现代光学系统第五章.

光学全息主讲人：徐世祥本章是信息光学的基础，重点是全息术的基本原理，傅立叶变换全息；要求学生掌握基本原理，实现各种全息图的方法及其特点.教学内容教学目的和要求光学全息基本原理同轴和离轴全息图基元全息图傅立叶变换全息图体积全息、计算全息全息术的应用§5-0概述•普通感光片:只能记录光波的振幅(光强)，不能记录相位，不能真实地重现原来的物光波，图像缺乏立体感。•全息术:同时记录光波的振幅信息和相位信息并使光波重现的技术；能真实地重现原来的物光波，图像有极强的立体感。为使只能记录光强的感光片能把相位信息记录下来，必须把相位信息转换成光强形式，通常用干涉法达此目的。•全息感光板可重复使用，记录多个图象信息。一张全息的信息量相当100张或1000张普通照片。•全息技术应用广泛，如：全息三维显示、全息防伪标识、全息显微术、全息信息存储等。全息术的基本思想：波前记录与波前再现。§5-1全息照相的基本原理全息图的记录全息图的再现记录介质只对光强有响应，不能记录波前携带的位相信息，只有使位相的空间调制转换为强度的空间调制才可能实现完整信息的波前记录——干涉法可实现这一转换。()()*(,)()(,)()(,)(,)(,)(,)(,)ORirtOirtROrtAreRrtAreArtOrtRrtIrArtArt物光复振幅：参考光复振幅：记录介质上的总光场为：＋对应的总光强为()=一、波前记录：干涉记录记录介质上的总光强为：22()(,)*(,)2cos[(,)(,)]RoIrAxyAxyORORxyxy物光波被记录的强度参考光波被记录的强度物光波与参考光波间的干涉效应条纹对比度：条纹形状：全息图实际上就是干涉图：第三项是干涉项，在干涉条纹的幅值以及条纹位置信息中包含有物光振幅和位相的信息，它们分别受到参考光振幅和位相的调制。(,)(,)Roxyxy222ORVOR怎样记录物体的干涉信息？•常用的记录介质是银盐感光胶片，对两个波前的干涉图样曝光后，经显影处理得到全息图。•记录介质的作用相当于线性变换器，它把曝光时的入射光强线性地变换为显影后的振幅透过率分布。•全息图振幅透过率与光强成正比：足够的相干长度：相干长度必须大于记录物体的信息跨度。00,,xyIxy为常数，与底片曝光和显影过程有关，为底片灰度有关。照相底板：以平板玻璃或胶片为底片,涂上卤化银(溴化银)晶粒的乳剂作为感光层。曝光：当光照射后分解出银离子,形成不可见的潜影中心。显影：在显影液中含有潜影中心的溴化银很快还原为黑色的金属银；未经受光作用的溴化银还原极慢。定影：将未还原的溴化银溶解于水从乳剂中除去。曝光量：曝光过程中记录介质表面上单位面积所接受的能量。I(x,y)t（光强时间）强度透过率：透过光强/入射光强。光密度：表示显影、定影后底片上单位面积的含银量。它与强度透过率倒数的对数成正比。2heCCD记录：数值再现。用原参考光波照明全息图时，全息图的透射光场分布为：二波前再现：衍射再现220*123(,)(,)()()*recArtRrtrRORRRORROEEE本底，不含相位信息。2210()EROR再现光与原参考光波的传输方向与波前分布都相同！2*ERRO1用原参考光波照明衍射光，含相位信息，但与原物波的不同。在原物的位置上得到虚像。*3ERRO衍射光，含相位信息，如果原参考波振幅分布均匀,其振幅与原物波的成正比，位相和传输方向也与原物波的一致。2用原参考光波的共轭照明用原参考光波的共轭照明全息图时，全息图的透射光场分布为：参考光波面应均匀！22**0***123(,)(,)()()*recArtRrtrRORRRORROEEE对重现光的偏振态有什么要求？物光的共轭波三全息图记录和再现小结•胶片经线性处理，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位相调制信息,这是衍射效应的结果,此时的胶片就相当于光栅；•借用通信术语，波前记录和再现也是“编码”和“解码”的过程；•波前记录是一种干涉效应，它使振幅和位相调制的信息变换为干涉图的强度调制信息；•由于波前再现产生了物体的虚像或实像，全息术是一个两步成像过程，它不需要使用透镜；•全息术是基于光的干涉和衍射现象，系统就应满足一定的相干要求：1）激光具有足够的时间相干性和空间相干性；2）记录介质具有足够的分辨率，与物光可参考光的夹角相适应；3）曝光期间，光学系统应稳定到波长的十分之一以内；4）物光、参考光的强度比例要适当。CCD记录：数值再现。•成像具有三维特性，可以从不同的角度观测，而几何成像是平面像；•成像的方式不同：几何成像记录物面上的相对光强分布，而全息成像记录物体光波，包含相位信息。•全息图具有弥散性：一张用激光重现的透射式全息图，即使被打碎成若干小碎片，用其中任何一个小碎片仍可重现出所拍摄物体的完整的形象。不过当碎片太小时，重现景像的亮度和分辨率会伴随着降低。而几何成像，去掉一部分底片，就去掉一部分像。全息底片上每—点都收到被拍摄物体各部位发出的光，所以其中每一点都记录了每个物点的信息。四全息照相的基本特点（与几何成像比较）全息照相可进行多重记录。全息照相与记录时的物光和参考光以及再现时的重现光密切相关。这里包含两层意思：记录时用什么物，则重现时也就得到它的像；重现光与原参考光应相同。如果重现光与原参考光有区别(例如波长、波面或入射角不同)，就得不到与原物体完全相同的像。