信息光学chap7光学全息

1、第七章第七章 光学全息光学全息一、全息术发展简史一、全息术发展简史1948年年 Dennis Gabor 提出提出 “波前重现波前重现” 理论理论 目的：改善电子显微镜的分辨率目的：改善电子显微镜的分辨率 效果：因光源效果：因光源(汞灯汞灯)相干性差，效果不明显相干性差，效果不明显7.1 引言引言1960年年 激光器激光器 问世，问世， 提供提供 理想的相干光源理想的相干光源 为全息技术的发展创造了条件为全息技术的发展创造了条件 红宝石红宝石 Laser 梅曼梅曼（英），美国休斯飞机制造公司（英），美国休斯飞机制造公司 氦氦氖氖 Laser 霍曼霍曼（伊朗），美国贝尔实验室（伊朗），美国贝尔实

2、验室丹尼斯丹尼斯伽柏（伽柏（Dennis Gabor，1900年年1979年年），英国英国匈牙利匈牙利裔裔物理学物理学家家，1971年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖获得者，获得者，全全息摄影息摄影技术的发明者技术的发明者Dr. Dennis Gabor signs a copy of the Museum of Holographys inaugural exhibition catalogue, Through The Looking Glass, during his historic visit to the museum on March 17, 1977. (Photo by Paul

3、D. Barefoot) 1962年 离轴全息图离轴全息图 问世 Leith 和 Upatnieks （美） 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。5.1 引言引言 Introduction 1、全息术发展简史、全息术发展简史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 1

4、964 by Emmett Leith 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

5、Goro for Life Magazine, 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) 普通照相普通照相是根据几何光学原理，利用透镜光学系是根据几何光学原理，利用透镜光学系统成像，每个物点转换成相应的一个像点，然而普统成像，每个物点转换成相应的一个像点，然而普通黑白照相底片只记录了物光

6、波的强度（即振幅信通黑白照相底片只记录了物光波的强度（即振幅信息），相位信息完全丢失掉了，所以只能在底片上息），相位信息完全丢失掉了，所以只能在底片上显示出物体的平面图像。显示出物体的平面图像。 全息照相全息照相也是一种照相过程，但在概念上与普通照相根也是一种照相过程，但在概念上与普通照相根本不同。当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原本不同。当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像。一张全息图看始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像。一张全息图看上去很像是一扇窗子，当通过它观看时，物体的三维形象就上去很像是一扇窗子，当通过它观看时，物体的三维形

7、象就在眼前，让人感觉到形象就要破窗而出。如果观察者的头部在眼前，让人感觉到形象就要破窗而出。如果观察者的头部上下、左右摆动时，就可看到物体的不同侧面，所看到的整上下、左右摆动时，就可看到物体的不同侧面，所看到的整个形象是那样逼真。全息照相不只是记录物体的强度分布，个形象是那样逼真。全息照相不只是记录物体的强度分布，而且要记录下传播到记录平面上的完整的物光波场，这就意而且要记录下传播到记录平面上的完整的物光波场，这就意味着味着既要记录振幅，也要记录相位既要记录振幅，也要记录相位。振幅（或强度）是容易。振幅（或强度）是容易记录的，问题在于记录相位，所有的照相底片和探测器都只记录的，问题在于记录相位

8、，所有的照相底片和探测器都只对光强起反应，而对光波场各部分之间的相位差则是完全不对光强起反应，而对光波场各部分之间的相位差则是完全不灵敏的。这就是我们这次课学习的主要内容：光学全息的基灵敏的。这就是我们这次课学习的主要内容：光学全息的基本原理。本原理。 二、什么是全息照相？二、什么是全息照相？ 应用物理光学中的应用物理光学中的干涉原理干涉原理，在物波场引入一个，在物波场引入一个参考光波，使其与物光波在记录平面上发生干涉，从参考光波，使其与物光波在记录平面上发生干涉，从而将物光波的相位分布转换成了记录在照相底片上的而将物光波的相位分布转换成了记录在照相底片上的光强分布。这样，就把完整的物光波场都

