彩色全息图的研究毕业论文.doc

彩色全息图的研究毕业论文1绪论1948年，DGabor发明了全息照相术的原理。由于全息照相需要相干性很好的光源，而当时没有足够强的相干辐射源，使全息术的早期研究者不得不放弃这种光学显示术，故激光器出现之前，全息术进展一直缓慢。到1960年，休斯研究所的Maiman研制成功激光器，1961年贝尔实验室的Leith和Upatnieks发表了激光器作为光源的激光全息照相术，从而使全患照相术重放光彩。从此全息术迅猛发展，许多科学工作者开始了它们自己的研究以探讨全息术的应用潜力及应用 领域，如：全息干涉计量术，全息信息处理，全息光学元件，全息显示技术，全息 存储，光纤全息，计算全息等等。全息显示作为全息技术应用的一个重要方面， 经历了二个发展时期，第一个时期，只能在单色光下再现的全息图。第二个时期， 是可在白光下再现的全息图，它主要包括两大类型，第一类是1962年由前苏联人 YNDenisyuk发明的白光反射全息图 ，这种全息图由于它的层状结构，不能 形成浮雕蘩纹，难以快速复制，故目前主要用于装饰品。另类全息图是1969 年由美国人SABeton提出二步彩虹全息图术。1，彩虹全息术由于用白光再现的 全息像具有明亮且颜色丰富、衍射效率高、制作过程简单、特别是能够形成浮雕 状条纹等优点，而得到快速发展，并日益向实用化方向发展，使全息图最终走出 实验室，进入人们社会生活的方方面面，被应用于商业广告、艺术摄影、音像制 品、全息立体电影、以及药品、食品、化妆品的包装防伪等多种领域，可见SABeton 的彩虹全息术是确定光全息术产业化的奠基石。下面对各种全息图的制作方法、 全息记录材料的发展状况作简要介绍。11合成狭缝全息图和预置狭缝全息图1978年ahen和Vu“1对Beton提出的二步法作了改进；提出了一步彩虹全息术，此法不需要事先制备母全息图，使拍摄过程大为简化。无论是一步法还是二步法都有一个致命的缺陷就是由于狭缝的存在导致光能利用率很低。针对这一现象，全息工作者已在提高彩虹全息图光能利用率方面作了许多工作。如：为了克服记录H：时曝光时间太长的缺点提出了利用像面全息技术“11、像散彩虹全息术”，零程差彩虹全息术”“合成狭缝彩虹全息技术“1 、以及预置狭缝彩虹全息技术“”“，目的是去掉摄制H。时所放置的狭缝。合成狭缝彩虹全息术的特点是在记录H。的过程中移动照明H的光束，使得在H。平面处的物光场形成一个Sinc函数的分布。由于Sinc函数的分布有一个中央极大值，按Sine函数分布就意味着能量的84集中在中央部分，这样形成的亮带可89重庆大学硕士论文l绪论以取代狭缝的作用，此“狭缝”称之为合成狭缝。由于记录系统中没有实际狭缝，理论上提高了记录Hz时激光能量的利用率。但是，文献。”认为合成狭缝彩虹全息图的衍射效率随合成狭缝宽度减小而减小，其分辨本领和单色性较般彩虹全息图差。预置狭缝彩虹全息术的特点是：记录主全息图H，时，在物体O与记录干板H1之间恰当位置预先放置一狭缝S，H。实际上记录了物体0与狭缝S的信息。这样，当记录H2时，用与参考光R。共轭的光照明H，就可在H1与地之间再现出预置狭缝S的实像S。该像S就取代了常规二步法中记录H：时所必须放置的真实狭缝。该方法的本质是将记录比时所需要的真实狭缝S转移到记录H，的光路中。由于记录H。时的记录材料是银盐干板，灵敏度很高，故加入预置狭缝后，虽然引起落在H。上的物光能量的减弱，但并不影响H的记录。而此举却使记录H。时光路中不存在真实狭缝，故可将记录H2时激光能量的利用率提高数十倍。有研究者认为瞰3：预置狭缝法是制作光刻胶彩虹全息图的有较好实用价值的方法，值得进一步研究。12大视角彩虹全患图及周视彩虹全息图视角是表征彩虹全息图三维表现能力的一个莺要指标。普通模压彩虹全息图 存在着视角不大(小于30度)的缺点。这是由于采用普通两步法记录光刻胶彩虹 全息图时，其视角受到主全息图长度的限制。因此，扩大彩虹全息图的视角成为 全息工作者致力探讨的问题。文献”6。“”提出了不少扩大视角的方法，其中文献惜1 分析了全息图视角受限制的主要原因是再现衍射光方向受到限制。针对这原因， 提出了同步旋转参考光、物体和干板，采用分时记录物体的信息，使全息图再现 时形成多方向的衍射光波，从而达到扩大视角之目的。位相共轭法。”理论上可将 视角扩大到接近180度，但该方法存在着复位困难等缺点。文献啪3提出的“孔径 合成二步大视角彩虹全息术”，较好地解决了在光刻胶板上记录大视角彩虹全息 图这一难题，能在光刻胶板上记录视角达110度的彩虹全息图。