基础物理甲型光学课

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壶妇云
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1 第五章傅里叶变换光学第五节全息照相

2 5.5 全息照相全息照相概述全息照相的过程原理和特点全息图的分类及实例全息照相的应用全息照相装置及实验注意事项

3 5.5.1 全息照相概述全息照相的概念全息一词源于希腊词 hobos 和 grammar, 在英文中用 Holography 表示, Holo 即完全的意思, 我国译为全息, 意思是全部信息 Holograph 全息 Holography 全息术 Holographic Hologram 全息照相的全息图

4 5.5.1 全息照相概述全息照相的发展历史设计初衷提高电子显微镜的分辨率 1948,Gabor 提出, 波前记录 (Holography) 全息术是人类对光信息深刻理解的产物, 是经典光学向现代光学过度时期具有里程碑意义的研究成果, 被公认为是 20 世纪最伟大的发明之一英籍匈牙利物理学家 Dennis Gabor (1900~1979) 1971 年诺贝尔物理学奖 ( 发明并发展全息照相法 )

5 5.5.1 全息照相概述全息照相的发展历史 ( 续 ) 1960, 激光出现, 提供高亮度相干光源 1962 年在美国密执安大学从事雷达工作的利思和乌巴特尼克斯两个人提出采用倾斜参考光束形成一个均匀的相干底衬即所谓离轴全息照相法, 从而克服了共轴全息图的本质缺点他们于 1963 年, 首先做出了第一张成功的全息照相

6 5.5.1 全息照相概述全息照相的发展历史 ( 续 ) 法国物理学家李普曼发明了基于干涉现象的彩色照相术 (1891), 获 1908 年诺贝尔物理学奖 1962 年, 前苏联科学家丹尼苏克首次拍摄出了反射式全息图 1969 年 Benton 在全息图的碎片能再现物体完整像的启发下, 提出了彩虹全息术, 首次利用二步法制成了彩虹全息图, 1978 年美籍华人陈选和杨振寰提出了一步彩虹全息,1977 年 Cross 复合全息图 ( 即多重全息图 ) 制成 1979 年第一张彩色全息图问世法国李普曼 ( ) Stephen Benton 丹尼苏克

7 5.5.2 全息照相的过程原理和特点全息照相的基本机理由物体表面发出或经物体表面反射的光波, 携带着物体表面的信息, 这些信息可以由物光波的波函数 ( 复振幅分布 ) 表示 : i O O( x, y) O ( x, y) e 0 ( x, y) O ( x, y) 0 ( xy, ) O 波前上各点的振幅分布, 反映了物体表面各点的亮度信息 ; 波前上各点的相位分布, 反映了物体表面的纵向位置信息全息记录和显示 : 要记录或再现物体表面的全部信息, 必须同时能够记录或再现出反映物体表面特征的光波场的振幅和相位信息

8 5.5.2 全息照相的过程原理和特点全息照相的过程全息照相的过程分为两步 : 记录再现一全息记录 : E( P, t) A( P)cos( wt ( P)) 传统照相 : 底片记录光强, 位相信息丢失

9 5.5.2 全息照相的过程原理和特点全息照相的过程 ( 续 ) 一全息记录 ( 续 ) 物光 + 参考光干涉底片记录干涉图 ( 全息图 ) 波前全息记录振幅位相全部光信息物光束记录介质物光束记录介质球面波照明平面波照明

10 5.5.2 全息照相的过程原理和特点全息照相的过程 ( 续 ) 二波前再现照明光 + 全息图衍射全息图全息图物光束物光束球面波照明平面波照明

11 5.5.2 全息照相的过程原理和特点惠更斯费涅耳原理的实质 S 无源空间边值定解 : 无源空间中的光场分布由边界条件 ( 波前 ) 唯一确定 P 再现波前 2 再现物光波 ikr i e U( P) (cos0 cos ) U0( Q) d 2 r ( ) 被波前 Σ 隔开的无源场空间中任意点 P 的震动由波前的 U ( Q) 0 分布唯一确定 1. U ( Q ) 0 改变 U( P) 2. 仅需波前再现, 即可确定唯一的 U( P) U( P)

12 5.5.2 全息照相的原理和特点惠更斯费涅耳原理的实质 U ( Q) U( P) 物波前 Σ 物发出光波到达 P点, 复振幅 U( P) 人眼感受到物的存在光源波前函数 U ( Q) P点 U( P) 人眼感受到物的存在只有波前函数 U( Q) P点 U( P) 人眼感受到物的存在只要记录并再现波前函数 U( Q) U(P) 再现物和像

