全息攝影:攝影技術-中文百科頻道

基本簡介

全息攝影為了滿足産生光的幹涉條件，通常要用相幹性好的激光作光源，而且光和照射物體的光是從同一束激光分離出來的。感光片顯影後成為全息圖。全息圖并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，可以在适當的角度上觀察到原物的像。這是因為激光束在全息圖的幹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。

在攝制全息圖時感光片上，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。用感光乳膠厚度等于幾個光波波長的感光片，可在乳膠内形成幹涉層，制成的全息圖可用白光再現。如果用紅、綠和藍三種顔色的激光分别對同一物體用厚乳膠感光片上攝制全息照片，經适當的顯影處理後，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。

主要原理

光波是一種電磁波，它在傳播中帶有振幅和相位的信息。普通照相是用感光材料(如照相底片)作記錄介質，用透鏡成象系統（如照相機）使物體在感光材料上成象。它所記錄的隻是來自物體的光波的強度分布圖象，即振幅的信息，而不包括相位的信息。因此普通照相隻能攝取二維(平面)圖象。為要同時記錄光波的振幅和相位的信息，可借助于一束相幹的參考光，利用物光和參考光的光程差，以确定兩束光波之間的相位差。因此借助參考光,便可記錄來自物體的光波的振幅和相位的信息。

激光全息攝影是一門嶄新的技術，它被人們譽為20世紀的一個奇迹。它的原理于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于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産物。

激光全息攝影包括兩步：記錄和再現。

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，物光束與參考光束發生相幹疊加，形成幹涉條紋，這就完成了一張全息圖。

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，于是就可以再現物體的立體圖像。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，隻是摸不到真實的物體。

記錄過程

在典型的離軸型全息照相的光路布局中，由激光器發出的光束被分光鏡B分成兩束光，一束經反射鏡M反射後直接投射于全息底片H(―種高分辨率的感光材料)，稱為參考光；另一束則照射物體，從物體反射(或透射）的光，稱為物光。物光和參考光在全息底片上相互幹涉的結果，構成一幅非常複雜而又精細的幹涉條紋圖，這些幹涉條紋以其反差和位置的變化，記錄了物光的振幅和相位的信息。全息底片經過常規的顯影和定影處理之後，就成為全息圖。全息圖的外觀和原物體的外形似乎毫無聯系，但它卻以光學編碼的形式記錄下物光的全部信息。

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 光源必須是相幹光源：通過前面分析知道，全息照相是根據光的幹涉原理，所以要求光源必須具有很好的相幹性。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幹性和時間相幹性，實驗中采用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。

⑵ 全息照相系統要具有穩定性：由于全息底片上記錄的是幹涉條紋，而且是又細又密的幹涉條紋，所以在照相過程中極小的幹擾都會引起幹涉條紋的模糊，甚至使幹涉條紋無法記錄。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台面鋼闆上。另外，氣流通過光路，聲波幹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嘩，不能随意走動，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，再在同一時間内曝光，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盡量小，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，幹涉條紋就稀，這樣對系統的穩定性和感光材料分辨率的要求較低；兩束光的光強比要适當，一般要求在1∶1～1∶10之間都可以，光強比用矽光電池測出。

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幹涉條紋，所以需要高分辨率的感光材料。普通照相用的感光底片由于銀化物的顆粒較粗，每毫米隻能記錄50～100個條紋，天津感光膠片廠生産的I型全息幹闆，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制，但實驗證明，用純淨的自來水配制，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，配制一次藥液保管得當可使用一個月左右。

主要優點

全息照相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于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，一旦照片損壞也關系不大。

3．全息照片的景物立體感強，形象逼真，借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。

研究簡史

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，其意義在于完整的記錄。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，但由于當時缺乏明亮的相幹光源（激光器），全息圖的成像質量很差。1962年随着激光器的問世，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，制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征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、易于複制等優點。

趣味曆史

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制于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，并不是所有人都像讓-馬林·肖維和他的兩位朋友那麼運氣：當他們在1994年12月18日于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，當這一發現被公之于衆，并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衆關閉了。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，還要披挂齊全，做足保護功夫，并且保證不能接觸洞壁。普通人就更無緣一睹真容，隻能望着雜志上平闆的圖片憑空摹想了。

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将這一切變為曆史。

一個世紀以前，當電報的發明人塞缪爾·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制品，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）在一次學術會議上将伊夫·根特制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标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标本盒子。那位物理學家無論如何都不肯相信這隻不過是一幅全息照片。

其實，那位物理學家的驚疑也在情理之中，盡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，并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幹的光源，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，不斷開辟全息應用的新領域。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，它們分别是光的明暗強弱、光的顔色以及光的方向。早期的銀版照相和黑白照片隻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，反應出它的顔色。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于生成，或許因為全息攝影的科學原理過于深奧，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，有人将他們描述為“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，國際全息圖象制造者聯合會（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，這個聯合會将“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，當根特兄弟發言并展示自己的作品時，“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制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，還有人想要拭去挂在正在吃小甜餅的小姑娘嘴邊的餅幹碎屑——當然，他們摸到的，同那位物理學家一樣，隻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贊許，可是，當他在1992年因為所在的實驗室倒閉而被解雇，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，唯一一家生産他所需要的膠片的制造商——愛克發公司（Agfa）——卻突然決定停止生産此種膠片。在發明了“牛”之後，伊夫還必須教會自己制造出“草”來。

在随後的幾年中，伊夫·根特就在自己簡陋的實驗室中自學相關的化學原理，并反複實踐。菲力普的加入給了他很大幫助。後來，他們終于發明出名為“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隻有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，并在同一個感光層上同時記錄下紅、綠、藍三色。

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。他做出了複制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夥人的加入之後。他所擁有的機器能将“終極”母版上的全息圖象複制到杜邦公司制造的某種聚合體材料上。盡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。伴随着這種杜邦材料上的全息圖象的大規模生産，使用“終極”膠片的工業化生産也是指日可待。此外，國際全息圖象制造者聯合會的首肯也為根特兄弟的工作增添了分量。

發展領域

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。如用于研究火箭飛行的沖擊波、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。