信息光学第四章1

1、第第4 4章章 光学全息光学全息 Optical Holography4.1 概述概述 4.1.1 光学全息的基本思想与原理的概述光学全息的基本思想与原理的概述 光波是电磁波，随时间振动，并在空间传播。光波照射物体光波是电磁波，随时间振动，并在空间传播。光波照射物体时，其振幅和相位就被空间调制。物光波的振幅给出物体的亮时，其振幅和相位就被空间调制。物光波的振幅给出物体的亮度（强度）信息，相位给出物体的方位（深度和位置）信息。度（强度）信息，相位给出物体的方位（深度和位置）信息。 现有的感光材料及光电成像器件均是强度敏感记录介质或器现有的感光材料及光电成像器件均是强度敏感记录介质或器件（平方律记

2、录介质或探测器件）。件（平方律记录介质或探测器件）。 通常的照相摄影，采用的是感光胶片或通常的照相摄影，采用的是感光胶片或CCD，记录的都是成，记录的都是成像光波的强度（振幅的平方），失去了物体光波的相位信息；像光波的强度（振幅的平方），失去了物体光波的相位信息；观察这种影像时，由于缺少了相位信息（方位、距离、深度信观察这种影像时，由于缺少了相位信息（方位、距离、深度信息），所以失去了三维立体感。息），所以失去了三维立体感。 若能采用某种方法把物光波的振幅和相位同时记录下来，并若能采用某种方法把物光波的振幅和相位同时记录下来，并能在一定条件下再现，则可看到包含物全部信息的三维像（包能在一定条件

3、下再现，则可看到包含物全部信息的三维像（包括三维感觉和视差），即使物体已经移开，仍然能看到原物体。括三维感觉和视差），即使物体已经移开，仍然能看到原物体。 全息术全息术：同时记录光波的振幅信息和相位信息并使光波：同时记录光波的振幅信息和相位信息并使光波重现的技术；能真实地重现原来的物光波，图像有极强重现的技术；能真实地重现原来的物光波，图像有极强的立体感。为使只能记录光强的感光片能把相位信息记的立体感。为使只能记录光强的感光片能把相位信息记录下来，就必须把相位信息转换成光强形式，通常用干录下来，就必须把相位信息转换成光强形式，通常用干涉法达此目的。涉法达此目的。 全息的意义是记录物光波的全部信

4、息。全息的意义是记录物光波的全部信息。 全息感光板可重复使用，记录多个图象信息全息感光板可重复使用，记录多个图象信息。一张全息图相。一张全息图相当于从多角度拍摄、聚焦成的许多普通照片。一张全息的信当于从多角度拍摄、聚焦成的许多普通照片。一张全息的信息量相当息量相当100100张或张或10001000张普通照片。张普通照片。 全息全息技术应用广泛，如：全息三维显示、全息防伪标识、全息显微术、全息信息存储等技术应用广泛，如：全息三维显示、全息防伪标识、全息显微术、全息信息存储等. . 防伪硬包装烟盒防伪硬包装烟盒 软包装防伪样品袋软包装防伪样品袋 软包装样品袋软包装样品袋 软包装样品袋软包装样品袋

5、 全息与荧光油墨全息与荧光油墨印刷复合印刷复合 全息防伪烟标全息防伪烟标 复合标识复合标识 全息隐形加密与温变全息隐形加密与温变油墨印刷复合油墨印刷复合 波前记录波前记录(全息记录全息记录)：物光波与参考光波干涉的记录过程。物光波与参考光波干涉的记录过程。全息图：全息图：被某种介质记录下的物光波与参考光波形成的干涉图。被某种介质记录下的物光波与参考光波形成的干涉图。 （物光波的振幅和相位信息转化成为干涉图（干涉条纹）中（物光波的振幅和相位信息转化成为干涉图（干涉条纹）中 的条纹衬比度、条纹的间距及取向等的空间分布。的条纹衬比度、条纹的间距及取向等的空间分布。波前再现波前再现(全息再现全息再现)

