全息光学系统的研究

全息光学系统的研究

全图像是一种记录物体反射（或透射）信息的新成像技术，以捕捉光谱学的所有信息（振幅和位置相位）。普通照像技术仅记录了光的强度。全息照像技术不仅记录了物光的强度,而且记录了物光的位相,也就是把物光的所有信息全部记录下来。一般全息照像的方法是通过一束参考光和一束物光在感光胶片上迭加出来的。激光器一般可采用氦—氖激光器,它可以发射出波长为6328埃的红光。由激光器发出的激光经扩束器扩束后,经分光板分束。其中一束光经反射镜反射后,通过透镜会聚于全息胶片处,这束光称为参考光束;另一束光经反射镜反射后,经过物体(反射或透射),通过透镜会聚于全息胶片处,这束光称为物光束。全息图相当于一个光栅,从全息图看不出被摄物体的表观图像,但当用一定的激光束透过这一全息图时,就产生与物光相同的衍射光波,这一过程称为波前再现。由全息图的特点可以看出,用全息照像的方法存储信息具有保密性强的特点。由于全息图的任何一部分都可反映原物体的全貌这一特点,就决定了全息存储技术中的激光定位精确要求较低,无论激光束照射在全息图的全部或部分,都会在适当的位置上显现出被摄物体的原貌。可以把参考光束和物光束经透镜会聚到很小的尺寸后,使之在全息感光胶片处重合产生干涉而形成全息图。全息存储具有存储密度高、保密性强、非接触记录、记录信息不易丢失、便于长期保存等特点。全息存储技术是信息存储与交流的重要手段。全息存储一般利用全息摄影机将普通缩微胶片上的影像制成全息图,操作简便、记录速度快。利用全息拷贝机,可方便地制成全息拷贝片,利用全息图再现阅读器(全息图再现复读机)来阅读(复印)全息图所存储的信息。由于全息图的干涉图样十分精细,所以不能用普通胶片来拍摄全息图,要用具有更高想像力和清晰度的全息胶片。全息照像技术,还可为人们提供立体电影和全息录音。在很多场合,存在不能直接使用全息术拍摄真实三维像的情况。例如,利用全息照像对大的自然景物、建筑群进行拍摄有一定困难,而可把现在的电影摄影技术与全息术结合起来,采用合成全息术记录,从而可观察到逼真的准三维像。众所周知,全息图再现的是原物的真实三维像,即不仅是立体的而且包含有视差信息。合成全息图虽然在客观上也达到了三维显示的效果,既是立体的而且也包含有一定的视差信息,但与一般意义的全息图是有区别的,它实际上是由一系列体视对组成的立体图;而不是象全息图那样同时记录了一个三维物体的振幅和位相而直接得到原物的三维再现像。人们能够利用现在的电影摄影技术获得其质量与直接用相干光进行全息照像相近似的效果。作为这种立体像的原始信息是立体片的视差。即将分离的视差立体相片印到一段全息载片上可形成综合立体像,这种立体全息相片的特点是,在重现立体像时,既可以把像放大并投影到观察屏上进行观察,也可直接进行观察。合成全息术发展迅速,应用广泛。例如,日本学者M.Yamaguchi等人提出一种全息三维印刷术的新方法,即用光、机、电、算相结合的合成立体图技术,产生全息三维像的计算机数据硬拷贝输出,尤其适合三维印刷;而且这种一步合成平面形李普曼全息立体图具有垂直和水平两个方向的视差效应,因此,重建像是无畸变的,这比一般角度多路合成柱面全息立体图仅有水平视差效应更具有优越性。日本电报电话公司已研制出一种快速光响应晶体,原则上,以1×10-9S的帧率记录全息电影。用新合成的掺铕硅酸钇(Eu3+:Y2SiO5)晶体和精确染料激光可在7K(-266℃)下记录全息电影,可以放映约20s时间。由于这种晶体具有特殊的光化烧孔效应(在材料内能维持几小时),可用这种材料进行图像记录。效应使材料有较优的记录功能。由于量子效率约为20%,高于有机染料(一种普通记录材料),故较易烧孔。以前的研究光吸收灵敏度较低,不能实时记录高速活动图像。Eu3+:Y2Sio5晶体的光吸收谱宽为几GHz,各种铕离子群在固体材料中有若干最窄(1kHz)的谱宽。通过激光写入频率的变化(步长1kHz),用烧孔法可记录不同的图像。