激光在全息技术中的应用

4.9激光在全息技术中的应用激光全息三维显示目前投入应用的激光显示主要有：激光全息三维显示激光视频投影显示激光光束图文扫描显示立体感强、可分性、可重叠、易于复制全息术的发展：1947年D.伽柏从事提高电子显微镜分辨本领的工作。提出了全息术的设想以提高电子显微镜的分辨本领。1948年他利用水银灯首次获得了全息图及其再现象，从而创立了全息术，为他在1971年获得了诺贝尔物理学奖。50年代G.L.罗杰斯等人的工作大大扩充了波阵面再现理论。但是由于"孪生像"问题和光源相干性的限制，1955年以后全息术进入低潮阶段。1960年激光的出现，为全息术的发展开辟了广阔的前景，科学家用氦氖激光器成功地拍摄了第一张实用的激光全息图。这样就使得全息术在1963年以后成为光学领域中最活跃的分支之一。4.9.1激光全息术的基本原理和分类4.9.2光学全息图4.9.3计算全息图

4.9.4数字全息图4.9.5激光全息三维显示的优点4.9.6激光全息三维显示的应用*4.9.7激光全息三维显示技术的展望主要内容全息记录一、全息记录——基本光路（x,y）全息干板

R（x,y）H物光参考光照明光O（x,y）4.9.1激光全息术的基本原理和分类

（1）全息术不仅记录物体的散射光强，还记录了散射光的相位，能再现原物的立体图像。图9-14

全息照相的拍摄和再现原理示意图O(x,y)=O0(x,y)exp[jφo(x,y)]R(x,y)=R0(x,y)exp[jφR(x,y)]O0

：物光波的振幅φo：物光波的相位

R0：参考光波的振幅φR：参考光波的相位干涉场光振幅:两者相干叠加H上的总光场：

U(x,y)=O(x,y)+R(x,y)全息记录的数学描述相干叠加设：——干板曝光——

曝光光强：

I(x,y)=U(x,y)·U*(x,y)=∣O∣2+∣R∣2+O·R*+O*·R——线性处理干板——

底片的透过率函数正比于曝光光强：

tH(x,y)∝I(x,y)

略去比例常数得到：

tH(x,y)=∣O∣2+∣R∣2+O·R*+O*·R全息再现

二、全息再现(波前重建）

Reconstructionofthewavefront

1、全息再现光路：HO’(x，y)（x，y）

C(x，y)再现照明光虚像再现是衍射的结果0级－1级＋1级？？？H后的光振幅：

U’(x,y)=C(x,y)·

tH(x,y)

————

全息学基本方程设：C(x,y)=Co(x,y)exp[jφC(x,y)]照明光波的振幅照明光波的相位+CoOoRoexp[-j

(φO

-φR

-φC)]+CoOoRoexp[j

(φO

-φR

+φC)]+CoRo

2exp[jφC(x,y)]=CoOo

2exp[jφC(x,y)]

[∣O∣2+∣R∣2+O·R*+O*·R]=Co(x,y)exp[jφC(x,y)]∙2、数学表述——全息学基本方程底片H的透过率函数

CoOo

2exp[jφC(x,y)]相位分布：与照明光完全相同传播方向：与C(x,y)完全相同------0级衍射项第一、二项CoRo

2exp[jφC(x,y)]CoOoRoexp[j

(φO

-φR

+φC)]

包含有物的相位信息，--------+1级衍射项第三项最有希望重现物光波。CoOoRoexp[-

j

(φO

-φR

-φC)]

包含有物的共轭相位信息--------1级衍射项第四项有可能形成共轭像1.像面全息图像面全息图需要利用透镜，记录的是物体的几何像。图9-16

像面全息图的记录与重现特点：对再现光的单色性要求不高4.9.2光学全息图2.白光反射全息图

普通反射全息图是用实物直接制作的。即底片直接放在被摄物体之前而制成的，把一束扩束后的激光直接入射到底片上，经曝光、显影处理后就形成了这种能用白光再现出三维图像的反射全息图。该全息图可以白光再现，这是因为反射全息图的体光栅具有选色性，只有某种颜色的光波能反射回来形成像，其它颜色的光波透射过去，不会由于各种颜色的混迭产生色模糊。白光反射全息原理

