全息图的工作原理

制作全息图并不需要很多工具。你可以这样做:

有很多不同的方式来安排这些工具——我们将坚持一个基本的透射全息图现在设置。

在下一节中，我们将研究工作空间需求。

你可以用内胎和沙子来抑制振动来创造你自己的全息表。

获得一个好的图像需要一个合适的工作空间。在某些方面，对这个空间的要求比对设备的要求更严格。房间越暗越好。在不影响完成的全息图的情况下，给房间添加一点光线的一个好选择是一个安全灯，就像暗室中使用的那样。由于暗室的安全灯通常是红色的，而全息照相术经常使用红色的光，因此有专门为全息照相术制作的绿色和蓝绿色安全灯。

全息照相还需要一个工作表面，使设备保持绝对静止——当你穿过房间或当汽车从外面驶过时，它不会振动。全息照相实验室和专业工作室通常使用特殊设计的桌子，桌子上有蜂窝形支撑层气动腿。这些是在桌子的顶部表面下面，它们可以减弱振动。你可以把充气内胎放在一张矮桌子上，然后在上面放一盒厚厚的沙子，这样就可以制作出自己的全息摄影桌子。沙子和内胎会起到专业表的蜂窝状和气动支撑的作用。如果你没有足够的空间放这么大的桌子，你可以临时用沙子或糖杯来装每一件设备，但它们不会像更大的设备那样稳定。

为了制作清晰的全息图，你还需要减少空气中的振动。暖气和空调系统可以把空气吹到周围，身体的运动、呼吸甚至身体热量的散逸也可以。由于这些原因，你需要关闭加热和冷却系统，并等待几分钟后，你的设备，使全息图。

这些预防措施听起来有点像极端的摄影建议——当你用相机拍照时，你必须保持镜头清洁，控制光线水平，并保持相机绝对静止。这是因为制作全息图非常类似于用微观细节拍摄照片。在下一节中，我们将了解全息图与照片的相似性。

在摄影技术中，光线在照射到胶片或感光传感器之前通过镜头和快门。

当您使用胶卷相机拍照时，四个基本步骤会在瞬间发生：

您可以对此过程进行很多更改，例如快门打开的距离、镜头放大场景的程度以及添加到混合中的额外光线的数量。但不管你做了什么改变，这四个基本步骤都是一样的。此外，无论设置如何更改，生成的图片仍然只是反射光强度的记录。当你冲洗胶卷并打印图片时，你的眼睛和大脑会将图片反射的光线解释为原始图像的再现。您可以在中了解有关该过程的更多信息愿景是如何工作的，照相机的工作原理和电影如何运作．

像照片一样，全息图是反射光的记录。制作它们需要与制作照片类似的步骤：

在全息照相技术中，光在照射到感光的全息胶片之前要通过快门和镜头。

就像照片一样，这个过程的结果是一层记录了射入光线的胶片。然而，当你冲洗全息版并观察它时，你所看到的有点不寻常。从照相机冲洗出来的胶卷显示给你一个消极的原始场景视图——亮的区域是暗的，反之亦然。当你看底片时，你仍然可以感觉到原始场景是什么样子。

但是当你看一张冲洗过的用于制作全息图的胶片时，你看不到任何与原始场景相似的东西。相反，你可能会看到一个黑暗的胶片框架或一个随机的线条和漩涡图案。把这幅胶片转换成图像需要右旋照明. 在一个传输全息图，单色光通过全息图产生图像。在一个反射全息图，单色或白光从全息图表面反射而成的图像。你的眼睛和大脑将通过全息图或全息图反射的光解释为三维物体的再现。你在信用卡和贴纸上看到的全息图是反射全息图。

你需要正确的光源才能看到全息图，因为它会记录光的轨迹阶段和振幅像一个代码。它不是记录一个场景的简单反射光模式，而是记录干扰在参考梁和对象梁之间。它以一种微小的模式来实现这一点干涉条纹. 每个条纹可以小于用来产生它们的光的一个波长。解码这些干涉条纹需要一个键——这个键是正确的光。

接下来，我们将探索光是如何产生干涉条纹的。

光反射可以是镜面反射、镜面反射（左）、漫反射或散射。

要了解干涉条纹是如何在胶片上形成的，你们需要对光有一点了解。光是光的一部分电磁波谱--它是由高频电和磁性材料制成的波。这些波相当复杂，但你可以把它们想象成水面上的波。它们有高峰也有低谷，它们沿着直线前进，直到遇到障碍。障碍可以吸收或反映灯光，大多数对象都会同时执行这两种操作。完全光滑表面的反射是镜面反射，或像镜子一样，而粗糙表面的反射则是弥漫的，或分散。

