1701077175
1701077176
图11.20 白光照射下小车变得模糊不清
1701077177
1701077178
全息照片只能使用单色光观看引起了一些不方便，从20世纪60年代首次由激光实现了拍摄和观看全息照片以后，大家就在想能不能制造出一种普通白光就能看的全息照片呢？这看起来是个非常困难的任务，但是还真有聪明人找到了解决方案。1968年，美国工程师Stephen Benton提出了“彩虹全息”（Rainbow Hologram）的概念，这个解决方案来源自对普通全息照片在白光照射下所出现的问题的分析。我们仔细观察图11.20就会发现，靠全息底片比较近的车头的虚像对于红光和绿光差别不是很大，而距离全息底片最远的车尾的虚像则在两种颜色中相差很大（实际上我们在图11.19中也能看到这样的倾向，只不过照片拍得不是很清晰）。可以用数学公式证明，距离全息底片越近的虚像在白光照射下模糊程度越低。其实这是很容易从直观上理解的，图11.21展示了这一点。最极端的情形是当虚像点就位于全息底片之上时，各种颜色的光经过底片衍射以后，虽然出射角度各不相同，但所有颜色的虚像都落在同一点上。
1701077179
1701077180
1701077181
1701077182
1701077183
图11.21 距全息底片不同距离的虚像点模糊程度不一样
1701077184
1701077185
Benton先生注意到了这一点，他想，如果我们能在拍摄的过程中把物体更加靠近全息底片，那么成的虚像在白光中就会更加清晰。但是最多我们只能把车头碰到底片，接下来就没办法靠更近了。Benton先生凭着他对光学和全息技术的深刻理解，采取了一种非常简洁但是很有效果的办法让小车与全息底片之间的距离靠更近，如图11.22所示。他在小车的实物与底片之间放一块凸透镜[1]，小车位于凸透镜的焦距之外，所以小车通过凸透镜成实像。通过调整小车，透镜和底片之间的距离，使得小车的实像“横跨”全息底片。这样拍摄的全息底片通过激光观察时，我们看到的小车虚像就和图11.22小车实像所在的位置一样，车身中间处于底片上，车头在底片前，车尾在底片后。这样用白光观察时，车身中间不会模糊，车头和车尾的模糊程度也减小了很多，平均起来这是模糊程度最小的情况。
1701077186
1701077187
1701077188
1701077189
1701077190
图11.22 如何让小车与全息底片靠得更近
1701077191
1701077192
让我们回过头来看信用卡上的那只小鸟，图11.3告诉我们，小鸟全息图的干涉条纹的轮廓也是一个小鸟的形状；而在动手实践小节里，关键材料列表中的第二幅图，我们看到小车全息照片上干涉条纹的轮廓（粉红色部分）与小车一点相似度都没有。现在大概你应该明白这其中的奥秘了吧。小鸟的全息图拍摄时是用透镜把小鸟的实物成像到了底片上，所以干涉条纹就局限在小鸟的这个图像内；而小车全息照片上只要有小车反射光照到的地方都有干涉条纹，所以就没有明确的形状了。
1701077193
1701077194
为了进一步增加白光下全息图像的清晰度，Benton先生又引入了另一个关键的步骤，在拍摄全息照片时，他在小车实物和凸透镜之间加上了一个狭缝，如图11.23所示（狭缝也位于透镜焦距之外）。这个狭缝连同小车经过透镜成实像以后，小车依然落在底片上，而狭缝的像则远离底片。那么如果用激光观看这个底片，我们看到的就是狭缝和小车一起的三维图像，也即我们就像是透过一个狭缝来观看小车。实际上，这一点可以从信用卡上的小鸟图得到验证。如果我们用单色激光而非白光照亮小鸟图的话，我们看到的只是一条亮斑，如图11.24所示，就像是透过一条空间中无形的狭缝观看小鸟一样。
1701077195
1701077196
1701077197
1701077198
1701077199
图11.23 在透镜和小车之间加入狭缝，更进一步提高清晰度
1701077200
1701077201
1701077202
1701077203
1701077204
图11.24 小鸟全息图在单色激光的照射下
1701077205
1701077206
那么，这个狭缝是怎样提高图像的清晰度呢？这一点可以从图11.25中得到了解。在白光点光源照明下，小车的车头和车尾产生了一些模糊，但是注意到对于不同颜色的光，狭缝的像的位置也不一样。如图11.25所示的绿光照射下狭缝的像与红光照射下狭缝的像完全错开了，那么当我们的眼睛固定在如图11.25所示位置时，我们看到的就只是红色以及其近邻颜色所组成的小车像，所以小车的颜色比较单一，图像也比较清晰，而不是多种颜色重叠在一起组成的模糊图像。当我们的眼睛向上移动时，就能看到小车的图像渐渐地由红变绿最后变紫，就像是彩虹一样（这也是为什么它叫作彩虹全息）。也就是说，通过巧妙地增加一个狭缝，我们把各种颜色，不同波长的光所形成的小车三维图像在空间中区分开了。这样人眼每次看到的都是颜色相对单一的图景，由不同颜色的光造成的模糊现象也大大地减轻了。然而这样做的代价是，在垂直狭缝方向移动眼睛，基本看不到物体的立体效果，只有颜色的变化；而在平行于狭缝的方向移动眼睛，则能看到立体效果，颜色保持不变。你可以把信用卡拿出来，仔细端详一下，看看里面的门道是不是如我们刚才所讨论的这样。
1701077207
1701077208
1701077209
1701077210
1701077211
图11.25 狭缝如何提高图像清晰度
1701077212
1701077213
彩虹全息使全息照片的观看摆脱了激光的束缚，成为了防伪商标、艺术作品等的宠爱。只要你留意，还能在很多地方找到它们的身影，而且能以“砖家”的身份向朋友指出其中的奥妙（就像我在本章中絮絮叨叨说的这些一样）。世界上第一本使用彩虹全息作为封面的杂志是美国国家地理杂志1984年3月号，当年刊印了一千万份，全球发行。这作为激光和全息历史上的一件里程碑式的事件永垂科技发展史。我一直想买一本回来珍藏，写作本章时终于付诸实践，请见图11.26（价格很便宜，大家从国内的网站上也能买到）。说起来这本杂志可能比我稍微年长几天，我得尊称一声大哥了。有趣的是，这期杂志前一小半是关于中国少数民族的生活，有很多精美的照片，后一小半才是关于激光以及全息技术。当我小心翼翼地翻开它，闻到的是1984年新春的味道。
1701077214
1701077215
1701077216
1701077217
1701077218
图11.26 第一本彩虹全息封面的杂志
1701077219
1701077220
[1].注意，历史上Benton先生最早发明的并不是用一块透镜来成实像，而是通过更为复杂的所谓“两步法”来达到这个目的。这种使用透镜成实像的方法称为“一步法”，是其他工程师对Benton先生方法的改进。
1701077221
1701077222
1701077223
1701077224