信息光学课件第五章光学全息.ppt

光学全息,引言 人的眼睛能够看到一个物体，是由于物体所发出的光波携带着物体所包含的信息传播到眼睛里，在视网膜上成像所致。光波的波长、振幅、相位就决定了所看见物体的特征（颜色、亮暗和形状）。 然而，普通照相只能作强度记录，不能记录物体光波的相位，因而在照相过程中丢失了物体纵深方向的信息。我们生活在丰富多彩的三维世界中，但通过普通照片、电视、电影所看到的只是一些二维的图景，这自然不能令人满意。,如何得到三维的图像呢？,这种方法就全息术： 利用干涉原理，将物光波前以干涉条纹的形式记录下来，由于物光波前的振幅和相位，即全部信息都储存在记录介质中，它被称为“全息图”。光波照明全息图，由于衍射效应能再现原始物光波，该光波将产生包含物体全部信息的三维像。这个波前记录和再现的过程就是全息术，或全息照相。,如果我们能够用某一种方法把物体光波（其中包含振幅和相位信息）以某种方式记录下来，则当我们想办法把物光波再现出来的话，就能再现三维的物体。,全息照相仿真实验CAI,5.1 光学全息概述,全息照相术是英籍匈牙利科学家丹尼斯.加伯(Dennis Gabor)于1948年 发明的，从而开辟了光学中的一个崭新领域，他因此获得了1971年诺贝尔物理学奖。,1948年到50年代末期，全息照相都是采用汞灯作为光源，而且是所谓的同轴全息图，它的1级衍射波是分不开的，即存在所谓的“孪生像”问题，不能获得好的全息图，这是第一代全息图，是全息术的萌芽时期。第一代全息图存在两个严重问题，一个是再现原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。,1960激光的出现，提供了一种高相干性光源。1962年美国科学家利思(Leith)和乌帕尼克斯(Upatnieks)将通信理论中的载频概念推广到空域中，提出了离轴全息术。他用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间相互分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。这样第一代全息图的两大难题宣告解决，产生了激光记录、激光再现的第二代全息图。,第二代全息图的出现, 使全息术在沉睡了十几年之后得到新生，进入了快速发展年代，相继出现了多种全息方法，并在信息处理、全息干涉计量、全息显示、全息光学元件等领域得到了广泛的应用。由此可见，高相干度的激光的出现是全息术发展的巨大动力。,由于激光器再现的全息图丢失了色调信息，人们开始致力研究第三代全息图。第三代全息图是利用激光记录和白光再现的全息图，如反射全息、像全息、彩虹全息及模压全息等，在一定条件赋予全息图像以鲜艳的色彩。,激光高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，并且相干噪声也很严重，这给全息术的实际使用带来了种种不便，于是科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图可能是白光记录和白光再现的全息图，它将使全息术最终走出实验室，进入广泛的实用领域。,除了用光学干涉方法记录全息图，还可用计算机和绘图设备画出全息图，这就是计算全息（Computer Generated Hologram，简称CGH)。计算全息是利用数字计算机来综合的全息图，不需要物体的实际存在，只需要物光波的数学描述，因此具有很大的灵活性。,全息术不仅可以用于光波波段，也可用于电子波，X射线、声波和微波波段。,5.2 波前记录与再现,物体通过成像系统所成的像中包含着物体的信息，对这一点不会有人提出异议。事实上这种信息存在于物像之间光波经过的任一平面上。正是光波承载着物体信息经过这些平面向像面传递的。因而在该平面把携带信息的光波波前记录下来，将可以在另一时间场所，采用适当的方法把波前再现出来，使之继续传播，以产生一个可观察的三维像。 光波传递信息，构成物体的像这一过程被分为两步：波前记录与波前再现，这正是全息术的基本思想。,5.2.1 波前记录,1、用干涉方法 记录物光波前,所有记录介质都只对强度有响应，属能量探测器，不能记录波前携带的相位信息，因此，必须设法把相位信息转化为强度的变化才能记录下来。干涉法是将空间相位调制转换为空间强度调制的标准方法。