当入射角不同时，则像的亮度和清晰度会大大降低。入射角改变稍大时，像将完全消失。全息图可同时得到虚像和实像实像能投射到屏幕上被观察到，而虚像则不能被投影观察。可在同一张全息底片上对不同的物体记录多个全息图像，只须每记录一次后改变一下参考光相对于全息底片的入射角即可。使重现光与原参考光的波长不同，则重现像的尺寸就会改变、得到放大或缩小的像。重现光波面形状相对于原参考光发生了变化，则有可能获得畸变的像，就像公园的哈哈镜里看到的像那样。五关于全息记录介质•灵敏度：记录介质在接受光的作用后发生反应的灵敏程度。通常用曝光量（单位面积光照能量）的倒数来表示。与波长和记录介质的吸收特性有关。•衍射效率：全息图再现时的衍射光通量和总入射光通量之比。与记录介质的性质、全息图的类型以及条纹对比度（对比度大，衍射效率高）有关。•记录介质的分辨率：指它被曝光时所能记录的最高空间分辨率（单位：线/mm）。与记录介质的颗粒大小有关。颗粒越细，分辨率越高。全息底片的分辨率要求比普通照相底片的要求高：全息照相记录的是干涉条纹。普通照相底板：200线/mm，全息照相底片：2000线/mm。全息底板分辨率应适应物光、参考光夹角的要求：2dsin(/2)=其中d为条纹间距，为波长。显然，底板分辨率l必须满足1/dl。特性曲线：两条曲线表针全息底片的特性1）光密度和曝光量对数之间的关系曲线（D-lgE或H-D曲线）。反差系数：＝tg=ΔD/ΔlgE2）曝光量和振幅透过率曲线（与底片的反差系数有关）。DlgEΔlgEΔDCBAEO直线部分低反差底片高反差底片常见的全息记录介质：1）卤化银乳胶：将3080nm大小的卤化银混合在明胶中均匀涂布在平面度很好的玻璃基片上。可用于振幅全息图和相位全息图，有较长的保存期。2）重铬酸盐明胶：在明胶溶液中加入适量的重铬酸盐溶液而成的。是一种很好的位相记录介质，具有高衍射效率、高分辨率和低噪声的优点。缺点是怕潮湿、容易消像，需要密封。3）光致抗蚀剂：是一种光敏有机材料，在光照射下，经显影产生浮雕像。4）光折变晶体：在光的辐射下其折射率随光强非均匀分布而发生局部变化的晶体。•按照参考光波与物光波主光线是否同轴，可分为同轴全息图和离轴全息图；•按全息图的结构和观察方式，可分为透射全息图和反射全息图；•按照全息图的复振幅透过率，可分为振幅型全息图和位相型全息图；•按全息底片与物的远近关系分类，可分为菲涅耳全息图和傅立叶变换全息图；•按所用重现光源，可分为激光重现和白光重现；•按记录介质乳胶的厚度，可分为平面全息图和体积全息图。六全息图的分类同轴全息图：•物体中心和参考光源位于通过全息底片中心的同一条直线上。•优点：光路简单,对激光的模式要求低，从而可以有更强的激光光源可用。•缺点：原始像和共轭像在同一光轴上不能分离，两个像相互重叠，产生“孪生像；记录物体必是高度透明的。离轴全息图：•离轴全息图所给出的再现像不受其它各项的干扰，像的衬度好。像上没有叠加背景光。记录物体也不必是高度透明的。•菲涅耳全息图的特点：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。§5-2菲涅耳全息图一、基元全息图的几何模型•物体可看成点源的线性组合x12122,rrkrr光程差和相位差可表示为ORPzr1r2•干涉峰强度的轨迹图，即光程差或相位差是常数。几种典型的条纹结构•物光点源O(x0,y0,z0),到记录平面间的距离zO。•参考光点源R(xR,yR,zR)，到记录平面间的距离zR。•记录平面(x,y)在z＝0处，与两个点源的距离满足菲涅耳近似条件，波长为1。二、点源全息图的记录和重现在底片上所产生的光场复振幅为用球面波的二次曲面近似来描述上述球面波。221000000221(,,)exp2(,,)exp2oRRRRRRRkOxyzAixxyyzkRxyzAixxyyz000222211000(,)(,,)(,,)expexp22RRRoRRRRAxyOxyzRxyzkkAixxyyAixxyyzz2222*10002222*11221000(,)exp2exp222RRRRRRkIxyORROixxyyzkkixxyyROixxyyzzkixxyyz在底片上所产生的光强分布为在线性记录条件下，显影后底片的振幅透过率正比于光强度。其中最重要的两项（衍射项）是2222*113000,exp22RRRkkxyROixxyyixxyyzz2222*114000,exp22RRRkkxyROixxyyixxyyzz重现全息图时的透射项：采用P(xP,yP,zP)点发出的球面波，在二次曲面近似下可表示为222222(,)exp,2pPPPkAxyCixxyykz*2233112112112111,,,expexpexp2PORPOORPRPORPORPAxyAxyxyROCiixyzzzxyxxyyixyzzzzzz*2244112112112111,,,expexpexp2PORPOORPRPORPORPAxyAxyxyROCiixyzzzxyxxyyixyzzzzzz式中为与(x,y)无关的相位项。比较Ai(x,y)、A3(x,y)、A4(x,y)表达式可得下列坐标关系：而对于由像点(xi,yi,zi)发出的球面波，在xoy面上光场分布在近轴条件下可表示为222222222(,)exp22expexp,22ii