全息摄影

在一个或者多个波前叠加的时候会出现干涉现象。而在一个波前接触到一个物体的时候就会产生繞射。全像術重建的过程在下面完全是用干涉和折射进行了解释。这个解释有所简化，但是足以理解全像術过程的工作原理了。

繞射光栅是一种具有周期性结构的器件。一个刻有均匀刻线的金属板就是一个简单的光栅。光线穿过它的时候会产生弯曲，弯曲的角度θ由光线的波长λ和刻线的间距d决定， 关系为sinθ = λ/d。

非常简单的全像術可以通过将从同一光源射出的两束平面波叠加来示意。参考光垂直照射在摄影胶片上，而另一束光以一定的角度θ照射在胶片上。两束光之间的相对相位差在胶片上不停地变化，变化的关系为2π y sinθ/λ，其中y是沿着胶片的距离。这两束光的干涉会产生干涉图样。由于光线的相位差每经过d = λ/sinθ的距离变化2π，干涉条纹的间距也是d。这样参考光和物体发出的光之间的相对相位就由干涉条纹的最亮处和最暗处记录下来了。

在摄影胶片冲洗出来以后，干涉条纹可以用作繞射光栅。这样，当参考光线照射在胶片上的时候，部分光线会以相同的角度θ发生衍射。这样，物体发出的光线就重建出来了。使用两个波的干涉创建出的衍射光栅可以重建出物体发射的光线，这样它可以看作是上面定义的全像術。

全像術重建过程。

更复杂的全像術可以使用点光源作为物体，同时使用一束平面波来作为参考光来照射在摄影胶片上。这时，产生的干涉图样是曲线，曲线的形状为一圈一圈的圆环，离中心越远，圆环的间距越小，这个形状也称为波带板。

照相底片冲洗以后会显示出复杂的干涉图样，这个图样可以认为是有不同间隔的衍射图案的叠加。当冲洗后的胶片单单给参考光照明的时候，胶片上的图案可以看作是一个光栅，这个光栅会根据光栅刻线的间距将光线衍射至不同的角度。可以证明，这个效果的净效应是重建了物体（点光源）发出的光线。由于从胶片发出的光线与点光源所发射出来的光线一模一样，观察者可以看到光线是从胶片后面的一个点发射出来的，尽管这个物体其实并不存在。

这张全像術的照片可以产生凹透镜的效果，因为它使平面波前转变为发散的波前。它也可以增加照射在其上的任何波前的分散性，就和普通的透镜一样。它的焦距就是点光源与胶片的间距。

为了记录复杂物体的全像術，首先要将一束激光用分光器分成两束：一束光用于照亮物体，物体会将它散射，反射光会照在记录介质上；另一束光直接照射在记录介质上面。

根据繞射理论，物体上面的每一个点都可以看作是一个点光源。每个点光源所发射出来的光都会和参考光发生干涉，产生干涉图样。结果产生的干涉图样是所有的点光源和参考光源产生的干涉图样的叠加。

当移除了物体并冲洗胶片以后，将参考光重新照射记录了全像術的胶片，每一个点光源繞射光栅都可以繞射部分的参考光线，重建他们对应的点光源的波前。这些单独的波前叠加起来以后就可以重建整个物体散射的光线的波前。由于观察者感知到的波前和物体散射出的光线的波前完全一致，因此观察者仍然可以看到在那里的物体。这个图像可以看作是虚像，因为那里并没有实际物体发出光线。而且可以看到照亮物体的光源的方向和原始的照明光线方向是一致的。

光波可以使用一个复数变量U来表示其光波中的电场和磁场。光波的幅度和相位可以使用复数的模和辐角来表示。在全像術的系统中，每一点处的物体发出的光和参考光可以用变量U_O和U_R来表示，这样联合起来的光波可以表示为U_O + U_R。这个光波的能量和电场幅度的平方成正比：

${\displaystyle |U_{O}+U_{R}|^{2}=U_{O}U_{R}^{*}+|U_{R}|^{2}+|U_{O}|^{2}+U_{O}^{*}U_{R}}$。

如果一张摄影胶片暴露在这两束光中，然后冲洗出来，它的透射函数将于照射在其上的光线能量成正比，可以表示为：

${\displaystyle T=k[U_{O}U_{R}^{*}+|U_{R}|^{2}+|U_{O}|^{2}+U_{O}^{*}U_{R}]}$，

其中${\displaystyle k}$是常数。冲印出来的胶片在使用参考光照射的时候，透过胶片的光波可以用U_H表示：

${\displaystyle U_{H}=TU_{R}=k[U_{O}U_{R}^{*}+|U_{R}|^{2}+|U_{O}|^{2}+U_{O}^{*}U_{R}]U_{R}=k[U_{O}|U_{R}|^{2}+|U_{R}|^{2}U_{R}+|U_{O}|^{2}U_{R}+U_{O}^{*}U_{R}^{2}]}$。

