第7章-光显示技术

1、 第第 七七 章章光显示技光显示技术术第第7章章 光显示技术光显示技术 像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等7.1 像全息技术像全息技术一、何谓像全息一、何谓像全息 像全息是一种可以用宽光源（较大）和白光 （较宽）照明再现原物体的像的全息技术。二、拍摄像全息的光路二、拍摄像全息的光路 1、 二步拍摄法图7.1.1 像全息的记录和再现2、透镜成像法（像面全息）3、透明物像全息的记录图7.1.2 像面全息的记录图7.1.3 透明物体像全息的记录 第6章中讨论过由于色散,再现像的展宽为可见： ，人眼的分辨率是一个定值 ，当 时， 允许有比较大的值，即可用白光再现。 IRZIsinsin00IIZI

2、0IZ 三、像全息的特点三、像全息的特点（7.1.1）由（6.3.6）式可知：可见 ，同理：当 ， 时， 可 允许较大，可用宽光源再现。 cllIIccIccoscoscIIlc0Il0, 00ZZI即c图7.1.4 照明光源和带宽对象全息的影响7.2 彩虹全息技术彩虹全息技术 n 二步彩虹全息、一步彩虹全息、 象散彩虹全息、多重彩虹全息n定义： 彩虹全息是用激光记录，白光照明再现单色象的一种新的全息技术n特点： 在记录光路中适当位置加入一个狭缝限制再现象的光波以降低象的色模糊，因而能用白光再现。n优点： 与象全息一样，可以用白光再现，得到不同颜色的彩虹象，但比象全息景深大，有视差效应（在狭缝

3、方向）。一、二步彩虹全息一、二步彩虹全息 1、 方法的提出方法的提出 n对于一张已拍好的全息图，任何一块碎片亦能再现完整的原物的象n则：加一狭缝限制，也应同样可以再现原物的像n但：加上狭缝后，可降低象的色模糊（色散），不是可以用白光再现吗？2、 拍摄方法：拍摄方法： 第一步拍摄一张离轴菲涅耳全息图-原全息图图7.2.1 二步彩虹全息的记录和再现(a)第二步：拍摄一张线全息图-彩虹全息图 图7.2.1 二步彩虹全息的记录和再现(b)3、 再现：再现： a 单色光再现 图7.2.1 二步彩虹全息的记录和再现(c)b 白光再现 图7.2.2 彩虹全息的再现n对不同的波长 ，形成不同的狭缝象，眼睛放在

4、某一狭缝象处就可透过该狭缝看到某一颜色的再现象。n眼睛上下移动，看到的再现像的颜色也在变化，就象彩虹一样。i4、 特点特点 由图知： 由于物光束受狭缝S的限制，（缝宽为a），投射到 上只是一束细光束（y方向）。这样对应于一个物点Q，在 的y方向上只占了一小部分 ，由图得： 2H2HH0ZHssZZaZZZZa0000（7.2.1）n由于一个物点的全息图的大小，在y方向受到限制，在x方向不受限制这样，在y方向失去体视感，在x方向有体视感。所以说：彩虹全息能用白光再现，是以牺牲了y方向的体视感为代价的。 二、一步彩虹全息二、一步彩虹全息n彩虹全息图的本质：是在观察者与物体再现象之间形成一个狭缝象，

5、使观察者通过狭缝象去看物体的象，以实现白光再现单色象。n为此目的，1977年底，美籍华人陈选和杨振寰利用象全息原理进一步提出一步彩虹全息。 一步彩虹图7.2.3 一步彩虹全息的记录和再现(b)一步彩虹全息的另一种记录光路图7.2.4 一步彩虹全息的另一种记录光路 三、象散彩虹全息三、象散彩虹全息n彩虹全息-加了一狭缝- 带来一定的影响，n缝（宽a）的影响： 太宽-象模糊（再现时各色狭缝像重叠） 太窄-光弱，散斑n a散斑、光弱n不想减小a，但又要满足 的要求 就要减小 用柱透镜IEsZZZaDHI01IHH用柱面透镜：n减少色模糊 n提高信噪比 a 光通量大信噪比高I要求H(1)二步像散彩虹全

