波带片。全息透镜有许多明显的优点，它的重量轻、造价低、制造快、易于复制、能多重记录以及便于分割。英国研制出的一个全息产品头盔夜视仪，它可以借助微弱的星光看清一
18、公里远的目标。当前全息透镜的主要应用1. 补偿透镜在制造全息透镜时, 用光学系统产生的有像差的波前(对应参考光)和完善的点源球面波(对应物光波)记录。当使用时，用有像差的波前（作为物光波）照明全息透镜, 就可以起到补偿的作用。对于有像差的波前在记录时, 也可以不用实际的系统, 而用一个计算全息图来代替。2. 准直物镜 大口径的球面或非球面准直物镜的制造是很费工的, 如果用全息的方法制造就快得多了,当然在制造时需要有一个大口径、高质量的准直物镜产生平面波。这种全息准直物镜用于干涉系统和激光系统是很合适的, 可以避免它的缺点。因这些系统多是用单色狭光源照明。3. 把成像元件和转像元件结合起来 光学
19、系统有时需要加一个棱镜来转像。如果用离轴透射全息透镜或者反射全息透镜, 就可以同时完成成像和转像的功能。4. 分割透镜 为了某些特殊的应用, 有时需要把一个透镜分割开, 再组合起来, 例如干涉用的双半透镜, 把一块透镜分为两半, 使其有一定的距离。又如跟踪接收机把一个透镜分成四部分, 再按相反方向组合起来, 可以对一个目标产生四个分开的像。这一类元件如果用全息透镜就很容易分割。5. 多重透镜 多重透镜的种类很多。例如一些干涉系统, 大都需要一个标准波面和测试波面。用全息的方法就可以用一块透镜来完成。又如用傅里叶变换透镜进行空间滤波, 至少要两个变换镜头, 将空间滤波器和一个变换镜头用一个全息系
20、统来代替, 可以省去一个变换透镜, 还可以缩短光路。6. 大相对孔径的透镜 全息透镜的另一优点是便于制作大相对孔径的透镜。在低光强成像系统或全息信息存贮系统中, 都需要大相对孔径的透镜, 用全息的方法制造就比较容易。7. 傅里叶变换透镜 全息透镜同普通透镜一样,可以完成傅里叶变换的功能, 因此可用全息透镜代替信息处理系统中的傅里叶变换透镜。 四、总结全息防伪技术作为一种防伪技术手段，正在处于飞跃发展的阶段。全息存储技术是未来存储发展的方向，把握好该技术的发展会抢先占得未来存储行业的制高点。全息透镜是一种有古老又现代的技术，只要不断进行研究，相信它也会取得长足的发展。全息术在很多其它领域都有广泛
21、的应用，这些应用会使全息术越来越来被人们所熟息和重视。主要参考文献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致谢信本论文是在邸淑红老师的亲切指导下完成的，感谢指导老师邸淑红。邸老师对我的论文十分关心。她的审阅使论文焕发出鲜动的生命，她的谆谆教导使我受益匪浅，她对学生认真负责的精神让我感受至深。在本论文完成的过程中石凤良老师和很多同学给予过我帮助，他们或者为我创造了写论文的条件，或者在论文内容上给予过指导。我同样要感谢他们的帮助。同样也要感谢那些教过我知识、给过我启迪的老师和领导。
