信息光学PPT课件第五章光学全息.ppt

光学全息术是由物体发出的光波引起的，该光波将物体中包含的信息传送到眼睛并在视网膜上成像，在光学全息术中，人眼可以看到物体。光波的波长、振幅和相位决定了所见物体的特征(颜色、亮度、暗度和形状)。然而，普通摄影只能记录物体光波的强度，而不能记录物体光波的相位，从而在摄影过程中丢失了物体深度方向的信息。我们生活在一个丰富多彩的三维世界，但是我们通过普通的照片、电视和电影看到的只是二维图像，这自然是不令人满意的。如何获得三维图像？这种方法就是全息术：利用干涉原理，将物体光波前以干涉条纹的形式记录下来。由于物体光波前的振幅和相位，即所有信息都存储在记录介质中，它被称为“全息图”。光波照明全息图由于衍射效应可以再现原始物体光波，从而产生包含物体所有信息的三维图像。这个波前记录和再现过程就是全息术。如果我们能以某种方式用某种方法记录物体光波(包括振幅和相位信息)，那么当我们想办法再现物体光波时，我们就能再现三维物体。5.1光学全息术概述全息术是由英国匈牙利科学家丹尼斯博于1948年发明的，从而开辟了光学的一个新领域，为此他获得了1971年诺贝尔物理学奖。从1948年到20世纪50年代末，所有的全息图都使用汞灯作为光源，被称为同轴全息图。它的一级衍射波是不可分的，即存在所谓的“孪生像”问题，不能获得好的全息图。这是第一代全息图，是全息术的萌芽时期。第一代全息图有两个严重的问题。一是重建的原始图像不能与共轭图像分离，二是光源的相干性太差。1960年激光的出现提供了一种高度相干的光源。1962年，美国科学家利斯和乌帕特涅克斯将通信理论中的载波频率概念扩展到空域，并提出了离轴全息术。他用离轴参考光与物光干涉形成全息图，然后用离轴参考光照射全息图，这样全息图产生三个在空间上彼此分离的衍射分量，其中一个再现原始物光。这样，解决了第一代全息图的两个主要问题，产生了用激光记录和再现的第二代全息图。第二代全息图的出现使沉睡了十多年的全息术复活了。它已经进入了一个快速发展的时代。各种全息方法相继出现，并广泛应用于信息处理、全息干涉测量、全息显示、全息光学元件等领域。由此可见，高相干激光的出现是全息术发展的巨大动力。由于激光复制的全息图丢失了色调信息，人们开始研究第三代全息图。第三代全息图是由激光记录并由白光再现的全息图，例如反射全息图、图像全息图、彩虹全息图和浮雕全息图，它们在一定条件下给全息图像赋予明亮的颜色。激光的高相干性要求在全息摄影过程中各种元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，相干噪声也非常严重，给全息摄影的实际使用带来各种不便。因此，科学家们转而继续探索白光记录的可能性。第四代全息图可能是白光记录和白光再现全息图，这将最终导致全息术走出实验室，进入广泛的实际领域。除了通过光学干涉记录全息图之外，全息图还可以由计算机和绘图设备绘制，称为计算机生成全息图(CGH)。计算全息术是用数字计算机合成的全息图。它不需要物体的实际存在，而只需要物体光波的数学描述，因此具有很大的灵活性。全息照相术不仅可以用在光波波段，也可以用在其他波段5.2波前记录和再现，物体通过成像系统形成的图像包含物体的信息，没有人会反对这一点。事实上，这种信息存在于光波在物体和图像之间通过的任何平面上。光波通过这些平面将物体信息传送到图像平面。因此，在该平面上记录携带信息的波前将使得波前能够通过适当的方法在另一时间和地点被再现，从而它能够继续传播以产生可观察的三维图像。光波传输信息和形成物体图像的过程分为两个步骤：波前记录和波前重建，这是全息术的基本思想。波前记录，1。干涉法记录物体光波时，所有记录介质只响应强度，属于能量探测器，不能记录波前所携带的相位信息。因此，有必要在记录之前尝试将相位信息转换成强度变化。干涉测量法是将空间相位调制转换为空间强度调制的标准方法。