全息技术与三位立体照相.doc

内蒙古师范大学学期论文 题 目：反射全息图及其运用 专 业：物理学 作者姓名： 王霖普 学 号： 20101101949 学 院：物理与电子信息学院 指导教师： 郭占城 2012年 11 月 20日7目录1 引言11.1全息技术11.2全息图的概念11.3全息图的特点22.全息学理论初步22.1全息原理22.2全息图的分类22.2.1反射全息图32.2.2波前的干涉记录72.2.3波前的衍射再现42.2.4反射式白光再现的基本原理53.全息图的用途73.1全息图的应用7反射全息图及其运用王霖普（学号20101101949）（物理与电子信息学院 物理学专业2010级，内蒙古 呼和浩特 010022）指导老师：郭占城摘要：全息图在艺术、科学和技术上占有举足轻重的地位，在日常生活中被广泛应用，受到人们的特别关注与青睐。本文主要介绍全息图的基本概念和反射全息图的基本原理，根据已有的生活现象全息照相进行恰如其分的解释。 关键词：全息技术；全息图；全息照相；全息原理；反射全息图；全息运用 中图分类号： O551 文献标识码：A1 引言 全息技术非常重要但又不易理解，为了使人们更好的利用全息技术并造福于人类，我们有必要进行进一步的探索。1.1全息技术全息是由希腊字holos变来的,意思即完全的信息不仅包括光的振幅信息还包括位相信息。全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。是利用干涉原理记录物体光波信息，即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的相位和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片。1.2全息图的概念现在，全息技术的持续发展为我们提供了越来越精确的三维图像。全息技术是实现真实的三维图像的记录和再现的技术。该图像称作全息图。和其他三维“图像”不一样的是，全息图提供了视差。视差的存在使得观察者可以通过前后、左右和上下移动来观察图像的不同形象好像有个真实的物体在那里一样。它和传统的相片有很大的区别。传统的相片呈现的是真实的物理图像，而全息图则包含了被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息。这些信息存储在一个很微小但却很复杂的干涉模式中。这个干涉模式是由激光产生的。从三维物体上反射出来的光形成一个非常复杂的三维干涉模式。要记录下整个模式，使用的光必须严格定向，而且属于同一颜色。这样的光叫做相干光。因为激光器产生的光具有单一颜色，而且所有光波都协调同步，因此激光是制作全息图的理想光源。 当你用光照射全息图时，储存在干涉模式中的信息就会借助入射光再现由物体反射出来的原始光波波阵。你的眼睛和大脑就会觉得原来的物体好像又出现在你面前了。1.3全息图的特点 全息照相与立体照相是两回事，尽管立体彩色照看上去色彩鲜艳，层次分明，富有立体感，但它总归仍是单面图像，再好的立体照也代替不了真实的实物。比如，一个正方形木块的立体照，不论我们怎样改变观察角度，只能看到照片上的那个画面，但全息照就不同了，我们只要改变一下观察角度，就可以看到这个正方块的六个方面。因为全息技术能将物体的全部几何特征信息都记录在底片上，这也是全息照相最重要的一个特点。全息照相第二个重要特点是，能一斑窥豹。当全息照被毁坏，即使是大半损坏的情况下。我们仍然可以从剩下的那一小半上看到这张全息照上原有物体的全貌。这对于普通照片上就不行，即使是损失一只角，那只角上的画面也就看不到了。全息照相第三个重要特点是在一张全息底片上可以分层记录多幅全息照，而且在它们显示画面时不会相互干扰。正是这种分层记录。使得全息照能够存储巨大的信息量。