全息照相基本原理.ppt

光學(xué)全息,全息照相概述,全息照相原理是1948年Dennis Gabor 為了提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)而提出的。“全息”是指物體發(fā)出的光波的全部信息：既包括振幅或強(qiáng)度，也包括相位。 普通照相技術(shù)是利用了光能引起感光乳膠發(fā)生化學(xué)變化的原理，變化的強(qiáng)度隨入射光強(qiáng)的增大而增大。普通照相使用透鏡成像原理，底片上化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度直接由物體各處的明暗決定，即由入射光波的強(qiáng)度決定。,人眼能夠識(shí)別物體的三維立體圖象，是借助物光波的主要特征參量振幅、波長(zhǎng)和相位對(duì)人體視覺的作用。,光波的振幅反映了光的強(qiáng)弱，給人眼以物體明暗的感覺； 光波的波長(zhǎng)反映了光波的頻率，給人眼以色彩的感覺； 光波的相位反映了光波等相位面的形狀，給人以立體的感覺。,.1 全息照相的原理 ( Principle of holography ),一. 全息照相如何記錄物光波的振幅和相位？,一般情況下，當(dāng)兩束相干光的位相相同時(shí)，合成光源的振動(dòng)（相應(yīng)的光強(qiáng)）就增強(qiáng)，反之，光波的振動(dòng)就減弱。 而光的位相是隨位置變化的，因此，光波的振動(dòng)增強(qiáng)和減弱也隨位置而變化。這樣，在兩束光的交疊處就產(chǎn)生強(qiáng)弱相間的干涉條紋。條紋的分布情況反映了合成光波的位相在不同位置的變化情況。 因此，利用兩束光的干涉所產(chǎn)生的干涉條紋可以有效地把位相的變化情況記錄下來(lái)，全息攝影就是利用光的干涉把景物散射光波以干涉條紋的形式，即把光波的振幅和位相記錄在感光材料上，也就是說(shuō)，把物體的全部信息都記錄下來(lái)，因而具有獲得立體圖像的許多優(yōu)點(diǎn)。,利用干涉和衍射原理，將物光波的特征參量振幅和相位以干涉條紋的形式記錄下來(lái)，并在一定條件下使其再現(xiàn)，從而形成與原物體逼真的立體圖象。,全息照相的過(guò)程分兩步：全息記錄和全息再現(xiàn)。,二. 全息照相的過(guò)程,拍攝全息照片的基本光路大致如圖。 一激光光源（波長(zhǎng)為 ）的光分成兩部分：直接照射到底片上的叫參考光；另一部分經(jīng)物體表面散射的光也照射到照相底片，稱為物光。參考光和物光在底片上各處相遇時(shí)將發(fā)生干涉，底片記錄的即是各干涉條紋疊加后的圖像。,關(guān)于強(qiáng)度：顯然參考光各處的強(qiáng)度是一樣的，但由于物體表面的反射率不同，所以物光的強(qiáng)度各處不同。因此，參考光和物光疊加干涉時(shí)形成的干涉條紋各處濃淡也就不同。,二. 全息照相的過(guò)程,（一）記錄,物光波的記錄過(guò)程是一個(gè)光波的干涉過(guò)程。,如圖，設(shè)記錄平面為xy平面，該平面上物光波的復(fù)振幅分布為：,參考光波在記錄平面上的復(fù)振幅分布為：,兩相干光波在記錄平面上的合光場(chǎng)的復(fù)振幅分布為：,所以，合光場(chǎng)的光強(qiáng)分布為：,第1項(xiàng)是物光波在記錄平面上造成的強(qiáng)度分布，它不均勻，但實(shí)驗(yàn)上一般讓它比參考光波弱很多。,第2項(xiàng)是參考光波在記錄平面上造成的強(qiáng)度分布，因?yàn)橐话悴捎煤?jiǎn)單的平面波或球面波作為參考光，因此，該項(xiàng)近似為常數(shù)，即光斑均勻。,第3項(xiàng)是物光波和參考光波的交叉項(xiàng)。它是物光與參考光的干涉圖樣，包含了振幅和相位的信息。,用記錄介質(zhì)將它們記錄下來(lái)，就是一張全息圖！,記錄介質(zhì),記錄介質(zhì)一般使用 全息干板。,玻璃基板上涂敷鹵化銀乳膠，乳膠的顆粒很小，密度大，保證干板的高分辨率。,全息干板的作用相當(dāng)于一個(gè)線性變換器。它將曝光期間的入射光強(qiáng)線性地變換為顯影后負(fù)片的振幅透過(guò)率。