记录介质参考波物波上图是波前记录的示意图，假设传播到记录介质的物波阵面的复振幅(对于理想的单色光，其空间复振幅分布不随时间变化)是传播到记录介质的参考波阵面的复振幅，记录介质上的总光强是，在曝光两个波阵面的干涉图案后，经过显影和定影处理得到全息图。因此，全息图实际上是一种干涉图样。上述公式中的前两项是物光和参考光的强度分布，其中参考光波通常被选择为相对简单的平面波或球面波，因此，它是恒定的，并且是由负胶片上的物光波引起的强度分布。物体光波在负片上引起的光强分布是不均匀的，但在实验中一般比参考光弱。前两项作为偏置项基本上是不变的。第三项是干涉项，它包括物体光波的振幅和相位。参考光波的作用只是完成了将物光波前的相位分布转化为干涉条纹的强度分布的任务。记录过程的线性条件线性曝光振幅透射率负t-E曲线被广泛用作全息记录光敏材料。通常使用由细卤化银乳胶制成的超细干版，称为全息干版。假设全息板充当线性转换器，其将曝光期间的入射光强度线性转换成显影后负片的振幅透射率。因此，有必要控制全息板的t-E曲线的线性部分中曝光的变化范围。如图所示，此外，我们还必须假设全息板具有足够高的分辨率来记录所有入射的空间结构，以便全息图的振幅透射率可以记录为：其中，和是常数。是曝光时间。对于负片和正片，分别为负片和正片。假设参考光的强度在整个记录表面上是均匀的，那么，在公式中，均匀的偏压透射率被表示。如果全息图不能满足上述线性记录条件，再现光波的质量将受到影响。5.2.2波前重建，1衍射效应在物体波被重建之前，全息图被一束相干光波照射。假设其在全息图平面上的复振幅分布为C(x，y)，穿过全息图的光场为，讨论：由于参考波通常采用球面波和表面波，R2近似恒定，因此U1的两个系数的影响仅改变照明光波C的振幅，而不改变照明光波的特性。U2的系数包括上述公式，即当物体光波单独存在且不均匀时，负片上的强度分布。因此，U2代表其振幅被调制的照明波阵面，它实际上是照明波被|O|2(x，y) di的负片衍射当照明光波是与参考光波相同的平面波或球面波(C=R)时，透射光波中的第三项是，因为r2是均匀的参考光强度，U3是原始物体光波的波前的精确表示，除了恒定的因子差，其具有与波前记录期间原始物体发射的光波完全相同的效果。当光波传播到观察者的眼睛时，可以看到原始物体的图像。因为原始物体的光波是发散的，所以被观察物体的虚像。这个术语被称为全息衍射场中的一阶波。当照明光波与参考光波完全相同(C=R)时，相位因子in不能被消除。当原始物波发散时，共轭光波会聚，因此U4给出真实图像。然而，由于R2的调制，真实的图像会被扭曲。这一项在全息衍射场中称为-1级波。全息图H、照明光波、用原始参考波照明、全息图、全息图，当照明光波和参考光波都是垂直入射平面波时，入射到全息图上的相位可以取为零。在这种情况下，U3和U4中的系数都是没有附加相位因子的实数，并且全息图衍射场中的1阶和-1阶光波是严格镜像对称的。共轭光波U4产生的实像对观察者来说，具有与原物体相反的凹凸，给人一种特殊的感觉。这个图像被称为伪图像。如果照明光波恰好是参考光波的共轭波，则重建波场的第三和第四项是，此时U4在物体光波之前再现共轭波，给出原始物体的真实图像。U3再现了物体的光波前，因此它给出了原始物体的虚像，但是由于的调制，虚像将变形。全息摄影是一个两步成像过程，因为波前再现了物体的虚像和实像。它不需要镜头。如果记录时的目标光波被作为输入，而再现时的U3或U4被作为输出，则这样定义的系统是线性的。我们可以用叠加原理来分析它。当然，这必须有效地分离成像光波和其他透射光波，而不相互干扰。波前记录是一种将振幅和相位调制信息转换成强度调制信息的干涉效应。在胶片被线性处理后，全息图上的强度调制信息被恢复成波前重构时波前的振幅和相位调制信息。这是衍射效应的结果。在通信术语中，波前记录和再现也是“编码”和“解码”过程。全息术是基于光的干涉和衍射，所以系统应该满足一定的相干条件。(1)激光输出波长应稳定。(2)曝光时器件稳定(光程差变化不超过0.1波长)。(3)两束光之间的最大光程差应比光的相干长度小得多，以便记录具有良好对比度的干涉条纹。