6、：把全息图作为衍射屏，用符合一定条件把全息图作为衍射屏，用符合一定条件 的光波照射全息图，特定方位的衍射波就可以重现原物光波。的光波照射全息图，特定方位的衍射波就可以重现原物光波。 全息：全部信息，振幅和相位。全息：全部信息，振幅和相位。 以上这种记录和再现物光波的技术叫全息照相术（全息术）。以上这种记录和再现物光波的技术叫全息照相术（全息术）。 全息的波前记录和再现过程就是调制与解调的过程。其中参考全息的波前记录和再现过程就是调制与解调的过程。其中参考光波是载波，物光波是调制光波，干涉记录过程就是调制，衍光波是载波，物光波是调制光波，干涉记录过程就是调制，衍射再现就是解调。射再现就是解调。

7、光学全息术：光学全息术：利用干涉原理，通过引入一个与物光波相干的利用干涉原理，通过引入一个与物光波相干的 参考光波与物光波干涉，将物光波中的振幅和相位信息以干参考光波与物光波干涉，将物光波中的振幅和相位信息以干 涉条纹（干涉图）的形式记录在某种介质上。然后再利用光涉条纹（干涉图）的形式记录在某种介质上。然后再利用光 波衍射的原理，通过光波的衍射，再现原始物光波，从而再波衍射的原理，通过光波的衍射，再现原始物光波，从而再 现原物体的三维像。现原物体的三维像。 4.1.2 光全息发展历史概述光全息发展历史概述 一、全息术的提出：一、全息术的提出： 是由丹尼斯是由丹尼斯盖伯（盖伯（Dennis Ga

8、bor）发明的。）发明的。1947年，他从事电子年，他从事电子显微镜研究工作，当时由于电子透镜的像差，使电子显微镜分辨率的显微镜研究工作，当时由于电子透镜的像差，使电子显微镜分辨率的提高碰到了很大的困难，（理论分辨极限是提高碰到了很大的困难，（理论分辨极限是0.4nm，而实际只能达到，而实际只能达到1.2nm）。盖伯从布喇格（）。盖伯从布喇格（Bragg）的）的X射线衍射显微镜中受到启发，射线衍射显微镜中受到启发，设想不用任何透镜，用经物体衍射的电子波与相干的背景波重叠，将设想不用任何透镜，用经物体衍射的电子波与相干的背景波重叠，将物体衍射波的振幅和相位以干涉条纹的形式记录在照相底片上（他首物

9、体衍射波的振幅和相位以干涉条纹的形式记录在照相底片上（他首次称之为全息图），然后用波长比电子波波长大次称之为全息图），然后用波长比电子波波长大105倍的光波照明此全倍的光波照明此全息图，就可得到放大率为息图，就可得到放大率为M= 光光 电电=105的物体像。的物体像。 Dr. Dennis Gabor signs a copy of the Museum of Holographys inaugural exhibition catalogue, Through The Looking Glass, during his visit to the museum on March 17, 197

10、7. (Phothistoric o by Paul D. Barefoot) 在在1948年，提出用光波记录物光波振幅和相位的方法，并用年，提出用光波记录物光波振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法，从而产生了一个新的光学领域实验证实了这一想法，从而产生了一个新的光学领域光全光全息术。息术。1971年，因此获得诺贝尔物理学奖。年，因此获得诺贝尔物理学奖。 丹尼斯丹尼斯盖盖柏柏（Dennis Gabor，1900年年1979年年），），英国英国匈匈牙利牙利裔裔物理学家物理学家，1971年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖获得者，获得者，全息摄影全息摄影技术的发明者技术的发明者1962年年 离轴全息图

11、离轴全息图 问世问世 Leith 和和 Upatnieks （美）（美） 加速了全息术的发展加速了全息术的发展 40多年来，全息科学和技术得到飞速发展，应用领域几乎无所不及。多年来，全息科学和技术得到飞速发展，应用领域几乎无所不及。1964年年 氩离子激光器氩离子激光器 Ar+ Laser 问世问世 提供了短波长连续可见光提供了短波长连续可见光 扩展了全息技术的应用范围扩展了全息技术的应用范围 同年，苏联科学家同年，苏联科学家 Denisyuk 发明了白光反射全息图发明了白光反射全息图This pioneer image was produced in 1964 by Emmett Leith