如圖：,必須將曝光量變化范圍控制在t-E曲線的線性段內(nèi)。,全息圖的復(fù)振幅透過(guò)率可以記為：,-未曝光時(shí)的干板透過(guò)率。,-t-E曲線上直線部分的斜率，稱為全息感光度。,-曝光時(shí)間,假定參考光在整個(gè)記錄表面上是均勻的，有,其中tb表示均勻偏置透過(guò)率。,曝光后的干板經(jīng)過(guò)顯影、定影處理后，就得到全息照片。全息照片呈現(xiàn)出來(lái)的是干涉條紋，不是物體的像。,（二）再現(xiàn),觀察全息照片的光路如圖：,設(shè)用復(fù)振幅分布為 的相干光束作為參考光，,部分入射光束透過(guò)干板產(chǎn)生衍射，絕大部分光被乳膠吸收，少部分被反射。,將合光強(qiáng)的分布表達(dá)式代入，有,此式表示了全息照相再現(xiàn)過(guò)程的基本方程。,下面分析再現(xiàn)過(guò)程：,再現(xiàn)照明光束采用原相干參考光束 （ ）,上式中各個(gè)量的物理意義見圖：,u1：代表再現(xiàn)照明光束經(jīng)過(guò)全息照片后的透射波，透射率為tb，即全息圖再現(xiàn)中的零級(jí)衍射波。,u2：由于A02是物光波振幅的平方，即物光波在干板上的光強(qiáng)分布，它在全息圖上呈現(xiàn)一種“散斑”的圖象，稱為散斑衍射暈。,u3：代表了 級(jí)衍射光波，與原物光波相比，它多了 這個(gè)常系數(shù)，因而u3與原物光波具有相同的相位，而振幅僅相差一個(gè)常數(shù)。,u3這一項(xiàng)準(zhǔn)確再現(xiàn)了原物光波的信息，它給人體的視覺與物光波完全相同，其反向延長(zhǎng)線構(gòu)成原物的虛象。,u4：代表了-1級(jí)的衍射波，,而原物光波,u4與原物光波的相位信息相差一個(gè)負(fù)號(hào)，表明再現(xiàn)物光波與原物光波共軛。對(duì)于波面而言，如果原物光波發(fā)散，則再現(xiàn)物光波是會(huì)聚的，它將構(gòu)成一個(gè)實(shí)贗像。,全息圖什錦,英女王的全息照片,6.2 同軸全息與離軸全息,一. 同軸全息圖,1. 記錄光路,被拍攝的物體：必須高度透明，如幻燈片、照相負(fù)片等.,當(dāng)這樣一個(gè)物體被準(zhǔn)直相干光源照明時(shí)，透射光由兩部分組成： （1）由t0 項(xiàng)透過(guò)的一個(gè)強(qiáng)而均勻的平面波； （2）由透射率變化 形成弱的散射波。,用公式可以表示為：,平均透射率，相當(dāng)于參考光，即上圖的直接透射波。,表示在平均透射率上下的變化，相當(dāng)于物光波，即圖中的衍射波。,在線性記錄條件下，所得到的全息圖的振幅透過(guò)率為：,全息干板記錄下來(lái)后，經(jīng)過(guò)顯影、定影，即得到全息圖！,投射到離物體距離為z0處的照相底片上的光強(qiáng)為：,注：因?yàn)镽具有均勻性，因此用R表示參考光即可，不寫R(x,y)。,2. 再現(xiàn)光路,用振幅為C的平面波垂直入射全息圖，則透射光場(chǎng)為：,U1是直接通過(guò)透明底片的平面波，它受到均勻衰減而未受散射；,U3表示正比于原始散射波 ，看起來(lái)是從原始物體的一個(gè)虛象發(fā)出的，如圖所示。,U4正比于O*(x,y) ，它將形成一個(gè)實(shí)象，位于透明底片和虛象相反的另一面，離底片的距離為z0。,結(jié)論：同軸全息圖同時(shí)產(chǎn)生物體透射率變化 的實(shí)象和虛象，兩個(gè)像的中心都在全息圖的軸上。我們將這兩個(gè)像稱為孿生像。它們相隔距離為2z0，并且有一個(gè)相干背景伴隨出現(xiàn)。,3. 同軸全息圖的局限性,（1）最大的局限是這種全息圖要求被拍攝物體的透明度很高，因此，用一張同軸全息圖，只能對(duì)透明的背景上的不透明字母這樣的物體實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)。,透明的背景上的不透明字母,不透明背景上的透明字母,（2）產(chǎn)生不可分離的孿生像。