§第三节 处处有用武之地(1 / 1)

全息照相,这一崭新的技术,以其异乎寻常的才能,引起了人们特别的重视,因而在工业、农业、军事和科学研究的各个领域里发挥着积极的作用。有这样一些实例:

在一次文物展览会上,一些全息照片吸引了无数观众。这些全息照片,将那些极珍贵的文物以及那些不可能搬进展览馆里来的古迹遗址等,以逼真的立体形象重现在观众面前,似乎真实文物就在眼前,犹如身临古迹遗址之中,难怪人们不断发出赞叹之声。这是全息照相的影象立体性的直接应用,称之为立体显示。除了文物之外,精雕细琢的艺术品、多种多样的标本和模型等都可以拍摄成全息照片,供展览会、博物馆、商店作展出品或陈列品,还可以作为建筑物、家庭和人们衣着的绝美的装饰品。用全息照相方法制作的模型和标本,是学校教学中难得的生动而直观的教具,使学生如同眼见实物,亲切地体会到实际情景。在科学研究上,等离子诊断、高速运动物体和流场都要用全息照片来进行立体显示,x射线和γ射线所得到的透视照片或断层照片也要靠合成全息照片来进行立体显示。全息照相使人们可以将那些看不见、摸不着的冲击波、热振动、超声波、微波、电子射线等拍摄下来,用立体显示方法进行观察和分析。

在光学仪器制造中,如今又有了一种获取具有各种光学功能的新型光学元件的手段,这就是全息照相制造方法。具有各种光学功能的全息图片,称之为全息光学元件。例如,全息光栅就是最有用处的一种全息光学元件。光栅有长的和圆的两种类型,它们实际上就是刻线间距很小的标尺或度盘,其特点是线条长而间距小,多数为线条和间距等宽的。光栅是数字式仪器仪表、数控机床和精密机床中实现数字显示的关键元件之一。我们知道,数字显示仪表能够迅速而准确地提供数据,是现代科技部门中的一位重要成员。光栅是在精确计量与检测中实现数显的难得之宝,在国内外受到极大的重视。近几年来,我国设计制造了多种类型的光栅式测量长度和角度的仪器,并成功地将光栅作为数控机床的检测元件,作为仪器仪表和精密机床的精确定位元件。光栅技术在生产和科研中的应用,有利于实现加工、测量和控制的自动化,读数数字化,而且能够进行动态检测,最后将结果自动地记录、打印出来,既提高了测量精度,又提高了工作效率。但是,光栅的制造,目前还主要是靠机械刻划、投影光刻和照相复制等方法,如果能大量地采用全息照相技术制造、无疑将大大提高制造的效率。全息光栅制造原理如前所述,是采用两束相干平行光,即一束物体光束和一束参考光束,在干板上产生干涉条纹,经显影和定影后而得到的透明和不透明相间条纹构成的全息光栅。全息光栅和刻画光栅相比,具有无鬼线、象差小、分辨本领高、杂散光水平低等优点。

在工业和科研检测方面,全息照相和干涉测量方法结合而形成一门崭新的测量技术,称之为全息干涉度量学。它的实质就是:利用全息照相能够真实地记录和显现原物体形象的本领,将一个物体变形前后的两个形象作光波的干涉比较,从而就能对任意形状和表面状况的物体进行三维测量,其精度可以同光的波长相比,可见精度是极高的。全息干涉度量方法用途十分广泛,对各种各样的物体,如轮胎、制动器、蜂板结构、涡轮叶片、建筑器材、声学器件、桥梁和水坝模型以及固体材料等进行无损探伤、无损测量、应力分析和振动分析等等,而且,还可以对高速运动的目标、射流、风洞和冲击波等进行全场显示测量。此外,在研究植物的生长状况和生物的运动规律方面,全息干涉技术也是很有用的。