图9-15

白光反射全息示意图反射光作为物光参考光单色再现像彩虹全息的发明思路

普通全息图为什么不能用白光再现？是由于不同波长的再现像错位重叠，发生色模糊和像模糊所致。能否设法把再现光波压缩在空间很窄的一个条形区域里，不同的波长占据空间不同的区域。当用白光照明时眼睛处在空间某一个位置，只能看到一种波长的再现像。移动观察位置，依次看到不同波长的像，不再会出现色模糊，于是达到了白光再现的目的。3、彩虹全息图

彩虹全息的概念彩虹全息是利用记录时在光路的适当位置加狭缝，再现时同时再现狭缝像，观察再现像时将受到狭缝再现像的限制。当用白光照明再现时，对不同颜色的光，狭缝和物体的再现像位置都不同，在不同位置将看到不同颜色的像，颜色的排列顺序与波长顺序相同，犹如彩虹一样，因此这种全息技术称为彩虹全息彩虹。彩虹全息原理图

图9-17

二步彩虹全息的基本原理H白光狭缝像蓝红H2R2*(白光)狭缝像彩虹像黄紫用白光再现（共轭光）绿1.计算全息图的制作和再现过程主要步骤4.9.3计算全息图①抽样，对物体或其波面抽样，得到在离散样点上的值；②计算，计算物光波和参考光波叠加后在全息平面上形成的光场分布；③编码，把全息平面上的光波复振幅分布编码成全息图的透过率分布；④成图，在计算机控制下，将全息图的透过率变化在成图设备上成图，再经光学缩版得到实用的全息图；⑤再现，需用光学方法再现出物光波2.计算全息的主要应用范围

3.计算全息的优点

可以记录物理上不存在的虚拟实物，只要知道物体的数学表达式就可用计算全息记录下这个物体的光波，并再现该物体的像。

①二维和三维物体像的显示；②在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器；③产生特定波面的光波用于全息干涉计量；④激光扫描器；⑤数据存贮。

4.9.4数字全息图数字全息图利用光敏电子成像器件（CCD）代替传统光学全息中记录材料（干板和软片）实现全系的记录，并用计算机模拟光学衍射过程来实现所记录波前的再现，从而使全息信息的记录、存储、处理和再现真正实现数字化。1.数字全息图的制作和再现过程主要步骤①抽样，物光波与参考光波在CCD上表面发生干涉，干涉图样的光强被CCD记录并抽样；②量化，由数据采集卡采集抽样数据并进行模/数转化和量化，得到离散的数据信息；③量化数据的获取和处理，由计算机获取离散的数据信息，进行噪声抑制、干扰项消除、对比度增强等处理；④成图，由计算机的内存储器保存预处理的数据，形成数字化全息图；⑤再现，由计算机模拟光学全息的再现过程4.9.5激光全息三维显示的优点（1）由于全息照相记录了物光波的全部信息，其再现像就和原来的物体一模一样，是一个十分逼真的立体像；（2）激光的全息照片的每一部分，无论有多小，都能再现原物体的整个图像。（3）同一张底片上，适当选择参考光波的入射角，可多次曝光记录多个物体的信息，再现像不受其他物像的干扰，被单独的显示出来。（4）存在几种白光再现全息图。

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油墨印刷复合4.9.6激光全息三维显示的应用（1）防伪新技术中的激光全息显示。

4.9.7激光全息三维显示技术的展望（2）大面积显示全息图和全息显示一体化产品的研制。

目前的产品存在两个问题：一是面积太小，作为高档次艺术挂图必需制作大面积全息图，这对全息记录材料和图像制作技术提出了挑战；二是全息图的显示必须在室内装有白炽灯或激光器并以特定的角度照明