,记录介质,参考波,物波,上图为波前记录的示意图,设传播到记录介质上的物光波前复振幅（对于理想单色光，其空间的复振幅分布是不随时间变化的）为,传播到记录介质上的参考光波前复振幅,记录介质上的的总光强为,对两个波前的干涉图样曝光后，经显影、定影处理后得到全息图。因此，全息图实际上就是一幅干涉图。,上式中前两项是物光和参考光的强度分布，其中参考光波一般选取用比较简单的平面波或球面波，因而,是常数,是物光波在底片造成的强度分布。,物光波在底片造成的强度分布是不均匀的，但实验上一般都让它比参考光弱得多。前两项基本上是常数，作为偏置项.第三项是干涉项，包含有物光波的振幅和相位。参考光波的作用正好完成使物光波波前的相位分布转换成干涉条纹的强度分布的任务。,2、记录过程的线性条件,直线,曝光量,振幅透过率,负片的t-E曲线,作为全息记录的感光材料很多，常用的是由细微粒卤化银乳胶构成的超微粒干板，简称全息干板。假定全息干板的作用相当于一个线性变换器，它把曝光期间内入射光强线性地变换为显影后负片的振幅透过率，为此必须将曝光量变化范围控制在全息干板t-E曲线的线性段内。如图所示，此外，我们还必须假定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，这样全息图的振幅透过率可记为:,式中,和,均是常数。,是曝光时间。,对于负片和正片，,分别是负值和正值。,假定参考光的强度在整个记录表面是均匀的，则,式中,表示均匀偏置透过率。如果全息图的记录,末能满足上面指出的线性记录条件，将影响再现光波的质量。,5.2.2 波前再现,1 衍射效应再现物波波前,用一束相干光波照射全息图，假定它在全息图平面上的复振幅分布为C（x,y)，则透过全息图的光场为,讨论：,由于参考波通常采用球面波和平面波，所以R2近似为常数，于是U1中两项系数的作用仅仅改变照明光波C的振幅，并不改变照明光波的特性。,U2的系数中包含有上式,是物光波单独存在时在底片造成的强度分布，它是不均匀的。,因此，U2代表振幅受到调制的照明波前，这实际上是照明波经历|O|2（x,y)分布的一张底片的衍射, 使照明波多少有些离散而出现杂光，是一种噪声信息。这是一个麻烦问题，但实验上可想些办法，如使适当调整照明度，使|O|2与 |R|2相比而成为次要因素。,总而言之，U1和U2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0级波。,当照明光波是与参考光波完全相同的平面波或球面波时（C=R），透射光波中的第三项为,因为r2是均匀的参考光强度，所以除了相差一个常数因子外，U3是原来物光波波前的准确再现，它与在波前记录时原始物体发出的光波作用完全相同。当这一光波传播到观察者眼睛里时，可以看到原物的像。由于原始物体光波是发散的，所以观察到的物体的虚像。这一项称为全息图衍射场中的+1级波。,当照明光波是与参考光波完全相同时（C=R）,中的相位因子一般无法消除。,当原始物波发散时，共轭光波则是会聚的，所以U4,给出一个实像。但由于R2的调制，实像会有变形。,这一项称为全息图衍射场中的-1级波。,全息片H,照明光波,用原参考波照明,全息图片,全息图片,当照明光波与参考光波均为正入射的平面波时，入射到全息上的相位可取为零。这时U3和U4中的系数均为实数，无附加相位因子，全息图衍射场中的+1级和-1级光波严格镜像对称。由共轭光波U4所产生的实像，对观察者而言，该实像的凹凸与原物体正好相反，因而给人以某种特殊的感觉，这种像称为赝像。,如果照明光波恰好是参考光波的共轭波,则再现波场的第三项和第四项为,这时U4再现了物光波前的共轭波，给出原始物体的一个实像。U3 再现的是物光波前，所以给出原始物体的一个虚像，但由于受,的调制，虚像会产生变形。,由于波前再现了物体的虚像和实像，全息术是一个两步成像过程，它不需要透镜。若把记录时物光波作为输入，再现时U3或U4作为输出，这样定义的系统 是线性的。我们可以利用叠加原理去分析它。当然，这必须使成像光波之间以及和其它透射光波能有效分离，而不相互干扰。,波前记录是一种 干涉效应，它使振幅和相位调制的信息变换为强度调制信息。胶片经线性处理后 ，波前再现时又使全息图上的强度调制信息还原为波前的振幅和相位调制信息。这是衍射效应结果。用通信术语，波前记录和再现也是“编码”和“解码”的过程。,全息术基于光的干涉和衍射，所以系统应满足一定的相干条件。（1）激光输出波长应稳定。（2）曝光期间装置稳定（光程差变化不大于0.1波长）。（3）两束光的最大光程差应比光的相干长度小得多,以便记录下对比度好的干涉条纹。