全息原理介绍课件

光学信息技术原理及应用光学信息技术原理及应用光学全息技术的原理与介绍光学全息技术的原理与介绍(十四十四)1光学信息技术原理及应用光学全息技术的原理与介绍(十四)12233M2M1B/SLiNbO3:FecrystalHe-NeLaserM0rotate2rotate14M2M1B/SLiNbO3:FeHe-NeLase全息照相的特点和原理全息照相的特点和原理 两个突出的特点，一是三两个突出的特点，一是三维立体性，二是可分割性立体性，二是可分割性 全息照片再全息照片再现出来的像是三出来的像是三维立体的，具有如同立体的，具有如同观看真看真实物体一物体一样的立体感，的立体感，这一性一性质与与现有的立体有的立体电影有着本影有着本质的区的区别 可分割性，是指全息照片的碎片照可分割性，是指全息照片的碎片照样能反映出整个物体的像来，能反映出整个物体的像来，并不会因并不会因为照片的破碎而失去像的完整性照片的破碎而失去像的完整性 普通照相在胶片上普通照相在胶片上记录的是物光波的振幅信息（的是物光波的振幅信息（仅体体现于光于光强分分布），而全息照相在布），而全息照相在记录振幅信息的同振幅信息的同时，还记录了物光的位相了物光的位相信息信息 5全息照相的特点和原理两个突出的特点，一是三维立体性，二是可全息全息术的的发展展历史史丹尼斯丹尼斯盖伯（盖伯（Dennis GaborDennis Gabor）于）于19481948年提出，由于年提出，由于这种技种技术要求要求高度相干性及高高度相干性及高强度的光源而一度度的光源而一度发展展缓慢慢萌芽萌芽时期，是用期，是用汞灯作光源，汞灯作光源，摄制同制同轴全息全息图，是第一代全息，是第一代全息图 19601960年第一台激光器年第一台激光器问世，解决了相干光源世，解决了相干光源问题，19621962年美国科年美国科学家利思（学家利思（LeithLeith）和）和乌帕特尼克斯（帕特尼克斯（UpatnieksUpatnieks）提出了离）提出了离轴全全息息图以后，全息技以后，全息技术的研究才的研究才获得突得突飞猛猛进的的发展展，激光，激光记录、激光再、激光再现的离的离轴全息全息图，称，称为第二代全息第二代全息 第三第三阶段是激光段是激光记录、白光再、白光再现的全息的全息图，称，称为第三代全息，主第三代全息，主要包括白光反射全息、像全息、彩虹全息、真彩色全息及合成全要包括白光反射全息、像全息、彩虹全息、真彩色全息及合成全息等息等 用白光用白光记录、白光再、白光再现的全息的全息图，称，称为第四代全息第四代全息 6全息术的发展历史丹尼斯盖伯（DennisGabor）于1波前波前记录与再与再现 人人眼眼接接收收到到不不失失真真的的物物光光波波的的全全部部信信息息，两两眼眼产生生视差差的的结果果，便便看到了三看到了三维立体像立体像 利用两眼利用两眼视差差观察不同像合成，并不是真正的立体像；接收到具有察不同像合成，并不是真正的立体像；接收到具有位相关系的物光波，看位相关系的物光波，看见物体的立体像，才是物体的立体像，才是“全息全息”立体像立体像“冻结”物光波的物光波的过程称程称为“波前波前记录”，“复活复活”信息称信息称为“波波前再前再现”即即“wavefront reconstractionwavefront reconstraction”盖伯避免位相信息盖伯避免位相信息丢失的技巧是干涉方法失的技巧是干涉方法,因因为干涉干涉场分布与波面位分布与波面位相有一一相有一一对应关系关系 物光波的振幅和位相信息便以干涉条物光波的振幅和位相信息便以干涉条纹的形状、疏密和的形状、疏密和强度的形式度的形式“冻结”在感光的全息干板上在感光的全息干板上7波前记录与再现人眼接收到不失真的物光波的全部信息，两眼产生波前波前记录和波前再和波前再现示意示意图 8波前记录和波前再现示意图8波前波前记录的的数学模型数学模型 在全息干板在全息干板H H上上设置置x x,y y坐坐标，设物波和参考波的复振幅分物波和参考波的复振幅分别为 O O(x x,y y)=)=O O 0 0(x x,y y)exp )exp j jo o(x x,y y)R R(x x,y