据公司研究人员说,理论上可记录约1000万帧静止图像,相当于100个小时的电视广播。该组需要研制在可寻址频率上能写入全息图像的高分辨率、580mm波长染料激光器。该激光器要在500MHz范围内可调谐,频率稳定性需比普通染料激光器优1000倍,光频在实验的吸收线分布范围内连续可调。目前,光化烧孔均在超低温下工作,虽然每一离子都有不同的光吸收频率,但密集形式的离子由于其光谱分布而有很宽吸收谱。当激光器发射特定波长时,只有与激光频率共振的离子才能对该光束有响应,并在吸收线上形成烧孔,记下各个图像。随着全息技术的发展,全息录音也随之产生。在电影胶片上,全息录音和全息声图的再现,与一般的光学录音的录放过程不同。在全息录音时,是用几束光制成声图。各光束具有相同的波长,而各光束有位相的移动。全息录音的最大优点是,用一个声路载有几个相互迭加的全息声图,以实现多路立体声。每个通道以相应的空间频率记录,并由信号光束和参考光束的角度决定。全息照像技术也是保护、检查艺术珍品的很好工具,可用全息照像技术拍摄、存储艺术作品,已证明全息照像是收集艺术作品,欣赏、研究艺术作品的很好手段。全息照像技术对艺术珍品进行检查也是很适用的,可通过定期地将原件与其全息图像进行对照检验。一般全息照像方法,参考光束和全息干版有一定的夹角,该夹角不能太大,也不能太小。而在边缘照明全息术中,该夹角很小。边缘照明全息源于波导全息术。人们将波导全息中的导波光(参考光)改为从边缘直接入射,发展为今天的边缘照明全息。在边缘照明全息术中,物光与普通全息术中的物光没有不同;而参考光则是从全息干版边缘入射,与干版夹角很小。所以边缘照明全息片能够做到平面一体化,这一点是普通全息所无法做到的。由于再现光也是从边缘入射,不会出现观察者面对再现光源(透射全息)或观察者遮挡再现光源(反射全息)这类情况。而且环境光也不会对再现图像产生影响。加之边缘照明全息独特的较高的衍射效率,使其再现图像具有很高的对比度,对周围环境也没有特殊要求。这样的一些特点,使边缘照明全息成为一种应用前景很宽的新技术。目前,扫描全息技术也在发展中。美国弗吉尼亚技术公司光学图像处理实验室的研究人员发展了一种实时光学全息记录技术。这种技术采用两束时变频率激光对物体两维扫描。用光电探测器收集并输出由含扫描物体振幅和相位信息散射所产生的外差电信号。此外差信号被解调并与扫描光束同步显示在阴极射线管上时,物体的全息图被得到实时显示。该技术被称为光学外差扫描全息术,是一种革新的全息记录术,比标准非扫描全息记录法优越:记录在全息图上的信息成分减少,背景偏置降低。其他实用优点还有光的有效利用和排除环境的干扰,因而这种技术适于制作大规模物体的全息图。上述技术的有趣应用是实时全息术。当用这种扫描技术记录的全息信息表现为调制的电扫描信号时,扫描信号便能直接显示在电子束寻址的空间光调制器(EBSLM)上,可进行实时相干全息图再现。美国弗吉尼亚光学图像处理实验室的研究人员在与日本滨松光子公司中心研究实验室和美国滨松公司的合作中已能使扫描全息图相干地显示在电子束寻址的空间光调制器上。这种调制器的工作简况如下:调制器接收扫描的全息序列信号,使电子枪的发射在调制器内强度调制,然后,用偏转线圈使电子枪在LiNbO3晶体表面两维扫描。由此,电荷累积在晶体的表面,全息图也以电荷图样形式存储在晶体上。与该电荷相关的电场通过普克耳斯效应使晶体折射率变化并用对这种晶体照明的线偏振光使全息图再现。空间复用全息存储技术是存储高密度的重要手段。用水平角度复用来提高全息存储容量的方法有:扩大对参考光束扫描的透镜孔径,增大全息图有效厚度以减少全息图之间的角度,改善所用材料的动态范围。但这些技术每种都有实际物理限制。另一种选择是用垂直角度复用,但这通常会使全息存储介质变坏,产生过多干扰。用不规则碎片形成几何配置,可以克服这个问题。用这种技术,已在一块2mm×1mm×1.5cm铌酸锂晶体的同一空间位置上记录了每排1000个全息图的5排信息