再现时衍射光波产生的像可看作子波相干叠加的结果，所以通常照明全息的光波也应是空间相干的。,例题：设一列单色平面波的传播方向平行于xz平面并与z轴成角，如图（a)所示（1）写出原始光波和共轭光波的表达式；（2）写出原始光波和共轭光波在z=0的平面上的表达式，再讨论它们的传播方向。,解（1）单色平面波和其共轭波的复数表达式为,由上式可看出，共轭光波的传播方向和原光波方向相反，这是共轭光波的原本定义。对于单色光波，因子,总是相同，,可以只写复振幅，所以,共轭光波的数学表达式为原光波复振幅的共轭复数。,已知,于是,（2）在z=0的平面上有,上式表明，若从在z=0的平面上造成的效果看，可将共轭波理解为沿（-）方向传播的平面波。如图（C)所示。,5.2.3 全息图的分类,随着光学全息技术的发展，出现了多种类型的全息图，从不同的角度考虑，全息图可以有不同的分类方法。从物光与参考光的位置是否同轴考虑，可以分为同轴全息和离轴全息；从记录时物体与全息片的相对位置分类，可分为菲涅耳全息图、像面全息图和傅里叶变换全息图；从记录介质的厚度考虑，可以分为平面全息图和体积全息图。,5.3 同轴全息图和离轴全息图,只有使全息图衍射光波中各项有效分离，才能得到可供利用的再现像，这和参考光方向的选取有直接的关系。根据物光和参考光波的相对位置，全息图可分为同轴全息图和离轴全息图。,一、同轴全息图,加伯全息图正是一种同轴全息图。记录光路如下图所示。,物体,衍射波,胶片,物体,衍射波,胶片,相干平面波照明一个高度透明的物体，其复振幅透过率可以表示为,式中t0 为平均透过率,表示在平均值附近的变化。,由t0项透过的强而均匀的平面波r0作为参考光，而,所产生的弱衍射光作为物光， 在距离物体为z0的位置 放置底片记录物体直接透射光与衍射光所产生的干涉图，曝光光强为,在线性记录条件下负片的复振幅透过率与曝光光强成线性关系,用振幅为C0的平面波垂直照明全息图，透射光场为,用振幅为C0的平面波垂直照明全息图，透射光场为,式中第一项为透射过全息图的均匀衰减的平面波；第二项正比于弱衍射光光强，可忽略不计；第三项和第四项分别出现原始物光波前和其共轭光波。它们的传播将在全息的两侧距离为z0的对称位置产生物体的虚像和实像，称之为孪生像。,由于参考光和物光都来自同轴方向，全息图透射光中包含的四项，都在同一方向传播，无法分离。直接透射光大大降低了像的衬度。观察某一像时会受到另一个离焦孪生像的干扰。同轴全息图的另一缺点是对物体的限制，它必需高度透明，否则,不能忽略，而可能湮没较弱的像。这大大,限制了同轴全息的应用范围。,二、离轴全息图,在全息术发展早期，大部分工作致力于消除同轴全息孪生像的相互干扰。直到1962年美国密执安大学雷达实验室的利思和乌帕特尼克斯提出离轴全息图方法才有效克服了这一障碍。他们把通信工程中的载频技术用于波前再现。实现孪生像的分离。这一事实生动地表明，把某一学科原理运用到另一学科，常会获得出乎意料的效果。,离轴全息图记录光路如上图所示，准直光束一部分直接照射物体（透明物体），另一部分经物体之上的棱镜P偏折，以倾角投射到全息干板上。全息干板上的复振幅分布应是物体透射波和倾斜参考波叠加的结果.,其中参考波的空间频率,底片上的强度分布为,令,上式表明，物光波前的振幅信息和相位信息分别作为高频载波的调幅和调相而被记录下来。在线性记录条件下，所得到的全息图的振幅透过率曝光期间的入射光强成线性关系，有,假定全息图由一束垂直入射、振幅为C的均匀平面波照明，透射光场将由四个分量构成。,全息图,直接透射光,轮晕光,虚像,实像,讨论：（1）分量U1是经过衰减的照明光波，代表沿底片轴线传 播的平面波；（2）分量U2是一个透射光锥，主要能量方向靠近底片轴 线，光锥的扩展程度取决于O(x,y)的带宽；（3）分量U3 正比于原始物波波前O与一平面波相位因子 exp(j2y)的积,表示原始物波将以向上倾斜的平面波为载波，在距底片z0处形成物体的一个虚像。（4）分量U4表示物波的共轭波前将以向下倾斜的平面波为载波，在距底片另一侧z0处形成物体的一个实像。,从上图可以看出，再现物波O和物波共轭波前O*，两者具有不同的传播方向，并且还和分量波U1和U2分开。参考光和全息图之间的夹角越大，则分量波U3和U4与U1和U2分得越开。,下面我们从全息图所具有的空间频谱的分布来考察这四个场分量，以便对孪生像完全分离的条件给出一个定量的说明。