y)=)=R R 0 0(x x,y y)exp )exp jjr r(x x,y y)干干涉涉场光光振振幅幅应是是两两者者的的相相干干叠叠加加，H H 上上的的总光光场为干干涉涉场光光振振幅幅应是是两两者者的的相干叠加，相干叠加，H H 上的上的总光光场为 U U(x x,y y)=)=O O(x x,y y)+)+R R(x x,y y)干板干板记录的是干涉的是干涉场的光的光强分布，曝光光分布，曝光光强为 I I(x x,y y)=)=U U(x x,y y)U U*(x x,y y)=O O2 2+R R2 2+O OR R*+O+O*R R经线性性处理理后后，底底片片的的透透过率率函函数数t tH H 与与曝曝光光光光强成成正正比比，略略去去一一个个无无关关紧要要的的比例常数，上式可直接写成比例常数，上式可直接写成 t tH H (x x,y y)=)=O O2 2+R R2 2+O OR*+O*R*+O*R R 9波前记录的数学模型在全息干板H上设置x,y坐标，设物波前再波前再现的的数学模型数学模型 设照明光波表示照明光波表示为 C C(x x,y y)=)=C C 0 0(x x,y y)exp )exp jjc c(x x,y y)透透过H H后的光振幅后的光振幅U U(x x,y y)为式式 (5.7)(5.7)称称为全息学基本方程，其中方程右全息学基本方程，其中方程右边各各项的意的意义为第一、二第一、二项：与再：与再现光相似，它具有与光相似，它具有与其其相同的位相分布，只是振幅分布相同的位相分布，只是振幅分布不同，因而它将以与再不同，因而它将以与再现光光C C(x x,y y)相同的方式相同的方式传播。播。第三第三项：包含有物的位相信息，但：包含有物的位相信息，但还含有附加位相。含有附加位相。第四第四项：包含有物的共：包含有物的共轭位相信息，可能形成共位相信息，可能形成共轭像。像。10波前再现的数学模型设照明光波表示为10波前再波前再现的几个特例的几个特例(1)(1)（1 1）C C(x x,y y)=)=R R(x x,y y)，即原参考光再，即原参考光再现 U U(x x,y y)=)=R R 0 0（O O 0 0 2 2+R R 0 0 2 2）exp exp j jr r +R R 0 0 2 2 O O 0 0 exp exp j j o o+R R 0 0 2 2 O O 0 0 exp exp -j j (o o -2-2r r )第一、二第一、二项合并合并为一一项，保留了参考光的信息，保留了参考光的信息第三第三项与原物光波只增加了一个常数因子，再与原物光波只增加了一个常数因子，再现了物光波，所成的了物光波，所成的像称像称为原始像（虚象）原始像（虚象）第四第四项为共共轭项，它除了，它除了与物波共与物波共轭外，外，还附加了附加了一个位相因子，因而一个位相因子，因而这一一项成成为畸畸变了的共了的共轭像，像，是是实像像 11波前再现的几个特例(1)（1）C(x,y)=波前再波前再现的几个特例的几个特例(2)(2)（2 2）C C(x x,y y)=)=R*R*(x x,y y)采用与参考光共采用与参考光共轭的光波再的光波再现 U U(x x,y y)=)=R R 0 0（O O 0 0 2 2+R R 0 0 2 2）exp-exp-j jr r +R R 0 0 2 2 O O 0 0 exp exp j j (o o -2-2r r )+)+R R 0 0 2 2 O O 0 0 exp exp -j jo o 第一、二第一、二项合并，仍保留了参考光的特征合并，仍保留了参考光的特征第三第三项是畸是畸变了的虚象了的虚象第第四四项是是与与原原物物相相象象的的实像像，但但出出现了了景景深深反反演演，即即原原来来近近的的部部位位变远了，原来了，原来远的部位的部位变近了，称近了，称为赝像像 12波前再现的几个特例(2)（2）C(x,y)=R波前再波前再现的几个特例的几个特例(3)(3)(3)(3)其他情况：其他情况：a a照射角度的偏离：如再照射角度的偏离：如再现光与参考光波面形状相同，只是相光与参考光波面形状相同，只是相对全全息息图的入射角有偏离。