9、记录下来了。光强分布。这样，就把完整的物光波场都记录下来了。由此获得的照片称为全息照片或全息图，由此获得的照片称为全息照片或全息图，所记录的干所记录的干涉条纹图样涉条纹图样被被称为称为全息图全息图。当用光波照射全息图时，。当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成与原物由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像，这个体逼真的三维像，这个波前记录和重现的过程波前记录和重现的过程称为称为全全息术或全息照相息术或全息照相。 三、光学全息的发展三、光学全息的发展（1）第一代光学全息第一代光学全息：同轴全息，采用汞灯记录和再现，单色：同轴全息，采用汞灯记录和再现，单

10、色性差，性差，1 1级重叠，观察模糊级重叠，观察模糊 （2 2）第二代光学全息第二代光学全息：离轴全息，采用激光记录和再现，单色：离轴全息，采用激光记录和再现，单色性好，性好，1 1级分离，观察清楚。级分离，观察清楚。（3）第三代光学全息第三代光学全息：离轴全息，采用激光记录和白光再现，：离轴全息，采用激光记录和白光再现，色彩丰富，实用性好。如：反射全息、像全息、彩虹全息及模色彩丰富，实用性好。如：反射全息、像全息、彩虹全息及模压全息等。压全息等。（4）第四代光学全息第四代光学全息：采用白光记录和白光再现，色彩丰富，：采用白光记录和白光再现，色彩丰富，实用前景。实用前景。 全息术不仅可以用于光

11、波波段，也可以用于电子全息术不仅可以用于光波波段，也可以用于电子波、波、X射线、声波和微波波段。正如盖伯在他荣获诺射线、声波和微波波段。正如盖伯在他荣获诺贝尔奖时的演说中所指出的，利思在雷达中用的电磁贝尔奖时的演说中所指出的，利思在雷达中用的电磁波长比光波长波长比光波长10万倍，而盖伯本人在电子显微镜中所万倍，而盖伯本人在电子显微镜中所用的电子波长又比光波短用的电子波长又比光波短10万倍。他们分别在相差万倍。他们分别在相差1010倍波长的两个方向上发展了全息照相术。这说明倍波长的两个方向上发展了全息照相术。这说明科学的发展总是互相渗透、互相影响的。在全息术中科学的发展总是互相渗透、互相影响的。

12、在全息术中通常使用的波是光波，一般把它称为光全息术。通常使用的波是光波，一般把它称为光全息术。 7.2 基本理论基本理论 波前记录与再现波前记录与再现 全息照相是一种全息照相是一种“无透镜无透镜”的成像法，其过程可分为两步：的成像法，其过程可分为两步：干涉记录和衍射再现。干涉记录和衍射再现。7.2.1. 波前记录波前记录 制作透明片制作透明片t(x,y)= O(x,y)的关键障碍：的关键障碍： 光学探测器只响应光强度光学探测器只响应光强度| O(x,y)|2，而对位相，而对位相argO(x,y)不敏感。不敏感。 位相信息不应当丢弃。位相信息不应当丢弃。 为了记录为了记录O(x,y)的位相，应当

13、找到一种编码方法将位相的位相，应当找到一种编码方法将位相的变化转换为强度变化。的变化转换为强度变化。 1、波前记录的方法、波前记录的方法干涉法干涉法 基本点：在某一平面上，将初始光波基本点：在某一平面上，将初始光波O（物波）与已知的（物波）与已知的参考波参考波R叠加叠加(混合混合). 用照相方法记录两个波叠加以后干涉图样的强度用照相方法记录两个波叠加以后干涉图样的强度 得到复振幅透过率得到复振幅透过率 t与曝光强度成正比的透明片与曝光强度成正比的透明片. 物光波的振幅和位相信息以干涉条纹的形状、疏密和强物光波的振幅和位相信息以干涉条纹的形状、疏密和强度的形式度的形式“冻结冻结”在感光的全息干板