光的波长是从波的一个峰值到下一个峰值的距离。这与波的频率或给定时间段内通过某一点的波的数量有关。光的频率决定其颜色，并以每秒周期或赫兹（Hz）为单位进行测量。光谱红色端的颜色具有较低的频率，而光谱紫色端的颜色具有较高的频率。光的振幅或波高与其强度相对应。

白色光，就像阳光，包含了所有不同频率的光，朝各个方向传播，包括那些超出可见光谱的光。尽管这种光可以让你看到周围的一切，但它相对来说是混乱的。它包含很多不同的波长，向不同的方向传播。即使波长相同的波也可能是不同的阶段,或波峰与波谷之间的连线。

激光另一方面，光线是有序的。激光产生单色光，只有一种波长和一种颜色。激光发出的光也是如此连贯。所有的波峰和波谷都排列在一起，或者是相位差。波浪排成一行在空间上,，或者穿过光束的波浪，以及暂时，或者沿着梁的长度。你可以退房激光是如何工作的来精确地了解激光是如何做到这一点的。

在下一节中，我们将介绍光反射和冗余。

当光波反射时， 它们遵循反射定律。 它们攻击的角度 曲面与角度相同 他们离开的时候。

你可以用无组织的白光拍摄和查看照片，但要制作全息图，你需要激光的有组织的光。这是因为照片只记录照射在胶片上的光的振幅，而全息图则记录振幅和相位的差异。为了让胶片记录这些差异，光必须以一个波长和一个相位开始穿过整个光束。所有的波离开激光时必须是一样的。

当你打开激光曝光全息底片时，会发生这样的事情:

关于对象梁，有几件事需要记住。一是物体不是100%反射的——它吸收了到达它的一些激光，改变了物体波的强度。物体较暗的部分吸收较多的光，较亮的部分吸收较少的光。

最重要的是，物体表面在显微镜下是粗糙的，即使在人眼看来是光滑的，也会引起漫反射。它沿着光线的方向向各个方向散射光线反射定律．换句话说入射角,或者说光线照射到表面的角度，与它的反射角,或者它离开表面时的光线。漫反射使光从物体的每个部分反射到全息底片的每个部分。这就是为什么全息图是多余的——感光板的每一部分都保存着有关物体每一部分的信息。

全息底片捕捉物体与参考光束之间的相互作用。接下来我们将看看这是如何发生的。

用于制作全息图的感光乳剂记录了参考光束和目标光束中光波之间的干涉。当两个波峰相遇时，它们放大对方。这是建设性的干扰。当一个峰遇到一个谷时，它们会相互抵消。这是相消干涉。你可以把波的峰看成一个正数，波谷看成一个负数。在两束光相交的每一点上，这两个数字相加，要么使那部分波变平，要么使它放大。

这很像使用无线电波传输信息。在振幅调制(AM)无线电传输中，你把一个正弦波和一个振幅不同的波结合在一起。在调频(FM)无线电传输中，你把一个正弦波和一个频率不同的波结合在一起。不管怎样，正弦波是载波这是覆盖着第二波携带信息。

通过想象水面上的波浪，你可以想象光波的相互作用。

在全息图中，两个相交的光波前形成一种图样的双曲面--看起来像双曲线围绕一个或多个焦点旋转。您可以阅读更多关于双曲面形状的信息Wolfram MathWorld．

静止在两个波前碰撞处的全息底片捕获了一个横截面，或者这些三维形状的薄片。如果这听起来令人困惑，想象一下从一个充满水的透明水族馆的侧面看过去。如果你在水族馆的另一端把两块石头扔进水中，波浪将以同心环的形式向中心传播。当这些波发生碰撞时，它们将以建设性和破坏性的方式相互干扰。如果你拍下这个水族馆的照片，并把它覆盖在中间的一个薄片上，你会看到一个特定位置上两组波之间的干涉截面。

到达全息乳液的光线就像水族馆里的波浪一样。它有波峰和波谷，有些浪高一些，有些浪短一些。乳剂中的卤化银对这些光波的反应就像它对普通照片中的光波的反应一样。当你冲洗乳剂时，接受强光照射的部分会变暗，而接受弱光照射的部分则会变浅。这些较暗和较亮的区域就成了干涉条纹。