可以看出U_H中包含四项，第一项正比于 U_O，可以用来重建物体发射出来的光。第二项代表了参考光，其幅度变成了 U_R²。第三项同样代表了参考光，其幅度为U_O²，这个修改可以引起参考光线在其中心方向周围发生衍射。第四项称为共轭物体光线。它的凹凸性和物体正好相反，而且在全息胶片的前方形成了一个实像。由于全像術在拍摄时都要让物体和参考光垂直的照射在胶片上，这意味着全像術给参考光照射后产生的四束光会叠加在一起。由利思和乌帕特尼克斯发明的离轴全像術可以解决这个问题。物体光和参考光以一个角度照射在全息记录介质上，因此虚像、实像和参考光波前以不同的角度射出，使得可以清晰的观察到重建的像的光线。

全息打印机是一种全息图像的打印设备，它可以根据一个三维模型或视频序列输出全彩色的数字全息图像。一台这样的机器价值可能达到50万美元，体积大概能占据一个小房间。它使用红色、绿色和蓝色的激光在全息胶片上刻印上一系列全息像素。全息像素包含有从它的位置可以观察到的整个图像的信息。每个全息像素的信息是根据产生的计算机图像计算得出的。全息胶片的介质是一曝光后可能还需要冲洗。随后，这层薄膜将压在一个硬塑背板上。由于每个全息像素都需要使用三种颜色单独印刷，打印一张数字全息图像可能需要若干个小时。每个全息像素的大小大约是1平方毫米。

目前全世界仅有少数几家数字全息打印机制造商。

全息照片制作成功以后可以对它进行复制，复制可以采用于全息摄影类似的光学方法，或者通过压印来制作表面浮雕全息照片。表面浮雕全息照片使用光阻材料或者光致热敏材料进行记录，而且可以以较低的成本进行大规模的复制生产。现在，这种压印的全息图像已经得到了广泛的应用，如信用卡或合格产品上印刷的安全信息。加拿大皇家造币厂甚至还通过复杂的冲印工艺在金币和银币上制造全息图像[12]。1984年，国家地理杂志出版了第一本封面印有全息图案的杂志[13]。

压印工艺的第一步是通过电子沉积法在记录了全息图像的光阻材料或者光致热敏材料上镀上镍，以制造压模。当镍层达到了要求的厚度，就将它与全息照片分离，随后装在金属背板上。用于复制全息照片的材料包括聚酯薄膜、树脂分离层、以及用以构成全息图像层的热塑薄膜。

压印的过程可以通过简单的热压来实现。底层用来复制全息图像的，为热塑层，这层首先需要加热，当超过软化点温度后，使用压模压制。这个形状在薄膜冷却以后依然保持，然后从压模剥离。为了允许通过反射来观察到压印的全息图像，还需要在记录了全息图像的薄膜后添加一层反射层。这层薄膜通常使用铝来制造。

目前研究表明，可以通过表面炸药爆炸来创建需要的表面浮雕，以在钢铁上直接印刷全息图像[14]。

除了记录图像，全息摄影技术还有很多其他应用。全息存储就是一种能够以很高的密度在晶体内部和光聚材料上存储信息的技术。由于许多电子产品都需要包含存储设备，这种能够在某些介质上存储大量信息的技术非常重要。目前的存储技术如蓝光光盘已经达到了衍射所限制的最大的数据存储密度，因此全息存储可能成为下一代主要的存储技术。这种数据存储技术的优点是数据不仅仅是记录在表面上，而且也记录在材料的内部。目前可用的空间光调制器可以在1秒钟内产生1000幅不同的图像，图像的分辨率是1024×1024比特。使用合适的记录材料（可能是聚合材料或者铌酸锂）可以达到每秒1Gb的写入速度。读取速度比写入速度快许多，一般认为可以达到每秒1Tb的读取速度。

2005年，一些公司如Optware和Maxell生产了120mm的全息光盘，这个全息光盘使用全息记录层，最多可以存储3.9TB的信息。他们计划以全息通用光盘来将这项技术推向市场。其他公司如InPhase科技也在研究类似的技术格式。