偏离角小的入射角有偏离。偏离角小时仍出仍出现再再现像；随着角度的增像；随着角度的增大，再大，再现像由畸像由畸变直至消失。全息直至消失。全息图只在一个有限的角度范只在一个有限的角度范围内内能再能再现物波前。物波前。利用利用这一特性，可采用不同角度的参考光在同一一特性，可采用不同角度的参考光在同一张全息片上全息片上记录多重全息多重全息图，再，再现时只要依次改只要依次改变再再现光角度，便可依次光角度，便可依次显示出不同的像来。示出不同的像来。b.b.波波长的改的改变：如再：如再现光与参考光只是波光与参考光只是波长存在差异，存在差异，则再再现像会像会出出现尺寸上的放大或尺寸上的放大或缩小，同小，同时改改变与全息与全息图的相的相对距离。距离。c.c.波面的改波面的改变：再：再现光波面的改光波面的改变会使原始像会使原始像发生畸生畸变。13波前再现的几个特例(3)(3)其他情况：13全息再全息再现特点的定性特点的定性说明明 全息全息图上每一点都上每一点都记录有物上所有点有物上所有点发出的波的全部信息，因此出的波的全部信息，因此每一点都可以在参考光照射下再每一点都可以在参考光照射下再现出像的整体。出像的整体。对再再现像有像有贡献的点越多，像的亮度越高。献的点越多，像的亮度越高。点越多，再点越多，再现时的照明孔径也越大，像的分辨率就越高，可的照明孔径也越大，像的分辨率就越高，可以以观察三察三维立体像的立体像的视角也越角也越宽 还应当注意到，在全息当注意到，在全息图上上这四四项是相互重叠在一起的是相互重叠在一起的 由于光是独立由于光是独立传播的，再播的，再现时在全息在全息图上相互重叠的的四上相互重叠的的四项将分将分别沿三个不同方向沿三个不同方向传播。播。只要只要这些方向之些方向之间夹角比角比较大，离开全息大，离开全息图不不远就可以分离就可以分离开来，在不同方向上开来，在不同方向上观察，察，这四四项产生的生的图像并不会互相干像并不会互相干扰 利思和利思和乌帕特尼克斯提出离帕特尼克斯提出离轴全息全息图的原理。的原理。14全息再现特点的定性说明全息图上每一点都记录有物上所有点同同轴全息全息图的的记录和再和再现 15同轴全息图的记录和再现15全息全息实验用装置用装置 1.相干光源相干光源激光器激光器2 2防震平台及光学元件防震平台及光学元件 在在几几秒秒到到几几分分钟甚甚至至几几十十分分钟内内要要求求光光路路必必须达达到到较高高稳定定度，光程差的度，光程差的变化量不得超化量不得超过/10/10 常常用用的的光光学学元元件件有有：反反射射镜；扩束束镜；针孔孔滤波波器器；光光分分束束器；透器；透镜；散射器等；散射器等 3 3全息全息实验光路光路设计原原则 （1 1）光程差的要求尽可能小）光程差的要求尽可能小 （2 2）干板表面物光和参考光光）干板表面物光和参考光光强之比在之比在1 1：2 2至至1 1：1010以内以内 （3 3）空空间频率率的的限限制制：物物光光和和参参考考光光的的夹角角应选择适适当当，使使全全息息图的条的条纹密度不得大于所密度不得大于所选用用记录介介质的分辨率的分辨率 （4 4）光光学学元元件件使使用用数数量量要要尽尽可可能能少少，一一方方面面是是为了了减减少少不不必必要要的光能量的光能量损失，另一方面也失，另一方面也为了减少引入光噪声的渠道。了减少引入光噪声的渠道。16全息实验用装置相干光源激光器1617171818基元全息基元全息图 基基元元全全息息图是是指指由由单一一物物点点构构成成的的物物光光波波与与点点源源构构成成的的参参考考光光波波所形成的全息所形成的全息图，它是全息，它是全息图中最基本、最中最基本、最简单的一的一类。为了研究干涉条了研究干涉条纹的分布的分布规律，介律，介绍几种基元全息几种基元全息图的条的条纹结构，构，1 1平平面面波波与与平平面面波波相相干干：干干涉涉场的的峰峰值强度度面面是是平平行行等等距距的的平平面面族族，其面其面间距距d d 与两束光的与两束光的夹角角有关有关 2 2 d d sin(sin(/2)=/2)=2 2平面波与球面波相干平面波与球面波相干:当当物物光光波波是是点点源源发出出的的球球面面波波而而参参考考光光为平平面面波波时,干干涉涉场的的峰峰值强强度面是一族旋度面是一族旋转抛物面抛物面3.3.