在下一节中，我们将研究乳液漂白过程。

波的振幅对应于对比在边缘之间。波的波长转换为波长形状每个边缘。空间相干性和对比度都是激光束对物体反射的直接结果。

把这些条纹变成图像需要光线。问题是，所有微小的、重叠的干涉条纹会使全息图变得如此黑暗，以至于它吸收了大部分的光，只让很少的光通过来重建图像。因此，加工全息乳剂往往需要漂白使用漂白浴。另一种选择是使用除卤化银以外的光敏物质，例如重铬酸盐明胶，记录干涉条纹。

一旦全息图被漂白，它就变得清晰而不是黑暗。它的干涉条纹仍然存在，但它们有不同的特性折射率而不是较深的颜色。折射率是光在介质中传播的速度与在真空中传播的速度之差。例如，光波在空气、水、玻璃、不同气体和不同类型的薄膜中传播时，其速度会发生变化。有时，这会产生明显的扭曲，比如放在半杯水里的勺子明显弯曲。折射率的差异也会在肥皂泡和停车场的油污上形成彩虹。在漂白全息图中，折射率的变化会改变光波穿过干涉条纹和反射干涉条纹的方式。

这些条纹就像一种密码。它需要你的眼睛，你的大脑和正确的光线将它们解码成图像。我们将在下一节中查看这是如何发生的。

在透射全息图中，照亮全息图的光 来自于观察者的对面。

全息图上的显微干涉条纹对人眼来说意义不大。事实上，由于重叠的条纹既暗又微观，如果你看透射全息图的显影胶片，你可能看到的只是一个暗正方形。但当单色光通过它时，情况就改变了。突然，你在全息图制作时物体所在的同一地点看到一个三维图像。

许多事件同时发生，使得这一切发生。首先，光线通过一个发散的透镜，导致单色光——或由一种波长颜色组成的光——同时击中全息图的每个部分。因为全息图是透明的，所以传输很多这样的光，没有改变地穿过。

不管它们是暗的还是清晰的，干涉条纹反映一些光。这就是事情变得有趣的地方。每个干涉条纹就像一个弯曲的微观镜子。击中它的光遵循反射定律，就像它从物体上反弹时所做的那样，最初创造了全息图。它的入射角等于反射角，于是光开始向不同的方向传播。

全息图中的干涉条纹使光散射 在所有方向上，在过程中创建图像。 条纹会衍射并反射一些光线(插入的)， 有些光是不变地通过的。

但这只是过程的一部分。当光线绕过障碍物或穿过狭缝时，它会发生反射绕射，或展开。光束从其原始路径向外扩散的越多，其沿边缘的亮度就越低。你可以看到这是什么样子使用水族馆与开槽面板放置在其整个宽度。如果你往水族馆的一端扔一块鹅卵石，波浪将以同心环的形式向面板传播。每个环只有一小片可以穿过面板上的每个间隙。每一个小碎片都会在另一边继续扩散。

这个过程是光以波的形式传播的直接结果——当波穿过障碍物或狭缝时，它就会波阵面在另一边展开。全息图的干涉条纹之间有许多狭缝，它的作用就像衍射光栅，使许多相交的波前出现在一个很小的空间内。

全息图中的衍射光栅和反射面重建原始的物体光束。在与参考波组合之前，该光束与原始对象光束完全相同。这就是当你听收音机时发生的事情。您的无线电接收器会删除携带调幅或调频信息的正弦波。信息波返回到原始状态，然后与正弦波结合进行传输。

光束也沿与原始对象光束相同的方向传播，并在传播过程中向外扩散。因为物体在全息板的另一侧，所以光束会向你传播。你的眼睛聚焦这束光，你的大脑将其解释为一个位于透明全息图后面的三维图像。这听起来可能有些牵强，但你每天都会遇到这种现象。每次你照镜子时，你都会看到你自己和你身后的环境，就好像它们在镜子表面的另一边。但是，形成这幅图像的光线并不在镜子的另一侧——它们是从镜子表面反弹并到达眼睛的光线。大多数全息图的作用也类似于滤色器，因此您将对象视为与创建时使用的激光相同的颜色，而不是其自然颜色。

这种虚像来自于光线撞击干涉条纹并在进入你眼睛的过程中扩散。然而，光击中反向每一条条纹的边做相反的事。它不是向上移动和发散，而是向下移动和收敛。它变成了物体的聚焦再现——一个真实图像如果你把一个屏幕放在它的路径上，你就能看到。真实的图像是虚性这与你不用屏幕就能看到的虚拟图像正好相反。在正确的照明下，全息图可以同时显示这两种图像。然而，在某些情况下，你看到的是真像还是虚像取决于全息图的哪一面面对着你。

