激光在全息技術(shù)中的應用

4.9激光在全息技術(shù)中的應用激光全息三維顯示目前投入應用的激光顯示主要有：激光全息三維顯示激光視頻投影顯示激光光束圖文掃描顯示立體感強、可分性、可重疊、易于復制全息術(shù)的發(fā)展：1947年D.伽柏從事提高電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的工作。提出了全息術(shù)的設想以提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)。1948年他利用水銀燈首次獲得了全息圖及其再現(xiàn)象，從而創(chuàng)立了全息術(shù)，為他在1971年獲得了諾貝爾物理學獎。50年代G.L.羅杰斯等人的工作大大擴充了波陣面再現(xiàn)理論。但是由于"孿生像"問題和光源相干性的限制，1955年以后全息術(shù)進入低潮階段。1960年激光的出現(xiàn)，為全息術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊的前景，科學家用氦氖激光器成功地拍攝了第一張實用的激光全息圖。這樣就使得全息術(shù)在1963年以后成為光學領(lǐng)域中最活躍的分支之一。4.9.1激光全息術(shù)的基本原理和分類4.9.2光學全息圖4.9.3計算全息圖

4.9.4數(shù)字全息圖4.9.5激光全息三維顯示的優(yōu)點4.9.6激光全息三維顯示的應用*4.9.7激光全息三維顯示技術(shù)的展望主要內(nèi)容全息記錄一、全息記錄——基本光路（x,y）全息干板

R（x,y）H物光參考光照明光O（x,y）4.9.1激光全息術(shù)的基本原理和分類

（1）全息術(shù)不僅記錄物體的散射光強，還記錄了散射光的相位，能再現(xiàn)原物的立體圖像。圖9-14

全息照相的拍攝和再現(xiàn)原理示意圖O(x,y)=O0(x,y)exp[jφo(x,y)]R(x,y)=R0(x,y)exp[jφR(x,y)]O0

：物光波的振幅φo：物光波的相位

R0：參考光波的振幅φR：參考光波的相位干涉場光振幅:兩者相干疊加H上的總光場：

U(x,y)=O(x,y)+R(x,y)全息記錄的數(shù)學描述相干疊加設：——干板曝光——

曝光光強：

I(x,y)=U(x,y)·U*(x,y)=∣O∣2+∣R∣2+O·R*+O*·R——線性處理干板——

底片的透過率函數(shù)正比于曝光光強：

tH(x,y)∝I(x,y)

略去比例常數(shù)得到：

tH(x,y)=∣O∣2+∣R∣2+O·R*+O*·R全息再現(xiàn)

二、全息再現(xiàn)(波前重建）

Reconstructionofthewavefront

1、全息再現(xiàn)光路：HO’(x，y)（x，y）

C(x，y)再現(xiàn)照明光虛像再現(xiàn)是衍射的結(jié)果0級－1級＋1級？？？H后的光振幅：

U’(x,y)=C(x,y)·

tH(x,y)

————

全息學基本方程設：C(x,y)=Co(x,y)exp[jφC(x,y)]照明光波的振幅照明光波的相位+CoOoRoexp[-j

(φO

-φR

-φC)]+CoOoRoexp[j

(φO

-φR

+φC)]+CoRo

2exp[jφC(x,y)]=CoOo

2exp[jφC(x,y)]

[∣O∣2+∣R∣2+O·R*+O*·R]=Co(x,y)exp[jφC(x,y)]?2、數(shù)學表述——全息學基本方程底片H的透過率函數(shù)

CoOo

2exp[jφC(x,y)]相位分布：與照明光完全相同傳播方向：與C(x,y)完全相同------0級衍射項第一、二項CoRo

2exp[jφC(x,y)]CoOoRoexp[j

(φO

-φR

+φC)]

包含有物的相位信息，--------+1級衍射項第三項最有希望重現(xiàn)物光波。CoOoRoexp[-

j

(φO

-φR

-φC)]

包含有物的共軛相位信息--------1級衍射項第四項有可能形成共軛像1.像面全息圖像面全息圖需要利用透鏡，記錄的是物體的幾何像。圖9-16

像面全息圖的記錄與重現(xiàn)特點：對再現(xiàn)光的單色性要求不高4.9.2光學全息圖2.白光反射全息圖

普通反射全息圖是用實物直接制作的。即底片直接放在被攝物體之前而制成的，把一束擴束后的激光直接入射到底片上，經(jīng)曝光、顯影處理后就形成了這種能用白光再現(xiàn)出三維圖像的反射全息圖。該全息圖可以白光再現(xiàn)，這是因為反射全息圖的體光柵具有選色性，只有某種顏色的光波能反射回來形成像，其它顏色的光波透射過去，不會由于各種顏色的混迭產(chǎn)生色模糊。白光反射全息原理