6、息记录当路 图7.2.5 像散二步彩虹全息的记录光路 （2）一步像散彩虹全息记录光路 图7.2.6 像散一步彩虹全息的记录光路图7.2.7 Y方向的光路图7.2.8 X方向的光路7.3 模压全息技术模压全息技术 n模压全息 -实质上是一种全息复制（copy）方法n复制：普通印相法正负底片 激光复制 模压复制n解决了大批量生产的问题：形成规模，增加效益，经济、商业效益显著。n由于全息特性： 用于防伪- 如防伪商标 一、激光复制一、激光复制 透射复制 反射复制 二、模压全息图的制作：二、模压全息图的制作： 第一步 制作原版全息图 第二步 金属模的制作 第三步 热压 1、 制作原版全息图A、 对原版

7、全息图的要求， i) 白光再现：广泛民用、商用、经济效益高 ii) 浮雕型：热压成型，生产要求nB、 原版全息图的制作方法： 采用彩虹全息图的制作方法，假彩色编码的方法 i) 两步记录法：视场范围大，光能利用率高 ii) 接触曝光法：易制成大面积全息图，但信噪比低 iii) 一步记录法：简单、噪声小n C、 用以制作原版全息图的物（目标） i) 三维物 ii) 纵向分层透明片图7.3.1 原版全息图的两步记录法图7.3.2 接触曝光法图7.3.3 一步彩虹记录法图7.3.4 分层透明物 n2、 金属模的制作金属模的制作 母模，用于热压 A、 要求:与原版全息图一模一样，耐压，耐磨 B、 工艺：

8、 目的 1）原版全息图的表面处理 清洗油污、杂质， 保证镀层牢固。 2）原版全息图的敏化处理 表面离子化，保证 镀银反应均匀进行。 3）化学镀银 镀上一层颗粒极细的 银，形成导电层，图 象转移n4）电铸镍 镀上一层0.1 mm的电镍版n5）剥离清洗 银版（头版） 母模保存，用于翻铸工作版n6）银版表面纯化，氧化 使得在翻铸工作模板时容易剥离n7）翻铸工作模版 直接用于生产，可用100万次以上图图7.3.5 金属压模工艺流程金属压模工艺流程n3、 热压热压 批量生产，出产品 A、 准备工作： 热压机（设备） 材料：聚氯乙烯，厚度 工作温度：55110 图7.3.8 热压设备简图图7.3.7 聚氯

9、乙烯透明片温度特性曲线nB、 工艺流程工艺流程 胶片的准备：聚氧乙烯的干燥处理等 热压 真空镀铝（膜）-反射式（镀膜机） 涂胶 加保护层 切边成型图7.3.9 模压全息图的工艺流程示意图7.4傅里叶变换全息技术傅里叶变换全息技术 一、傅里叶变换全息图的记录一、傅里叶变换全息图的记录 1光路 图7.4.1 傅里叶变换全息的记录 2数学推导数学推导00000000,ybxRybxRyxr 0000002exp,dydxyfxfjyxOffOyxyxi) i) 在透镜后焦面上物波的频谱为：在透镜后焦面上物波的频谱为： 00000002exp,dydxyfxfjybxRffRyxyx 0002expd

10、ydxbfjRx bfjRx2exp0ii) ii) 参考光为：参考光为：则：则：iii) iii) 得光强为：得光强为： 0000000000202,2cos,2dydxyxyfbxfyxORRffOyxyx *,xyxyxyxyIO ffR ffO ffR ff 22*000,exp2,exp2xyxyxxyxO ffRR O ffjf bR Offjf b00000002022exp,dydxyfbxfjyxORRffOyxyx *0000000,exp2xyROxyjfxbf ydx dy 0000000,exp,yxjyxOyxO式中：式中： 3物理意义物理意义i) 全息图的光强由各

11、个频率，各个方向的光波叠加而成。ii) 每个余弦光栅的振幅正比于物光波的振幅的模 ，初位相取决于该点的位相 。iii) 记录了物波的频谱，且有一定的倾斜因子，重现时可分开。 00,yxO000, yx二、傅里叶变换全息图的再现二、傅里叶变换全息图的再现 1、 数学推导 光路图因全息图经线性处理，有：ItIt不考虑常数项图7.4.2 傅里叶变换全息的再现n当用平面波 照明时有：0C02222000t,HjbjbWCIORR OeR Oe n在象面上取反射坐标，经傅里叶变换有， 第一项： -自相关函数 第二项： - 函数1*,OOO x y FyxO,12200,RRx yF第三项：1*,exp2

