全息术(扩展阅读：《全息术：正确概念与错误表述》)自1948年由Gabor发明以来，不仅帮助其于1971年获得诺贝尔物理学奖，更是成为现代光学的重要组成部分，是3D显示 (扩展阅读：：《全息术：3D 显示的未来》)，振动测量 (扩展阅读：：《全息妙用：高分辨振动测量》)与精密制造(扩展阅读：：《数字全息技术在工业制造中的应用》)等诸多现代光学应用的核心技术。

图1：基于3D显示的发动机设计艺术效果图

作为全息技术的重要应用之一，全息干涉测量术（holographic interferometry）(扩展阅读：《全息术助力表面形貌的干涉测量》)将两次或多次曝光、连续曝光记录物体变化状态的波前记录在同一个全息图上，在波前重建时进行干涉测量，从而实现物体形貌与微小运动的一种精密测量技术。可测量透明或不透明物体，甚至对三维漫反射表面实现无损检测。研究物体微小形变或振动、高速运动、封闭容器爆炸过程等。（该定义见载自《光学名词》）

作为该项技术的共同发现人之一，Karl A. Stetson 在 Light: Advanced Manufacturing 以The discovery of holographic interferometry, its development and applications为题，发表综述文章，详细描述了全息干涉测量术的发展起源与场景应用，以及数字全息干涉的发展历程。

图2：通过两平行反射镜的全息图物光场分布

全息干涉测量术采用二次曝光法测量物场的变化，即用同一块全息干板先后对物场变化前后作两次等量曝光记录，然后利用衍射原理同时再现两个物场的复振幅分布，其相干叠加结果，便显示出反映两物场差异（如相位变化）的干涉条纹。

对全息干板完成处理后，将全息图再次置于曝光光路中，照相机便可记录得到的干涉条纹，以便后续数据分析。图3描述了同一物体在不同旋转角度下所记录的条纹(图A 条纹太细，无法分辨，但在原图中很明显)。

图3 二次曝光全息条纹图

Karl Stetson 作为全息干涉测量术的共同发现人之一，阐述了自己在整个发现过程中的轶事以及与他人信件交流的全过程。

譬如，于 1976 年 10 月 14 日写给 P. Jackson 的信中，描述了首次发现的全息图样。此外，在实验过程中，由于激光器的相干性并未像经销商所宣称的那样高质量，这对发现过程也造成了诸多困扰。通过与同事的不断交流探索和对实验设计的不断提升，最终得到了如图3所示的二次曝光全息干涉条纹。

与其他研究者的遭遇一样(例如Leith 与 Upatnieks)，Karl Stetson 的发现也遭受到了扰动的困扰。为验证扰动造成的原因，Karl Stetson 设计了一组对比试验，产生零阶贝塞尔条纹，并于 1965 年 12 月的 JOSA 杂志上发表，如图4所示。

图4  不同模式的扰动图样

相比于 Leith 和 Upatnieks 仅仅对观察到现象进行描述，Karl Stetson 与其同事，对观察到的现象进行了详细的研究，并对观察到的现象进行了充分的解释，而后验证并证实了这个解释——这与单纯的观察描述形成了鲜明对比。 正如人们都在观察闪电，但只有本杰明·富兰克林发现闪电是一种放电现象，Karl Stetson 认为这才是对一个科学现象的完整阐释。

在学术发表方面，1965 年 4 月，在德克萨斯州达拉斯举行的美国光学学会春季会议上，Karl Stetson 与同事提交了论文，并于 1965 年 10 月在费城召开的 OSA 年会上提交了补充材料，该成果于1966年9月在JOSA上发表 。此外，Karl Stetson 等人认为让更多人参与这项工作是有益的。1965 年 4 月，Kenneth Haines 和 Percy Hildebrand 在 Karl Stetson 等人的帮助下，开展了他们的工作。 他们借助实时全息摄影装置来记录他们用于实时干涉测量的全息图，显示由于螺栓拧紧导致测试板的形变，如图5所示。1966 年 4 月，新的文章发表，提出了物体与重建全息图之间实时干涉的一种新方法。遗憾的是，这篇论文和随后的一篇几乎相同的论文均着重于数学公式的推导，并未对干涉条纹本身的分析提供深入的见解。

