关于全息照相技术综述.docx

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关于全息照相技术综述

全息照相的基来源理

作者：

张新成

学号：

20114052021

单位：

吉首大学物理与机电工程学院2011级应用物理班

内容纲要：

全息拍照亦称：

“全息照相”，一种利用波的干预记录被摄物体

反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术。

全息拍照是

经过一束参照光和被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干预条

纹而成。

全息拍照不单记录被摄物体反射光波的振幅（强度），并且

还记录反射光波的相对相位。

全息图其实不直接显示物体的图象。

用一

束激光或单色光在靠近参照光的方向入射，能够在适合的角度上察看

到原物的像。

这是因为激光束在全息图的干预条纹上衍射而重现原物

的光波。

再现的像拥有三维立体感。

本文试论全息照相的基来源理，

来表达学习本章节后的收获和感想。

要点词：

全息照相，波的干预，全息照片，全息拍照

前言：

“全息”来自希腊字“holos”，意即完整的信息------不单包含光

的振幅信息，还包含位相信息。

利用干预原理，将物光波前以干预条

纹的形式记录下来。

因为物光波前的振幅和位相及所有信息都储存在

记录介质中，顾晨伟“全息图”。

光波照明全息图，因为衍射效应能

再现出原始物光波，该光波将产生包含物体I所有信息的三维像。

这

个波前记录和再现的过程就是全息术。

1947年匈牙利出生的英国物理学家D.伽柏（D.Gabor）提出全息

术的假想，企图提升电子显微镜的分辨本事。

方法是完整撇开电子显

微物镜，用胶片纪录经物体衍射的末聚焦的电子波，获取全息图。

一

相关的可见光照明全息图，衍射波将产生原物体放大的光学像。

为了

查验他的理论，1948年他利用水银灯发出的可见光取代电子波，获

得了第一张全息图及其再现像。

因为全息图的发明，D.伽柏1971年

获取诺贝尔物理奖。

20世纪50年月GL诺杰斯（）等科学

家进一步丰富了波前再现理论。

光波的位相信息是经过与参照光波相关预，在记录介质上形成干

涉图而记录下来，所以要求两束光高度相关。

初期因为没有更好的相

干光源，在双侧同轴方向产生不行分别的“孪生像”。

察看者对虚像

聚焦时，会看到由实像惹起的离焦像；対实像聚焦时，陪伴有离焦的

虚像。

进而像质大大降低。

因为光源相关性的限制以及”孪生像“的

问题，全息术研究的进展极大受阻。

1960年，激光的出现为全息术的快速发睁开拓了道路。

激光是

一种单色性很强的光，是制作全息图最理想的光源。

1962年美国密

执安大学雷达实验室的E.N利思（E.N.Leith）和J.乌帕特尼克斯

（J.upatnieks）借鉴雷达中载频技术，提出”斜参照光法“。

这类方法

不像伽柏全息图那样以物体直接透射光作为参照光，而是独自引入分

离的倾斜照耀的参照光波。

依照这类方法采纳氦氖激光器拍摄成功第

一张三维物体的激光透射全息图。

激光照明全息图，可看到清楚的三

维像。

产生孪生像的衍射波在方向上分别，不再互相扰乱。

1962年

苏前联科学家U.丹尼苏克（Denisyuk）提出了反射全息图的方法，第

一次用一般的白织灯照明全息图察看到全息像。

因为脉冲红宝石激光

器可辐射连续时间很短（短到几个纳秒）的强脉冲激光，研究人员开

始用脉冲激光全息图记录运动的物体，如飞翔的子弹，发射微粒，飞

虫等，该方法以后创始了脉冲激光全息人物肖像的特别应用领域。

1965年，R.L.鲍威尔，K.A.斯泰特森提出全息干预术。

物体在施加应

力前后经过两次全息曝光，再现的全息像上的等高线显示物体变形的

状况。

全息干预术可用资料无损检测.流场剖析等。

1968年，S.A.本

顿发明彩虹全息术，因为可用白光察看全息图，看到记录物体的彩虹

像，成为显示全息术的重要进展。

它使以后经过模压技术批量生产全

息图成为现实。

此后全息术才真实的走出实验室，在生产实践和科学

研究领域中成为了重要角色，以全息电影和全息电视，全息储藏、全

息显示及全息防伪商标等各样形式存在，除光学全息外，还发展了红

外、微波和超声全息技术，这些全息技术在军事侦探和监督上有重要

意义，此刻全系极速已经进入了社会的各个领域

一.全息照相原理

全息照相分为两步。

第一步利用干预法拍摄全息图（全息照片），

如图1（a）所示。

从激光器发出的相关光束，被分束镜分红两束光，

一束光照明到被摄物体，从物体上反射或散射的物光射到感光胶片

上。

另一部分光束投射到反射镜，被反射的光波直接照耀到感光胶片

上，这束光称为参照光。

物光与参照光在胶片上迭加干预，产生的干

涉图样即记录了物体振幅和位相的所有信息。

这张拥有干预图样的胶

片经过适合曝光与冲刷办理后，就是一张全息图（全息照片）。

这一

拍摄过程就是一个记录或储藏信息（或波前）的过程。

第二步是利用衍射原理进行物体的再现（重现）。

因为全息照片

记录的是两相关光互相关预的结果，所以，与本来的被摄物体毫无相

似之处。

但是，当把全息图放回原处，用相关参照光（此时称为再现

光束）照明全息图时，如图1（b）所示，这张拥有干预图样的全息

图犹如一块复杂的光栅将发生衍射，在这些衍射光波中包含着本来的

物光波，察看者迎着再现光波方向即可察看到一个传神的、立体感很

强的物体再现像。

