全息照相的原理,簡單地說,主要利用了激光顏色純這個特點.其實,關於全息照相的理論早在1947年就由英國科學家伽波提出來.但直到亮度高、顏色純、相幹性好的激光問世後,才真正拍攝出全息照相.
全息照相與立體照相是兩回事.盡管立體彩色照片看上去色彩鮮艷、層次分明,富有立體感,但它總歸仍是單面圖像,再好的立體照也代替不了真實的實物.比如,壹個正方形木塊的立體照,不論我們怎樣改變觀察角度,橫看豎看,看到的只能是照片上的那個畫面.但全息照就不同了,我們只要改變壹下觀察角度,就可以看到這個正方塊的六個方面.因為全息技術能將物體的全部幾何特征信息都記錄在底片上,這也是全息照相最重要的壹個特點.
全息照相的第二個特點是能以壹斑而知全貌.當全息照片被損壞,即使是大半損壞的情況下,我們仍然可以從剩下的那壹小半上看到這張全息照片上原有物體的全貌.這對於普通照片來說就不行,即使是損失壹只角,那只角上的畫面也就看不到了.
全息照的第三個特點是在壹張全息底片上可以分層記錄多幅全息照,而且在它們顯示畫面時不會互相幹擾.正是這種分層記錄,使得全息照片能夠存儲巨大的信息量.
全息照片為什麽會有這樣的壹些特點?為什麽普通照片沒有這些特性呢?這要從拍攝的原理談起.
假如用壹束激光照明壹個微小顆粒.從小顆粒上反射出來的光波基本上是不斷向外擴大的球面波.我們向小顆粒看去,是明亮的壹點.用照相機為這小顆粒照相時,光波通過鏡頭在底片上形成壹個亮點,這壹點的亮度與小顆粒反射出來的光強有關.照相底片可以記錄下這壹點的亮點,但記不下小顆粒在三維空間的位置,印出來的照片上也只有壹個亮點.看起來沒有壹點立體感覺.拍攝全息照片時,不用照相鏡頭,而是把壹束發出平面波的激光和小顆粒反射出的球面波壹起照到照相底片上.整個底片都受到光照,它記錄下的不是個亮點,而是壹組同心圓,當同心圓間隔很小時,看起來,就像是用刀把壹個圓蘿蔔切成壹片片薄片,疊在壹起,成為壹組同心環那樣.底片經沖洗後,放到原來的位置,再用拍攝時那束發出平面波的激光,以拍攝時的角度照到底片上,我們可以看到原來放置微小顆粒的位置上有壹個亮點.註意!這個亮點在空間,而不是在底片上,我們看到的光就像是從這個亮點發出來的.所以,全息照片記錄下來的不僅是壹個亮點,還包含亮點的空間位置,或者說記下從亮點發出的整個光波.全部奧妙就在於這種新奇的拍攝方法,在於這壹束平行（平面波）激光束.這壹激光束,我們稱之為參考光束.
因此,任何物體實際上都可以看成是無數個明暗不同的亮點組成的立體圖像.用上面的拍攝方法拍成的全息照片就是無數個同心圓組成的復雜圖形,看起來也是灰暗的壹片.同樣,這張全息照片不僅記錄了物體各點的明暗,還記下了各點的空間位置.當用參考光束照射沖洗後的底片時,我們看到的光就像是從原物體上發出來的.所以,我們說它記錄了有關物體發出的全部光信息,全息照片的名稱就是因此而得來的.不過激光全息照片只有在激光照射下,眼睛看上去才有立體的形象,而激光器是壹種價格較貴的設備,壹張照片要配備壹架激光器,除了科研部門、專門的場所中有可能設置外,要普遍、廣泛地應用是不可能的.針對這個缺點.科學家不斷研究,終於發明了壹種在白熾燈光下也能看到全息景象的全息照片.稱為白光全息或彩虹全息.
激光全息照的底片,可以是特種玻璃,也可以是乳膠、晶體或熱塑等.壹塊小小的特種玻璃,可以把壹個大型圖書館的上百萬冊藏書內容全部存儲進去.
如果留心壹下報紙上的照片,就能發現它們是由壹個個小點子組成的.每壹個小點子叫做壹個像素,它的密度大約是每平方毫米內有幾個點.而全息照相用的特種玻璃膜層厚約10微米,像點密度每平方毫米內在2000個點以上.在這種底片上,每平方毫米的地方內,可以裝下壹張310平方厘米的大照片.在壹小塊5毫米見方的薄膜上就能裝下壹本200頁厚的圖書.
全息照相機的發明,主要意義不在於照相,它作為激光技術的壹個方面,在工業、農業、科研等領域具有廣泛的實用價值.
從照相方面講,這是壹種全新的技術.因為全息照片有逼真的立體感,用它來代替普通照片有獨特的效果.在國外,已有人用全息照片做成書的插頁,做成商標,做成立體廣告；博物館用它來代替珍貴文物展出.國外有壹家機床制造公司,到另壹個國家開商品介紹會,就用全息照片代替實物辦了壹個機床展覽會.展覽廳裏全部是各種機床的全息照片,這些全息照片看起來和真的機床並沒有什麽兩樣,反而更加引起參觀者的興趣.
構思精巧的全息照片也是壹件精美絕倫的藝術品.美國和法國等國家都有全息照片博物館,集中了全世界最精美的作品.