12、 and Juris Upatnieks at the University of Michigan only four years after the invention of the laser Leith and Upatnieks preparing to shoot a laser transmission hologram using the off-axis technique borrowed from their work in the development of side-reading radar. (Photo by Fritz Goro for Life Magaz

13、ine, 1967)Russian scientist Yuri N. Denisyuk, State Optical Institute in Leningrad, USSR, signing a copy of his book, Fundamentals of Holography. (Photo by Dr. Stephen Benton, 1979)二、全息术发展的几个阶段二、全息术发展的几个阶段 自自1948年盖伯提出光全息的思想一直到年盖伯提出光全息的思想一直到50年代末，全息照相一年代末，全息照相一般采用汞灯作为光源，并且是般采用汞灯作为光源，并且是同轴全息同轴全息记录方法（得

14、到全息图记录方法（得到全息图称为同轴全息）。称为同轴全息）。1级衍射波分及零级不开，存在所谓的级衍射波分及零级不开，存在所谓的“孪孪生像生像”问题，不能获得好的再现图像。光源的相干性差。问题，不能获得好的再现图像。光源的相干性差。 全息术的萌芽时期。第一代全息图。全息术的萌芽时期。第一代全息图。60年，激光器出现：单色性、方向性好，强度高，相干光源。年，激光器出现：单色性、方向性好，强度高，相干光源。全息术进入快速发展的年代，蓬勃发展。全息术进入快速发展的年代，蓬勃发展。 62年，利思（年，利思（Leith）和乌帕特尼克斯（和乌帕特尼克斯（Upatnieks）将通信理论中的载波概念推广到）将通

15、信理论中的载波概念推广到空域中，提出了空域中，提出了离轴全息离轴全息术，引入倾斜的离轴参考光波与物光术，引入倾斜的离轴参考光波与物光波干涉记录全息图，解决了原始像，共轭像及直流成分分离的波干涉记录全息图，解决了原始像，共轭像及直流成分分离的问题。问题。 直到直到70年代末年代末80年代初，相应出现了多种全息方法，并在信息年代初，相应出现了多种全息方法，并在信息处理，全息干涉计算、全息显示、全息光学器件等领域开始得处理，全息干涉计算、全息显示、全息光学器件等领域开始得到广泛应用。到广泛应用。离轴，激光记录、再现离轴，激光记录、再现第二代全息图。第二代全息图。 在这个时期：在这个时期：全息三维显示

16、全息三维显示无无损损检检测测全全息息干干涉涉计计量量位位移移、形形变变测测量量，振振动动模模式式分分析析等等全全息息光光栅栅全全息息元元件件全全息息透透镜镜全全息息分分束束器器，等等图图像像滤滤波波处处理理、频频谱谱分分析析全全息息信信息息处处理理图图像像识识别别合合成成孔孔径径雷雷达达信信号号处处理理激光再现的全息像失去了色彩、色调信息，且激光器是专用激光再现的全息像失去了色彩、色调信息，且激光器是专用实验室设备。实验室设备。60年代末年代末70年代初，人们开始致力于研究用激光年代初，人们开始致力于研究用激光记录，白光再现的全息图，陆续出现了白光反射全息、像面全记录，白光再现的全息图，陆续出

17、现了白光反射全息、像面全息、彩虹全息、真彩色全息及模压全息等。息、彩虹全息、真彩色全息及模压全息等。激光记录、白光再现激光记录、白光再现 第三代全息图。第三代全息图。采用激光记录全息图，对光源的要求较高，且拍摄过程中，采用激光记录全息图，对光源的要求较高，且拍摄过程中，对环境稳定性要求很高。相干噪声严重，给全息术的实际应用对环境稳定性要求很高。相干噪声严重，给全息术的实际应用带来很多不便。现在有些研究人员正在探讨白光记录的可能性。带来很多不便。现在有些研究人员正在探讨白光记录的可能性。白光记录、白光再现白光记录、白光再现 第四代全息图。第四代全息图。？计算全息（计算全息（Computer Generated Hologram CGH）数字全息（数字全息（Digital Holography DH） 用计算机计算波前及其干涉图，绘制输出到胶片或显示器件用