13 5.5.2 全息照相的过程原理和特点波前的全息记录第一步 : 物光波 U O 与参考光波 U 在记录介质上相干叠加物光波 : ~ i( Q) O( Q) un( Q) AO ( Q) e 物点 U ~ U i 与参考光干涉 : 复振幅分布光强分布 A e i O U( x, y) U U A e A e I( x, y) (, ) O O i U U U U 分束板 2 U x y ( O )( O ) A A U U U U 2 2 O O O 物参考光波 U ~ 记录介质物光波 U ~ O

14 5.5.2 全息照相的过程原理和特点波前的全息记录第二步 : 线性冲洗得到全息图经过线性的显影定影处理, 介质的透过率函数与记录过程中的光强函数是线性关系 I x y A A U U U U 2 2 (, ) O O O t( x, y) t I( x, y) 0 t A A U U U U ( O ) ( O O ) 2 2 i( O ) i( O ) [ t0 ( AO A )] AO A [e e ] 得到的图片, 称作全息图一张全息图就是一张干涉图样, 是物光波与参考光波的干涉条纹分布的照片

15 5.5.2 全息照相的过程原理和特点波前的全息记录 Photograph of a hologram in front of a diffuse light background 8 8mm

16 5.5.2 全息照相的过程原理和特点物光波的再现 ~ 用具有相干性的照明光波 U 透射光为 A e i 照射全息图 U Ut x y A e t x y i ' T (, ) (, ) A t A A A A i 2 2 ( ) ( ) e O O {[ 0 ( )] [e i e i O O ]} A t A A 2 2 i [ 0 ( O )]e io i( ) O 2 2 [ t0 ( AO A )] U i A e A A e e O i A e e i UO A e A A e io i A e e e i O i( ) O O O i U O 0 级 +1 级 -1 级

17 5.5.2 全息照相的过程原理和特点物光波的再现 ( 续 ) U ~ ~ U, 都为简单入射光波相干照明光波 ~ U e i UO +1 级原始像虚像全息图共轭像实像 0 级 2 2 [ t0 ( AO A )] U e i U O -1 级 ( 与原物体位相相反深度感相反 )

18 5.5.2 全息照相的过程原理和特点物光波的再现 ( 续 ) 附加相因子及其作用考察 e i O 去除相因子的条件 U e i 和 UO e i e i 附加相因子和的作用 : 使像的位置和大小发生变化 1. 和 ' 都是正入射的平面波, 0,+1-1 级都无附加相因子 2. ' 波和波相同,,+1 级无附加相因子,-1 级附加 i2 e 3. ' 是的共轭波,,-1 级无附加相因子,+1 级附加 e i2

19 5.5.2 全息照相的过程原理和特点物光波的再现 ( 续 ) 共轴全息与离轴全息为使 0,±1 级在空间上分开离轴全息样品为一透明的振幅型薄片, 透过率函数为 t( x, y) t t( x, y) 0 提供了相干背景参考光包含样品信息利思和乌巴特尼克斯 1962 年提出

20 5.5.2 全息照相的过程原理和特点正弦光栅与全息图的关系 U ~ 正弦光栅平行光的全息图全息图正弦光栅 ~ U 1 U ~ O U U 0 正弦光栅的制备波前记录正弦光栅的衍射波前再现 ~ U 1

5.5.2 全息照相的过程原理和特点菲涅耳波带片与全息图的关系全息透镜 H H P 0 ' Q 0 z Q z P P 0 Q 0 P 0 全息透镜制作原理全息透镜成像原理制作 : 两束球面波或一束球面波和一束平面波干涉得到的全息图衍射特性 : 在发散球面波垂直照射下, 衍射光波由三部分构成 : 直透的 0 级衍射会聚的 +1 级衍射和发散的 -1 级衍射 1 1 1 1 焦距 :

21 5.5.2 全息照相的过程原理和特点菲涅耳波带片与全息图的关系全息透镜 H H P 0 ' Q 0 z Q z P P 0 Q 0 P 0 全息透镜制作原理全息透镜成像原理制作 : 两束球面波或一束球面波和一束平面波干涉得到的全息图衍射特性 : 在发散球面波垂直照射下, 衍射光波由三部分构成 : 直透的 0 级衍射会聚的 +1 级衍射和发散的 -1 级衍射焦距 : j fk' f k zq z P z Q -z P z P j: 衍射级次, : 再现照明光波与记录光波波长之比特点 : 波长不同, 焦点位置和焦距不同因此, 全息透镜存在非常大的色散性质, 只能用于单色光成像实例 : 记录牛顿环或等倾干涉图样的底片, 就是一个全息透镜特例 : 若两束记录光波中, 一束为平面波, 另一束为球面波, 则所得全息透镜的焦距等于干版到会聚球面波顶点间的距离图样