由于在拍摄彩虹全息图时，狭缝像的长度、形状等决定了彩虹全息像再现时的视角。再现狭缝越长，则再现时的视角越大，若再现狭缝是环状的，则可从360度的“环形窗口”观察再现像，即所谓“周视”嘲彩虹全息图。早在1983年就有 研究者提出了制作具有360度观察角(郎“周视”)的彩虹全息图的方法 。由于 这种圆筒状周视彩虹全息术不适用制作模压全息母版，因无实用价值而没被推广。 1990年，文献。33首次提出了一种平板状周视彩虹全息图的方法，由于平板状周视 彩虹全息图可以模压，引起了全息工作者的兴趣，使“周视彩虹全息图成为扩大 彩虹全息图视角的另一研究热点，先后提出了多种制作平板状周视彩虹全息图的 方法”+”1。其中，文献“”提出的“预胃狭缝法制周视彩虹全息图”因能大幅度提高重庆火学硕士论文l绪论制H：时的激光能量利用率，并可在光刻胶板上制出周视半径达1米以上的周视彩虹全息图，预计在全息工业中，有一定的实用价值。13加密全息图人类生活的许多领域，均需要防伪标识。随着全息技术的普及，普通模压全息图已不难被同行所仿制。为了满足社会的需求，研究高质量，高性能的加密全 息图， 自90年代初就成为全息工作者研究的热点 1“。国内外目前已发表了各 神制作隐型加密全息图的方案“21 。厦门大学刘守“”等人于1999年提出的利用光 学莫尔技术对全息图进行加密具有保密性高、制作简单、检测容易的特点。该方 法的要点是：首先用计算机技术生成一对能产生莫尔条纹的图像，然后将其中一幅 写入光刻胶彩虹全息图并制成模压全息图，将另幅制成“密钥”，根据光学中莫 尔技术原理，只有用此密钥观察按该方法制成的模压全息图，才能识读出模压全 息图中的隐型密码。四JlJc学黄奇忠等利用计算全息术制作隐型加密全息图“8亦 获初步成功。该方法是利用计算全息对信息进行随机相干分解，分别记录在两张 计算全息图上，当两张全息图对准合在一起照明再现时，从两张全息图衍射光波 的干涉图样中可以再现出原来的信息。只有同时拥有这两张配对的全息图方可解 出原来的信息。这种方法设计灵活，防伪功能强，具有很高的实用价值。西安应 用光学研究所章培琨等”提出的环形相位解密法具有压缩密匙数据量的作用。该 方法的要点是：用混沌序列构造相位值并采用环形相位分布起到压缩数据量的作 用并使加密图像具有中心旋转不变性，避免解密中对加密图像方向自由度的要求， 同时能使解密过程具有一定高通滤波作用，实现滤除噪声或边缘增强。四川大学 郭永康5”教授利用分数傅立叶变换技术制作隐型加密全息图亦获得较好效果。分 数傅立叶变换是信息光学领域新出现的研究课题，虽然该课题的研究时间不长， 但已取得不少成果。14光栅型全息图和数字全息图在人类各项科学和技术的发展和沉积中，特别是：计算机技术的日新月异以及CCD技术、图像处理方面的软硬件、激光打印机和扫描仪的飞速发展。传统的光学全息术与计算机技术及其它技术的相结合越来越受到关注。国外近年来兴起的光栅全息图”2“1就是光学、计算机技术、自动控制技术等多学科知识相结合的产物。由于目前设各及技术水平限制，模压光栅全息图“像素”还不够小，故制出的全息图细看起来比普通模压全息图的分辨率要低一些。目前国内尚无三维物体的模压光栅全息图作为商品出现。但光栅全息图衍射效率高，色彩丰富，图像有动重庆火学硕士论文I绪论态效果，观赏性强，能让人欣赏到精美的物体细节和逼真的立体视觉，带给人以遐想和灵感。而且图像的各个像素的颜色及被观察到的角度范围由组成该像素的多个微小光栅的频率及方向决定，故容易制成大视角、真彩色的光栅全息图。特别是：曝光过程是在光刻胶上用两束相干细光束逐点记录，彻底克服了光刻胶板灵敏度低所带来的困难。因此，制作光栅全息图展现出诱人的前景，将成为全息研究工作的热点。数字全息图是与光栅全息图类似的另一类全息图，这类全息图是以LCD屏做为掩模拍摄的合成动态全息图，以及用电子束刻蚀的全息图嘲“。目前比较成功的有英国的SpatialImagingLtd。公司创立的数字输入全息图像输出系统，Dimensional Arts Inc。公司的数字全息打印机，日本的LCTV全息打印机。其他 一些有关数字全息技术的报道”1也不断涌现，数字全息技术能够实现商品化批量 生产，并且摆脱了过去全息图的许多苛刻限制。例如，以前用于拍摄全息图的物 体只能是从自然界中抽取的一些标本和尺寸较小的物体或模型，自然界中的许多 真实物体的形象和颜色不能再现出来。另外，传统全息图的防伪性能也有限，一 般只能在某些方向看到全息图像。利用计算机实现数字化，不仅能够实现图像加 密，还能对全息图的颜色和图像的点型加密。