你的大脑在你对这两幅图像的感知中扮演着重要的角色。当你的眼睛探测到来自虚拟图像的光时，你的大脑将其解释为来自真实物体的一束光。你的大脑使用多个暗示，包括阴影、不同物体的相对位置、距离和视差，或角度差异，以正确解释此场景。它使用这些相同的线索来解释伪视真实图像。

本说明适用于用卤化银乳剂制作的透射全息图。接下来，我们将看一些其他类型的全息图。

在信用卡和其他日常用品上发现的全息图是通过将全息图的图案印在箔上而批量生产的。

形象礼貌Dreamstime

你可以买到的新奇玩意儿，或者在你的驾照上看到的全息图反射全息图。这些通常是用冲压方法批量生产的。当你显影全息乳剂时，乳剂的表面会随着卤化银颗粒的出现而塌陷减少纯银。这会更改乳液表面的纹理。大量制作全息图的一种方法是在该表面涂上金属以增强其强度，然后用它将干涉图案压印成金属箔。很多时候，你们可以在普通白光下看到这些全息图。你也可以通过从主全息图上打印全息图来批量生产全息图，就像你可以从同一张底片上打印出许多照片一样。

但是反射全息图也可以像我们已经讨论过的传输全息图一样精细。有很多物体和激光装置可以产生这些类型的全息图。常见的是an内联设置，激光，乳胶和物体都在一条线上。激光器发出的光束作为参考光束。它通过乳剂，从另一侧的对象反弹，然后作为对象光束返回乳剂，创建干涉图案。当白色或单色光从全息图表面反射时，您可以查看该全息图。你仍然看到一个虚拟的图像——你的大脑对光波的解读，这些光波似乎来自全息图另一边的真实物体。

反射全息图通常比透射全息图厚。有更多的物理空间来记录干涉条纹。这也意味着有更多层的反射表面，以供光线照射。你可以认为用这种方式制作的全息图有多个层只有半个波长深。当光进入第一层时，一部分反射回光源，另一部分继续反射到下一层，过程在那里重复。来自每一层的光与它上面的层中的光发生干涉。这被称为布拉格效应它是反射全息图中物体光束再现的必要组成部分。此外，具有强烈布拉格效应的全息图称为厚而那些布拉格效应小的则是薄。

布拉格效应还可以改变全息图反射光的方式，尤其是在白光下观看的全息图中。在不同的观察角度下，不同波长的光会产生不同的布拉格效应。这意味着你可能从一个角度看到一种颜色，从另一个角度看到另一种颜色。布拉格效应也是为什么大多数新颖的全息图呈现绿色的原因之一，即使它们是用红色激光制作的。

著名的全息图“吻”显示了一系列类似的静止图像。你的眼睛同时看到许多帧，你的大脑将它们解释为运动图像。

图像©1996 - 2007Holophile公司。

在电影中，全息图可以在半空中移动和再现整个动画场景，但今天的全息图只能模拟运动。使用不同位置的物体，以不同角度多次曝光一个全息乳剂，可以获得运动的错觉。全息图只在光线从直角照射时产生每个图像。当你从不同角度观看全息图时，你的大脑将图像中的差异解释为运动。就像你在看一本全息翻页书。您也可以使用脉冲一种激光，发射时间为几分之一秒，可以对运动中的物体产生静止的全息图。

同一张底片的多次曝光也会导致其他效果。您可以使用两个完全不同的图像从两个角度曝光平板，创建一个全息图，根据观察角度显示不同的图像。使用完全相同的场景和红、绿、蓝激光曝光同一块板，可以产生全彩全息图。不过，这个过程很棘手，而且通常不用于批量生产的全息图。您还可以在对象经历某种刺激之前和之后曝光相同的场景，如阵风或振动。这让研究人员能够准确地看到刺激是如何改变物体的。

使用激光制作物体的三维图像可能听起来像是一种新奇的事物或一种艺术形式。但是全息图有越来越多的实际用途。科学家可以用全息图来研究三维物体，他们可以用声学的用全息术重建声波的三维结构。全息存储器也成为一种越来越普遍的在很小的空间内存储大量数据的方法。一些研究人员甚至认为，人类大脑存储信息的方式很像全息图。尽管全息图目前不像电影中那样移动，但研究人员正在研究将全三维全息图投射到可见空气中的方法。在未来，从看电视到决定哪种发型最适合你，你可能可以用全息图做任何事情。

想要了解更多关于全息图的信息，请点击下面的链接。

原版：2007年5月21日