球面波与球面波相干球面波与球面波相干 当当物物光光波波和和参参考考光光波波都都是是由由点点源源发出出的的发散散球球面面波波时，干干涉涉场的的峰峰值强强度面度面是是一一组旋旋转双曲面双曲面 当当物物波波是是发散散球球面面波波，参参考考波波是是会会聚聚球球面面波波时，干干涉涉场的的强强度度峰峰值面演化面演化为一一组旋旋转椭圆，两个点源位置恰是，两个点源位置恰是椭圆的两个焦点的两个焦点 19基元全息图基元全息图是指由单一物点构成的物光波与点源构成的基元全息基元全息图示意示意图 20基元全息图示意图20全息全息图的分的分类 一、按照一、按照记录介介质的膜厚分的膜厚分类，有平面全息，有平面全息图和体和体积全息全息图两两类二二、按按照照透透射射率率函函数数的的特特点点分分类，有有振振幅幅型型和和位位相相型型两两类，而而位位相相型又可分型又可分为表面浮雕型和折射率型两表面浮雕型和折射率型两类三三、按按照照所所记录的的物物光光波波的的特特点点，可可分分为菲菲涅涅耳耳全全息息图、夫夫琅琅和和费全息全息图和傅里叶和傅里叶变换全息全息图三三类四、按照再四、按照再现时照明光的种照明光的种类，可分，可分为激光再激光再现和白光再和白光再现两两类。五五、按按照照再再现时照照明明光光和和衍衍射射光光的的方方向向特特点点，可可分分为透透射射型型和和反反射射型两型两类六六、按按照照所所显示示的的再再现像像的的特特征征，有有像像面面全全息息、彩彩虹虹全全息息、360360度度合合成全息、真彩色全息等等成全息、真彩色全息等等21全息图的分类一、按照记录介质的膜厚分类，有平面全息图和体积平面全息平面全息图 平面全息平面全息图的限制条件的限制条件 h h 1010 n n d d 2 2/2/2 其中其中n n为乳胶折射率，乳胶折射率，d d为条条纹间距，距，为曝光波曝光波长 菲涅耳全息菲涅耳全息图 菲涅耳全息菲涅耳全息图直接直接记录物光波本身，不需要物光波本身，不需要变换透透镜和成像和成像透透镜，仅要求干板与物体的距离要求干板与物体的距离满足菲涅耳近似条件足菲涅耳近似条件 菲涅耳全息菲涅耳全息图记录光路中各量的关系光路中各量的关系 22平面全息图平面全息图的限制条件22菲涅耳全息菲涅耳全息记录与再与再现原理（原理（1 1）在在o-xyzo-xyz坐坐标中中，设物物是是一一个个以以原原点点O O为中中心心半半径径为l l0 0的的球球面面，其其光光振幅可振幅可记作作 O O(x xo o,y yo o )=O O0 0 (x xo o,y yo o)exp)exp j jo o(x xo o,y yo o)r ro o可近似可近似为 全息全息图平面平面x x ,y y上的物光波可写成上的物光波可写成 同理，参考光波在全息同理，参考光波在全息图平面上的光振幅平面上的光振幅为 23菲涅耳全息记录与再现原理（1）在o-xyz坐标中，设物是一菲涅耳全息菲涅耳全息记录与再与再现原理（原理（2 2）以以上上两两式式中中k k0 0=2/2/0 0 ，0 0是是记录光光波波的的波波长。全全息息图曝曝光光后后经过线性性处理理得得到到其其振振幅幅透透射射率率t tH H (x x,y y)，设再再现照照明明光光为 C(x,y)，全息全息图后的光后的光场为 U U H H(x x ,y y)=)=t tH H(x x ,y y)C C(x x ,y y)同同样，它由四，它由四项组成，式中第三成，式中第三项与原始像有关，可表达与原始像有关，可表达为 U U 3 3(x xi i ，y yi i)=)=O OR*R*C C 再再现照明光照明光 C C(x x ,y y)近似表示近似表示为 全部关系代入，全部关系代入，简化合并后得到化合并后得到 24菲涅耳全息记录与再现原理（2）以上两式中k0=2/菲涅耳全息菲涅耳全息记录与再与再现原理（原理（3 3）如如令令上上式式中中(x x2 2 +y y2 2）的的系系数数为零零，内内层积分分结果果为函函数数，就就可可得得出出 U U 3 3 (x xi i ，y