光信息处理技术及应用

各种全息图及其应用体积全息图计算全息全息记录介质1体积全息图当用于全息记录的感光胶膜厚度足够厚时，它在物光和参考光的干涉场中将记录到明暗相间的三维空间曲面族，这种全息图在再现过程中将主要显示出体效应，与前一节所介绍的平面全息图的特点有很大差别。这一类全息图称为体积全息图体积全息图胶膜厚度满足关系式

式中d表示干涉条纹周期，n为记录介质的折射率，为记录波长

2体积全息图的记录

先讨论物光波和参考光波都是平面波的情形。根据光的干涉原理，在记录介质内部应形成等间距的平面族结构，称为体光栅，如下图示

3布喇格定律与布喇格条件

条纹面应处于R

和O两光夹角的角平分线，它与两束光的夹角θ应满足关系式：

体光栅常数Λ应满足关系式

式中λ为光波在介质内传播的波长。体积全息图对光的衍射作用与布喇格（Bragg）对晶体的X射线衍射现象所作的解释十分相似，因而常借用所谓的“布喇格定律”来讨论体积全息图的波前再现.上式称为“布喇格条件”，角度θ称为“布喇格角”。4体全息图对角度和波长的选择性

若把条纹面看作反射镜面，则只有当相邻条纹面的反射光的光程差均满足同相相加的条件，即等于光波的一个波长时，才能使衍射光达到极强。若波长和角度稍有偏移，衍射光强将大幅度下降，并迅速降为零。

特殊的应用前景：体全息图可以用白光再现。因为在由多种波长构成的复合光中，仅有一种波长即与记录光波相同波长的光才能达到衍射极大，而其余波长都不能出现足够亮度的衍射像，避免了色串扰的出现。体全息图可用于大容量高效率全息存储。因为当照明光角度稍有偏离，便不能得到衍射像，因而可以以很小的角度间隔存储多重三维图象而不发生象串扰5透射体全息

透射体全息图的情形：

物光和参考光从介质的同侧射入，介质内干涉面几乎与介质表面垂直，因而再现时表现为较强的角度选择性。当用白光再现时，入射角度的改变将引起再现像波长的改变

6反射体全息反射体全息图的情形：物光和参考光从介质的两侧相向射入，介质内干涉面几乎与介质表面平行，再现时表现为较强的波长选择性反射体全息能避免色串扰的出现，是一种较好的白光再现全息图，用白光再现反射体全息时，只能得到单色再现像由于记录介质在后处理过程中发生乳胶的收缩，条纹间隔变小，使再现像波长发生“兰移”7体积全息图的衍射效率体积全息图衍射效率的定义平面全息图衍射效率的定义相同科格尼克（Kolgenik）在1969年提出的耦合波理论，以麦克斯韦方程组为基础，根据记录介质的电学或光学常数被调制的情况，直接解方程组，求出衍射效率的公式体积全息图的分类无论是透射体全息还是反射体全息都可依据书中表5.2所示的方法进行“无吸收位相全息图”是指记录介质的吸收可以忽略的情形“混合型全息图”是指既包含有振幅调制又包含有位相调制的全息图。余弦位相型体积全息图衍射效率最大8各种类型全息图的最大衍射效率