,假定,分别表示全息图被再现时透射光场四个分量波的空间频谱，又设再现光波C具有单位振幅，并忽略全息底片的有限孔径，则这四项分量分别为,注意：G0的带宽和物体相同，因为二者差别是由传播现象的传递函数,决定的，它是一个,纯相位函数。假定物体的最高空间频率为B周/mm，带宽为2B，则物体的频谱和全息图四项场分量的频谱如图所示。,由上图可知,要使,和,不相互重叠,此时成像光波与轮晕光有效分离，空间载波必须满足下列条件,一旦超过,实像和虚像彼此分离，互不干扰，成,像波也不会与轮晕光干涉叠加。,说明：G2是G0自相关的结果，其频率扩展到2B，但随着频率增加，其值逐渐减小，因此尽管它包含许多方向传播的空间频率的平面波分量，但能量主要由低频成分所携带。,利用透镜的傅里叶变换性质，很容易观察到这一性质。,5.4 基元全息图,在拍摄全息图时，所用的参考光波总可以人为地简化为平面波和球面波，但物体的形状一般比较复杂，所以全息图花样一般说来总是复杂的，但我们可以把它看成是许多基元全息图的线性组合，了解基元全息图的结构和作用对于深入了解整个全息记录和再现机理是十分有益的。从空域和频域分析，基元全息图分别称为基元波带片和基元光栅。,从频域考虑，把物光看做许多不同方向传播的平面波分量的线性叠加，每一平面波分量与参考光波干涉而记录的基元全息图称为基元光栅。,下面通过一个具体的例子说明基元光栅的性质。,基元波带片和基元光栅的定义,从空域考虑，把物体看做一些相干点源的集合，物光波前是所有点源发出的球面波的线性叠加。每一个点源发出的球面波与参考波干涉，记录的基元全息图称为基元波带片.,例题:如图已知参考光和物光均为平行光，对称入射到记录介质上上，即 面 , 两者之间的夹角为,（1）求出全息图上干涉条纹的形状和条纹间距公式。,（2）当采用He-Ne激光记录时，试计算夹角 。,时条纹间距分别是多少？某感光胶片厂生产的全息记录干板，其分辨率为3000条/mm，试问当,时此干板能否记录下其干涉条纹？,（3）当采用的再现光波C=R时，试分析 0,1级衍射的出射波方向，并作图表示。,z,y,R,O,z,y,C=R,解：设物光和参考光波分别为,全息干板上的光场为,全息干板上的光强分布为,显然基元全息图结构可看作是余弦振幅光栅，光栅频率为,两束光夹角越大，干涉条纹越密,条纹的峰值由,决定,它是一组与y轴垂直的平行直线，条纹间距,若物光和参考光对称入射,（2）,时,全息干板的最小分辨距离d为,这说明当物光与参考光的夹角为60度时，所提供的全息干板可以记录其干涉条纹。,（3）全息干板经显影、定影等线性处理后，负片的复振幅透过率与曝光光强成线性关系，即,若再现波,于是透射场为,其中零级衍射波,是照明光波直接,前进的透射平面波，当然，振幅有所下降。,是物光波的再现波，但振幅有所变化,是方向进一步向下偏转的物光波的共轭波，其偏转角度,z,y,C=R,注：物光波所包含的各个平面波分量都 可以和参考平面波干涉产生各自的基元光栅，整个全息图是由许多不同频率、条纹取向不同的基元光栅的线性组合。用原参考光照明全息图，每个基元光栅可在1级衍射方向再现其相应的物光波平面波分量及其共轭，这些平面波分量再线性叠加起来，就恢复了原始光波前及其共轭波前，以产生实像和虚像。,全息记录时，若要不丢失信息，应能记录下物光所有频率成分，由前面可知，记录介质的分辨率的要求是,通常记录的是很密的干涉条纹，如采用卤化银乳胶，其分辨率一般在3000周/mm以上。,5.5 菲涅耳全息图,菲涅耳全息图的特点是记录平面位于物体衍射光场的菲涅耳衍射区，物光由物体直接照到底片上。由于物体可以看成点源的线性组合，所以讨论点源全息图（基元全息图）具有普遍意义。,胶片,H,照明光波,点源全息图的记录和再现,上图中底片H相对于物体满足菲涅耳近似，所以得到的全息图称为菲涅耳全息图。可以利用二次型近似写出两个球面波在H上的总光场。,设投射到记录平面上的物光波的振幅O0，考虑到一常数相位因子，写成O（复数），到达记录平面的相位以坐标原点0为参考点来计算，并作傍轴近似，即假设,因此物光波的相位可简化为,记录平面上的物光波可以写成,同理记录平面上的参考光可写成,记录平面上的复振幅分布为,记录平面上的光强分布为,显影、定影后全息图的复振幅透过率于曝光量成线性关系，即,在透过率中我们主要关心是,项,在再现过程中，全息底片由位于,的点源发出的球面波,照明，再现波长为,全息图透射项中，我们感兴趣的两项是,同理,U3和U4中相位因子中，x和y的二次项是傍轴近似的球面波的相位因子，给出了再现像的z方向上的焦点。