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1、立体图像？第1页/共64页第七章 光全息术1、全息术原理2、全息图分类3、全息应用第2页/共64页余弦型环状波带片的衍射余弦型环状波带片的制备：平面光和球面光干涉，底片z01 1 1 1、全息术全息术全息术全息术(holography)(holography)原理原理原理原理振幅型用干板记录，通过显影和定影，干板底片的透过率函数为:第3页/共64页平面波正入射，其入射波前为：如果入射光和记录光的波长相同，则k1k2k。经过环状余弦波带片后，透射波前为：第4页/共64页余弦型环状波带片的制备和衍射场底片z0z0z0第5页/共64页思考思考：如果是一个点光源的集合，即是一个物体，衍射光如何？物光可
2、以看成大量点光源的集合。1HM11第6页/共64页全息技术的提出和发展：GabrielLippmanndevelopedamethodofcapturingcolouredimages in black-and-white photographic emulsions.Hisstunninginvention,nowcalledLippmanncolourphotography,was based on the phenomenon of lightinterference in thin films.His invention gained LippmanntheNobelprizeforP
3、hysicsin1908.GabrielLippmann(1845-1921)EarlycolourphotographbyLippmann第7页/共64页Lippmann照相的原理：第8页/共64页李普曼在简短的诺贝尔奖领奖演说中，这样介绍彩色照相法：“在玻璃板上涂以一层光敏物质，涂层均匀而且没有条纹，然后把它放在装有水银的容器里，让水银与光敏物质接触。经过一段时间，在光敏层上就形成了银镜面，于是就制成了照相底片。底片在曝光后，用普通方法显影。干燥后，就看到了彩色，然后再进行定影。”“这一结果是由于感光层中发生了干涉现象。在曝光过程中，入射光和底片镜面反射的光发生干涉，在乳胶的整个厚度上形成
4、间距为半个波长的干涉条纹。这些条纹通过照相法记录在胶片上，留下了透射光线的特性。当用白光照射观察底片时，由于选择反射的原因，颜色就显现出来了。底片上每一点只向眼睛发送原来照射的颜色，其他颜色都被干涉破坏了。于是眼睛看到的正是原来的那些颜色。这种选择反射现象跟肥皂泡和珍珠母的情况是一样的，是在珍珠母或肥皂泡之类的无色物质上记下了色彩。”第9页/共64页Mieczysaw Wolfke(18831947)Wolfkedidground-breakingworkinholography.DennisGabor,the1971Nobellaureateinphysics,namedMieczysawW
5、olfkeasoneofhisprecursorsinthedevelopmentofholographyDennisGabor(1900-1979)ishonouredastheinventorofHolography.Hepublishedhisfindingsin1948inNature:Anewmicroscopicprincipleandin1949intheProceedingsoftheRoyalSociety:MicroscopybyReconstructedWavefronts.第10页/共64页英籍匈牙利人加伯（D.Gabor)发展全息术的目的是提高电子显微镜的分辨本领。共
6、轴全息记录和共轴全息再现最初设计：H第11页/共64页60年代随着激光器的出现，1962年出现离轴全息术。（E.N.LeithandJ.Upathieks)E.N.Leith1927-2003J.Upathieks1936-第12页/共64页In1962Dr.Yuri N.DenisyukfromRussiacombinedholographywith1908NobelLaureateGabrielLippmannsworkinnaturalcolorphotography.Denisyuksapproachproducedawhite-lightreflectionhologramwhich
7、,forthefirsttime,couldbeviewedinlightfromanordinaryincandescentlightbulb.YuriDenisyuk(1927-2006)第13页/共64页Stephen Benton(1941-2003)as well,isamongstthepioneersofmodernholography.He is the inventor of Bentonholography,also referred to as rainbowholography(1969),afascinatingholographic process that all