9计算全息计算全息将计算机技术与光全息术结合起来，可以实现光学全息术无法实现或难以实现的某些特殊功能。光全息术是利用光的干涉原理，借助于参考光将物光波的复振幅记录在感光材料上，能够实现这种记录的必要条件是物体的真实存在很多实际应用中理想的“物体”是很难制作，例如，用于检测光学元件加工质量的标准件，用于光学信息处理的空间滤波器，用于数据存储系统的相移器计算全息发展极其迅速，已成功地应用在三维显示、空间滤波、光学信息存储和激光扫描等诸多方面10计算算全全息息图图的的制制作作计算算全全息息图图的的计计算算机机制制作作分分为为五五步步：：对物物光光信信息息的的采采集集：对对于于实实际际存存在在的的物物体体，，可可利利用用扫扫描描仪仪或或数数字字摄摄像像机机进进行行数数据据采采集集。。而而对对于于那那些些实实际际不不存存在在的的物物体体，，可可将将其其函函数数形形式式直直接接从从键键盘盘输输入入计计算算机机抽样样：：用抽抽样样定定理理将将物物函函数数离离散散化化，，得得到到物物体体或或者者波波面面再再离离散散样样点点上上的的值值，，取取抽抽样样单单元元数数不不超超过过物物的的空空间间带带宽宽积积计算算：：计算算物物函函数数再再全全息息平平面面上上的的光光场场分分布布编码码：：（两两种种途途径径））干干涉涉的的计计算算机机仿仿真真和和迂迂回回位位相相法法存储储：：用计计算算机机绘绘图图仪仪直直接接画画在在纸纸上上，，然然后后用用精精密密照照相相翻翻拍拍在在照照相相底底片片上上，，适适当当放放大大或或缩缩小小到到合合适适的的尺尺寸寸11物信信息息的的采采集集物光光信信息息的的采采集集是是指指确确定定物物光光信信息息的的函函数数形形式式，，一一般般表表现现为复复振振幅幅透透射射率率函函数数（（或或反反射射率率函函数数））对于于实实际际存存在在的的物物体体，，可可利利用用扫扫描描仪仪或或数数字字摄摄像像机机进进行行数数据据采采集集对于于那那些些实实际际不不存存在在的的物物体体，，可可将将其其函函数数形形式式直直接接从从键键盘盘输输入入计计算算机机物函函数数需需要要离离散散化化，，一一般般取取抽抽样样单单元元数数不不超超过过物物的的空空间间带带宽宽积积，，即即满满足足关关系系式式M··N≤ΔΔx·ΔΔy·ΔΔfx·ΔΔfy式中中M、、N分别别为为X方向向和和Y方向向的的抽抽样样单单元元数数，，Δx和Δy为物物体体的的空空间间宽宽度度，，Δfx和Δfy为物物的的频频带带宽宽度度12物信信息息的的处处理理计算算傅傅里里叶叶变变换换全全息息图图：：被记记录录的的复复数数波波面面是是物物波波函函数数的的傅傅立立叶叶变变换换。。必必须须使使用用计计算算机机完完成成物物函函数数的的傅傅里里叶叶变变换换（（借借助助快快速速傅傅立立叶叶变变换换算算法法完完成成）），，得得到到全全息息图图平平面面的的光光场场复复振振幅幅函函数数。。计计算算全全息息多多采采用用傅傅里里叶叶变变换换全全息息图图。。计算算菲菲涅涅耳耳全全息息图图：：被记记录录的的复复数数波波面面是是物物体体发发出出的的菲菲涅涅耳耳衍衍射射波波。。须须计计算算物物函函数数经经菲菲涅涅耳耳衍衍射射到到达达全全息息图图的的复复振振幅幅分分布布，，再再将将该该复复振振幅幅分分布布编编码码成成全全息息图图的的透透过过率率变变化化。。计算算像像全全息息：：被记记录录的的复复数数波波面面是是物物波波函函数数本本身身或或者者其其几几何何像像。。只只需需由由计计算算机机完完成成物物函函数数的的坐坐标标缩缩放放变变换换与与抽抽样样。。全息息图图平平面面上上函函数数的的抽抽样样数数不不得得少少于于物物函函数数的的抽抽样样数数13信息的编编码到达全息息图的物物光波通通常呈现现为复数数形式，，包括振振幅信息息和位相相信息；；将二维光光场复振振幅分布布变换为为全息图图的二维维透过率率函数分分布的过过程，称称为计算算全息的的编码。。计算全息息的编码码主要为为如下两两大类：：一种途径径是对光光全息术术的计算算机仿真真，用计计算机算算出全息息图上参参考光波波与物光光波的干干涉条纹纹分布函函数，这这种编码码方式称称为干涉涉型编码码方式，，用这种种方法制制作的全全息图称称为干涉涉型计算算全息图图。（缺点：：参考光光波的加加入增加加了空间间带宽积积，因此此全息图图上的抽抽样点数数必须增增加）分别对振振幅和相相位编码码（计算算全息所所特有的的：迂回回位相法法）。14不规则光光栅的衍衍射效应应当平面波波垂直照照射线光光栅时，，假定栅栅距恒定定，第k级衍射都都是平面面波，等等相位面面是垂直直于这个个方向的的平面，，并设栅栅距为d，第k级的衍射射角为qk，