激光全息照的底片，可以是特种玻璃，也可以是乳胶、塑料或晶体等。一块小小的特种玻璃，可以将一个大型图书馆里的百万册藏书内容全部存储进去。2.全息学理论初步2.1全息原理全息原理是“一个系统原则上可以由它的边界上的一些自由度完全描述”，是基于黑洞的量子性质提出的一个新的基本原理。其实这个基本原理是联系量子元和量子位结合的量子论的。其数学证明是，时空有多少维，就有多少量子元；有多少量子元，就有多少量子位。它们一起组成类似矩阵的时空有限集，即它们的排列组合集。全息不全，是说选排列数，选空集与选全排列，有对偶性。即一定维数时空的全息性完全等价于少一个量子位的排列数全息性；物理学家大卫.玻姆(DavidBohm1917-1992)给出了独到的解释。什么叫全息呢?比如一张照片，里面有一个人像;如果我们把这照片切成两半，从任何一半中我们都能看到原先完整的人像;如果我们再把它撕成许多许多的碎片，我们仍能从每块小碎片中看到完整的影像。这样的照片就叫全息照片。全息论的核心思想是，宇宙是一个不可分割的、各部分之间紧密关联的整体，任何一个部分都包含整体的信息。2.2全息图的分类 全息图的种类繁多，有许多不同的分类方法。比如根据记录媒质的厚度与条纹间距之比,可以分为薄全息图和厚全息图；根据复振幅透过率的调制变量的不同可以分为振幅型全息图和位相型全息图；根据记录时物光和参考光的方位情况，可以分为同轴全息图和离轴全息图；根据记录时物光和参考光在干板的同侧还是两侧，可分为透射全息图和反射全息图；还可以根据记录的物体与干板的距离，分为菲涅耳型和夫琅和费型全息图；根据制作时所有光源的性质，又可分为连续波激光全息图和脉冲激光全息图等等。下面简要介绍一下反射全息图。 2.2.1反射全息图全息图有很多不同的种类，每一种都依赖于独特的生成技术。有些全息图需要激光来观看，另外一些则只需要普通的光源。大多数市面上出售的全息图是白光反射全息图，反射全息图受欢迎，是因为你可以给它镶在框上并挂在墙上，你需要一个光源来照射它。这个光源一般是天花板上的电灯，或者带夹子的台灯。把全息图挂到墙上的合适高度上，使光源从大概45度的角度照射它。在离开图像6英尺左右的距离观看图像。高度、角度和距离都可以调整，以使观察效果最佳。 对于最通常的全息图来讲，物体的像都是由通过全息图的衍射透过光所形成的，这一类全息图称为透射全息图，它是由处于记录媒质同侧的物光和参考光所形成的。 如果记录媒质是浮雕型的，在透射全息图的浮雕表面上镀一层反射膜就能形成一张反射全息图。对于非浮雕型的厚记录媒质，利用分别处于介质两侧的物光和参考光，就能得到更复杂的反射全息图，通常所说的反射全息图多指这后一种。当物光与参考光夹角接近180(时,厚反射全息图的波长选择性最好，因此可以用白光再现。实际上由于乳胶收缩（如卤化银干板）或膨胀（如铵板）再现时像的颜色向短波或长波方向偏移。2.2.2波前的干涉记录波前的干涉记录过程是：把激光束分成两束；一束激光直接投射在感光底片上,称为参考光束；另一束激光投射在物体上，经物体反射或者透射，就携带有物体的有关信息，称为物光束.物光束经过处理也投射在感光底片的同一区域上.在感光底片上，物光束与参考光束发生相干叠加，形成干涉条纹。如图一所示图中H为全息干版，O为物点，R为参考光源。若以全息图H的中心为坐标原点O，其所在平面为xOy平面建立直角坐标系，则物光和参考光在全息图平面上的复振幅可分别记为：式中，为振幅分布，为位相分布，它们都是实数。因此在全息图平面上，参考光和物光相干叠加后的光强为：设记录时全息图的曝光时间为，则全息图的曝光量为再线性记录条件下，全息图的复振幅透射率为式中为未曝光部分的透射率，为取决于干版感光特性和显影过程的常数。将（1-1-3）式代入（1-1-4）式得 （1-1-5）2.2.3波前的衍射再现波前再现过程用照明光照射全息图使其衍射。