即使是拥有同一种或同台计算机 全息数字打印机的用户，只要密码不同，图像的颜色和点型就不相同， 增强了全 息图的防伪功能，并且拥有这种打印机的用户根据需要重新设置密码也非常方便， 使全息图的防伪性能大大提高。由于这种全息图具有动态、全方位可视，集多种 高技术于一体，技术含量高，防伪性能强等特点，可广泛应用于装璜、包装、安 全印刷、广告等方面，尤其将会被安全部门作为防伪的有效手段，大量应用于钞 票、各种有效证件等方面，数字全息图已显示出很大的发展潜力。1。5真彩色彩虹全息图目前各种全息标识普遍使用把多个彩虹全息图组合成一幅假彩色全息图。因此，普通模压全息图的再现像虽然色彩很丰富，但却不是原物的真实颜色。真彩色全息图具有更加美观的艺术魅力、更强的防伪能力、更广阔的实用前景。所以，实现真彩色全息显示一直是全息研究者追求的目标。制作真彩色彩虹全息图的基本思想是i通过精心设计光路，使得当用自光再现真彩色彩虹全息图时，能在空间某一预定位置产生红、绿、蓝三个重叠的狭缝实像。人眼通过这一位置，即可看到原物的真彩色像。1。二维物体真彩色彩虹全息图的制作己取得了较大的进展 “”，人们早已提出采用类似假彩色彩虹全息术”。“的组合方法来制作二维真彩色全息图，其中以单色激光制作二维真彩色全息图的讨论较多03。7“”3，曾有研究人员用分色片拍摄主4重庆大学硕士论文1绪论全息图继而拍摄第二张全息图，后来又提出TN用分色片和编码片实现彩色透明片的多色再现”“7”。为了拍摄真彩色全息图。人们常常采用三种波长激光拍摄主全息图，再现仍须用相应波长的激光，不易推广，限制了它的应用范围，也有人用三种波长的激光拍摄主全息图，然后用单波长激光再现拍摄第二张全息图，由于再现激光波长与记录时激光波长不同，易产生噪声，对图像质量的影响较大。利用三基色原理实现高质量的多波长三维真彩色全息图制作已是成熟的技术”7 ，几十年来对它的研究主要是在反射全息图方面，制作方法是用红、绿、蓝三原色波长，对同一三维物体分别在不同的全息材料上进行记录，观察时将几张全息图紧密重叠在一起。但只有利用单波长记录，才能获得物体的光刻胶版全息图。原因是模压全息应用的光刻胶版都是蓝敏的，要得到可模压的真彩色全息图，需要使用单波长的激光进行记录。1991年文献”“首先提出了一种用单波长激光在光刻胶板上记录三维物体真彩色彩虹全息图的新方法。该方法为制做真彩色模压彩虹全息图，创出了一条新路。但是此方法中制H：时激光能量利用率低，使得实际在光刻胶板上记录真彩色彩虹全息图时曝光时间很长，又需要人工将物体的三原色主全息图在单波长再现时进行精确对位，引起制作上的困难。以此方法为基础，相继有研究者在光刻胶板上记录了三维物体的真彩色彩虹全息图 。其中文献m1提出的技术勿需三原色像 严格对准，但在光路中需要使用大口径的消色差透镜， 同时三色狭缝像长度、物 体的像差和全息图的视场角等也将受透镜口径的限制。文献 1提出将合成狭缝技 术与文献”的方法结合起来，理论上可使记录H。时激光能量利用率大幅提高。文 献”利用了光路可逆性，解决了三原色主全息图再现像的对位问题，也避免了狭 缝像、视场角等所受透镜口径的限制，但制作过程复杂。尽管有如此多的研究者孜孜以求改进，真彩色全息技术的实用化还是不尽如人意。主要原因在于制作模压彩虹全息母版必须用光刻胶板做记录材料，由于光刻胶所记录的全息干涉条纹是浮雕型相位光栅。所以它被用来作为模压全息的母版拍摄。就材料本身来讲，它的灵敏度很低，例如，对于=488nm的激光，其灵敏度大约只是银盐千板灵敏度的25万分之一，分辨率也不高，而且用稀碱溶液显影的过程仅仅只是一种刻蚀作用，曝光的地方比没有曝过光的地方，腐蚀得更利害一些罢了。这里没有银盐版显影时的那种通过化学反应加速银粒子还原的作用。若用银盐记录材料的术语来说，它是一种对比度低，而灰雾度高的材料删。正是由于这些特点，使拍摄带来大量困难，为了克服这一困难，人们一直在寻找一种高灵敏度、高分辨率的光刻胶，但目前还未找到其它更好的浮雕型相位记录材料来替代。重庆大学硕士论文1绪论16全息记录材料全息术通过全息记录介质来记录和输出信息，这一事实决定了全息记录介质在全息术中起着重要的作用。全息摄影是以物理光学为基础，利用光的干涉和衍 射特性，将被摄体的反射光波波面(包括振幅和位相)以干涉条纹的形态记录下 来，其记录材料要求有较高的衍射效率。目前可应用于全息摄影的记录材料种类 很多，除试验室常用的卤化银全息干板外，有使用价值的还有以下几类。 ：1光聚台类：包括丙烯酸酯类，丙烯酸胺类，聚酯类，光聚合多聚合单体混合类等2光交联类：包括重铬酸盐明胶，金属离子与聚合物混合体；聚甲基丙烯；聚乙烯咔唑等3聚合物混合类：包括聚合物与染料混合体；聚合物与光致变色染料混合体：聚合物的侧链结合体，噬菌体混合聚合物质。4其它有光导热塑材料；光折变材料；无机光致变色材料：液晶材料，炭族化合物材料等上述各类材料有许多正处于研究发展阶段，或因感光度过低，衍射效率差而应用较少，下面只就常用的银盐感光乳胶和重铬酸盐明胶，以及近年来迅速发展的光全息存储材料，作简要介绍。 卤化银全息干板感光度高，银盐感光乳胶(SHG)以其宽的光谱响应范围和高的感光灵敏度、便于制备和保存等优点，在全息记录材料中使用最为普遍。大量 文献研究了SHG的乳胶特性、全息记录和处理方法、空间频率(SF)响应等。”“。 使银盐全息图(SHGH)的衍射效率(DE)有很大提高。但SHGH经漂白后形成的是一种 以折射率调制为主与浮雕调制相结合的混合型位相全息图，因此不适于模压复制 技术 。即使是超微粒SHG也不能形成较深的浮雕，因此对SHG的浮雕特性研究 近年来已很少见报道。重铬酸盐明胶是一种优良的相位型记录材料，虽然存在着曝光时所需的光能量密度大和影像易消退等缺点，但因其成像质量好，感光度高，因此有不少研究工作者从事此项开发研究，取得不少显著成果，其中，重铬酸盐一三醋酸纤维索 酯(DCTAT)具有分辨本领高、抗潮能力强、实时衍射效率高等许多优良特性。 ， 而且此种材料具有正性光刻蚀特性“。”1使之有可能成为重要的微光学加工材做得 很厚，因而可用于高密度体全息存储“” 。其中展有希望的是光折变材料，光折 变材料具有光折交效应，即当受到非均匀的光强度的照射时，局部的折射率变化 与入射光强成正比。光折变晶体材料通常可做成几inm厚甚至cm量级，记录的全 息图的选择角可以仅有百分之几度，因而可以在同一体积中记录大量的全恩图而 观察不到显著的串象噪音“”1”3。由于光折变材料中存储的信息可以用光学方法擦6重庆大学硕士论文1绪论除，在多重存储过程中，每一次全息记录对于前面已经记录下来的全息图也有擦除效应“1，存储的全息图数目越多，每个全息图的衍射效率就越低。所以，材料的存储容量不仅取决于晶体的厚度，还取决于材料所能提供的最大折射率改变(即动态范围)，以及所希望获得的衍射效率。最常用的材料是铌酸锂“1“”(LiNbO。)，它的动态范围大，存储持久性长，并且可以固定(定影)，在微细加工方面有可能用它直接作模压母板，因它经热压塑之后很少变形“ 。另外，无明胶重铬酸盐全息记录材料NGD。7“”“也是一种性能优良的新型全息材料，具有全息图像稳定，抗潮湿，保存期长，制备工艺简单、经济、衍射效率高，用其制作的全息光栅空间分辨率高等优点。17本文的研究工作本文主要是研究设计两种新的制作真彩色全息图的方法。首先发展利用分离缝与物的两步制作二维物彩色彩虹全息图的思想，通过设置编码板制作参数及采用白光分色编码的办法，设计一种制作真彩色全息图的方法，我们的研究表明，把记录菲涅尔全息术分区记录三基色信息改成白光记录，消除狭缝衍射产生的激光斑纹影响和全息记录中相干噪声的影响，可以获得高质量的彩色全息图。其次，研究了用平面波物光和散射参考光记录和再现彩虹全息图的可行性，并设计了一种能够保留下细微结构和亮度层次变法的制作真彩色全息图的方法。该方法能消除产生景物图象全息记录的散斑噪声的影响，清除产生信噪比低的障碍。而且能充分利用激光能量，在制作大尺寸彩色全息像方面有良好的应用前景。同对，分析了在全息复制中出现的黑色粗干涉条纹的原因，并提出解决办法。7重庆大学硕士论文2彩虹全息原理2彩虹全息原理我们制作的彩色全息图是根据三基色原理，利用彩虹全息术来制作，本章对三基色原理、彩虹全息原理、彩虹全息图的摄制、彩虹全息像的模糊进行讨论。2。1三基色原理自然界或人工制造的各种彩色是不同波长光波互相混合的结果。任何彩色摄影和再现都基于彩色景物的颜色分解和颜色综合，一般的彩色图像是通过光谱吸收(如染料的光谱吸收)，通过基色染料的颜色相减显示彩色的，而彩色全息图是通过光栅衍射色光的相加显示彩色的。但都是按三基色匹配进行彩色分解和再现的。G斗B三基色原理“的主要内容是：(1)在图21相加混色的圆圈自然界中的大多数颜色，都可以用三基色Fig2I circular chart ofmixed color按一定比例混合得到，同样绝大多数色光也可以分解为三基色。(2)三基色必须是相互独立的颜色，即其中任意一种基色都不能由其它两种基色混合产生。(3)y三基色之间的比例，0 g决定了混合色的色调严弋；如D，8和饱和度。(4)混合色0 1湖G王so的亮度等于三基色的0，6二j陡亮度之和。