本期话题：全息技术
话题背景
三维显示时代的来临和互联网的持续升级，使得信息呈几何级数暴涨，下一代互联网（IPv6）、物联网、云计算和云存储等新型信息技术的发展对数据存储和显示提出了新的挑战，超大容量数据存储和超高解析度图像显示已成为目前信息技术面临的最大挑战。对于这些问题，全息技术有可能提供解决之道。
■本报记者 原诗萌 实习生 李艳丽
1961年，激光被发明后，全息照相得到实际应用。全息照相利用光的干涉原理和特殊的感光材料，精确记录被摄物体发射或透射光波强度和相位信息，从而获得真实的立体图像。
全息照相再现的是一个精确复制的物光波，当我们“看”这个物光波时，可以从各个视角观察到再现立体像的不同侧面，犹如看到逼真物体一样，具有景深和视差。用高倍显微镜观看全息图表面，看到的是复杂的条纹，丝毫看不到物体的形象，这些条纹是利用激光照明的物体所发出的物光波与参考光波干涉，在平面感光底板上被记录形成的，即用编码方法把物光波“冻结”起来。
清华大学精密仪器系副研究员曹良才指出，全息技术具有非常优越的波前和位相操控能力，现已应用在许多方面，如全息防伪、全息扫面准镜、商业显示等，且拥有更广阔的应用前景。
全息三维显示
2009 年末3D 电影《阿凡达》上映。2011 年总共发行约20 部3D 好莱坞电影。2011 年3D 电视机市场井喷增长近500％，预计到2015 年，家庭购买3D 电视机数量将超过3 亿台。在巨大的市场推动和需求牵引下，欧美国家和日、韩等国政府及研究机构对三维存储技术和显示技术的基础研究也急剧升温，新的材料、器件、方法与系统在近两年不断突破和问世。
曹良才指出，根据全息显示采用的光波调制器件的工作原理，全息显示可分为两类，一类是通过电压驱动对光波调制器件写入信号，对光的复振幅进行调制，如声光调制器、数字微反射镜、硅基液晶等空间光调制器。一类是在全息材料中通过光学方式写入波前信息，产生全息像元，由全息像元组成的阵列对光进行复振幅调制，如聚合物光折变材料、光折变晶体、光致变色材料等。
在下一代显示技术中，全息技术是热点，且已得到迅速发展。2008 年和2010 年，Nature杂志先后两次发表了美国亚利桑那大学的S. Tay等人在全息三维实时显示领域取得的进展，可以对真实三维物体进行实时动态刷新显示，该项技术有望在远程数字医疗和数字化国防技术上得到应用。2011 年，Science发表了东京电机大学和大阪大学的S. Kawata等人利用表面等离子共振克服全息单色显示局限的研究，他们在玻璃基底的平面全息材料表面覆盖一层金属薄膜，实现了真彩色的3D 数字全息图像的存储与再现。
曹良才表示，全息三维显示可以同时显示物体的振幅和相位信息，是具有真实感的下一代真三维显示技术，但它也面临着一些挑战，如需要特殊的记录系统记录物体的振幅和相位信息，需要空间相干光照明，需要亚微米像素以及如何生成具有真实感的三维全息图的计算问题等。
全息数字存储
在信息爆炸的时代，需要存储各种海量数据，如卫星数据、遥感数据、气象数据、地震数据、医学数据等，信息显示从二维平面显示向三维立体显示迈进，信息的存储容量也需要2到3个数量级的提升，在巨大的存储需求下，全息存储技术得到极大的关注。
据曹良才介绍，全息存储是受全息照相的启发而研制的，它需要一套高效率的全息照相系统，首先利用一束激光照射晶体内部不透明的小方格，记录成为原始图案后，再使用一束激光聚焦形成信号源，还需要一束参考激光作为校准，当信号源光束和参考光束在晶体中相遇后，晶体中就会展现出多折射角度的图案，这样在晶体中就形成了光栅，一个光栅可以储存一批数据，称为一页，由于一个晶体有无数个面，只要改变激光束的入射角度，就可以在一块晶体中存储数量惊人的数据。
曹良才指出，全息存储可以超越现有的平面位式存储，是一种三维页式存储方式，具有超高存储密度、超快速和超大容量等特点，全息光盘可达TB量级，数据传输可达Gbp/s，美国的InPhase公司和日本的Optware公司一直致力于全息存储技术领域，尤其是大容量全息光盘的研发。
在曹良才看来，全息存储的发展面临两大困难：一是信号的干扰问题，由于全息采用的是用激光曝光光盘上的图像，然后用物镜捕捉进行解码，这样的工作原理，就导致了全息驱动器对于光的干涉和其他噪音的干扰非常敏感；二是对震动和温度特性相当敏感，在全息驱动器工作时，一点点的震动就会导致全息成像出现偏差。尽管如此，全息存储技术也将会在信息量迅猛增长的未来扮演举足轻重的角色。
全息图像处理
信息光学是光学技术和信息技术的结合，近几年来发展迅速，其中，光学技术对信息的采集、存储、传输、处理和显示非常重要，全息图像处理提供了一种不同于电子计算机的图像处理方法。
光学相关器是基于光学相关的图像识别技术，再利用光学透镜的傅立叶变换性质、计算全息滤波器和频域滤波技术，实现光学图像的相关运算处理。相较电子计算机图像识别技术，光学图像识别技术具有天然的空间并行性，速度极快，信息容量大，且不受电磁干扰。
体全息相关器基于超高密度体全息存储和VLC光学相关识别技术，据曹良才介绍，其最大的特点是存储器与运算器的一体化，它集中了全息存储器容量大、通道多、速度快等优点和光学相关器抗干扰性能强、准确率高、实时性好等优点，能够快速多通道并行运算处理，比传统的光电系统高2个数量级。
基于体全息相关器开发出来的图像识别、内容寻址以及关联读出等功能具有重大的应用价值，适用于人脸识别、指纹识别、自动导航、导弹防卫、三维物体识别、内容寻址等各种图像与模式识别领域。
曹良才表示，在全息技术的发展推动下，未来可能出现全光信息技术，信息的产生、处理、传输、存储和显示都由全光光子器件完成。“信息处理和传输速度更快，存储容量更大，且低碳节能，因此是一个可持续发展的未来。”
《中国科学报》 (2013-06-26 第2版 技术经济周刊)
