4.8: 全息术

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述如何将三维图像记录为全息图
描述三维图像是如何由全息图形成的

全息图，如图中的全息图\(\PageIndex{1}\)，是由激光记录在胶片上的真实三维图像。全息图用于娱乐；装饰新奇物品和杂志封面；信用卡和驾驶执照的安全（需要激光和其他设备来复制它们）；以及用于严格的三维信息存储。你可以看到全息图是真正的三维图像，因为当从不同的角度观察时，物体在图像中的相对位置会发生变化。

信用卡上全息图的照片。它呈鸟的形状，反射出多种颜色。 — 图\(\PageIndex{1}\)：信用卡通常有徽标的全息图，因此很难复制。（来源：多米尼克·阿尔维斯）

全息图这个名字的意思是 “整幅画面”（来自希腊全息图，就像整体一样），因为图像是三维的。 全息摄影是生成全息图的过程，尽管它们记录在摄影胶片上，但该过程与普通摄影有很大不同。全息摄影使用光干涉或波动光学，而普通摄影使用几何光学。图中\(\PageIndex{2}\)显示了一种生成全息图的方法。来自激光的相干光被镜子分开，部分光照亮物体。其余部分称为参考光束，直接照射在胶片上。从物体散射的光会干扰参考光束，产生建设性和破坏性的干扰。结果，曝光的胶片看起来有雾，但仔细观察后发现上面存储着复杂的干扰图案。在干扰具有建设性的地方，影片（实际上是负片）变暗了。全息摄影有时被称为无镜头摄影，因为它使用光的波浪特性，而普通摄影则使用几何光学并需要镜头。

顶部的镜子朝左，底部的照相板朝右。带有恐龙标签的物体位于镜子下方，右边。标有参考波的平行光线从左侧进入。有些落在镜子上，反射到照相板上。一些掉落在物体上会被反射到照片板上。后者被标记为物体波浪。 — 图\(\PageIndex{2}\)：制作全息图。来自激光的单波长相干光在一块胶片上产生清晰的干涉图案。激光束由一面部分镀银的镜子分开，其中一部分光照亮物体，其余的直接照射在胶片上。（来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷亚尔对作品的修改）

落在全息图上的光可以形成原始物体的三维图像。这个过程在细节上很复杂，但基础知识是可以理解的\(\PageIndex{3}\)，如图所示，现在使用曝光胶片的相同类型的激光来照亮胶片。胶片中无数微小的曝光区域是暗色的，会阻挡光线，而曝光较少的区域则允许光线通过。因此，这部电影的作用很像一系列具有不同间距图案的衍射光栅。穿过全息图的光线会向各个方向衍射，从而产生用于曝光胶片的物体的真实和虚拟图像。干涉图案与物体产生的干涉图案相同。将眼睛移到干扰模式中的不同位置会给你带来不同的视角，就像直视物体一样。因此，图像看起来像物体，像物体一样是三维的。

中间的屏幕被标记为全息图，重建。标有参考波的光线从左向右穿过。右边的恐龙被标记为真实图像。恐龙朝左。屏幕上的光线落在上面。屏幕左侧显示恐龙朝右的褪色图像。这被标记为虚拟映像。来自这里的光线穿过屏幕，到达观察者的眼睛。 — 图\(\PageIndex{3}\)：透射全息图是指当与曝光全息图的激光器相同类型的激光穿过时，它会产生真实和虚拟的图像。来自胶片各个部分的衍射产生的干涉图案与用于曝光胶片的物体产生的干涉图案相同。（来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷亚尔对作品的修改）

图中所示的全息图\(\PageIndex{3}\)是透射全息图。使用反射光观看的全息图，例如信用卡上的白光全息图，属于反射全息图，更为常见。白光全息图的彩虹边缘通常会显得有些模糊，因为不同颜色的光的衍射图案由于波长不同，位于略有不同的位置。全息术的进一步用途包括所有类型的三维信息存储，例如博物馆中的雕像、结构的工程研究和人体器官的图像。

全息术由丹尼斯·加博尔（1900—1970 年）于 20 世纪 40 年代后期发明，他的工作获得了 1971 年诺贝尔物理学奖，随着激光器的发展，全息术变得更加实用。由于激光产生相干的单波长光，因此它们的干扰模式更加明显。精度如此之高，甚至可以通过更改每张连续图像的胶片角度来在一张胶片上录制大量全息图。当你走过它们时会移动的全息图就是这样制作的，这是一种没有镜头的电影。

同样，在医疗领域，全息图允许对一堆图像中的物体进行完整的三维全息显示。存储这些图像以备将来使用相对容易。使用内窥镜，可以制作内部器官和组织的高分辨率三维全息图像。