X和y 的一次项是倾斜传播的平面波的相位因子，给出了再现像离开z轴的距离。,因此它们给出了再现光波的几何描述：一个向像点,会聚或由像点,发散的球面波。,这些球面波在xy平面上的光场在傍轴近似下相位具有下列标准形式,将上式中x,y的二次项和一次项系数与U3及 U4中相应的系数比较得,其中上面一组符号适用于U3分量波，下面一组适用U4分量波。当Zi为正时，再现像为虚像，位于全息图的左侧； Zi为负时，再现像为实像，位于全息图的右侧。,像的横向放大率为,像的纵向放大率为,5.5.2 几种特殊情况的讨论,（1）当再现光波与参考光波完全一致时，,U3,U4,虚像,U4产生物点的一个虚像，像点的空间位置与物点重合，横向放大率为1，它是原物点准确的再现，分量波U3可以产生物点的实像或虚像，它取决于zi1的正负。横向放大率一般不等于1.,当,产生虚像；,当,产生实像；,（2）当再现光波与参考光波共轭时，,U3,U4,实像,U3产生物点的一个实像，像点与物点的空间位置相对于全息图镜面对称。分量波U4可以产生物点的虚像，也可以产生物点的实像，这取决于zi2的正负。,（3）参考光波与再现光波都是沿z轴传播的完全一样的平面波,此时得到两个像点位于全息图两侧对称位置，一个实像，一个虚像。,平面波再现波的情况,(4)如果物点和参考点位于z轴上，,此时,这时透过率的峰值出现在其相位为2m的地方，即,这时所形成的干涉条纹是一族同心圆，圆心在原点，为同轴全息图，其半径为,同轴全息图的再现可以分为两种情况：,在轴上照明轴外照明,一个虚像和一个无穷远处的实像,平面波再现波的情况,照明光源,轴外照明点源同轴全息的再现,再现所得的两个像均位于z轴上。当照明光源与参考光源完全相同时,这说明分量波U3产生一个与原始物点对称的实像，另一个像点的虚实由zi2的符号决定。,这说明分量波U4产生的虚像与轴上原始点完全重合，另一个像点的虚实由zi1的符号决定。当照明光源与参考光源为共轭时，有,（2）同轴全息图也可用轴外照明光源再现。设照明光源坐标是,这时像点的坐标为,说明再现的两个像点位于通过全息图原点的倾斜直线上,这表明即使用轴外照明光源再现，同轴全息图产生的各分量衍射波仍然沿同一方向传播，观察时互相干扰。,解：（1）由题设知，参考光波、物光波和再现光波的位置坐标为,参考光波R,物光波,再现光波P,解：（1）由题设知，参考光波、物光波和再现光波的位置坐标为,参考光波R,物光波,再现光波P,利用公式,因此两个像点的坐标分别为,像点,像点,横向放大率,（2）将有关数据代入上式得,实像,虚像,5.6 傅里叶变换全息图,物体的信息由物光波所携带，全息记录了物光波，也就记录了物体所包含的信息，物体信息可以在空域中表示，也可以在频域中表示，也就是说物体或图像的光信息既包含在它的物光波中，也蕴含在它的空间频谱内。因此，用全息的方法既可以在空域中记录物光波，也可以在频率 域中记录频谱。物体或图像频谱的全息记录，称为傅里叶变换全息图.,一、傅里叶变换全息图,当记录介质相对于物体位于远场，引入参考光记录物体的夫琅和费衍射图样，就得到夫琅和费全息图。如果利用透镜的傅里叶变换性质，产生物体的频谱，并引入参考光波与之干涉，就得到傅里叶变换全息图。,胶片,相干平面波,记录光路如上图，平面波照明位于透镜前面的物体（透明片），同一平面上，离开光轴距离为b处有一相干参考点源。前焦面上的总光场为,式中U正比于物体的复振幅透过率。在后焦平面上得到物体频谱与平面参考波的干涉图。,略去常系数，后焦面上的光场可表示为,式中,记录的光强分布为,设复振幅透过率于曝光光强成线性关系，即,在傅里叶变换全息图中，存储了物体的全部信息。平面波照明时，可再现出物体的频谱及其共轭。,为了得到物体的原始像和共轭像，需再作一次逆变换。全息图放在前焦平面上，用振幅为C0的平面波垂直照射，透射光场为C0t,取反射 坐标系，后焦平面上光场的分布为,式中第一项为直接透射光经透镜会聚，在轴上产生亮点。第二项为物分布的自相关函数，是中心在轴上的轮晕光。三四两项是中心在,处的原始像和共轭像。,为使观察平面上原始像、共轭像与晕轮光能分离开，b的取值应足够大。假定物体的宽度为,自相关的宽度则为,实现上述分离的条件是,或记录时的最小参考角应满足,在安排光路时需注意这一点,全息信息存储,全息信息存储是一种大容量、高存储密度的信息存储方式。把需要存储的文字、图表等资料，拍摄制成3624 或1624 mm2,的负片。它们的空间频谱能量集中在很小的范围（线度1-2mm),因而可采用傅里叶变换全息图实现高密度的信息存储。