大多数全息数据存储模型都采用了基于页的存储方式，每一记录的全息图像都包含有大量地信息。最近有研究计划使用亚微米的微型全息图像来实现可能的三维光存储解决方案。尽管这种数据存储方式无法达到基于页的数据存储的高数据率，这种方案的生产成本更低，技术障碍也更小。

使用全息图像作为安全措施的瑞银幻彩金条。

由于复制全息图像需要价格昂贵的专门先进设备，安全全息图像非常难以伪造。许多货币都使用了全息防伪图像，如巴西20雷亚尔钞票、英国的5/10/20英镑钞票、爱沙尼亚25/50/100/500克朗钞票、加拿大的5/10/20/50/100元的钞票、5/10/20/50/100/200/500欧元钞票、韩国5000/10000/50000韩元钞票、日本5000/10000日元钞票等等。他们也经常用于银行储蓄卡、信用卡以及护照、身份证明、书籍、DVD以及体育器材等等。

另外，全息技术还在全像武器照准器上应用。以EOTech公司产品为代表的各种全息瞄准器广泛使用在各种枪械上。

艺术家很早就意识到了全息摄影的作为一种艺术媒介的潜能，因此他们来到科学实验室来创造他们的艺术品。全息摄影艺术经常是科学家和艺术家的合作结果，尽管某些全息摄影家认为他们自己既是科学家又是艺术家。萨尔瓦多·达利声称他是第一个在艺术中应用全息摄影的人。可以肯定，他是第一位著名的应用全息摄影的超现实主义艺术家，但是在1972年纽约达利全息摄影展之前，就已经先后有1968年的密歇根克兰布鲁克艺术学院全息艺术展览和1970年的芬奇学院画廊全息艺术展了。这些展览得到了全国媒体的关注[15]。

在二十世纪七十年代，一些艺术工作室和学校成立，每一家都以其独特的方式来研究全息摄影。比较著名的有旧金山全息摄影学校、纽约全息摄影博物馆、伦敦皇家艺术学院和湖林学院研讨会等等[16]。目前，这些工作室都不再存在了。然而，纽约全息艺术中心[17]和首尔HOLO中心[18]仍然为艺术家提供创作和展览全息艺术的场所。

在八十年代，许多使用全息摄影的艺术家在艺术世界中推广了这种所谓的新媒体。每个艺术家都找到了一种合适的表达方式来展现他们的三维艺术作品，避免了简单的使用全息摄影再现是一个雕像或物体。例如，在巴西，许多仿形体诗人发现全息摄影可以用来表达自己的想法，更新了仿形体诗的创作。

目前还有一群人数虽然较少但仍很活跃的艺术家仍然在使用全息摄影作为他们的主要载体，更多的艺术家将全息摄影的元素集成到了他们的作品中[19]。有一些人采用了创新的全息摄影技术，例如艺术家马特·布兰德[20]使用计算机镜面设计来消除镜面全息摄影的像失真。

麻省理工学院博物馆[21]和乔纳森·罗斯[22]都收藏了大量的全息摄影作品，同时也提供了在线作品目录。

自从全息摄影发明以来，许多人都探索了全息摄影的可能应用。1971年，劳埃德·克罗斯开办了旧金山全息摄影学校，进行对入门者使用便宜的设备进行全息摄影的方法。这种方法需要使用一大桌子的深沙来固定光学器件，减弱可能毁坏图像的振动。

许多全息摄影家都在制作全息摄影艺术作品。1983年，弗雷德·安特尔舍出版了全息摄影手册，用非常浅显的文字描述了在家中拍摄全息照片的方法。这本书带来了新一波的全息摄影家，他们采用非常简单的方法使用卤化银来记录全息影像。

2000年，弗兰克·德弗萊伊塔斯出版了全息摄影书，向无数全息摄影爱好者介绍了使用激光笔进行全息摄影的方法。这个方法对于初学者非常重要，因为一支5毫瓦的激光笔价格仅5美元，以前使用的激光器价格高达1200美元。目前，全世界有成百上千的业余全息摄影爱好者。

2006年，用于全息摄影的绿色激光器开始大量出现，而业余全息摄影家们也可以使用重铬酸盐明胶来进行全息摄影。全息摄影界对重铬酸盐明胶对绿色光的高感光性感到非常惊异，因为以前人们认为这种敏感性应该是不存在的。杰夫·布莱斯认为采用G307配方的重铬酸盐明胶可以增加拍摄的速度和敏感性[23]。