全息照相還可以將珍貴的歷史文物記錄下來,萬壹有文物古跡遭到嚴重破壞,即使蕩然無存,我們仍然可以根據全息照相重建.比如像北京圓明園那樣的名勝,當年被八國聯軍焚毀,現在雖然打算重建,因為不知道整個面貌,就難以完全恢復.如果全息照相提早100年發明的話,事情就好辦了.
從立體景象的全息照片得到啟發,科學家想到了全息電影和全息電視.實驗性的全息立體電影已經在前蘇聯出現.放映這種電影時,觀眾看到的景象並不在銀幕上,而是在觀眾之中,使人有身臨其境的真實感覺.至於全息電視,因為它涉及的技術問題比較復雜,目前還在研究.1982年,德國的電視臺播送的立體電視,並不是激光全息電視,它的原理和普通立體電影壹樣,觀看時要戴壹副特殊的眼鏡.預計到本世紀末,電影和電視又要換代了；到那時,人們的文化娛樂生活,可能會由於激光全景立體電影和激光立體電視的出現而變得更加豐富多彩.
全息照相的另壹項重要應用是制作可以在壹些特殊場合代替玻璃的全息光學元件.這種特殊的光學元件具有加工方便、小巧、輕、薄等優點.壹個凹透鏡可以使光束發散,壹束平行光波照上去變為球面波；我們前面談到的用小顆粒拍攝的全息照片也會把平行光參考光束變為球面波；這樣的全息照片也就是壹個特殊的凹透鏡.用類似的方法可以制作出凸透鏡、柱面透鏡等光學元件.這種元件和紙壹樣薄,壹樣輕,還不會碎.現在已經有用全息光學元件做成的望遠鏡,它的厚度和壹般近視鏡片差不多.還有人報道用全息光學元件做成窗玻璃.這種奇異的窗玻璃不會影響人的視線,卻能反射大量的陽光,兼有窗簾的功能；更有趣的是,可以把它反射的陽光集中到裝在窗檐下的壹排太陽能電池上,轉化為電能,供室內使用,真是壹舉三得.
全息照相技術有明察秋毫的本領.因為全息照片能精確地再現原來被拍攝的物體,我們可以用它作標準檢查原物有沒有變化；事實上只要有1微米的變化,就可以用全息照相技術檢查出來.科研生產部門,還讓激光全息攝影來擔任成品內在質量的“檢驗員”.檢驗時,給被檢物加上壹點壓力或加點熱；如果物體內部有裂痕、微孔,它的表面就會發生相應的變化.盡管這種變化的程度極為細微,肉眼根本無法覺察,但在全息攝影這對“火眼金睛”下面,所有這些瑕疵、隱患,統統暴露無遺.這種方法除了可以精密地檢查內在質量外,還有對被檢物絲毫無損的的優點,特別適用於貴重物品,例如珍貴文物、古代雕塑品的檢測.希臘科學家曾用這種方法查出古代塑像受風化的程度.生產上用這種方式檢查精密零件、飛機蒙皮、飛機輪胎的內在質量.在國外的飛機輪胎工廠裏,已經起用了激光全息照相“檢驗員”.這種方法還被用來作生物學研究,比如研究腦殼受力時產生的形變,研究蘑菇的生長速度等等.
還在發展當中的是全息存貯技術.我們在談全息照相特點時提到過的存貯信息,也就是記錄信息的能力.從理論上計算,用光盤存貯信息,每平方厘米可以存貯的信息約為106位,而用全息存貯,每平方厘米可以存108位,高100倍!而且讀出信息的時間只有百萬分之壹秒!
現在,已經可以把信息存到材料裏面去,全息照相用的材料不是壹薄層底片,而是整個壹塊晶體可以存入10萬冊圖書,壹個圖書館只要保存幾塊記錄晶體就可以.這看來帶有壹點幻想色彩,然而是有希望做到的.更重要的是全息存貯的發展將會促進計算機的發展、換代.
壹般的全息照片,只能壹張壹張制作,價格也很高；除了科研上的使用以外,只能當作高級藝術品.80年代出現了壹種新的壓印全息技術.用這種方式制造全息照片,先要做成壹塊金屬的微浮雕板；把它當作印板,在鍍有金屬膜的特殊紙張上壓出全息照片.這比印郵票還要方便,可以大批生產,成本大大降低,應用面也越來越廣.
這種全息照相不僅有立體感；在陽光或燈光下呈現多種色彩,襯在銀白色的金屬背景上,顯得更為絢麗.人們用它來裝飾書刊、玩具、旅遊紀念品,很具魅力.
這種全息照相也包含著豐富的信息,而且完全取決於制作時采用的景物和拍攝方式,就像加了密碼壹樣.沒有原始印版,無法復制.因而,它成為防止偽造的有效手段.已經在紙幣、信用卡、磁卡及外交簽證等憑證上出現各種全息標識以防偽造.在我國,也已有不少廠商采用全息照相商標來防止有人偽造商標,欺騙顧客.
值得壹提的是,全息照相這項重大技術成就,卻是在與普通攝影毫不相幹的科研領域內發明的.發明者加伯研究這壹課題的目的是想要提高電子顯微鏡的分辨率.他設計了這種新的成像方法,並於1948年公開發表在科學雜誌上.但是,當時沒有激光這樣好的單色光,技術上也有壹些困難,加伯並沒有取得成效,他的論文也沒有人重視.
直到十多年後的1964年,因為出現了激光器這種理想的光源,全息照相技術才開始發展起來.很快,全息照相術便成為壹種用途十分廣泛,並且具有無限發展潛力的新技術.加伯因為首創全息照相的理論,榮獲1971年諾貝爾物理學獎.他本人由此而被世界公認為“全息照相之父”.