第11章光学-全息成相成像

§5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2全息成像5光学成像的波动学原理主要内容1.光学成像的平面性与空间立体性2.全息照相原理3.全息图的分类与制作方法5.2.1光学成像的平面性与空间立体性(1)普通光学成像系统的成像特点同一垂轴平面上的不同物点，其共轭像点亦位于同一垂轴平面上；不同垂轴平面上的物点，其共轭像点位于不同垂轴平面上。因此，三维物体经普通光具组所成的像也是三维的。只是由于观察屏或全息底片只能放在某一确定的垂轴平面处，故只有与光屏面共轭的那些物体表面点能够在光屏上成清晰像。本来应成在其他垂轴平面上的表面点的像则全都投影在光屏上，似乎整个空间都被压缩在一个平面上了。

图5.2-1普通光学系统成像的三维特性ss'QLP5.2全息成像5光学成像的波动学原理落在视网膜上的像仍然是一幅平面图像。但眼睛具有快速的调节功能，能够通过变焦调节将位于不同空间平面处的物依次成像在视网膜上，再经过大脑的合成处理，最终得到立体的空间图像视觉。故人眼之所以能够感受到外部世界的立体景象，完全是由于眼睛的自调节功能所导致的一种视觉效应。

眼睛的体视功能5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.1.1光学成像的平面性与空间立体性(2)普通光学成像系统实现三维立体像记录与再现的可行性仿照人的双眼成像原理，采用双照相机系统，两照相机的主光轴相对物体在水平方向保持微小夹角，同时从不同角度拍摄到物体的两幅影像。观察时让左右眼睛分别观察由左右相机拍摄到的图片（在体视显微镜下），便可获得体视效果。图5.2-2体视摄影原理AaaQB5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.1.1光学成像的平面性与空间立体性体视摄影法利用高速电影放映机（或电视播放机），将左右眼观看的画面交替播放，同时利用液晶的电光调制特性制作成一副液晶眼镜，调节左右镜片的开关速度与左右眼画面的播放速度同步。当屏幕上显示右（左）眼画面时，右（左）眼镜片透光，左（右）眼镜片不透光；从而可以让左右眼镜分别观看相应的影像画面。当左右眼画面替换的速度较高时，人的眼睛将由于视觉暂留效应而感觉不出左右眼画面的时间差，从而可将两者合成为一幅立体画面。拍摄和显示原理与体视摄影法类似，只是在两个成像镜头前分别装有起偏方向正交的偏振片。显示时分别将两幅影像用偏振方向正交的平面偏振光投影在同一屏幕上，观察者需要戴一副左右眼镜片偏振方向正交的偏振眼镜。

5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.1.1光学成像的平面性与空间立体性立体电影与立体电视偏振图像合成法首先在照相机物镜前加一滤色镜（如红色或绿色）并用彩色胶片对所拍摄物体曝光一次，然后在物镜前换上另一种滤色镜（如绿色或红色），并以被摄物体中心为轴线转动镜头，在同一彩色胶片上对所拍摄物体做第二次曝光。转角大小正好等于人的左右眼对物体所张的角度。这样，胶片上同时记录了自两个不同角度对同一物体观察到的两个不同颜色且相互略微错开的像。观察时，戴上一副双色眼镜，左右镜片与拍摄时用的滤色镜性能相近，因而使得左右眼分别观察到两个不同颜色的画面，其合成结果，便有立体的感觉。这一原理也可以用于立体绘画和计算机图像的立体显示。

5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.1.1光学成像的平面性与空间立体性双色图像合成法5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.1.1光学成像的平面性与空间立体性双色图像合成5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.1.1光学成像的平面性与空间立体性说明一般的光探测器或感光材料只对光强度有响应，因而只能感受到光波场的振幅信息，对相位信息则无响应。上述各种立体摄影，都只是利用了人眼的视觉效应而产生的一种并非真实的立体效果，所探测或记录到的图像只包含了反映物体表面亮暗或色彩分布的二维图像信息,并没有真正地记录和再现到物的全部信息。

由物体表面发出或经物体表面反射的光波，携带着物体表面的信息，这些信息由物光波的波函数（复振幅分布）表示：(5.2-1)O0(x,y)：波前上各点的振幅分布，反映了物体表面各点的亮度信息；fO(x,y)：波前上各点的相位分布，反映了物体表面的纵向位置信息。

全息记录和显示：要记录或再现物体表面的全部信息，必须同时能够记录或再现出反映物体表面特征的光波场的振幅和相位信息。

5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.1.1光学成像的平面性与空间立体性(3)全息的意义(1)波前记录原理