则由由光栅方方程可知知，在qk方向上上相邻光光线的光光程差为为如果光栅栅的栅距距在某一一位置增增大了D，则则该处沿沿方qk方向相邻光光线的光程差为则qk方向衍射波波在该位位置引入入的相位位延迟为为（迂回回相位））15迂回位相相信息编编码方法法迂回位相相用全息息图上两两个独立立的参量量来编码码物函数数的振幅幅和位相相由于这两两个独立立参量均均为非负负的实数数，因而而可用一一般的记记录介质质记录。。这种方法法是在一一个抽样样单元内内用一个个长方形形透明孔孔来反映映物函数数在这一一点的值值。孔的的宽度Bmn是一个常常量，令令其高度度Hmn与物函数数归一化化振幅成成正比，，孔的中中心点离离抽样点点的距离离dmn与其位相相成比例例设物波函函数在第第（m，n）个抽样点点的表达达式为：：Omn=Amnexp[jφmn]式中m﹑n分别表示示X、Y方向的抽抽样序号号，Amn是物波的的归一化化振幅（（即以物物的最大大振幅值值对其它它值进行行归一））φmn为物波在在该抽样样点的位位相。16编码公式式和抽样样单元示示意图迂回位相相编码示示意图：：编码公式式：图中mx0，ny0表示抽样样单元的的中心位位置17信息的存存储计算全息息图通常常都用光光学方法法实现波波前重现现，因而而存储手手段必须须与此相相适应信息存储储的方法法有多种种，最普普遍的一一种是用用计算机机绘图仪仪将计算算机处理理的结果果直接画画在纸上上，然后后用精密密照相拍拍制在照照相底片片上，适适当放大大或缩小小到合适适的尺寸寸，制成成实用的的全息图图还可用图图形发生生器、光光绘仪、、显微密密度仪、、激光光光束扫描描记录装装置等来来制作振振幅型计计算全息息图对于浮雕雕型位相相计算全全息图（（如相息息图），，由于只只记录物物的位相相信息，，因此还还必须用用光刻机机、离子子束刻蚀蚀机或电电子束刻刻蚀机等等制作18计算全息息图的再再现计算全息息图的再再现方法法是根据据全息图图类型来来确定的的用干涉编码码法制作作的傅里叶叶变换全全息图，，可以用用下图所所示的光光学系统统来再现现。用置置于处的的点光源源通过透透镜L1生成平行行光，照照明透镜镜L2前焦面上上的计算算全息图图H，在透镜L2后焦面处处光轴上上观察再再现像19迂回位相相编码计计算全息息图的再再现对于用迂回编编码法制制作的全息图图，再现现时，用用衍射角角度保证证在一个个抽样单单元内获获得从0到2π变化的位位相差。。因为透镜镜前后焦焦面是傅傅里叶变变换关系系，前焦焦面上对对中心的的偏离在在后焦面面上表现现为波面面位相的的变化。。这就是是迂回位位相编码码的物理理基础。。20计算全息息术的应应用（1）三维图象象显示：：计算全息息可对那那些能方方便地用用数字描描述但却却难以实实际制作作的物体体进行三三维显示示计算全息息元件：：用于校正正普通全全息元件件像差用用的像差差校正器器用于激光光扫描器器，可实实现多束束光同时时高速扫扫描用于数据据存储中中进行编编码的相相移器功能特殊殊的全息息透镜21计算全息息术的应应用（2）光学检测测：计算全息息制作标标准波面面精度很很高光学信息息处理中中的各种空间间滤波器器：用于图象象消模糊糊的逆滤滤波器用于像边边缘增强强或图象象加减的的微分滤滤波器图象处理理的各种种带通滤滤波器等等等除法滤波器22全息记录介质质全息记录录介质是是记录光光全息图图的载体体，因而而要求记记录材料料有较高高的分辨辨率，较较强的衍衍射效率率，较大大的动态态范围和和较高的的感光灵灵敏度。。目前用于于全息记记录的材材料种类类繁多：：卤化银乳乳胶重铬酸明明胶光致抗蚀蚀剂光导热塑塑光致变色色材料液晶光致聚合合物光折变晶晶体小杆细菌菌视紫红红质（BR）这里仅介介绍具有有代表性性的六种种材料23卤化银乳乳胶胶片（或或干板））的结构构如下图图示，卤卤化银乳乳胶均匀匀涂布在在片基上上，构成成软片或或干板记录的物物理过程程曝光：卤卤化银盐盐在光的的作用下下先是分分解再还还原成单单个金属属银原子子，以微微粒的形形式散布布在乳胶胶内部，，形成潜潜像。