原则上，三基色的选择不是唯一疗5的，由于人眼对红、O4绿、蓝三种色光最为敏03感，而且由这三种颜色02相配所得的彩色范围也最广，所以般以红O，l(760nm-630nm)，绿0 10，20300 506D7口8x(570nm一500nm)，蓝圉22 1931CIE色品图(450nm一430 nm)作为193l CIE chart of chroma一Fig22三基色。不同比例红、绿、蓝三基色进行相加混色可以得至q许多种不同的颜色(二次色)，相加混色的圆图如图21所示，要得到某一彩色，可以根据上面的相加混合的圆图来决定采重庆大学硕士论文2彩虹全息原理用哪几种基色，一般选取三基色的标准是：由它们混和的色品图范围大，亮度透射或反射率大。色品图如图22所示，Y值代表了该彩色的相对亮度。色品图是进行色度分析与合成的平面图。所有实际的彩色在色品图中都有相应的坐标点与之对应，其色度可以用坐标来表示，也可以用它的色调波长和饱和度来表示。要得到某种颜色，可以在色品图中找出其色品坐标(X，Y)，从而可求出三基色的亮度和波长。三基色原理是研究彩色应用的最基本原理，采用三基色表示彩色，就使彩色影像的摄录、传送和复现成为可能。表示一幅含有千差万别彩色的图像，只用三幅单色图像就可以了。22彩虹全息原理早期全息图是单色光显示的，尽管我们看到的是立体形状，但它只有一种颜色，也就是再现时激光的颜色。可见，用激光再现全息像虽保存了物光的振幅和位相信息，但丢失了色调信息。全息图是物光和参光的干涉条纹图，因此，只能利用高度相干的单色激光来记录。但全息显示可以用白光来代替激光，其原理如下：全息图是干涉条纹图，当一束平行光照射时，由于衍射作用，将形成沿不同方向传播的衍射子波，衍射子波是图像信息的载体，图像越复杂，衍射予波就越丰富，这些衍射子波的重薪组合形成再现像，光栅是一种最简单的干涉条纹图。为方便起见，用其在原理上来说明。用一束白光平行照射到空间周期为x的光栅上，根据光栅方程，一级衍射光波与直射光波的夹角0满足条件：sin口：A(21)X式中是光波的波长，假设白光由红、绿、蓝三基色构成，由于三色光的波 长不同，因此衍射光波将发生色散现象：一级衍射光波中，红光(R)的波长最 长，夹角8。最大，绿光e。次之，蓝光的夹角e。最小直接透射光波的各色光是 混合在一起的。若在适当的地方放一光阑，只让某一单色光分量通过就能得到单 色光的一级衍射波。如果我们让衍射光束是一束会聚成一狭缝形状的光柬(这由 记录全息图时物光束形状决定)，则不同波长的再现物光将会聚成不同颜色的狭 缝像在空间分离开，入眼在不同位置将看到不同颜色的单色像。彩虹全息正是利用这一原理，它是用激光记录、用白光照明再现单色像的一种全息术。它的基本特点是在记录系统中的适当位置上加入一个狭缝，其作用是限制再现光波，以降低像的色模糊，从而实行自光再现单色像。在彩虹全息术中，由于在记录系统中加入狭缝，其狭缝像将在空间沿竖直方向色散成彩虹色，人眼正是通过这一色散观察窗来观察全息像的，当人眼在竖直方向移动时，将依次重庆大学硕士论文2彩虹全息原理观察到颜色按彩虹色序变化的单色像。23彩虹全息图摄制彩虹全息分为二步彩虹全息和一步彩虹全息下面介绍二者的摄制方法1二步彩虹全息图的摄制：所谓二步彩虹全息，就是通过两次制作全息图，来得到彩虹全息图。首先，用通常的离轴全息Hl法，制作一张普通的全息图H。，光源可用氦氖激光器，使用银盐干板(例如，天滓全息干板I，一一扩虚像图24全息圈的再现图25全息图H2的记录Fig24 reconstructing hologramFig25 recording of the hologram H2虹全息图H：，当用白光在R+的共轭方向照射H2时，由不同波长再现产生的狭缝像在空间色散成彩虹色，人眼通过不同颜色的狭缝像看到不同颜色的物体像。2一步彩虹全息摄制：从二步彩虹全息图的记录和再现过程可知，彩虹全息图的本质是要在观察者和物体再现像之间形成一个狭缝像，使观察者通过狭缝看物体，以实现自光再现，根据这一原理，可用一个透镜对物体分别成像，使全息干板透镜与像之间的适当位置，如图26(a)所示，狭缝位于透镜的焦点以内，在狭缝同侧得隧到其放大正立虚像，若j、。一蝴体的像在透镜另一侧，物体在焦点以外，则物(a)这时的光路结构，本质图26一步彩虹全息记录和再现示意图上与二步彩虹全息图Fig26 onestep reconding and reconstructingrainbow hologram重庆大学硕士论文2彩虹全息原理中第二次记录时相同，再现时用参考光的共轭光照明，形成狭缝的实像和物体的虚像，眼睛位于狭缝实像处可观察到再现物体的虚像，再现光路如图26(b)。