yi i )与与O O (x xo o ,y yo o )相相似似的的结论 ，即即，出出现“成像成像”的关系的关系（x x2 2+y y2 2）的系数的系数为零的条件是零的条件是 其中其中 =/0 0，上式就是菲涅耳全息，上式就是菲涅耳全息图的物象距关系式的物象距关系式 再利用再利用函数的性函数的性质，可将，可将U U 3 3(x xi i ，y yi i)表达式表达式简化并改写化并改写为 显然然，像像分分布布U U 3 3 (x xi i ，y yi i )与与物物分分布布O O (x xo o ,y yo o )是是相相似似的的，其其位置改位置改变是由于照明光源的位置与参考光源的位置不同引起的是由于照明光源的位置与参考光源的位置不同引起的 25菲涅耳全息记录与再现原理（3）如令上式中(x2+y2）菲涅耳全息菲涅耳全息记录与再与再现原理（原理（4 4）同同样方法可求共方法可求共轭像位置，合在一起像点坐像位置，合在一起像点坐标可表示可表示为式式中中正正、负号号分分别对应原原始始像像和和共共轭像像的的情情况况。成成像像的的横横向向放放大大率率为（其中（其中 =/0 0）26菲涅耳全息记录与再现原理（4）同样方法可求共轭像位置，合在线模糊与色模糊模糊与色模糊 实际光源却是有一定大小的。光源却是有一定大小的。实际光源上每一个点作光源上每一个点作为参考光源参考光源会会产生全息生全息图上的不同光上的不同光栅结构，作构，作为再再现光源会光源会产生不同的再生不同的再现像，一个物点将像，一个物点将对应产生多个像点，也就是生多个像点，也就是说用用扩展光源作参展光源作参考光源和再考光源和再现光源光源时会会导致再致再现像的展像的展宽，这个个现象称做象称做线模糊模糊 设参考和再参考和再现光源的光源的线度分度分别为 和和 不不难证明像的展明像的展宽为 再再现像由于照明光源的像由于照明光源的线宽而展而展宽的的现象称象称为色模糊色模糊色模糊是由于全息色模糊是由于全息图的光的光栅结构构产生色散生色散现象而引起的。所以色象而引起的。所以色模糊量模糊量应与波与波长范范围和色散率成比例，如果再和色散率成比例，如果再现时像距是像距是 ，则色模糊量色模糊量为 27线模糊与色模糊实际光源却是有一定大小的。实际光源上每一个点菲涅耳全息菲涅耳全息图光源大小光源大小产生的生的线模糊模糊 28菲涅耳全息图光源大小产生的线模糊28 菲涅耳全息菲涅耳全息图的色模糊量及其的色模糊量及其记录光路光路 29菲涅耳全息图的色模糊量及其记录光路29课堂堂练习 用用波波长 0=632.8nm 记录的的全全息息图，然然后后用用 =488.0nm的光波再的光波再现，试问：（1）若）若lo=10cm，lc=lr=，像距，像距li=？（2）若）若lo=10cm，lr=20cm，lC=，li=？（3）第二种情况中，若第二种情况中，若lC改改为lC=-50cm，li=？（4）若若再再现波波长与与记录波波长相相同同，求求以以上上三三种种情情况况像像的的放大率放大率M=？30课堂练习用波长0=632.8nm记录的全息图，然后课堂堂练习答案（答案（1 1）（1 1）解：根据菲涅耳全息解：根据菲涅耳全息图物像距关系式，像距物像距关系式，像距l li i由下式确定由下式确定 原始像：原始像：共共轭像：像：其中其中 =/0 0 ，将将l lc c=l=lr r=代入得代入得 原始像距原始像距为 共共轭像距像距为 31课堂练习答案（1）（1）解：根据菲涅耳全息图物像距关系式，像课堂堂练习答案（答案（2 2）（2）同理）同理,原始像距原始像距为 26 cm26 cm共共轭像距像距为 l lI I -26 cm-26 cm （3 3）同理同理,原始像距原始像距为 l lI I 54 cm54 cm 共共轭像距像距为 l lI I -17 cm-17 cm （4 4）当）当 =0 0 时 =1 =1，由成像放大率公式（，由成像放大率公式（5 52525）可知）可知 上述三种情况的放大率分上述三种情况的放大率分别为（1 1）M M=1 =1 ；（2 2）M M=2=2 ；（3 3）M M=3=33 3 32课堂练习答案（2）（2）同理,原始像距为