全息原理介绍.pptx
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1、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)M2M1B/SLiNbO3:FecrystalHe-NeLaserM0rotate2rotate1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,一是三维立体性,二是可分割性两个突出的特点,一是三维立体性,二是可分割性 全息照片再现出来的像是三维立体的,具有如同观看真实物体一全息照片再现出来的像是三维立体的,具有如同观看真实物体一样的立体感,这一性质与现有的立体电影有着本质的区别样的立体感,这一性质与现有的立体电影有着本质的区别 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
2、来,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,并不会因为照片的破碎而失去像的完整性并不会因为照片的破碎而失去像的完整性 普通照相在胶片上记录的是物光波的振幅信息(仅体现于光强分普通照相在胶片上记录的是物光波的振幅信息(仅体现于光强分布),而全息照相在记录振幅信息的同时,还记录了物光的位相布),而全息照相在记录振幅信息的同时,还记录了物光的位相信息信息 全息术的发展历史全息术的发展历史丹尼斯丹尼斯盖伯(盖伯(Dennis GaborDennis Gabor)于)于19481948年提出,由于这种技术要求年提出,由于这种技术要求高度相干性及高强度的光源而一度发展缓慢高度相干性及高强度
3、的光源而一度发展缓慢萌芽时期,是用萌芽时期,是用汞灯作光源,摄制同轴全息图,是第一代全息图汞灯作光源,摄制同轴全息图,是第一代全息图 19601960年第一台激光器问世,解决了相干光源问题,年第一台激光器问世,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)和乌帕特尼克斯()和乌帕特尼克斯(UpatnieksUpatnieks)提出了离轴全)提出了离轴全息图以后,全息技术的研究才获得突飞猛进的发展息图以后,全息技术的研究才获得突飞猛进的发展,激光记,激光记录、激光再现的离轴全息图,称为第二代全息录、激光再现的离轴全息图,称为第二代全息 第三阶段是激
4、光记录、白光再现的全息图,称为第三代全息,主第三阶段是激光记录、白光再现的全息图,称为第三代全息,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 用白光记录、白光再现的全息图,称为第四代全息用白光记录、白光再现的全息图,称为第四代全息 波前记录与再现波前记录与再现 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,两两眼眼产产生生视视差差的的结结果果,便便看到了三维立体像看到了三维立体像 利用两眼视差观察不同像合成,并不是真正的立体像;接收到具有利用两眼视差观察不同像合成,并不是真正的立体像;接收到
5、具有位相关系的物光波,看见物体的立体像,才是位相关系的物光波,看见物体的立体像,才是“全息全息”立体像立体像“冻结冻结”物光波的过程称为物光波的过程称为“波前记录波前记录”,“复活复活”信息称为信息称为“波波前再现前再现”即即“wavefront reconstractionwavefront reconstraction”盖伯避免位相信息丢失的技巧是干涉方法盖伯避免位相信息丢失的技巧是干涉方法,因为干涉场分布与波面位因为干涉场分布与波面位相有一一对应关系相有一一对应关系 物光波的振幅和位相信息便以干涉条纹的形状、疏密和强度的形式物光波的振幅和位相信息便以干涉条纹的形状、疏密和强度的形式“冻结
6、冻结”在感光的全息干板上在感光的全息干板上波前记录和波前再现示意图波前记录和波前再现示意图 波前记录的波前记录的数学模型数学模型 在全息干板在全息干板H H上设置上设置x x,y y坐标,设物波和参考波的复振幅分别为坐标,设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)干干涉涉场场光光振振幅幅应应是是两两者者的的相相干干叠叠加加,H H 上上的的总总光光场场为为干干涉涉场场光光振振幅幅应应是是两两
7、者者的的相干叠加,相干叠加,H H 上的总光场为上的总光场为 U U(x x,y y)=)=O O(x x,y y)+)+R R(x x,y y)干板记录的是干涉场的光强分布,曝光光强为干板记录的是干涉场的光强分布,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经经线线性性处处理理后后,底底片片的的透透过过率率函函数数t tH H 与与曝曝光光光光强强成成正正比比,略略去去一一个个无无关关紧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