14、上。这就是波前记录的在感光的全息干板上。这就是波前记录的过程。过程。 通过已知通过已知参考光参考光与与物光波物光波在探测区域进行在探测区域进行干涉干涉,使原物光使原物光波的位相信息转换成干涉场的光强变化信息，从而可用探测器波的位相信息转换成干涉场的光强变化信息，从而可用探测器或记录介质或记录介质探测或记录探测或记录下来。下来。设物波和参考波到达设物波和参考波到达H上的复振幅分别为上的复振幅分别为: 干板记录的是干涉场的光强分布，曝光光强为干板记录的是干涉场的光强分布，曝光光强为 干涉场光振幅应是两者的相干叠加，干涉场光振幅应是两者的相干叠加，H 上的总光场上的总光场 全息干板全息干板H上设置上

15、设置x , y坐标，坐标，( , )( , )exp( , )O x yO x yjx y( , )( , )exp( , )R x yR x yjx y( , )( , )( , )U x yO x yR x y2( , )( , )I x yU x y22( , )( , )2 ( , ) ( , )cos ( , )( , )R x yO x yR x y O x yx yx y2( , )( , )I x yU x y22( , )( , )( , )( , )( , ) ( , )R x yO x yR x y O x yR x y O x y分析：分析： 全息图实际上是一幅干涉图，

16、前两项是物光与参考光的强度全息图实际上是一幅干涉图，前两项是物光与参考光的强度分布，其中参考光波一般选用比较简单的平面波或球面波。分布，其中参考光波一般选用比较简单的平面波或球面波。 当当 一定，一定， 变化导致变化导致 变化，即可用记变化，即可用记录干涉场光强的办法记录物光波的相位。录干涉场光强的办法记录物光波的相位。 ( , ),( , )R x yx y( , )x y( , )I x y 是物光波在底片上造成的强度分布，一个未确定的是物光波在底片上造成的强度分布，一个未确定的可变因素，应尽量降低该因素的影响。可变因素，应尽量降低该因素的影响。 2(,)Oxy具体办法：具体办法： 22(

17、 , )( , )R x yO x y 前两项基本上是常数，第三项是干涉项，作为偏置项。包前两项基本上是常数，第三项是干涉项，作为偏置项。包含有物光波的振幅和相位信息。参考光波的作用使物波波前的含有物光波的振幅和相位信息。参考光波的作用使物波波前的相位分布转换成干涉条纹的强度分布。相位分布转换成干涉条纹的强度分布。 2、探测、探测 常用的记录介质是银盐感光干板（卤化银乳胶涂敷的超微常用的记录介质是银盐感光干板（卤化银乳胶涂敷的超微粒干板），简称粒干板），简称全息干板全息干板，对两个波前的干涉图样曝光后，经，对两个波前的干涉图样曝光后，经显影、定影处理得到全息图。全息干板的分辨率高达显影、定影处

18、理得到全息图。全息干板的分辨率高达3000线线/毫毫米，甚至更高，全息干板具有足够高的分辨率，以便能记录全米，甚至更高，全息干板具有足够高的分辨率，以便能记录全部入射的空间结构。部入射的空间结构。3、记录材料的感光性能对记录的影响、记录材料的感光性能对记录的影响 了解全息干板的了解全息干板的特性曲线特性曲线：是一条：是一条t-E曲线（记录介质的振曲线（记录介质的振幅透过率曝光量）。幅透过率曝光量）。真实感光干板负片的真实感光干板负片的t-Et-E曲线曲线 要选择要选择线性度较好线性度较好的全息干板（如果全息图的记录未能满足的全息干板（如果全息图的记录未能满足线性记录条件，将会影响再现光波的质量

19、，甚至无法重现），线性记录条件，将会影响再现光波的质量，甚至无法重现），把曝光期间内的入射把曝光期间内的入射光强光强线性地变换为显影后负片（直线斜率线性地变换为显影后负片（直线斜率为负值）的为负值）的振幅透过率振幅透过率。为此必须将曝光量的变化范围控制在。为此必须将曝光量的变化范围控制在全息干板全息干板t-E曲线的线性段内。这样，全息图的振幅透过率就可曲线的线性段内。这样，全息图的振幅透过率就可记为：记为： 000( , )( , )( , )t x ytEtI x ytI x y 式中：式中： t0和和均为常数，均为常数，是是t-E曲线直线部分的斜率，曲线直线部分的斜率，为曝光时为曝光时间和