8、owed thesubsequent realization of holograms thatcanbeilluminatedwithwhitelight,hologramsthatdisplayintruecolours,andhologramsthatdisplaytruecolorcinematographicanimations第14页/共64页全息理论全息理论干涉记录干涉记录 +衍射再现衍射再现第15页/共64页 物光波前的全息记录物光波前的全息记录双光场干涉双光场干涉干涉场：干涉光强分布：物光波O，参考光波RH物光波前的全息记录第16页/共64页物波O是物体上各点源发射的大量次波
9、源的相干叠加，可以表示为：参考光波：干涉强度：第17页/共64页IH的记录和存储：的记录和存储：显影和定影，底片的透过率tH和相干强度成线性关系：这样制备的一张全息图(Hologram)实际上是一张干涉图，它包含了物光波前及其共轭波前的信息。可以通过对照明光的衍射再现物光波前及其共轭波前。第18页/共64页第19页/共64页 全息图的衍射场全息图的衍射场相因子分析的运用相因子分析的运用用一准单色光波R 照射，产生衍射场，其波前函数：在在光波前光波前有有一一个个Ti的操作。的操作。(0(0级级)(+1(+1级级)(-1(-1级级)照射光波照射光波物光波物光波物光物光的的共轭共轭光波光波H+1级-
10、1级0级第20页/共64页三个操作系数：三个操作系数：变换因子变换因子T1:为全息图的0级衍射波变换因子变换因子T2和和T3:照明光表示为：于是：第21页/共64页典型典型情况情况一：一：照明光和参考光是正入射的全同平面光。可以设：H于是物光波前再现物光共轭波前伴生第22页/共64页典型情况二：典型情况二：照明光和参考光是斜入射的全同平面光。可以设：于是：-等效棱镜等效棱镜等效棱镜等效棱镜物光波前真实再现共轭波受到一等效棱镜的作用，发生偏转。第23页/共64页典型情况三：典型情况三：照明光和参考光是全同球面光。可以设：于是：-等效透镜等效透镜等效透镜等效透镜物光波前真实再现问题：在什么情况下放
11、大和缩小？什么情况下出现问题：在什么情况下放大和缩小？什么情况下出现虚像？虚像？共轭波受到一等效透镜的作用，发生放大、缩小和偏转，也可能实象变成虚象。第24页/共64页典型情况四：典型情况四：于是：-等效透镜等效透镜伴生实象物光波前受到一等效透镜的作用，发生放大、缩小和偏转，也可能虚象变成实象。照明光和参考光是共轭球面光。可以设：第25页/共64页如果参考光为平面光，照明光为球面光如果参考光为平面光，照明光为球面光，或者或者参考光为球面光，照明光为平面光参考光为球面光，照明光为平面光，再或参考再或参考光和照明光为不同球心的球面波光和照明光为不同球心的球面波，衍射衍射场的情况如何？场的情况如何？
12、第26页/共64页一般性结论：一般性结论：全息图的衍射场总包含三种主要成分:即O波及其共轭波O*，还有R波;变换系数T2和T3中的振幅因子近似为常数，相因子不外乎是单纯的线性因子、单纯的二次因子和二次因子和线性因子的混合，其作用等效于一个棱镜或者透镜再或者一个密接的透镜和棱镜。变换系数T2和T3作用于O波和O*波，仍能保持O波和O*波的主要特点和基本形貌。第27页/共64页全息图全息图的记录和观察的记录和观察 物体上每一点发出的球面波都贡献于整个记录干版，所以物体和全息图的对应关系是“点面对应”，也就是全息图上每个局部都包含着物的全部信息。HH+1级-1级0级 而普通照相中物和图的对应是“点点
13、对应”。第28页/共64页成像位置和横向放大率：一般情况：傍轴条件下：第29页/共64页于是：物光波前再现:第30页/共64页物光波前共轭再现:第31页/共64页第32页/共64页第33页/共64页物光再现的横向放大率：物光共轭波再现的横向放大率：第34页/共64页特例：则：第35页/共64页2 2、全息图分类、全息图分类 全息图的种类繁多，或因记录装置的光路和布局的不同，或由于对全息干版的处理工艺的不同而相区分。根据不同的分类方式，可有以下几种类别:同轴全息图与离轴全息图;薄全息图与体全息图;同侧记录全息图与反侧记录全息图;振幅型全息图与相位型全息图及其彩虹全息图;菲涅耳全息图与夫琅禾费全息
14、图及其傅里叶全息图;连续激光全息图与脉冲激光全息图;等等。第36页/共64页共轴全息H离轴全息激光OHROHR第37页/共64页体全息(Volumehologram)(白光全息）薄全息图指称其记录介质的感光层非常薄，以致全息记录的干涉条纹只分布在表面层，宛如二维光栅。我们之前介绍的所有全息图均系这类薄全息图，它只能在单色光照射下清晰地再现物光波。如果采用白光即连续非单色光，照射薄全息图，则由于再现物的纵向位置、横向位置和放大率因波长而异，以致各色光的+1级衍射波混杂一起，而模糊一片，不能再现物体形貌。薄全息图单色光记录且单色光再现，这就大大地限制了全息图的应用和普及。第38页/共64页体全息图