再现过程中衍射光波产生的图像可以看作是小波相干叠加的结果，因此照明全息图的光波也应该是空间相干的。例如，设置一系列单色平面波的传播方向平行于xz平面并与z轴成一个角度，如图(a) (1)所示，写出原始光波和共轭光波的表达式；(2)写出平面z=0上原始光波和共轭光波的表达式，然后讨论它们的传播方向。解(1)单色平面波及其共轭波的复数表达式是，从上式可以看出，共轭光波的传播方向与原始光波的传播方向相反，这是共轭光波的原始定义。对于单色光波，因子总是相同的，只有复振幅能被写入。因此，共轭光波的数学表达式是原始光波复振幅的共轭复数。众所周知，(2)在平面上z=0，并且上述公式表明共轭波可以理解为平面波传播5.3同轴全息图和离轴全息图，只有有效地分离全息图衍射光波中的每一项，才能获得可用的再现像，这与参考光方向的选择直接相关。根据物光和参考光的相对位置，全息图可分为同轴全息图和离轴全息图。同轴全息图山墙全息图是同轴全息图的一种。记录光路如下图所示。物体、衍射波、薄膜、物体、衍射波、薄膜、相干平面波照射高度透明的物体，其复振幅透射率可以表示为，其中t0是平均透射率，表示接近平均值的变化。t0项透射的强而均匀的平面波r0用作参考光，而产生的弱衍射光用作物光。由负片记录物体的直接透射光和衍射光产生的干涉图案被放置在远离物体z0的位置。在线性记录条件下，曝光光强是负胶片的复振幅透射率与曝光光强线性相关。振幅为C0的平面波垂直照射全息图。透射光场是振幅为C0的平面波垂直照射全息图。透射光场为，公式中的第一项是透过全息图的均匀衰减平面波。第二项与弱衍射光的强度成正比，可以忽略。第三项和第四项分别出现原物光波前及其共轭光波。它们的传播将在全息图的两侧产生距离为z0的对称位置物体的虚像和实像，这被称为双像。因为参考光和物光都来自同轴方向，所以包含在全息透射光中的四个项目都在相同的方向上传播并且不能分离。直接透射的光大大降低了图像的对比度。当观察一个图像时，它会受到另一个散焦的孪生图像的干扰。同轴全息图的另一个缺点是物体的局限性。它必须是高度透明的，否则，它不能被忽视，并可能消除较弱的图像。这极大地限制了同轴全息术的应用范围。在全息术的早期发展中，大部分工作致力于消除同轴全息孪晶的相互干涉。直到1962年，美国密歇根大学雷达实验室的里斯和乌帕特尼克才提出离轴全息方法来有效地克服这一障碍。他们将通信工程中的载波频率技术应用于波前重建。实现了双图像的分离。这一事实生动地表明，将一门学科的原则应用于另一门学科往往会取得意想不到的结果。如上图所示，离轴全息记录光路中，一部分准直光束直接照射到物体(透明物体)上，另一部分被物体上方的棱镜P偏转，并以倾斜角度投射到全息板上。全息板上的复振幅分布应该是物体透射波和倾斜参考波叠加的结果，其中参考波的空间频率和负板上的强度分布是这样的，即上述公式表明物体光波前的振幅信息和相位信息分别被记录为高频载波的振幅调制和相位调制。在线性记录条件下，获得的全息图的振幅透射曝光周期期间的入射光强度是线性相关的。是的，假设全息图被一束垂直入射且振幅为C的均匀平面波照射，透射光场将由四个分量组成。(1)成分U1是衰减的照明光波，代表沿着负薄膜的轴传播的平面波。(2)U2分量为透射光锥，主能量方向靠近底片轴，光锥的膨胀度取决于O(x，y)的带宽；(3)分量U3与原始物体波阵面o和平面波相位因子exp(j2y的乘积成比例)，表明原始物体波将以向上倾斜的平面波作为载体，在距底片z0的距离处形成物体的虚像。(4假设再现全息图时透射光场的四个分量的空间光谱被分别表示，并且假设再现光波c具有单位振幅并且忽略全息图负的有限孔径，这四个分量分别是，注意：G0具有与物体相同的带宽，因为两者之间的差异由传播现象的传递函数确定，该传递函数是纯相位函数。假设物体的最高空间频率是b周期/毫米，带宽是2B，物体的频谱和全息图的四个场分量的频谱如图所示。从上图可以看出，为了使、和不相互重叠，此时成像光波和晕光被有效地分离，空间载波必须满足以下条件，并且一旦超过，实像和虚