一步彩虹全息图记录时也可以把物体和狭缝放在透镜焦点以外，使它们在透镜的另一侧成像，记录时仍将全息干板置于物体像和狭缝像之间。24彩虹全息像的模糊出于彩虹全息图在拍摄时加入了限制狭缝，因而使得其可以在白光下再现单色像。但在白光或空间扩展光源下，这种再现像也会变得模糊12”，下面从像的单色性出发讨论其模糊量的来源及大小。1像的单色性彩虹全息图可以用白光再现单色像，这种单色像和激光再现的单色像是不同的，它包含一个小的波长范围。设在某一固定位置所观察到的单色像的波长是从x到口 7=+九，贝0： Ax称为像的单色 性。根据物象关系式知 道，象点的位置与波长 有关，在的波段范图27像的单色性示意图围内，一个物点不是对Fig27homochromati smofimage应一个象点，而是一个线段I。由于一个物点不是对应一个像点，而是一个线段I，也可以称一个物点的全息图是一个线全息图，其宽度为H，这个线全息图在Y方向空间频率 很高，而在x方向(与狭缝平行的方向)的空间频率很低。所以只讨论Y方向 的单色性。如图27所示，用白光照明全息图，经H的衍射后对于不同波长的 光形成的像点的位置不同。假定人眼位于E处观察，人眼与全息图的距离为z。， 瞳孔的直径为D这样人眼所能观察到的两个极端波长和所对应的像点位 于I。和I。，对于和7这两种波长形成的狭缝像，位于S。和S。，处，由此可 见，波长的光是自H和S。开口的下端进入人眼瞳孔的上端：波长7的光 是自H的上端，经S x开口进入人跟瞳孔的下端，由图27可见，H对这两 种波长所产生的色散角为0。并有0 I=(D+a)z。，设H在y方向空间频率为 ，则由光栅方程可知：sin口，一s访口R=弘(22)重庆大学硕士论文2彩虹全息原理cos8，AO，=弘五(23)两式相除得一竺：!堕：垒旦(2tL，4)五sinO， sinO。由于物点靠Z轴很近，e。很小，可令COS o，=1，sin o。=O，上式简化为l掣J。盟：旦(25)。丑sin0月。sin0在彩虹全息中，越小越好，这就要求狭缝窄(a小)，观察距离远(Z。大)，参考光本束的倾斜角度大，也就是说全息图的空间频率高，像的单色性就好。2再现光源光谱扩展造成的像模糊彩虹全息图记录及再现过程如图28所示，其中 0(Xy。，Z。)为物点；H为全 息片平面，它位于(x，y，Z) 坐标系中(x，y)平面；SL 为狭缝平面，它离全息片的距离为d；I(x Y Z；)为 再现像点；R(x Y，z，)和 C(X。，y Z)分别为会聚的参考光和再现光。设记录时的光波波长为。，则在波长为x的光波再现时，图2，8彩虹全息记录和再现物点与像点的关系Fig28the relationshipbetweenrecordedobjectpointandreconstructedimagepoint由点源全息图的物像关系可知其像点和物点之间的关系为：土：三三一三!+一1(26)zik 2口扎z，z cII一+(27)咒一z一厶 蜘一五一九 ”一。儿一乙兰：互鱼一互立+兰(28)=f九zoz，：。当再现光源为扩展的白光源时，不同光源的再现光所成的像所处的位置不2重庆大学硕士论文2彩虹全息原理同。因为人眼的瞳孔具有一定大小，所以人眼在观察全息图时，不是单一波长进入瞳孔，而是有一个波7 长范围(。+A)， 举蹩) f； 因而造成再现像的模1、 一 糊。如图29所示，其 中I(Y，z，)为波长为 的再现光所成的像。I。：1f7(Y。，z、7)为波长图29光谱扩展的点光源再现示意图为九(2+A91929 78CO“St“i“gwithspectrumexpandlight九)的再现光所成的像。设狭缝的宽度为W，狭缝中心离z轴的距离为Y。，则狭缝上边和下边的坐标 分别为a(yd+W2，-d)和(y。一W2，一d)：I。和I。为再现光波为时，再现狭缝像。 I。：和I。为再现光波为x 7时，再现狭缝像。设瞳孔直径为D，其离开Z轴的 距离为A，离(x，y)平面的距离为L，则瞳孑L上边和下边的坐标分别为B。(一A，-L) 和B。(一卜D，一L)，因为对于波长为灭的再现光所成的像，必须经过该波长相应 的再现狭缝像才能被眼睛看到，所以由图29可以看出，当I(Y。，z。)经过该波长 的狭缝像的下端I。到达人眼瞳孔的上端B，以及当I(X，Yi)经过该波长 的狭缝像的上端I。到达人眼瞳孔的下端&时，人眼接收的光谱范围最大。