伽伯的设想：虽然感光胶片不能记录光波的相位，但可以利用双光束干涉原理，令物光波与另一束与之相干的光波叠加而产生干涉图样，从而把物光波的相位叠加到干涉图样中，用全息底片记录下干涉图样，就等于同时记录下物光波的振幅和相位信息。记录平面H上物光和参考光波前复振幅分布：

(5.2-2b)(5.2-2a)HROO+R图5.2-3波前记录原理5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.2全息照相原理全息图：对物光波前和参考光波前叠加所形成的干涉图样经适当曝光后的全息底片，记录了物光波前的振幅和相位信息。

(5.2-5)全息图的复振幅透过率t(x,y)：在线性曝光和显影定影处理下，正比于曝光量或记录平面上总的光强度t0和b：与曝光量和记录介质感光特性有关的常数。叠加光波波前复振幅及强度分布：

(5.2-3)(5.2-4)5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.2全息照相原理再现全息图用照明光波的波前复振幅分布：

(5.2-6)全息图衍射光波的波前复振幅分布：(5.2-7)第一项：t0+bO02+bR02，0级衍射；第二项：

bR0*R0'exp[i(fR'-fR)]O(x,y)，+1级衍射；第三项：

bR0R0'exp[i(fR'+fR)]O*(x,y)，-1级衍射。5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.2全息照相原理(2)波前再现原理讨论：

①若R'=R，则+1级衍射光波：

bR02O(x,y)，-1级衍射光波：

bR02exp(i2fR)O*(x,y)②若R'=R*，则

+1级衍射光波：bR02exp(-i2fR)O(x,y)，-1级衍射光波：

bR02O*(x,y)图5.2-5波前再现原理2HR*O*图5.2-4波前再现原理1HRO5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.2全息照相原理③若R'=R=R0，fR'=fR=0，则

+1级衍射光波：bR02O(x,y)，-1级衍射光波：bR02O*(x,y)。

图5.2-6波前再现原理3HR0OO*5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.2全息照相原理说明：全息照相过程分为波前记录和再现两步

波前再现过程：依据光的衍射原理波前记录过程：依据干涉原理物光波与参考光波相干叠加而产生干涉条纹，干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布，干涉条纹的几何特征（包括形状、间距、位置）记录了物光波前的相位分布。参考光波扮演着载波的角色，干涉过程实际上就是作为信号波的物光波对作为载波的参考光波的调制过程。在线性处理条件下，全息图的衍射光波场包含三部分——代表照明光波直透部分的0级衍射、代表物光波的+1级衍射和代表物光波的共轭光波的-1级衍射。提取出+1级衍射光波就可以获得有关物场的振幅和相位信息。可见，全息再现过程相当于信息的解调过程。5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.2全息照相原理按记录光路分类：同轴全息图，离轴全息图按对再现光波的衍射规律分类：平面全息图，体全息图按记录平面位置分类：菲涅耳全息图，像面全息图，傅里叶变换全息图，夫琅禾费全息图按结构分类：透射式全息图，反射式全息图按复振幅透射（或反射）系数分类：振幅型、相位型及混合型全息图按再现方式分类：激光全息图，白光全息图，彩虹全息图按载体分类：光学全息图，模压全息图，计算全息图，数字全息图5.1阿贝成像原理与空间滤波5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法①同轴全息图：伽伯全息图，记录全息图时参考光波与物光波同轴。

特点：记录光路简单，对光源的相干性和环境要求（如隔震）较低，在一个光具导轨上就可以实现。其中穿过物场的直透光波作为参考光，被物场衍射或散射的光波作为物光。

应用：通常可用于记录流场、粒子场等透明或半透明物体的全息图。图5.2-7半透明物场的同轴全息图记录光路记录平面激光器物场L1L2缺点：三束衍射光波同轴，观察原物场的再现像时，总会有0级衍射和原物场的共轭再现光波作为背景伴随。

5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法(1)同轴全息图与离轴全息图②离轴全息图：乌帕特尼克斯-利思全息图，记录光路类似于马赫-曾德干涉仪光路，物光波与参考光波不同轴。特点：产生的三束衍射光波在空间亦彼此分离，互不干扰，因而便于对物光波前的观察和信息提取。

缺点：为实现物光波与参考光波在空间分离，离轴全息图的记录光路变得复杂，从而对光源的相干性和环境（如隔震）的要求也变得较为苛刻。5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法平面全息图：全息图底片的乳胶层较薄，所记录的全息图具有正弦型平面光栅的结构特征，故再现过程服从平面光栅的衍射规律。