这是一个物光波前再现亦即成像的过程。

可是，如

果再现光束和本来的参照光束同向，获取的物像是虚像。

假如用原相

干光反向照耀全息图，则获取的物像是实像。

假如不用激光而用白光

去照耀，因为白光是由多种波长的光混淆而成的，全息照片上的干预

条纹，就要同时对各样波长的光发生衍射。

因此，全息照片上会出现

好多重叠错位的像，令人没法看清楚。

自然，假如我们在全息图的拍

摄过程中采纳诸如彩虹全息和反射式傅立叶变换全息等记录技术，则

能够获取白光照明再现原物像的白光全息。

图1全息记录与再现原理

（a）全息图的记录光路（b）全息图的再现光路与像

依据记录光路的不一样，全息照相又分为透射式全息和反射式全

息。

此刻我来就投射式全息照相要点议论。

投射式全息照相

投射式全息照相是指重现时所察看的全息图透射光的成像。

下边

对平面全息图的状况作详细的数学描绘。

1.设来自物体的单设光波在全息干板平面上的复振幅散布

O（x,y）=

A

（1）

o（x,y）exp[ioxy

（,）]

称为物光波。

同一波长的参照光波在于平板平面上的复振幅散布为：

R（x,y）=A（x,y）exp[i（x,y）]

（2）

RR

称为参照光波。

平板上的总复振幅散布为：

U（x,y）=O（x,y）+R（x,y）（3）

干板上的光强散布为：

I（x,y）U（x,y）U*（x,y）（4）

将

（1），

（2），（3）式代入（4）式中，得出：

I（x,y）=

A2A2AAxyiAAi（5）

0R0R（,）exp[（0R）]R0exp[（R0）]

适合控制曝光量和冲刷条件，能够是全息图的振幅透过率t（x,y）与曝

光量E（与光强I成正比）成线性αβ关系，即t（x,y）I（x,y）

设t（x,y）=（x,y）（6）

α,β为常数。

这就是全息图的记录过程。

由上边的描绘可知，底片上干预条纹的反衬度为：

β=

II

maxmin

II

maxmin

其实

I=|A

max

0+

AR|IAAR

2,||2

min0

干预条纹的间距则决定于（ψR0）随位子变化的迟缓。

对必定的

ψR,AR来说，干预条纹的明暗对照反应了物光波的振幅大小，及强度

因子，干预条纹的形状间隔反应了物光波的相位散布。

所以底片记录

了干预条纹，也就记录了物光波前的所有信息--振幅和相位。

2.波前重视

用于参照光完整同样的光束照耀全息图，透过光的复振幅散布是：

Ut（x,y）=R（x,y）t（x,y）（7）

将

（2），（3）式代入上式，整理得出：

2222

U（x,y）A[（AA）exp（i）AAexp（i）AAexp[i（2（8））]

t00RR0R0R0R0

（8）式中的第一项，拥有再现光的特征，是衰减了的再现光，

这是0级衍射。

（8）式的第二项，是本来的物光波乘—系数，它拥有

本来物光波的特征。

假如用眼睛接收到这个光波，就会看到本来的

“物”。

这个再现像就是虚像，称为原始像。

（8）中的第三项，拥有

与原物光波共轭的相位：

exp（-i0）,说明它代表一束汇聚光，应形成

一个实像。

因为有一位相因子exp（2i0）存在，这个实像不在本来的

方向上。

这个像叫共轭像。

往常把形成原始像的衍射光称为+1级衍

射，把形成共轭像的衍射光称为级衍射。

在参照为球面波的状况下，重现光的点光源和原记录时参照光的

点光源一定需在同样地点（相对于底片），才能获取无畸变虚像。

否

则，重现像的地点不一样于本来“物”的地点，重现像的放大倍数也不

等于1.照明点光源愈远，像愈大，反之像减小。

要获取无畸变实像，

应以参照光的共轭光——一束汇聚在原参照光电光源的汇聚光——

照明底片。

3.体全息图

以上推导中假定乳胶层无穷薄，全息图拥有平面构造，但这仅在

参照光与物光夹角很小（10度左右）时是建立的。

当物光和参照光

夹角较大时，邻近条纹的间距（为乳胶层厚度），这样的全息图拥有

立体构造，就是所谓的“体积全息图”，其重现是三维衍射过程，衍

射极大值应知足布拉格条件，重现时照明光一定以特定的角度入射，

才能看到较亮的重现像。

同时级衍射不会同时出现，因此不可以同时看

到虚像和实像。

结束语：

由上边所阐述的可获取全息照相理解：

物体上的每个物点发射

一个球面波，当这个球面波抵达全息图时，它將和物体的强背景射出

平面波相关预（注意，前面已提到了可能的物体集有着很强的背景），

球面波和平面波的干预获取了干预图样。

在再现时，每个干预图样的

作用恰似透镜同样（但光是由衍射而不是由折射惹起偏折的），把一

部分入射光聚焦成一个点，这个点就是产生特定的干预图样的那个物

点的像。

“全息照相”就是一种利用波的干预记录被摄物体反射（或

透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术。

全息拍照是经过一束

参照光和被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干预条纹而成。

全

息拍照不单记录被摄物体反射光波的振幅（强度），并且还记录反射

光波的相对相位。

参照文件：

1.吕乃光编著《傅里叶光学》北京机械工业第一版社第一版2006年

3月（2012年6月重印）第二版

2.苏显渝李继陶编著《信息光学》北京科学第一版社第一版1999

年9月初版

3.A.W.罗曼著虞祖良金国藩译《光学信息办理》

清华大学第一版社1987.7

4.李俊昌熊秉衡等编著《信息光学理论与计算》北京科学第一版

社2009