8、 O2 2+R R2 2+O OR*+O*R*+O*R R 波前再现波前再现的的数学模型数学模型 设照明光波表示为设照明光波表示为 C C(x x,y y)=)=C C 0 0(x x,y y)exp )exp jjc c(x x,y y)透过透过H H后的光振幅后的光振幅U U(x x,y y)为为式式 (5.7)(5.7)称为全息学基本方程,其中方程右边各项的意义为称为全息学基本方程,其中方程右边各项的意义为第一、二项:与再现光相似,它具有与第一、二项:与再现光相似,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,因而它将以与再现光不同,因而它将以与再现光C C(
9、x x,y y)相同的方式传播。相同的方式传播。第三项:包含有物的位相信息,但还含有附加位相。第三项:包含有物的位相信息,但还含有附加位相。第四项:包含有物的共轭位相信息,可能形成共轭像。第四项:包含有物的共轭位相信息,可能形成共轭像。波前再现的几个特例波前再现的几个特例(1)(1)(1 1)C C(x x,y y)=)=R R(x x,y y),即原参考光再现,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
10、2 O O 0 0 exp exp -j j (o o -2-2r r )第一、二项合并为一项,保留了参考光的信息第一、二项合并为一项,保留了参考光的信息第三项与原物光波只增加了一个常数因子,再现了物光波,所成的第三项与原物光波只增加了一个常数因子,再现了物光波,所成的像称为原始像(虚象)像称为原始像(虚象)第四项为共轭项,它除了第四项为共轭项,它除了与物波共轭外,还附加了与物波共轭外,还附加了一个位相因子,因而这一一个位相因子,因而这一项成为畸变了的共轭像,项成为畸变了的共轭像,是实像是实像 波前再现的几个特例波前再现的几个特例(2)(2)(2 2)C C(x x,y y)=)=R*R*(x
11、 x,y y)采用与参考光共轭的光波再现采用与参考光共轭的光波再现 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、二项合并,仍保留了参考光的特征第一、二项合并,仍保留了参考光的特征第三项是畸变了的虚象第三项是畸变了的虚象第第四四项项是是与与原原物物相相象象的的实实像像,但但出出现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
12、远的部位变近了,称为赝像变远了,原来远的部位变近了,称为赝像 波前再现的几个特例波前再现的几个特例(3)(3)(3)(3)其他情况:其他情况:a a照射角度的偏离:如再现光与参考光波面形状相同,只是相对全照射角度的偏离:如再现光与参考光波面形状相同,只是相对全息图的入射角有偏离。偏离角小时仍出现再现像;随着角度的增息图的入射角有偏离。偏离角小时仍出现再现像;随着角度的增大,再现像由畸变直至消失。全息图只在一个有限的角度范围内大,再现像由畸变直至消失。全息图只在一个有限的角度范围内能再现物波前。能再现物波前。利用这一特性,可采用不同角度的参考光在同一张全息片上利用这一特性,可采用不同角度的参考光
13、在同一张全息片上记录多重全息图,再现时只要依次改变再现光角度,便可依次显记录多重全息图,再现时只要依次改变再现光角度,便可依次显示出不同的像来。示出不同的像来。b.b.波长的改变:如再现光与参考光只是波长存在差异,则再现像会波长的改变:如再现光与参考光只是波长存在差异,则再现像会出现尺寸上的放大或缩小,同时改变与全息图的相对距离。出现尺寸上的放大或缩小,同时改变与全息图的相对距离。c.c.波面的改变:再现光波面的改变会使原始像发生畸变。波面的改变:再现光波面的改变会使原始像发生畸变。全息再现特点的定性说明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发出的波的全部信息,因此全息图上每
14、一点都记录有物上所有点发出的波的全部信息,因此每一点都可以在参考光照射下再现出像的整体。每一点都可以在参考光照射下再现出像的整体。对再现像有贡献的点越多,像的亮度越高。对再现像有贡献的点越多,像的亮度越高。点越多,再现时的照明孔径也越大,像的分辨率就越高,可点越多,再现时的照明孔径也越大,像的分辨率就越高,可以观察三维立体像的视角也越宽以观察三维立体像的视角也越宽 还应当注意到,在全息图上这四项是相互重叠在一起的还应当注意到,在全息图上这四项是相互重叠在一起的 由于光是独立传播的,再现时在全息图上相互重叠的的四项由于光是独立传播的,再现时在全息图上相互重叠的的四项将分别沿三个不同方向传播。将分
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