在 这种情况下有：(+A+D)(彳一=：，)=(z；+三)(一y：)(29)(y，+爿)(zfzN)；(z，+三)(yfY所)(210)由上两式得生=_益：g墨型二塑二垡型茎二型(211)ZizK【z+功tyiYbl)一yi(zizw)假设记录时的参考光与再现照明光均为平行光，刚有：z，一一，z。一一，Yrz，=tg e，Yoz。=tg 0。，由(26)，(27)和(211)式，经计算得：，AA：一五W(zo+三)+D(za+d)：生(212)；【(zo+d)瞎9，强+Y4+孚+2D(zo+d)+2阮0此式即为自光再现时，瞳孑L直径为D的入眼所能接收的最大光谱范围，由此可见，由于拍摄彩虹全息图时，加入了限制狭缝，因而使得在观察彩虹全息的臼光再现像时，只能观察到一小光谱范围内的再现光所成的再现像。因此，减小了由于整个光谱范围的再现光对再现像所造成的像模糊。所以只要限制狭缝取一个重庆大学硕士论文2。彩虹全息原理合适的位置，就可以在白光下清楚地观察到彩虹全息图的再现像。这种由再现光源光谱扩展造成的像模糊称为色模糊，由色模糊定义知：脯c：婺五(213)似在平行参考光和平行再现光的条件下，由(2，6)，(27)式得：y?=每zotga。+y)一z据9j瞧。14)通过计算可得到彩虹全息图的色模糊公式凡-zotgOoW(zo+拿D+域z0+回母甄嘉万磊蔫面磊磊陇3再现光源空间扩展造成的像模糊当再现光源为空间扩展的单色光源时，由于不同位置的再现光源所成的再现像的位置不同，因而造成再现像变得模糊，下面计算由于这种原因造成的像模糊程度。当用空间扩展的再现光源再现彩虹全息图时，其再现过程与图29类似，在二维情况下，且只考虑再现光源在Y方向的空间扩展时，I(y。2，)为位于(y。，z。)的再现光源所成的像；I(y，z。7)为位于(yo+A y。，z。)的再现光源所成的像。当I(Y；，z。)经过该再现光源下的狭缝再现像的下端I。到达人眼瞳孔的上端B，以及当I(Y。，z、)经过该波长的狭缝像的上端I。7到达人眼瞳孔的下端B2时，人眼接收的再现光源的扩展范围最大。由(26)，(27)，(21I)得：矽(+；三一-L鱼+三坠)十D(毛+d)o7。02r三。缈。=(216)讧。+d)考虑到z，2。d，z。时，上式可写为蚬2w(zo+L瑟)+D(z矿。+d)乙(217)上式表明空间扩展的再现光源并非所有的部分都会导致彩虹全息图再现像的模糊，只是宽度为I A y。I范围内的再现光源会影响到再现像的模糊。因此，彩虹全息图拍摄过程中加入的限制狭缝，域小了空间扩展的再现光源对再现像的模14重庆大学硕士论文2彩虹全息原理糊。4衍射作用造成的像模糊限制狭缝和眼睛瞳孔的衍射作用也会导致再现像模糊，考虑参考光源和再现光源位置较远的二维情况。由图29可知，彩虹全息图的再现像经过限制狭缝后，像的分辨率为：埘，=参(Zi-Zai)=Zo(可zo+一d)(218)而眼睛瞳孔观察再现像时的分辨率为：胡2 2考(上蝎五)=o(zo+产己)219)由上面的计算可以得出以下结论：在拍摄彩虹全息图时，加入了限制狭缝，使全息图在再现过程中对光谱扩展和空间扩展的再现光源进行了选择性的限制，因而减小了扩展光源对全息图再现像所造成的模糊，但由于限制狭缝和观察孔径仍有一定的宽度，所以彩虹全息图的再现像仍有定的模糊性。限制狭缝的引入，限制观察彩虹全息图的垂直视差。但由于入眼的立体感主要来自于水平视差，所以可以在普通光源下观察到彩虹全息图的立体再现像但限制狭缝的具体选择是个复杂的过程，减小狭缝的宽度可以减小扩展光源对全息图再现像所造成的像模糊，但又会增加衍射作用造成的像模糊。而且狭缝窄会导致记录时激光斑纹影响大。根据我们的经验，为了同时照顾到再现像的清晰度、亮度、信噪比等质量指标，在狭缝到底片的距离为40ram左右时，狭缝的宽度一般选6mmlOmm。重庆大学硕士学位论文3合成彩色全息图的理论探讨3合成彩色全息图的理论探讨本章对合成全息图的彩色特性，记录时三狭缝位置及白光再现时各彩色成份像的亮度等进行定量的讨论。这对于获得正确的制造方法及质量好的彩色全息图是非常有用和十分必要的。31彩虹全息图记录和再现狭缝位置关系这里讨论的彩色全息图是由三个彩虹全息图合成的白光显示全息图，从讨论的严谨性出发，先定量地给出彩虹全息记录狭缝的位置与白光再现多色狭缝位置之间的定量关系。图31是二步彩虹全息图记录和再现光路原理图。图3。l(a)是记录光。路，从母全息图H。的狭缝S部分再现的光束作为物光射到全息记录(a)(b)干板H上。