假如每幅图像的全息图记录在直径不到1.5mm的点上，在10 10cm2 的全息底片上，记录成4040 的点阵，则可存储1600幅图像。由此可见，其存储量是非常大的。读出时通过光束偏转器，用细激光束逐个扫描全息图，在远处的屏上观察现像。,全息信息存储,观察屏,全息图阵列,5.6.2 准傅里叶变换全息图,如图所示的光路中，物体紧靠透镜放置，在透镜的后焦平面上放置记录介质，根据透镜的傅里叶变换性质，则在全息图平面上的光场分布为：,由于式中出现二次相位因子，使物体的频谱产生了一个相位弯曲，因而全息图平面上的物光波并不是物体的准确的傅里叶变换。设参考点位于（0，-b)处，参考点源的表达式为,在全息图平面上的参考光场分布为,在线性记录条件下，全息图的复振幅透过率为,上式与物体放在前焦面上时傅里叶变换全息图的透过率完全相同。共中球面参考波的二次相位因子抵消了物体频谱的相位弯曲。因此，尽管到达全息平面上的物光场不是准确的傅里叶变换，但由于参考光波的相位补偿作用，我们仍能得到物体的傅里叶变换全息图，故称为准傅里叶变换全息图。,从上面的结果中，我们得到一个启示，即参考光波的形式提供了一种额外的灵活性，我们可以采用空间调制的参考波来记录一个全息图。以达到某种应用的目的，如信息的保密存贮等。,5.6.3 无透镜傅里叶变换全息图,物,针孔参考光束,胶片,如图参考光束是从和物体共面的一个点发出的球面波。用这种特殊光路所记录的全息图可称为无透镜傅里叶变换全息图。,这里只考虑基元全息图，即单个物点的全息记录,由前面讨论知道，点光源在胶片上的光场的复振幅分布为,R、O应是与（x,y)无关的复常数,曝光时记录的光强为,由坐标,的物点发出的光波与参考光波干涉后形成一个正弦条纹图样，其空间频率为,这种特殊的记录光路，物点坐标和全息图上的空间频率有一一对应的关系。这样一种变换关系正是傅里叶变换运算特征（为什么？），但没有用透镜就完成了，所以称为无透镜傅里叶变换图。,这种特殊的记录光路，物点坐标和全息图上的空间频率有一一对应的关系。这样一种变换关系正是傅里叶变换运算特征（为什么？），但没有用透镜就完成了，所以称为无透镜傅里叶变换图。,物点,参考光,物点的傅里叶变换全息图,干涉结果是正弦分布的干涉条纹,由式可以看出,物点离参考点越远，空间频率越高。若,最高空间频率，那么，只有坐标满足条件,是乳胶能分辨的,的那些物点才能在再现像中出现。,同轴晕轮光,像,像,无透镜傅里叶变换全息图的再现,5.7 像全息图,物体靠近记录介质,或利用成像系统使物体成像在记录介质附近,就可以拍摄到像全息图.当物体的像位于记录介质面上时,称为像面全息,所以像面全息是像全息的一种特例.像面全息的特点是可以用宽光源和白光照明再现清晰的像.因此广泛用于全息显示.下面先讨论光源宽度和光谱宽度对再现像的影响, 然后介绍像全息的拍摄.,5.7.1 再现光源宽度的影响,我们已经知道,用点光源照明全息图时,点物的再现像也是点像,但是当光源的线度增加时,由于再现像的位置是与再现点源的位置有关,因此,再现像不再是一个点,而会变成一条线,使像模糊.但是,理论研究表明,当物体接近全息记录介质时,再现光源的线度可以增大,而再现像的线度不变.,我们可以利用5.5.14式作定量的解释.,若再现光源在x方向增宽了,则像也在x 方向相应增宽了,利用5.5.14式得,式中,是再现光源的角宽度.由上式可知,在一定的条件,下当物距z0很能小时,像距zi也很小,当物距z0趋于零时,像 距zi也趋于零,于是,这时光源的宽度不会影响再现像的质量.,5.7.2 再现光源光谱宽度的影响,如果再现光是白光点光源,由于再现像的位置与波长有关,因而再现像不再是一个点,而是与波长有关,呈现出一条彩色线,从而使像模糊,这种模糊的程度与物体到全息平面的位置有关.,由5.5.14式可知,当物体严格位于全息图平面上时,再现像也位于全息图平面上,表现为消色差,它不随照明波长而改变.,而物体上远离全息图的那部分,其像也远离全息图,这些像点有色差并使像模糊.不过,如果物体离全息图的距离较小时,用白光再现仍能得到质量相当好的像.,下面仍旧利用公式5.5.13-5.5.514定量讨论再现光的光谱宽度对再现像的影响.,为了使参考光和再现光为平行光时,上述公式也能用,我们将公式5.5.13-5.5.514改写为三角函数形式.,如图I为像点,考虑傍轴条件,因此有,对物点和参考点可以写出类似的表达式,X方向再现像的色散情况讨论,设再现光波中包含有,的所有波长的光,相应的,变化了,再现像由于色散在x方向的展宽线度为,由式,求,对于确定的物点,是常量,再现像的展宽与,成正比.