设照明光在全息图上的复振幅分布为 （1-1-6）则透过全息图的光波复振幅为。由于只研究衍射成像问题，故可忽略透射光中的常数项，而简单地写成： （1-1-7）（1-1-7）式即为全息照相的基本公式。式中第一项为振幅受到调制的照明光波，第二项是含有位相的原始像项，第三项是含有一的共轭像项。 全息照相和常规照相不同，在底片上记录的不是三维物体的平面图像，而是光场本身。常规照相只记录了反映被报物体表面光强的变化，即只记录的光的振幅，全息照相则记录光波的全部信息，除振幅外还忘记录了光波的们相。即把三维物体光波场的全部信息都贮存在记录介质中。2.2.4反射式白光再现的基本原理白光反射再现全息图是利用厚层照相乳剂记录干涉条纹，并利用布喇格衍射效应再现物像的在这种记录过程中也是利用分离的相干光束进行叠加，物光和参考光分别从记录介质的两侧入射，两束光之间的夹角接近于180因而，在全息记录介质内可建立起驻波，这样形成的干涉条纹接近平行于记录介质的表面这些干涉条纹实际上是一些平面，即形成了三维分布的空间立体光栅用图二可以说明干涉条纹的形成参考光和物光以接近180的夹角入射到干版的乳胶层上为简便分析，假设参考光和物光均为平面波且与乳胶面的法线构成相同的倾角从图中可以看到，一系列相继等相位波前穿过乳胶层，两列波的波阵面相交的轨迹为一平面，在这个平面上均为干涉最大干版的乳胶层被曝光 后，经过显影和定影处理，就形成了一些高密度的银粒子层在所假定的条件下，这些银粒子层平分物光和参考光之间的夹角这些密度高的银粒子层对于入射光来说就相当于一些局部反射平面，称为布喇格平面(图中以虚线表示)根据图二可得如下关系式：2dsin(/2)= (1-2-1)式中，d为相邻两银粒子层之间的距离，为介质中的波长以上结果是在假定的特殊条件下得出的，而在一般情况下也可以得到类似的结果实际的物光不可能是平面波，因此，物光和参考光所形成的干涉层是很复杂的原物光的全部信息就被记录在这些复杂的银层上，当用任何一束平面波照射处理好的全息图时，通过这些布喇格平面的局部反射作用就可以再现出一束原始物波，即再现出物体的原始信息其原理可用图三说明由相邻两个布喇格平面所反射的光线之间的总光程差=2dsin (1-2-2)为了使再现物像获得最大亮度，两个相邻布喇格平面的反射光之间的光程差应等于一个波长令=，由(2)式可得sin= (1-2-3)这一关系式称为布喇格条件，称为布喇格角这也就是获得最佳再现像而应满足的条件分析式(1-2-1)和式(1-2-3)可以得到下面两个结论：(1) 反射全息图在再现时，对应于某一个角度，只有一种波长的光能获得最大亮度也就是只有再现光的波长和方向满足布喇格条件时才能再现物像所以，这种全息图可以从含有多种波长的复色光源中选择一种波长再现物像，从而实现了复色光再现(2) 用白光再现时，若从不同角度观察，再现像的颜色将有所变化，即不同的角度对应着不同的光波波长，随着角的增加，观察到的波长将从短波向长波方向变化3.全息图的用途3.1全息图的应用全息图在艺术、科学和技术上有很多用途。它可以用于一些产品的包装上，可以贴在出版物的封面上，也可以用于幸运卡、驾照甚至衣服上以防假冒。一个片面的医学图像（例如一个CAT扫面图像）可以最终制作成三维全息图。计算机生成的全息图也可以使工程师和设计师的设计图样获得前所未有的视觉效果。 工程师可以在生产过程中利用全息图检查产品上可能出现的裂纹及进行质量控制。这种技术叫做全息无损检测。全息图还用于很多民用和军用风机。飞行员在望向驾驶舱窗外时，全息图为他们提供很多重要的信息。这叫做智能显示。现在，智能显示在一些汽车上也可以看到。 艺术家可以利用全息图进行创作。很多艺术家觉得，全息图为他们提供了一个三维的和纯光学的空间，使得他们可以表达一些在“传统”媒介上不能表达的图像和信息。 也许某一天，光子会像今天的电子一样进入你的计算机网络