12、Ojb F1,exp2Ojb FddybxjO 2exp,ddybxjdydxyxjyxO 2exp2exp,000000000000,exp2exp2O xyjxbxjyyd ddx dy 000000,dydxyyxbxyxO ybxO,ybxO,*同理第四项：同理第四项：2、 物理意义：物理意义： i) 自相关相 - 在焦点附近形成晕轮光 ii) 函数 - 照明光波的零频相 - 焦点处形成一亮点 iii) 在频谱面的 处，形成原始物的倒立象， iv) 在频谱面的 处形成共轭象正立象。bb二、傅里叶变换全息的其他光路布置二、傅里叶变换全息的其他光路布置 1、球面波照明的傅里叶变换全息 图7

13、.4.3 球面波照明的傅里叶变换全息图的记录在第三章已证明过：物置于焦面上，全息置在S的物象共轭面上，即满足其它关系如前： ， 比较：标准的傅里叶变换全息-（平行照明，物置前焦面，变换平面）fqp111fxfyn2、准傅里叶变换全息图，（在第二章知道，存在一 个二次位相因子， 由于物光与参考光的作用，正好消去）。 fyxjk2exp22图7.4.4 准傅里叶变换全息图的记录n特点：特点： 物体紧挨透镜，可以充分利用透镜的孔径。 参考光与物同在一平面上。 H在f上。前已讨论过，在后焦面上，物体的光分布为：22000000,exp,exp22xyu x ycjkO xyjxydx dyf 22ex

14、p,2xyxycjkO fff(7.4.10)n而参考光的坐标为 ，则其位相因子为：kr0 , b212200ybxzr21202201Zybxz220202xbyzZ022022Zbxyxz 略去常位相因子 ，因无影响，得: 2222kkrxybxf0ZbxyxfjkRyxR22exp,220参考光波可写为(7.4.10)(7.4.11)(7.4.12)n迭加后的光强为： 22*000,exp2,exp2xyxxyxuRCR O ffjf bCR Offjf b2,Iu x yR x y22222200,expexp222xyjkjkuRCR O ffxyxybxff22220,expexp

15、222xyjkjkCR O ffxyxybxff(7.4.13) 可见，物光与参考光的二次位相因子作用正好相消，仍可得到准确的傅里叶变换。 推论： 只要物平面和参考光源在同一平面上，则无论照明光波是平面波还是球面波，结果一样 物面离开透镜 也一样得到准傅里叶变换n3、无透镜傅里叶变换 图7.4.5 无透镜傅里叶变换全息图的记录n物光按菲涅耳衍射写成：22220000,exp,exp22jjkjku x yxyO xyxyzzz 0000exp2xyjf xf ydx dy22exp,2xyjkCxyO ffz(7.4.14)n参考光：（与前一样）参考光：（与前一样） 220,exp22jkR

16、x yRxybxz220expexp22xjkRxyjf bzn在记录面上的光强为：在记录面上的光强为： 2,Iu x yR x y*200,exp2xuuRCR Ojf b *0,exp2xCR Ojf b (7.4.15)(7.4.16)n可见，由于参物光二次位相因子的作用相消，也能将二次位相因子消去，n重现时： n原始象项为：220exp2xyCCjkz220,exp2exp2xyxjkCR O ffjf bxyz(7.4.17)n可见，与原物波 一样，只是多了一个位相因子 表示原始象在C的上方，（重现取反坐标系）如图,u x yexp2xjf b图7.4.5 无透镜傅里叶变换全息图的再现 n4夫琅和费全息图 记录再现图7.4.7图7.4.8n5无透镜夫琅和费全息图 图7.4.97.4.4 全息信息存储全息信息存储n1.容量大/2.可靠性高/3.记录速度快/n4.记录的种类多,有些还可以擦除图7.4.10 信息存储光路图7.4.11 存储信息的读取图7.4.12 多重存储光路图7.4.13 编码存储、读出光路7.5 全息电影技术全息电影技术n1939年纽约建立第一座大型立体电影院n全息电影主要优点: 1.三维全息影像 2.高的信息记录密度 3.制造简单可靠,能使软片做缓慢而连续移动的电影放映机 4.全息胶片发热不明显 5.需要光能少主要困难主要困难n1.高功率脉冲激光器n