当Zr和Zp确定后,zi又可根据5.5.13式由zo确定,在一定的条件下z0很小时,zi也很小,因此,使即,有较大的值,仍然足够小.当zi趋于零时,可用白光再现.对于y方向和,z方向的色散,可作类似的讨论.,5.7.3色模糊,对于全息像,再现光源的光谱宽度对像的清晰程度仍自然是有影响的,因为实际上总不能使物上所有点均能满足,很小.,这时一个物点不是对应一个像点,而是对应一个线段.这种由于波长的不同而产生的像的扩展叫做像的色模糊.即使,很小,当,相当大时,仍然会形成不可忽视的色模糊.当色模糊量大,于观察系统(多数情况是人眼)的最小分辩距离时,再现像变得完全模糊不清了.要使再现像清晰,一方面要进一步减小,另一方面要限制再现光源的光谱宽度.我们可以以人眼直接观察情况作一粗略估算,以便对以上分析建立比较直观的认识.,如图是色模糊示意图，C为再现光波，I1I2是物点再现后的展宽,下面对展宽作估算,因为,所以令,这不会造成数量级上的差错，设,上式表明，物上一点，由于色模糊的原因，在再现像中的x方向上是一段长16微米的线段。如果其长度小于人眼观察时的最小分辨距离，则仍可以认为像是清楚的。但是当用白光照射再现时,，在上述条件下,在明视距离上看，它比人眼的最小分辩距离0.07mm大得多。如此小的像距离，当用白光再现时，色模糊量都比人眼的最小分辩距离大，那像全息还有实用意义吗？实际上上面的讨论中我们没有把眼瞳的光阑作用考虑进去。由于人眼瞳孔的孔径限制，可能减小色模糊的影响。如图，人眼距H的距离是d，瞳孔直径为a,C,则只有,上的点能进入人眼,已知，人眼的最小分辩角,已知，人眼的最小分辩角,白昼瞳孔直径为,明视距离250mm观察全息图，则,所以最大允许的像距离为9.1mm,5.7.4像全息的制作,在记录全息像时，如果物体靠近记录介质，则不便于引入参考光，因此，通常采用成像方式产生光波。一种是透镜成像。,H,另一种是利用全息图的再现实像作为光波。后者通常先记录一张菲涅耳全息图， 然后用参考光波的共轭波照明全息图，再现物体的实像。实像的光波与参考光波叠加，得到像全息图。,H1,R1,H1,R,5.8彩虹全息,彩虹全息是用激光记录全息图，用白光照明再现单色像的一种技术。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，观察再现像时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。可分为二步彩虹全息和一步彩虹全息。,目前彩虹全息术在白光全息术中占有很重要的位置。一些大面积的彩虹全息图，在艺术上显示了巨大的魅力。特别是由于当前全息图的模压复制技术能进行大批量复制，其原始全息图大都不是彩虹全息图，所以彩虹全息技术仍在迅速发展。彩虹全息分为二步彩虹全息和一步彩虹全息。,5.8.1 二步彩虹全息,1969年，（Benton)受到全息图碎片可以再现完整的物体像的启发，提出了二步全息彩虹全息。,R,H1,它包括二次全息记录过程：第一步对要记录的物体摄制一张离轴全息图H1，称为主全息图，如图所示；第二步是用参考光的共轭光照明H1，产生物体的赝实像，在H1的后面放一狭缝，实像与狭缝之间放置全息干板H，用会聚的参考光R记录第二张全息图，这张全息图就叫彩虹全息图。如果用共轭参考光照射全息图H，则产生第二次赝像，由于H记录的是物体的赝实像，所以再现的第二次赝像对于原物来说是一个正常的像，与原物的再现像一起出现的是狭缝的再现像，它起一个光阑的作用。,彩虹全息的再现光路如下图所示，如果眼睛位于狭缝的位置，就可以看到物体的再现像。眼睛位于其它位置时，则由于受到光阑的限制，不能观察到完整的像。如果用白光来照明彩虹全息图，则每一种波长的光都形成一组狭缝像和物体像，其位置可按5.5.13-5.5.15计算。,一般来说，狭缝像和物体像的位置随波长连续变化。若观察者的眼睛位于狭缝像附近沿垂直于狭缝方向移动时，将看到颜色按波长顺序变化的再现像。若观察者位于狭缝后方适当的位置时，由于狭缝对视场的限制，通过某一波长所对应的狭缝只能看到再现像的某一条带，其色彩与该波长对应。同波长对应的狭缝在空间是连续的，因此，所看到的物体像就具有连续变化的颜色，像雨后天空的彩虹一样。,二步彩虹全息的优点是视场大，但由于在制作彩虹 全息图，在经过二次采用激光记录过程，斑纹噪声大，因此直接应用有困难。