另一束平行光R作为参图31彩虹全息圈记录和再现狭缝的关系考光也射到H上，记录物光的全息Fi931 the slit relationship betweenrecordingand reconstructing图。图31(b)表示用共轭参考光照明经曝光和处理的全息片H，再现出原物光束和原狭缝s。当用臼光沿共轭参光方向照明时，再现的多色狭缝像将分布在s附近，通过不同颜色的狭缝可看到不同颜色的全息像。下面给出记录狭缝位置与再现各色狭缝位置之间的定量关系。如图31建立直角坐标系，狭缝与Y轴平行，只需用X，z两坐标表示其位置，可用狭缝上的个发光点源来代替狭缝，求出其全息再现像的位置。设参考光束垂直于y轴，与z轴夹角为日，与x轴夹角为90。一0。s点发出的球面光波在全息片H上的复振幅分布可表示为：置E=，“o：A，e。争吲21(31)其中A。为实常数，为光波波长，(xo，Zo)为S点的位置坐标。采用了菲涅尔近似的球面波公式。参考光在H面上的光场振幅分布为：E鼓，=：以P竿“8(32)o其中A2是实常数，物光与参光在H面上相干叠加后的光强分布为：，爿丘十豆1233：42+篮+4鸣e去f旧9V“P专giax+A1A2e-ii【)2们它j等s鼢重庆大学硕士学位论文3厶成彩色全息图的理论探讨全息片经此光强曝光并经处理后，其振幅透过率t正比于I，可写为：t=o+11=Co4-Cle“+C2P“(34)其中口=善(X-工0)2+y2卜等zsin目， C0，c，为常数。L厶。L如图31(b)所示，用波长为的平行光沿接近于共轭参考光的方向照明此曝光和处理后的全息片。照明光在H处的光场分布为： 一f兰匹rsin时+们马=A3e z。(35)其中A，为实常数，入为照明光波长，e为照明光与共轭参光的偏离角度。此光经全息片H后射出的光场分布为：E = B ( 36= G 4P ，专Z 啪 p 十 G 4 8 驴 垒 埘 时 + G 4口研一 Z “ “ 上式右边三项因空间频率有较大差别在传播一定距离后可在空间分开，其中第三项代表的就是再现狭缝实像的光场部分，完全写出此项的内容为：c1爿，。帮mny2睁峰脚w)：c名一壶。弓删“剀其中C。7是复常数，九7z。7=z。，上式等式右边表示会聚在z和x处的球面波。z：=等(38)扣xo+zo sin口，一砉骂笋，。，当再现照明光与共轭参光相同时，A e-0，上两式变为：z扣未(38)x；=工o+zo sin6tI一尝)(310)公式(38)和(3。10)表示了彩虹全息图再现狭缝实像的位置(x。7，z。) 与记录时狭缝的位置(，Zo)，记录和再现光波波长，7，记录参考光角度0 和再现光角度e+8之间的关系32三基色像的单色性问题“2”这里讨论的彩色全息图是用单色激光器把三幅彩虹全息图记录在同一全息干重庆大学硕士学位论文3合成彩色全息图的理论探讨板上得到的。其中每一幅彩虹全息图记录了彩色图像的红、绿、蓝三基色信息中的一种基色信息。当用白光再现此彩色全息图时，每一幅彩虹全息图都将产生红、绿、蓝三种颜色分立的实狭缝像。三幅彩虹全息图一共产生九个实狭缝像。若让记录红色信息的彩虹全息图的红色狭缝像，记录绿色信息的彩虹全息图的绿色狭缝像，和记录蓝色信息的蓝色狭缝像在空间的位置重合在一起，则人眼在此位置将看到一个真彩色全息像，这是合成彩色全息图成像的基本原理。由于用白光再现的彩色像只能在三基色狭缝重合的特定位置才能观察到，其有效观察范围就是一条狭缝宽度(人眼在宽度方向的移动范围)，这明显地小于一般彩虹全息图的观察范围。一般彩虹全息图是观察各种颜色的单色像，其有效观察范围是所有彩色狭缝的范围，对单个狭缝的宽度没有加宽的要求。彩色全息图则要求狭缝尽量宽一些才好，至少要大于人眼瞳孔尺寸，还要考虑人眼在观察时头部的微小上下运动，实验表明狭缝宽应在610mm才比较合适。另外要求白光再现彩色狭缝的各色光谱成份在狭缝宽内的波长范围A不能太大，从人眼对颜色的感觉考虑，应在10nm20nm范围之内。 可以通过公式(310)来定量讨论此问题。对(3i0)式两边求微分(把x和7)作为变化量：Ax=z。六五qn口(311)，吐移项后得到：=_二_Ax(312)儿o$1n 6，(312)式中A X为再现实狭缝像宽，A九7是其中光谱成份的波长差。由(312)式看出要提高狭缝像的单色性应增大记录光波波长和增大参考光夹角o。从(312)式也可以看出，再现光波的红光部分(即凡7=620nm附近)的7要大些，单色性要差些。例如若用氦氖激光记录此类彩色全息图，各参数取为x=633nm。x7=620rim，0-600，A x=9mm，zo=300mm，则由(312)式可以算出A九7=20rim，而当=488nm，其余参数