20、间和之乘积，对于正片和负片，之乘积，对于正片和负片，分别为负值和正值。分别为负值和正值。 4、线性记录的光波场、线性记录的光波场 22( , )( , )( , )( , )( , )( , ) ( , )I x yR x yO x yR x y Ox yRx y O x y02202202( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , ) ( , )( , )( , )( , )( , )( , ) ( , )( , )( , )( , )( , ) ( , )bt x ytI x ytR x yO x yR x y Ox yRx y O x ytR x yO x yR

21、x y Ox yRx y O x ytO x yR x y Ox yRx y O x y假设参考光的强度在整个记录表面是均匀的，假设参考光的强度在整个记录表面是均匀的， 为常量。为常量。 2( , )R x y式中式中 20( , )bttR x y7.2.2. 波前再现波前再现2( , )( , )( , )( , )( , ) ( , )bC x y tO x yR x y Ox yRx y O x y*bt COO CR CORCO 1、波前的再现方法、波前的再现方法相干光波的衍射相干光波的衍射 用一束相干光波照射全息图，假定它在全息图平面上的复用一束相干光波照射全息图，假定它在全息图平

22、面上的复振幅分布为振幅分布为 ，则透过全息图的光场为：，则透过全息图的光场为： ( , )C x y( , )( , ) ( , )U x yC x y t x y1234UUUU由于参考光波由于参考光波R通常采用简单的平面波或球面波，故通常采用简单的平面波或球面波，故 近似为近似为常数，常数，t0和和为常数，即作用在照明光波前的系数的作用仅仅改为常数，即作用在照明光波前的系数的作用仅仅改变照明光波的振幅，并不改变照明光波的特性，变照明光波的振幅，并不改变照明光波的特性， 的性质与的性质与 相似，表现为背景光。相似，表现为背景光。 2R1U( , )C x y 2*2UO COO C 总之，项

23、基本上保留了照明光波的特性，这一项称为全总之，项基本上保留了照明光波的特性，这一项称为全息图衍射场中的零级波。息图衍射场中的零级波。分析：分析： 210( , )() ( , )bUt C x ytRC x y2U 的性质是受物光波光强调制后的照明光波场，表现为噪声，的性质是受物光波光强调制后的照明光波场，表现为噪声，应尽量减小它的影响。具体方法：调整照明度，使应尽量减小它的影响。具体方法：调整照明度，使 。22OR当当 时，时， ，此时，此时 的性质同物光波的性质同物光波 相似，只是振相似，只是振幅呈比例变化，再现出原物光波。但由于原物光波呈发散性，幅呈比例变化，再现出原物光波。但由于原物光

24、波呈发散性，所以看到的是一个虚像，称为所以看到的是一个虚像，称为+1级像。级像。 CR23UR O3UO当当 时，物光波受到一个相位因子的调制，难以准确再现出时，物光波受到一个相位因子的调制，难以准确再现出原物光波的像。原物光波的像。 CR *3UR CO 特例：当特例：当 时，即当照明光波与参考光波均垂直（正）时，即当照明光波与参考光波均垂直（正）入射时，可有效地再现原物光波入射时，可有效地再现原物光波 。CRRO当当 时，时， ，此时，此时 是受是受 相位调制的原物光波相位调制的原物光波的变倍（大小不同）实像，称为的变倍（大小不同）实像，称为1级像。级像。 CR*4URRO 4URR *4