1977年杨振寰等研究成功一步彩虹全息术，简化了记录过程，在实用方面取得了进展。,彩虹全息的本质是要在观察者与物体的再现像之间形成一个狭缝像，使观察者通过狭缝像看到物体的像，以实现白光再现。在一步彩虹全息方法中，用一个透镜同时把物体和狭缝的像记录下来，这样就不需要主全息图了。下图是其一种记录光路图。,5.8.一步彩虹全息,我们也可以把物体和狭缝放在透镜焦点以外使它们在透镜的另一侧成像，记录时仍将干板放置于物体像和狭缝像之间。如下图所示,这种由波长不同而产生的像的扩展,叫做像的色模糊.具体讨论参见教材P142-145.,5.8.3 彩虹全息的色模糊,彩虹全息用白光再现时,在某一固定位置观察到的单色像的波长是包含一个波长范围的.根据点源全息图理论知道,像点是与波长有关的,在,的波段内,一个像点不是对应一个点,而是对应一个线段。,5.9 相位全息图,平面全息图的振幅透过率一般是复数,它描述光波通过全息图传播时振幅和相位所受到的调制,可以表示为,当相位延迟与(x,y)无关时,有,这表明照明光波通过全息图时,仅仅是振幅被调制,可称为振幅全息图或吸收全息图.,不影响透射波前的形状,分析,时可以不考虑.,用超微粒银盐干板拍摄全息图,经显影处理后就,得到振幅全息图。,若全息图的透过率t0与(x,y)无关,为常数,则,照明光波通过全息图时,受到均匀吸收,仅仅是相位被调制,我们称之为相位全息图.,相位全息图的制作:(1) 一种是记录物质的厚度改变,折射率不变,称为表面浮雕型.方法是将银盐干板制成的振幅全息图经过漂白工艺而成.首先把它放在鞣化漂白槽中,除去曝光部分的金属银,并使银粒周围的明胶因鞣化而膨胀,膨胀的程度取决于银粒子数量,曝光强的地方的明胶比曝光弱的地方的明胶厚,记录介质的厚度随曝光量变化,这样就得到了浮雕型相位全息图.另外,光致抗蚀剂、光导热塑料等，都可以制作浮雕型相位全息图。,（2）另一种类型是物质厚度不变折射率改变，称为折射率型。,相位全息图的性质,为了简单起见，我们分析物光波和参考光波都是平面波的情况，两束平面波相干涉产生基元光栅。,由前面例题知，见5.4.1,式中,为光栅的空间频率,和,分别是两个平面波的空间频率。,在线性记录下，相位变化与曝光光强成正比，因此,忽略吸收，并略去常相位，相位全息图的透过率为,这是一个正弦型相位光栅。利用第一类Bessl函数的积分公式，上式可以表示为傅里叶级数形式,是第一类n阶Bessl函数。,用振幅为C的平面波垂直照明全息图，透射光场分布为,相位全息图的透射光场不像振幅光栅只有零级和正负一级衍射，而是包含许多级衍射。每一级衍射的平面波的空间频率为,相对振幅决定于,n=0,表示直接透射光；,对应的光波是我们需要的成像光波,这时正负一级衍光波将分别再现原始物光波和共轭光波。,5.10 模压全息图,模压全息术是70年代提出的用模压方法复制全息图的一项技术。1981年日本举办了首届模压全息图展览。模压全息图的制作可分为三个阶段： 首先记录浮雕型全息图为原始模板，为了能够白光再现，一般采用彩虹全息图类型；然后将其上的浮雕全息图，经过电铸转移到金属模上，制成镍压模；最后在透明塑料或镀铝的聚脂膜上压制成透射或反射浮 雕全息图。这种模压复制技术主要是能够大量复制，一个镍压模可以连续压印一百万次以上。,模压全息技术是建立在全息技术、计算机辅助成图技术、制版技术、表面物理学、精密机械加工等多学科基础之上的一种精细加工技术。制作模压全息技术需要昂贵的设备和高超技术，难以仿制，所以大量用作保安和防伪标记。,模压全息技术已形成一种全息印刷产业，发展很快，在材料、制版（光学浮雕全息图、金属压模）及成套压印设备方面日新月异。从1985年到目前为止，国内已数百家模压全息厂家。,5.11 体积全息,在前面的讨论中，我们是把全息图的记录完全作为一种二维图像来处理的。这种类型的全息图称为平面全息图，但是，当记录材料的厚度是条纹间距的若干倍时，则在记录材料体积内将记录下干涉全息图的三维空间分布，这样就形成了体积全息。,体积全息图对于照明光波的衍射作用如同三维光栅的衍射一样。按物光和参考光入射方向和再现方式的不同，体积全息可以分为两种。一种是物光和参考光在记录介质的同一侧入射，得到透射全息图，再现时由照明光的透射光成像。另一种是物光和参考光从记录介质的两侧入射，得到反射全息图，再现时由照明光的反射光成像。,5.11 .1 透射体积全息图,如图，设物光和参考光均为平行于x0z平面波,合光场的分布为,式中,分别是物光和参考