在光学信息处理和存贮技术领域,全息照相为之带来了雨后春笋般地蓬勃发展的景象。光学信息处理是一门古老的学科,而全息照相的问世,使这门学科返老还童,焕发了青春,特别是近二十年来发展极为迅速。例如,利用光学的方法作图样的识别。人对外界事物有识别能力,譬如说,亲友久别重逢,一见面就会发现对方的变化:瘦了,胖了,长高了,脸晒黑了,等等。将记忆中的事物同新观察到的事物相比较,找出二者的相似与差别,人们的这种识别能力是很强的。这是因为,大脑所能存贮的事物相当之多,即使大脑中某一部分受到损伤也不会破坏这些记忆,再加上人身自带的锐敏的光学仪器——眼睛能够准确而充分地提供信息,因此,对于相似与差别的比较识别可以同时迅速地完成,这是目前任何机器都无法比拟的。然而,由于现代科学技术的迅猛发展,人工判读和识别已经远远不能满足要求了,必须寻求自动化的判读和识别的方法和设备。就是众所周知的电子计算机的图样识别,也由于识别方式和人眼——大脑的识别过程不同,加之存贮量和计算速度都有限,仍然不能满足需要。由于这个缘故,人们又想到了光学信息处理和存贮技术。光学系统是传递和变换信息的一种极好的工具。一个景物同时被成象和被变换,这与人眼和大脑识别外界事物的情况是相近的。而用光学方法实现图样识别,就是靠的全息照相技术。光学全息图样识别已经在许多方面得到应用。就拿汉字检索来说,它1分钟能检索汉字300~500个,这简直是人工检字所无法比拟的!此外,指纹的自动识别,对于破案是很有用的,导弹上装上图样识别装置,可以自动寻找目标;图象识别在医学上的应用,是可以发现早期的病变。除了图象识别之外,还有图象规整、图象改善和增强、信息存贮编码和成图技术等。目前,光学信息处理正在广泛地用于地球资源考查、森林普查和防火、农作物生长情况和病虫害防治、军事侦察、探矿、环境污染监视、侧视雷达、医学诊断、提高各种成象系统的分辨率、文字检索和辨认。

在信息存贮技术之中,全息存贮的潜力是最大的。如上面讲的那样,全息照相所给出的全息图片最不怕挫折,具有不怕擦伤、不怕涂污、不怕撕破的优点,因而在它上面存贮信息是非常可靠的。如果采用厚记录材料作为存贮介质,那么存贮容量是非常巨大的,比其它任何方式所能达到的要高出几个数量级。

在洞察微观世界的窗口,全息照相为之增添了明镜——全息显微术。人们用普通的显微镜观察微小物体受到了焦深短的限制,因而想到将全息术引入,得到的全息显微镜的焦深可以达到1厘米左右。因此,全息显微术特别适用于观察微生物和悬浮粒子等微小目标。此外,如果采用极短的光波(如x射线)的全息照相,那么,我们就能够直接观察到分子和原子的结构。

光学全息照相又和电子计算机结成了良缘。我们知道,数字电子计算机有很好的通用性、很高的精度和灵活性。而光在空间的传播可以用电子计算机进行模拟计算。全息照相的两步成象过程,电子计算机是可以模拟计算的。用计算机做波前记录,称为计算机产生全息图;用计算机做波前再现,则称为计算机全息图再现。利用计算机产生全息图技术,能够制造出实际上还不存在的抽象物体的全息图,这对于非标准加工和工程设计十分有用;还能够制造各种无法以光学方法做的空间复数滤波器和空间变换器、掩模和全息扫描器等生产和科研所需要的器件。利用计算机全息图再现技术,可以对由声波或电波形成的全息图进行实时再现。这样,就有可能显示出水中、地下及不透光固体内部的情况。

光学全息照相还使雷达技术发生了变革,出现了一种新型的雷达——全息相于雷达。我们知道,雷达又叫做无线电定位仪,就是用微波来确定目标的距离、位置及运动状态的设备。普通微波雷达侧定距离、方位和角度的精度都较差,还易受地面假回波影响和各种电磁波干扰。激光出现后,人们研制出了激光雷达,它不仅可以测出目标的距离和方位,还可以测出目标的运动速度和加速度,测距范围宽,测定精度高,抗干扰性能和保密性能好。

从前面讲的全息照相的原理和过程可以看出,全息照相并不是普通照相术的一个变种,而是一种根本上全新的过程。这里再次强调指出这一点是很重要的,因为雷达利用了普通照相术的一些性质,而新型相干雷达则突破了这些传统的局限性。在相干雷达中,高度相干的微波发生器给出照射地形信号,同时,这个发生器也作为参考波发生器。当飞机飞行时,从飞行路线上每一点接收到的反射信号与这个参考信号合在一起,由此产生了一个干涉图样,把它转变为光的图样并用照相方法记录下来。这个记录就是一种全息图,是用激光加以处理来“再现”该地形的雷达图象的。