25、URCO 特例：当特例：当 时，即当照明光波与参考光波均垂直（正）时，即当照明光波与参考光波均垂直（正）入射时，可有效地再现原物光波入射时，可有效地再现原物光波 。CRRO当当 时，时， ，可准确再现原物光波的实像。，可准确再现原物光波的实像。 CR2*4UR O人眼人眼人眼人眼当用参考光波共轭光波照射全息干板时（当用参考光波共轭光波照射全息干板时（b图），再现的像，图），再现的像，对观察者而言，是与原物体凹凸互易的实像，称为对观察者而言，是与原物体凹凸互易的实像，称为赝像赝像。例如。例如观察人脸的赝像时，看上去鼻子不像通常那样凸起来，而是向观察人脸的赝像时，看上去鼻子不像通常那样凸起来，而是

26、向里凹进去了。里凹进去了。 2、波前再现时应注意的问题、波前再现时应注意的问题 与与 的振幅大小的影响。（使的振幅大小的影响。（使 ，背景光，信噪比），背景光，信噪比）RO22OR 与与 的不一致性影响。（如果重现光波与原参考光波有差别，的不一致性影响。（如果重现光波与原参考光波有差别，例如波长、波前或入射角不同，带进附加相位信息，就例如波长、波前或入射角不同，带进附加相位信息，就 得不到与原物体完全相同的像）得不到与原物体完全相同的像） RC t 与与E的非线性影响。（可能导致无法再现）的非线性影响。（可能导致无法再现） 波前记录是物波波前与参考波前的干涉记录，它使振幅和波前记录是物波波前与

27、参考波前的干涉记录，它使振幅和相位调制的信息变成干涉图的强度调制。这种全息图被再现光相位调制的信息变成干涉图的强度调制。这种全息图被再现光波照射时，它又起一个衍射光屏的作用正是由于这种光波通过波照射时，它又起一个衍射光屏的作用正是由于这种光波通过这种衍射光屏而产生的衍射效应，是全息图上的强度调制信息这种衍射光屏而产生的衍射效应，是全息图上的强度调制信息还原为波前的振幅和相位信息，再现了物光光波。因此，波前还原为波前的振幅和相位信息，再现了物光光波。因此，波前记录和波前再现过程，实质上是光波的干涉和衍射的结果。记录和波前再现过程，实质上是光波的干涉和衍射的结果。 3、全息图的基本类型、全息图的基

28、本类型（1 1） 按按参考光波与物光波主光线是否同轴参考光波与物光波主光线是否同轴来分类：同轴全息来分类：同轴全息 图与离轴全息图；图与离轴全息图；（2 2） 按按全息图的结构与观察方式全息图的结构与观察方式分类：透射全息图与反射全分类：透射全息图与反射全息图；息图；（3 3） 按按全息图的复振幅透过率全息图的复振幅透过率分类：振幅型全息图与相位型分类：振幅型全息图与相位型全息图；全息图；（4 4） 按按全息底片与记录物的远近关系全息底片与记录物的远近关系分类：菲涅耳全息图、分类：菲涅耳全息图、像全息图和傅立叶变换全息图；像全息图和傅立叶变换全息图；（5 5） 按所用按所用重现光源重现光源分类

29、，激光重现与白光重现；分类，激光重现与白光重现；（6 6） 按按记录介质的厚度记录介质的厚度分类：平面全息图与体积全息图；分类：平面全息图与体积全息图；（1） 全息照相最突出的特点是由它所形成的全息照相最突出的特点是由它所形成的三维形象结构三维形象结构。（2） 全息图具有弥漫性全息图具有弥漫性。 一张全息图即使被打碎成若干小碎片，用其中任一小碎片一张全息图即使被打碎成若干小碎片，用其中任一小碎片仍可重现出被拍摄物体的完整的形象，不过碎片太小时，重现仍可重现出被拍摄物体的完整的形象，不过碎片太小时，重现景象的亮度和分辨率会随着降低。每一点都记录了整个物体的景象的亮度和分辨率会随着降低。每一点都记录了整个物体的全部信息。全部信息。（3） 全息照相可进行多重记录全息照相可进行多重记录。 普通照相在一张底片上只能拍摄一个场景，而全息照相却普通照相在一张底片上只能拍摄一个场景，而全息照相却可以在同一张全息底片上对不同物体记录多个全息图像，只需可以在同一张全息底片上对不同物体记录多个全息图像，只需每记录一