22 5.5.2 全息照相的过程原理和特点线性和二次位相变换函数的作用附加相因子位相型屏函数例 : 共面照明全息 ~ U ~ U 1 1 A A A A e e i( ) i( ) U ~ 离轴球面波 : 2 a k 正入射平面波 : ~ U ~ U O * O 2 x 2z y 透镜,F=z U ~ 0 2 类似透镜棱镜 k ax z a 透明物参考点源棱镜, z ( xy, ) sin a z 共面的含义 : 参考球面光波的光束中心与透明物共处于一个平面

23 5.5.2 全息照相的过程原理和特点线性和二次位相变换函数的作用例 : 共面照明全息 ( 续 ) k a 2 2 x y 2z 2 k ax z ~ U 0 观测装置 ( xy, ) ~ U 0 i U 1 e U O i * U 1 e U O F +1 级 0 级 -1 级

24 5.5.2 全息照相的过程原理和特点全息照相原理的小结一记录再现两步相干二记录干涉 : 物光 + 参考光波前 : 振幅 + 位相三再现解调衬度条纹衍射 : 照明光 + 干涉图直射光物光波物光波的共轭四原理几何光学波动干涉衍射边界条件定解物光调制参考光

25 5.5.2 全息照相的过程原理和特点全息照相的特点 (1) 用特定的单色光照射时, 能在特定的方向和范围内再现物光束 (2) 全息照片的每一部分都记录了整个物体各部分的全部信息只是随着该部分尺寸的减小 ( 相当于通光孔径减小 ), 再现像的噪声增大, 清晰度降低 (3) 全息照片无正负之分, 黑白相反时观察效果相同全息照片易于复制 (4) 一张全息照片可分别记录几个物光波, 可储存信息量比普通照片多 (5) 一张全息照片可对同一物体用同一参考光束进行两次曝光, 显示其中的微小差别

26 5.5.3 全息图的分类及实例全息图的分类 1. 根据记录媒质的厚度与条纹间距之比, 分为薄全息图和厚全息图 ( 体全息 ); 2. 根据复振幅透过率的调制变量的不同, 分为振幅型全息图和位相型全息图 ; 3. 根据记录时物光和参考光的方位情况, 分为同轴全息图和离轴全息图 ; 4. 根据记录时物光和参考光在干版的同侧还是两侧, 可分为透射全息图和反射全息图 ; 5. 根据记录物体与干版的关系, 分为菲涅耳型夫琅和费型和傅里叶型全息图 ; 6. 根据制作和重现时所用光源的性质, 分为白光和单色激光全息图 ( 连续激光和脉冲激光 ) 等等

27 5.5.3 全息图的分类及实例菲涅耳全息图特点 : 记录平面与物体表面之间分束镜相距较近物体表面的散射光通过菲涅耳衍射到达记录面, 与参考光干涉激光器 M 2 扩束镜物光物光波 : 要求为漫反射光波当物体表面光滑时, 需要使照明光波先透过一块漫射屏 ( 如毛玻璃 ) M 1 扩束镜记录平面参考光后再投射到物体表面上菲涅耳全息图的实验记录光路

28 5.5.3 全息图的分类及实例透射式全息与反射式全息区别拍摄光路不同 : 透射全息拍摄时物光与参考光在干版的同一侧, 反射全息拍摄时物光与参考光在干版的两侧再现光源不同 : 透射全息用激光再现, 反射全息的反射光源可以是激光也可以用白光 --- 日光灯或太阳光再现方法不同 : 透射式再现光与人眼在干版两侧, 反射式再现光与人眼在干版的同侧主要应用场景不同 : 透射式景深较好, 多用于大型展览 ; 反射式景深较小, 主要用于防伪商标人像拍摄等等

29 5.5.3 全息图的分类及实例透射式全息与反射式全息再现虚象透射式透射式反射式反射式反射式反射式

30 5.5.4 全息照相的应用全息照相的主要应用领域 1. 全息显示 2. 模压全息 3. 全息干涉技术 4. 全息光学元件 5. 全息信息存储

31 5.5.4 全息照相的应用全息电影和全息电视目前全息投影的表现形式主要有两种 : 立体全息投影和单面全息投影立体全息投影单面全息投影

32 5.5.4 全息照相的应用全息电影和全息电视 2008 年美国总统大选的新闻报道现场, 美国有线电视新闻网 (CNN) 运用全息投影技术, 将身处异地的 CNN 女主持 Jessica Yellin 的全息影像出现在直播间里, 与著名主持人 Wolf Blitzer 面对面交谈, 而实际上她本人远在芝加哥令人称奇总共动用了 35 部高清摄像机, 从各不同角度对主持人进行拍摄, 图像素材进而被输送到 20 台电脑中进行处理合成, 形成的影像通过 37 英寸等离子电视预览后即传输到演播现场, 由高清投影机实现人像再现过程此全息非彼全息