图源：Light: Advanced Manufacturing (2022)3:2, Fig. 6

鉴于全息干涉巨大的应用潜能，密歇根大学在1965年提交了全息干涉测量的最初专利申请，其中包含了所有的主要工作人员(Emmett Leith、Juris Upatnieks、Robert Powell、Karl Stetson、Kenneth Haines和Percy Hildebrand)。 这份专利于1970年基于每一组发明人最初所做的工作，被拆分成了三份。

  场景应用  

随着全息干涉测量术的日渐发展，加之 Karl Stetson 对技术流转的开放态度，使得该项技术很快得以应用于多个场景。

在 Karl Stetson 提供的技术支持下，由 Gillespie 兄弟创立的 Jodon Engineering (相关介绍>)，至今仍是全球领先的测量系统制造商。

Ralph Grant 与 Joseph Crafton 幸运地发现，这种新型干涉测量技术可以在气压变化的情况下，使叠层结构(如充气轮胎)上的粘接缺陷显露出来，并基于该项业务此创立了 Grant-Crafton Optronics(GCO)，如图6所示。

图6 轮胎测试全息图

航空业中，航空器的制造成本很高且一旦出现故障后，其影响十分严重。为此，能实现高效准确的器件检测方法是十分必要的，哪怕付出较为高昂的资本投入，也是合理的。而全息干涉为设计师提供了一种可视化的模态振型和数学分析方法，以避免因振动而产生的高周疲劳(名词解释>)，从而提高发动机叶片的可靠性，该方案被诸多著名制造商所采纳，如普惠(相关简介>)、通用电气和劳斯莱斯。如图7所示，展示了发动机涡轮叶片的不同振动模式。

图7 喷气发动机涡轮叶片的十种振动模式

此外，在喷气式发动机的机壳上有一层可磨损的材料，如果旋转的发动机叶片由于发动机整体的变形而与机壳接触，它们只会刮掉一些材料但却不会脱落，这将大大降低发动机的工作效率。而普惠公司的工程师为此开发了一种全息方法来检查喷气发动机外壳的密封件是否有粘结缺陷。如图8所示，全息图记录过程中，利用超声噪声进行检测，图中黑点明确标识出了粘结缺陷。

图源：Light: Advanced Manufacturing (2022)3:2, Fig. 10

物体的形变或振动可以通过全息干涉条纹精准地得以体现，但是将其数字化却困难重重。通常，物体的形变信息可以在条纹中心获取，但是面对连续的形变函数，就只能通过条纹间的插值得到。这是一个浩大且乏味的工作。

所幸，随着个人计算机，数字信号系统与相移量化技术的发展，数字全息干涉为这一问题提供了解决方案。将物体直接在摄像机上成像，显示的结果便是重建物体实时的全息图。 这使得振动条纹可以实时显示，系统还可以存储物体的全息图，从实时显示的全息图中减去它，静态变形产生的条纹便能得以显现。此外，通过反三角函数运算，还可以实时显示静态变形条纹函数的相位信息。

在相位计算过程中，仍旧存在一个问题，即如何从时间平均全息图的零阶贝塞尔函数条纹中获取数值数据。而 J₀ 条纹的近似周期性，提供了一个可行的解决方案。显示 J₀ 条纹时，对参考光施加与物体同频同相的振动，可以使 J₀ 条纹以与传统干涉仪中相位步进相同的方式进行位移。 获得三或四幅 π/3 或 π/4 相移的图像，这为相位计算提供了基础数据。最后, 可以计算出利用 J₀ 条纹代替余弦条纹所产生的误差，并用于修正相位计算的结果，以建立物体振动模式的包裹相位映射。 

从全息干涉诞生至今，已历数十载风雨。正如 Kevin G. Harding（SPIE 前主席兼研究员、通用电气研究所前首席科学家）所评论的那样：“全息干涉测量堪称个光学无损测试的基石，而 Karl Stetson 为推动该技术在汽车和航空航天制造领域内的持续推广与应用做出了巨大贡献”。

伴随着激光技术的不断发展，相信在未来，全息干涉测量技术将会被赋予新的使命以应对工业发展中的诸多挑战。