体（积）全息图：全息图底片的乳胶层较厚，所记录的全息图具有正弦型体光栅的结构特征，故再现过程服从体光栅的（布拉格）衍射规律。

性能比较：平面全息图的再现条件要求较简单，但衍射效率较低；体全息图的衍射效率较高，但再现时对照明光波的波长和入射角度的选择性较强。

5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法(2)平面全息图与体全息图记录光路特点：全息图记录平面与物体表面之间相距较近，且没有其他成像器件，由物体表面散射的光波将通过菲涅耳衍射直接到达记录平面并与参考光波发生干涉。

M2M1分束镜扩束镜记录平面激光器物光参考光扩束镜图5.2-8菲涅耳全息图的实验记录光路5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法(3)菲涅耳全息图菲涅耳全息图特点：到达记录平面上任一点的物光波均携带着物体表面各点的信息，因此，如果将菲涅耳全息图分割成若干部分，则由其中的每一部分均可再现出物体的全息像。只是随着该部分尺寸的减小（相当于通光孔径减小），再现像的噪声增大，清晰度降低。

菲涅耳全息术的应用：三维显示、全息干涉计量和全息无损检测等。

对物光波的要求：要求物光波为漫射光波。当物体表面具有漫射特征时，用平面光波或球面光波照明均可满足要求；当物体表面光滑时，则需要使照明光波先透过一块漫射屏（如毛玻璃）后再投射到物体表面上。5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法菲涅耳全息图5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法记录光路特点：感光底片放在物体的共轭像平面上，参考光波与物光波在物的共轭像平面上发生干涉。

图5.2-9像面全息图的记录光路QLH参考光物光全息图的特点：①可用白光再现，且在不同方向可观察到不同颜色的单色再现像。②可将物场按需要进行缩放，便于记录和观察。

应用：三维显示、全息干涉计量和全息无损检测等领域。

5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法(4)像面全息图图5.2-10像面全息图的白光再现像5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法记录光路特点：感光底片放在物体的傅里叶变换平面（频谱面）上，平行参考光波与物光波在物的傅里叶变换平面上发生干涉。

全息图的特点：全息图记录的是物的频谱信息，因而再现光波是物光波复振幅的傅里叶变换，需要对其再作一次逆傅里叶变换才能得到物光波的复振幅。

应用：由于一般物的频谱分布仅占据着频谱面上很小的区域，傅里叶变换全息图占据的空间尺寸很小，故非常适合用于全息信息存储。

5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法(5)傅里叶变换全息图lLf记录平面参考光物体f'傅里叶变换全息图的记录光路记录光路特点：感光底片放在物体的夫琅禾费衍射区的某个平面上，参考光波与之在该平面上发生干涉。

全息图的特点：记录的是物的夫琅禾费衍射信息，因而再现光波正比于物光波复振幅的傅里叶变换。

5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法(6)夫琅禾费全息图透射式全息图：物光波和参考光波自记录介质的同一侧入射时记录的全息图。由于干涉条纹面接近垂直于记录介质的表面，故透射式全息图对记录介质厚度的要求没有特殊要求。反射式全息图：物光波和参考光波自两侧入射时记录的全息图。由于干涉条纹面平行于记录介质的表面，故需要用较厚的记录介质才能记录下多层条纹面。振幅型全息图：全息图的复振幅透射系数为实函数相位型全息图：全息图的复振幅透射系数的模值等于1混合型全息图：全息图的复振幅透射系数为复数5.2全息成像5光学成像的波动学原理5.2.3全息图的分类与制作方法说明：①实际记录材料有振幅型、相位型和混合型三种。相位型记录材料又分为浮雕型和折射型。若记录介质在曝光和处理以后厚度改变，折射率不变，则称为浮雕型；反之，若记录材料的厚度不变，折射率改变，则称之为折射率型。用全息干版制作的全息图，在显影处理以后是振幅全息图；进一步作漂白处理后则变为相位全息图或振幅相位混合型全息图。②菲涅耳全息图、傅里叶变换全息图及夫琅禾费全息图均需要用激光记录和激光再现，故又称为激光全息图。像面全息图可以用白光再现，故又称为白光全息图。彩虹全息图是一种可用白光再现的特殊的菲涅耳全息图。如果全息图的记录和再现过程均通过光路实现，则称为光学全息图。5.2全息成像5