圖9-15

白光反射全息示意圖反射光作為物光參考光單色再現(xiàn)像彩虹全息的發(fā)明思路

普通全息圖為什么不能用白光再現(xiàn)？是由于不同波長的再現(xiàn)像錯位重疊，發(fā)生色模糊和像模糊所致。能否設法把再現(xiàn)光波壓縮在空間很窄的一個條形區(qū)域里，不同的波長占據(jù)空間不同的區(qū)域。當用白光照明時眼睛處在空間某一個位置，只能看到一種波長的再現(xiàn)像。移動觀察位置，依次看到不同波長的像，不再會出現(xiàn)色模糊，于是達到了白光再現(xiàn)的目的。3、彩虹全息圖

彩虹全息的概念彩虹全息是利用記錄時在光路的適當位置加狹縫，再現(xiàn)時同時再現(xiàn)狹縫像，觀察再現(xiàn)像時將受到狹縫再現(xiàn)像的限制。當用白光照明再現(xiàn)時，對不同顏色的光，狹縫和物體的再現(xiàn)像位置都不同，在不同位置將看到不同顏色的像，顏色的排列順序與波長順序相同，猶如彩虹一樣，因此這種全息技術(shù)稱為彩虹全息彩虹。彩虹全息原理圖

圖9-17

二步彩虹全息的基本原理H白光狹縫像藍紅H2R2*(白光)狹縫像彩虹像黃紫用白光再現(xiàn)（共軛光）綠1.計算全息圖的制作和再現(xiàn)過程主要步驟4.9.3計算全息圖①抽樣，對物體或其波面抽樣，得到在離散樣點上的值；②計算，計算物光波和參考光波疊加后在全息平面上形成的光場分布；③編碼，把全息平面上的光波復振幅分布編碼成全息圖的透過率分布；④成圖，在計算機控制下，將全息圖的透過率變化在成圖設備上成圖，再經(jīng)光學縮版得到實用的全息圖；⑤再現(xiàn)，需用光學方法再現(xiàn)出物光波2.計算全息的主要應用范圍

3.計算全息的優(yōu)點

可以記錄物理上不存在的虛擬實物，只要知道物體的數(shù)學表達式就可用計算全息記錄下這個物體的光波，并再現(xiàn)該物體的像。

①二維和三維物體像的顯示；②在光學信息處理中用計算全息制作各種空間濾波器；③產(chǎn)生特定波面的光波用于全息干涉計量；④激光掃描器；⑤數(shù)據(jù)存貯。

4.9.4數(shù)字全息圖數(shù)字全息圖利用光敏電子成像器件（CCD）代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學全息中記錄材料（干板和軟片）實現(xiàn)全系的記錄，并用計算機模擬光學衍射過程來實現(xiàn)所記錄波前的再現(xiàn)，從而使全息信息的記錄、存儲、處理和再現(xiàn)真正實現(xiàn)數(shù)字化。1.數(shù)字全息圖的制作和再現(xiàn)過程主要步驟①抽樣，物光波與參考光波在CCD上表面發(fā)生干涉，干涉圖樣的光強被CCD記錄并抽樣；②量化，由數(shù)據(jù)采集卡采集抽樣數(shù)據(jù)并進行模/數(shù)轉(zhuǎn)化和量化，得到離散的數(shù)據(jù)信息；③量化數(shù)據(jù)的獲取和處理，由計算機獲取離散的數(shù)據(jù)信息，進行噪聲抑制、干擾項消除、對比度增強等處理；④成圖，由計算機的內(nèi)存儲器保存預處理的數(shù)據(jù)，形成數(shù)字化全息圖；⑤再現(xiàn)，由計算機模擬光學全息的再現(xiàn)過程4.9.5激光全息三維顯示的優(yōu)點（1）由于全息照相記錄了物光波的全部信息，其再現(xiàn)像就和原來的物體一模一樣，是一個十分逼真的立體像；（2）激光的全息照片的每一部分，無論有多小，都能再現(xiàn)原物體的整個圖像。（3）同一張底片上，適當選擇參考光波的入射角，可多次曝光記錄多個物體的信息，再現(xiàn)像不受其他物像的干擾，被單獨的顯示出來。（4）存在幾種白光再現(xiàn)全息圖。

防偽硬包裝煙盒

軟包裝防偽樣品袋

軟包裝樣品袋

軟包裝樣品袋

全息與熒光油墨

印刷復合

全息防偽煙標

復合標識

全息隱形加密與溫變

油墨印刷復合4.9.6激光全息三維顯示的應用（1）防偽新技術(shù)中的激光全息顯示。

4.9.7激光全息三維顯示技術(shù)的展望（2）大面積顯示全息圖和全息顯示一體化產(chǎn)品的研制。

目前的產(chǎn)品存在兩個問題：一是面積太小，作為高檔次藝術(shù)掛圖必需制作大面積全息圖，這對全息記錄材料和圖像制作技術(shù)提出了挑戰(zhàn)；二是全息圖的顯示必須在室內(nèi)裝有白熾燈或激光器并以特定的角度照明