33 5.5.4 全息照相的应用全息电影和全息电视日本世嘉公司 2010 初音未来日的感谢祭演唱会周杰伦与邓丽君的隔空对唱采用德国 Sax 3D 公司的 3D 全息透明屏, 该屏幕可以调节透明度, 通过调节屏幕中的局部粒子浓度显示出不透明效果并成像

34 5.5.4 全息照相的应用全息电影和全息电视

35 5.5.4 全息照相的应用全息电影和全息电视空气成像也称空气雾幕立体成像, 空中立体成像, 雾屏成像等空气屏幕系统可以是水蒸气组成的雾墙或者是烟雾等图片摘自数虎图像公司

36 5.5.4 全息照相的应用伪全息

5.5.4 全息照相的应用模压全息 1980 年, 美国科学家利用压印全息技术, 将全息表面结构转移到聚酯薄膜上, 从而成功地印制出世界上第一张模压全息图片彩虹全息的模压复制是 1979 年 CA 公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的, 以后在美国日本英国得到迅速发展 1981

37 5.5.4 全息照相的应用模压全息 1980 年, 美国科学家利用压印全息技术, 将全息表面结构转移到聚酯薄膜上, 从而成功地印制出世界上第一张模压全息图片彩虹全息的模压复制是 1979 年 CA 公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的, 以后在美国日本英国得到迅速发展 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 : 首先记录彩虹全息图 ; 然后将全息图上条纹形状转移到金属模上, 制成镍压模 ; 最后将压模上的条纹形状印到透明塑料上这种技术可大量复制, 大约可印一百万次以上现已形成全息印刷产业我国在 1985 年有生产模压全息的厂家, 到 1994 年已有 250 余家, 居世界首位

38 5.5.4 全息照相的应用全息干涉技术 3500 英尺 / 秒飞行子弹的两次曝光全息照片脉冲红宝石激光器记录两次高速曝光, 一次没有子弹, 一次子弹出现获取两次叠加的全息照片 ( 上图 ) 可以看到冲击波的图像并紧跟子弹的紊流与子弹一次曝光 ( 下图 ) 的全息图相比, 信息量大大丰富

39 5.5.4 全息照相的应用全息照相提高显微镜分辨率的原理 1. 高分辨率显微镜要求大数值孔径, 导致景深很浅, 因此只能看到一个平面内的物, 对于立体图需要多次调焦全息图的三维记录功能解决了景深和分辨率的矛盾 2. 显微镜的透镜组存在像差和衍射极限, 使其分辨率只能达到波长量级全息照相在记录和显示物体时, 可以不使用透镜, 从而避免像差, 达到很小的衍射极限 3. 拍摄和显示时, 采用不同的激光器, 可以实现图像的放大例如采用 X 射线拍摄, 可见光显示, 可获得很大的放大率

40 5.5 全息照相的应用全息存储记录介质 : 感光乳剂铌酸锂 (LiN b O 3 ) 单晶 1. 感光乳剂是常规记录介质, 用黑度来记录振幅 2. 铌酸锂晶体通过折射率的改变量来记录光强 ( 正比 ) 3. 铌酸锂晶体可以实现高密度记录 1cm 晶体可记录超过 1000 副全息图像, 分辨本领超过 1600 线 /mm 4. 可证明用全息图或傅里叶频谱的方式记录和恢复信号比用实相好, 有猜测人脑对于信息的存储方式可能采用此类方法

41 5.5.4 全息照相的应用全息存储写入读取 InPhase's Tapestry system 商用全息存储设备 ( 采用光盘作介质 )

42 5.5.5 全息照相装置及实验注意事项拍摄全息图的典型实验装置 He-Ne 激光器分光镜反射镜扩束镜分束器全反镜扩束镜激光器移动全反镜 H 扩束镜参考光全反镜光程差 = 物光程 - 参考光程扩束镜物体物光反射镜全息干版

43 5.5.5 全息照相装置及实验注意事项拍摄注意事项 1. 选择具有较长相干长度的光源 2. 装置尽量避免震动 3. 调节参考光和物光的夹角, 过大则要求记录材料的分辨率提高, 过小再现时观察视角受限 4. 光程调节 : 保证参考光与物光严格等光程 5. 尽量减少光强损失 6. 扩束 - 滤波系统调节 : 产生均匀的平面波或发散球面波 7. 被摄物体的选择及照明使物光波尽可能均匀散射到整个全息底片上 8. 选择合适的光束比, 使全息图有最高的反衬度 9. 选择合适的曝光量, 实现线性记录

44 本节重点 1. 全息照相的基本过程 ( 理解 ) 2. 全息照相的基本原理 ( 理解 ) 3. 全息照相的主要应用 ( 了解 )

45 作业 P157-1,4 重排版 :P370-1,4

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