全息摄影揭秘：从加博尔的诺贝尔奖发明到未来数据存储

背景

全息图是一种平面介质，在适当照明下能呈现逼真的三维图像。某些全息图甚至能将栩栩如生的场景投射到自由空间中，形成可拍照但不可触摸的图像。由于常规复制手段无法复制全息图，它们成为信用卡、驾照和门票等防伪的可靠保障。"全息"一词源自希腊语 holos（整体）和 gramma（信息）。全息摄影的制作过程是将光的干涉图案记录在胶片或感光板上。

全息图主要分两类：反射式和透射式。反射式全息图从正面观看，透射式则需要光线从背面穿过。压纹全息图将透射式全息图与镜面背衬结合，使其可正面观看。动态全息图（或立体全息图）捕捉3至20秒的序列，产生短片效果。

与照片不同——照片的每个片段仅还原原物的一个切面——全息图的每个片段都包含从该片段位置看到的完整物体。因此，如果透射式全息版破碎，每个碎片仍能投射完整图像，只是视角略有不同。物体的光学特性也得以保留；例如，放在蝴蝶上方的放大镜全息图，透过镜片观看的蝴蝶部分会被放大。

商业上，全息包装能提升产品销量。投影全息图是展会和零售空间的亮眼展示。历史名例包括1970年卡地亚纽约旗舰店外投射的镶钻手部全息图，以及芝加哥熊队前教练迈克·迪特卡餐厅展示的全息肖像。甚至像林登人这类距今2300年的珍贵文物，也通过全息复制品得以研究，法医科学家无需接触原件即可构建精确实体模型。

爱好者只需激光器、隔振台和高分辨率胶片等简易设备即可制作全息图。商业制作从库存图案的母版全息图2500美元，到定制设计的5000至10000美元不等。母版制作完成后，每2.5厘米复制成本仅1至4美分，较1970年代末下降40%。成品全息图以压敏标签（每个0.5至1.5美分）或烫印（每个2至5美分）形式粘贴。生产周期平均三个月，1995年全球压纹全息图产值超2亿美元。

历史

1947年，匈牙利裔科学家丹尼斯·加博尔在伦敦帝国学院制作出第一张全息图。为改进电子显微镜，他设计出用滤光记录干涉图案的方法。突破性进展需待相干光——单一频率和波长的光——而这在1960年激光发明后才成为可能。

1962年，密歇根大学的埃米特·利斯和尤里斯·乌帕特尼克斯用激光复现加博尔成果，制作出仅在激光照明下可见的玩具火车和鸟的透射式全息图。同年，苏联的尤里·杰尼休克创造出在普通灯光下可见的反射式全息图。斯蒂芬·本顿1968年的突破使透射式全息图在普通光下可见，为压纹全息图和大规模生产铺平道路。

加博尔因开创性全息摄影研究获1971年诺贝尔物理学奖。1972年，劳埃德·克罗斯将普通胶片的连续帧印制到全息胶片上，记录下首个动态全息图。

原材料

业余全息图通常曝光在涂有银卤乳剂的高分辨率感光胶片上。量产全息图使用预处理氧化铁、涂覆对特定激光波长敏感的光刻胶的玻璃板。爱好者常用氦氖激光器，商业设施则可能使用红宝石、氦镉或氪氩离子激光器。

曝光后，胶片或玻璃板在显影液中处理。镍和银构成生产母版，用于将复制品压印到聚酯或聚丙烯薄膜上。铝提供压纹全息图的反射涂层。

设计

实物或计算机生成的图稿均可作为全息图源。全息图像通常与实物同大小，往往需要精细比例模型。数字设计时，软件逐像素控制激光曝光。

制造工艺

以下简述从母版制作到最终包装的商业量产步骤。

母版制作

• 1. 激光照射物体；反射光与参考光束同时照射光刻胶板，形成记录全息图的干涉图案。曝光时间1至60秒。即使不到一个波长的微动也会模糊图像，因此装置需极高稳定性。
• 2. 曝光板——称作母版——在化学浴中显影。表面呈现类似唱片的纹路，每英寸约15000条槽，深度约0.3微米。

电铸

• 3. 母版装夹、喷涂银漆、浸入镍浴。电流沉积薄镍层，形成含全息图负像（镜像）的金属母版模。后续几代——祖母、母亲、女儿、压印模——在负像与正像间交替，最终得到用于量产的压印模。

压纹

• 4. 压印模在热压下将全息图案压印到涂丙烯酸酯的聚酯薄膜卷上，压纹深度25微米。压纹薄膜收卷进入下一工序。

镀铝

• 5. 压纹卷材进入真空室，铝蒸汽镀覆表面。经复水和面漆涂覆后，宽达92英寸（2.3米）的薄膜被分切成窄卷以便后道加工。

转换加工

• 6. 视用途而定，薄膜可与纸板复合、模切成异形、印刷文字，并覆合热敏或压敏胶制成标签。

成品

• 7. 成品全息图或粘贴到产品上，或包装发运给客户。

未来展望

如今全息图主导消费品包装和广告展示。新兴用途包括军用飞机全息仪表显示和汽车抬头显示（HUD）前景。

全息摄影不限于可见光。紫外线、X射线和声波产生的全息图能揭示从原子到大尺度物体的结构。微波全息摄影记录深空射电波供天文研究，声全息摄影可穿透固体成像，类似超声成像。

投射式全息电视和光纤全息通信有望带来沉浸式体验，实现跨越遥远距离的逼真"探访"。数据存储领域，三维全息存储介质可在方糖大小的光盘上存储相当于国会图书馆藏量的数据，将彻底改变归档容量。