许多胶片提供商在卤化银市场进进出出。尽管越来越多的胶片制造商开始出现填补出现的空白，许多业余爱好者开始自己制造胶片。比较流行的配方是重铬酸盐明胶、感光亚甲蓝、以及扩散方法制备卤化银。杰夫·布莱斯发表了非常准确的制备胶片的配方[24]，人们可以在小型实验室甚至车库中制备胶片。

目前甚至还有一小批业余爱好者自制脉冲激光器来拍摄运动物体的全息照片[25]。

全息干涉[26][27]是一种能够静态和动态的检查有粗糙表面的物体位移的技术，测量的精度可以达到光学干涉的精度（小于光线的波长）。这种技术也可以用来检测透明介质中的光路长度的变化，因此可以显示并分析液体的流动。它也可以用于产生物体表面的等高线。

目前这种技术广泛的用于测量机械结构的应力、张力和震动情况。

全息图像保存了光场的幅度和相位信息，有一些全息图像保存的信息可以接近向各个方向辐射的光分布所包含的全部信息。对这些全息图像的数值分析可以仿真非常大的数值孔径，因此能够提高光学显微镜的分辨率。相应的技术称为干涉显微技术。目前的干涉显微技术可以达到1/4波长的分辨率极限[28]。

使用某种特定材料制成的全息摄影的胶片可以在与特定的分子发生反应的时候引起条纹周期性或者折射率的变化，因此，全息图像反射光的颜色也将为此发生变化[29]。

在稳定的全息摄影中，记录、冲洗和重建等步骤依次执行，而最终会产生永久的全息照片。

还有一种不需要进行冲洗的全息感光材料，它可以在很短的时间内记录一张全息图像。这样，人们就可以使用全息摄影来完成一些简单的全光操作。这种实时的全息图像的应用包括相位共轭镜，光缓存、图像处理（对时变图像的模式识别）以及光计算。

由于计算过程是对整个图像的并行处理，需要进行计算的信息量可能非常巨大（Tb/s）。这样大的计算量可以补偿通常几微秒的记录时间。几微秒的时间对于通常使用的电子计算机来说已经是很长的时间了。对动态全息图像的光处理也不如电子计算机的处理方法灵活。从一方面来说，人们总是需要对整个图像进行处理，但是从另一方面来说，对全息图像的处理又是非常基本的，通常是乘法或者相位共轭等等。但是在光学处理中，加法和傅立叶变换在线形材料中都是非常实现的（傅立叶变换可以简单的通过透镜来实现）。这样就使得在某些应用中，设备可以使用光学方法对图像进行比较[30]。

目前的研究中，人们正在积极寻找一些新型的非线性光学材料。最常见的材料就是光折变晶体，还有半导体、半导体异质（如量子阱）、原子蒸汽和气体、等离子体，甚至是能够产生全息图像的液体。

一个非常可能得到重要应用的研究是光学相位共轭。它可以通过让光线再次穿过具有共轭相位的介质来移除光线在穿过致像差介质时产生的波前失真。在自由空间光通信中，这个技术可以用于补偿大气干扰（这是造成星光闪烁的原因）。

从原理上说，可以对任何波进行全息记录。

电子全息摄影是将全息摄影技术应用于电子波中。电子全息摄影技术由丹尼斯·盖伯发明，可以用于改进分辨率并防止透射电子显微镜的吸收。现在，这种技术仍然在用于研究薄膜的电场和磁场，这是因为电场和磁场可以改变穿过样品的干扰波的相位[31]。电子全息摄影的原理也可以用于干涉光刻[32]。

全息声学是一种能够通过测量远离声源的一组压力/粒子速度传感器来估计声源附近声场的方法。全息声学等测量技术在许多领域都越来越重要，特别是在运输、运载工具和飞船的设计等领域。全息声学的基本思想已经导致了不同种类的全息声学，如近场全息声学、统计最优近场全息声学。在声学再现领域，波场合成是最相关的过程了。

全息原子学的进展已经超越了原子光学领域的基本要素的发展。在菲涅耳衍射透镜和原子镜帮助下，全息原子学和原子束物理学一起发展。最近关于原子反射镜，特别是脊反射镜的进展为拍摄原子全息摄影图像提供了重要工具[33]。然而，到目前为止，原子全息摄影还没有商业化。

在邮局、大型货运公司以及自动化传输系统中使用了全息图像扫描仪来确定包裹的三维尺寸。这个技术经常与重量选别秤一起使用，以在给定的体积内自动的打包，可以更好地用于卡车等大型货物运输装置。