15、：记录介质的感光层足够厚，以致全息记录时的干涉强度在感光层体内的三维分布被记录下来，经线性冲洗后，就获得一张体全息图，它宛如一个三维晶体。如图：第39页/共64页干涉场强度分布：xzd 这张曝光了的全息干版经线性冲洗后，就将这光强分布的布拉格面族，定格为光吸收系数呈周期分布的布拉格面族，或折射率呈周期分布的布拉格面族。第40页/共64页 对于照射光波R的衍射来说，这张体全息图就是一个三维光栅，出现衍射主极强的条件是满足布拉格方程。xzd 当照射光为一束白光正入射时，则=/2,于是:可见光光谱范围(390nm-780nm)。如果记录波长为500nm，这时 m=1，即=0只有波长为0的光被挑选出来
16、。第41页/共64页彩虹全息(rainbowholography)彩虹全息是用单色光记录，而能以白光再现单色像的一种全息术。其基本特点是在记录光路中引入一个狭缝于一特定位置，旨在限制光束方向，从而降低了再现像的色模糊，而实现了白光再现。第42页/共64页第43页/共64页制作菲涅耳全息图 H1R1激光H1记 录R1 为平行参考光第一步Two-Step Rainbow Holography 二步彩虹全息第44页/共64页以 H1 的共轭实像为“物”，通过狭缝 S 记录彩虹全息图 H2SR2R1*H1H2记 录第二步制作彩虹全息图 H2O再现OTwo-Step Rainbow Holography
17、 二步彩虹全息第45页/共64页SH2R2*(单色光）再 现 用单色光再现（共轭光）在观察再现像时，仿佛也是通过狭缝去看。Two-Step Rainbow Holography 二步彩虹全息第46页/共64页 用白光再现（共轭光）再 现H2R2*(白光)蓝绿红狭缝像彩彩虹虹像像黄紫Two-Step Rainbow Holography 二步彩虹全息第47页/共64页Firstcolorholographyrecorded1965真彩全息图(Colorholography)第48页/共64页Blue laserGreen laserRed laser第49页/共64页laser全息加密第50页/
18、共64页解密：第51页/共64页光折变全息存储和光学信息加密第52页/共64页Blue laserGreen laserRed laser全息电影第53页/共64页第54页/共64页全全息息全息显示全息显示轻型化轻型化多功能化多功能化无损检测无损检测用于工程领域用于工程领域 全息检测全息检测全息元件全息元件智能机器人智能机器人光计算机光计算机航空航天航空航天智能武器智能武器全息电影全息电影全息动画全息动画立体图画立体图画模拟军事演习模拟军事演习3 3、全息应用全息应用全息存储全息存储第55页/共64页全息显示全息显示 全息电影：1976年苏联首次制备了全息电影，1983年欧洲对超常条件下物体瞬
19、态过程的研究。TRANSVISION（TV）系列TV系列屏幕采用了全息技术的新一代创新背投屏幕。屏幕的特点在于一层先进全息技术的薄膜，它可显示从35背投的图像。所有其它光线被忽略。其结果是图像特别明亮清晰甚至在明亮的环境中。透明的显示允许观看者可以观看屏幕上的图像，还可看穿屏幕。这一点对于商店是非常有用的，因为屏幕成为商店内部整体装饰的一部分。全息薄膜使屏幕没有图像的地方仍保持半透明，可以让用户创造性地构造屏幕显示的内容和图象。第56页/共64页一张全息磁盘并不比一张DVD光盘大多少，但存储容量却是DVD光盘的30倍。其内部的凝胶状涂层能够利用全部的空间存储数据，而不是仅仅在表面的一两层上进行
20、存储。激光可以通过多角度在存储介质上刻绘出不同的图案0和1的组合，这样就可以存储更多信息。INPHASE TECHNOLOGIES TAPESTRY数据存储系统2007年度100项最佳科技成果全息数据存储全息数据存储第57页/共64页全息全息干涉计量术干涉计量术 将变化的或位移的物光波前和标准物光波前，先后曝光记录在同一张全息图上，于是，这张全息图便同时再现两个或多个物光波前，它们相干叠加形成一套干涉花样。通过干涉花样的测量分析，可以精确地诊断出微小变形或位移或振动模式等。第58页/共64页小提琴边缘的斑马纹图样表示了振动的模式图。最亮的条纹是节线，这个区域是固定的。在其两侧的亮条纹振幅的峰-
21、峰值大约为300微米；下一条亮线表示大约600微米等等，它们组成了振动模式的等高图第59页/共64页浮雕型全息图：折射率不变，厚度改变。模压全息技术：浮雕浮雕型全息图型全息图 把浮雕型全息图上的干涉条纹沟槽用电镀的方法转移到金属（镍）模上，制成金属压模，在塑料片上热压制成浮雕型全息图。用于低成本、大批量生产，商标、装饰品等第60页/共64页模压全息技术模压全息技术的的制备过程制备过程第61页/共64页超声超声、红外或微波全息、红外或微波全息第62页/共64页干涉记录干涉记录recording by interferencerecording by interference衍射再现衍射再现reconstructing by diffractionreconstructing by diffraction第63页/共64页感谢您的观看！感谢您的观看！第64页/共64页