这这样析出出的银粒粒子密度度很小，，只是形形成了进进一步显显影的中中心显影：还还原剂作作用下，，显影中中心周围围的卤化化银大量量地被还还原成金金属银定影：使使未反应应的卤化化银晶粒粒溶于定定影液中中，保持持影像的的稳定性性。漂白：利利用漂白白剂的氧氧化作用用，使底底板上黑黑色的金金属银变变成近乎乎透明的的卤化银银盐，使使全息图图由振幅幅型转化化为位相相型，以以提高衍衍射效率率24卤化银乳乳胶的特特性几个物理理量的定定义：曝光量E：定义为入入射到感感光表面面上每单单位面积积的光能能量，单单位常用用毫焦耳耳/厘米米2（mJ/cm2）或微焦耳耳/厘米米2（μJ/cm2）入射光强强度I：定义为单单位时间间里通过过单位面面积的光光能量，，单位常常用毫瓦瓦/厘厘米2（mW/cm2）或微瓦瓦/厘米米2（μW/cm2）曝光时间间T：定义为记记录介质质受光照照射的时时间，用用分或秒秒为单位位上述三个个物理量量的关系系为：E=I·T透射率：定义为透透射光强强和入射射光强之之比，即即强度透透射率=I透射/I入射光密度D也称黑度度：定义为透透射率倒倒数的对对数：D=lg（（1/）25卤化银乳乳胶的感光特性性照片的光光密度D与曝光量量的对数数lgE之间的关关系曲线线，简称称H-D曲线可大致分分为五段段：灰雾雾区；趾趾部；线线性区；；饱和区区；过饱饱和区照相多用用线性区区。设CD段的斜率率为tg，常用胶片片的值表示之之：=tg也常称为为反差系系数，值越高说明反差差越大。。值的大小小除与胶片型号号有关外外，还与与曝光量量和显影条条件有关关。选择择合适的的参数，可获获得预期期的值。26卤化银银乳胶胶的分辨率率和信信噪比比分辨率率：乳胶能能记录录的空空间光光强度度变化化的最最小周周期，，单位位通常常用““线对/mm””。分辨率率的高高低取取决于于卤化化银颗颗粒的的大小小外，，还与与曝光光量和和显影影条件件等有有关。。用稀稀释显显影法法可以以提高高乳化化银乳乳胶的的分辨辨率信噪比比通常表表示为为“S/N”，，S和N分别表表示信信号和和噪声声的光光强度度形成噪噪声的的因素素很多多：有有光散散射；；显影影液选选择不不当；；显影影速度度过快快；漂漂白处处理不不当提高信信噪比比的途途径：：尽可可能减减小颗颗粒尺尺寸；；选择择适当当的显显影液液和显显影速速度书中表表5.4列列出了了国内内常用用的几几种卤卤化银银乳胶胶板的的主要要性能指指标。。27卤化银银乳胶胶的常常规处处理方方法卤化银银乳胶胶板曝曝光后后的化化学处处理是是很重重要的的环节节，其其过程程为：：显影影—水水洗——停显显—定定影——水洗洗—干干燥。。（1））显影：：D-19是最常常用的的高反反差显显影剂剂，显显影时时间2-5分钟钟。D-76是一种种低调调显影影剂，，适用用于曝曝光量量范围围很宽宽的傅傅里叶叶变换换全息息图。。（2））停显：：一般用用水冲冲洗即即可达达停显显效果果，但但用停停显液液效果果更好好。（3））定影：：常规的的定影影液是是F-5，时间在在5分分钟以以上。。（4））水洗：：目的是是清除除底片片上的的定影影液和和其他他物质质，必必须充充分（（5））干燥燥：可可用自自然干干燥，，为缩缩短时时间也也可浸浸入无无水乙乙醇后后吹干干（6））漂白：：有时为为了提提高衍衍射效效率，，可将将全息息图进进行漂漂白处处理，，使其其转化化为位位相型型。还有一一种方方法是是显影影后先先漂白白后定定影，，有利利于长长期保保存28重铬酸酸盐明明胶（（DCG）重铬酸酸盐明明胶是是一种种很重重要的的全息息记录录材料料，它它几乎乎具有有相位位全息息图的的理想想特性性可产生生很大大的折折射率率变化化，衍衍射效效率最最高可可达100%,分辨辨率可可高达达5000线对/mm以上，，噪声声低再再现像像显得得很““干净净”重铬酸酸盐明明胶的的曝光光机理理十分分复杂杂，处处理过过程与与卤化化银明明胶不不同，，DCG的缺点点:灵敏度度低，，稳定定度差差，在在高温温高湿湿度环环境下下容易易消象象。在实际际应用用中