當(dāng)對(duì)實(shí)像聚焦時(shí)，總是伴隨一個(gè)離焦的虛像；同樣，對(duì)虛像聚焦時(shí)，總是伴隨一個(gè)離焦的實(shí)像。,（3）直接透過(guò)透明片的平面波，大大降低了像的反襯度。,二. 離軸全息圖,1. 記錄光路,由美國(guó)的利思、烏帕特立克斯首先提出。,準(zhǔn)直光束一部分直接照射到物體上，物體的透過(guò)率為 ；,另一部分照射到物體上方的棱鏡，以傾角 偏折到全息底片上。,其中參考光波的空間頻率為,因此，底片上的強(qiáng)度分布為,把O(x,y)表示為振幅和相位分布,則有,滿足線性記錄條件下，得到的全息圖的復(fù)振幅透過(guò)率為,經(jīng)過(guò)顯影、定影后，得到全息圖！,2. 再現(xiàn)光路,把一束振幅為C的均勻平面波垂直入射到全息圖，如圖示，透射光場(chǎng)為,3.離軸全息的優(yōu)點(diǎn),由于采用了具有一偏角的參考光束，所以再現(xiàn)原物時(shí)，O和O*有不同的傳播方向，使得虛像、實(shí)像在方向上相互偏離，并且還與U1、U2分開。,要成功地分離實(shí)像和虛像，必須選擇合適的參考角 ，使,4. 孿生像完全分離的條件,不考慮全息圖本身的有限孔徑。 再現(xiàn)光波采用最簡(jiǎn)單的單位振幅平面光波垂直入射，即C=1，有,假設(shè)物體的最高空間頻率為B周/mm，于是頻譜G0如圖所示。,條件： 時(shí)，G3和G4才不會(huì)與G1、G2重疊。,當(dāng)參考光比物光強(qiáng)得多時(shí)，這個(gè)要求可以減弱一些。從物理上來(lái)看，G2項(xiàng)是由物體上每一點(diǎn)和物體上所有其他點(diǎn)的光干涉產(chǎn)生的，而G3和G4項(xiàng)都是參考光和物光的干涉所引起。當(dāng)物光大大弱于參考光時(shí)，G2項(xiàng)比G1、G3和G4小得多，可以忽略不計(jì)。這時(shí)，最小參考角只要使G3和G4互相分離即可，即：,推廣的離軸全息光路裝置,6.3 各種全息圖,一. 全息圖的分類,全息圖的類型可以從不同的觀點(diǎn)來(lái)分類，一般有以下六種分法：,1. 按制作全息圖的方法,光學(xué)記錄全息圖采用在感光材料上記錄參、物光波干涉條紋的方法； 計(jì)算機(jī)制作全息圖先用計(jì)算機(jī)計(jì)算出全息圖上抽樣點(diǎn)參考光和物光疊加后的復(fù)振幅，然后用一種編碼技術(shù)，用計(jì)算機(jī)繪圖儀繪制全息圖，再用精密照相機(jī)縮小到應(yīng)有的尺寸。,2. 按全息圖復(fù)振幅透射系數(shù),振幅型全息圖 相位型全息圖 混合型全息圖,3. 按全息圖結(jié)構(gòu),透射全息圖物光波和參考波自記錄介質(zhì)的同一側(cè)入射。 反射全息圖物光波和參考波自兩側(cè)入射在記錄介質(zhì)上。,4. 按參考光波和物光波的主光線方向,同軸全息圖 離軸全息圖,5. 按物體衍射光場(chǎng),通常全息記錄過(guò)程中物體被光波照射，產(chǎn)生衍射光波。衍射光場(chǎng)有三種類型： 索末菲全息圖 菲涅耳全息圖 夫瑯和費(fèi)全息圖,6. 光纖全息術(shù),利用光纖和光纖束作為傳光和傳輸像的元件，拍攝全息圖，叫做光纖全息術(shù)。,二. 基元全息圖,基元全息圖由單一物點(diǎn)發(fā)出的光波與參考光波干涉構(gòu)成的全息圖。 一般可以分為下列（a）、（b）、（c）和（d）四種情況：,（a）平面波與平面波的干涉，形成的條紋平行等間距，面間距與夾角有關(guān)；,Page 235-236,對(duì)記錄介質(zhì)分辨率的要求：,光柵的頻率：,物體可以看成是點(diǎn)源的線性組合。,下面討論點(diǎn)源全息圖：,1. 記錄,物光 參考光 均發(fā)出球面波。,由于全息干板H 放置在菲涅耳衍射區(qū)內(nèi)，球面波可以近似描述，有,H 平面上的物光波,參考光波,所以，記錄平面H 上的復(fù)振幅分布為,光強(qiáng),全息圖的透過(guò)率為,2. 再現(xiàn),再現(xiàn)光波為球面波，波長(zhǎng)為 ，如圖：,在再現(xiàn)光的照射下，透射光由4項(xiàng)組成。,其中最重要的是第3項(xiàng)和第4項(xiàng)。,上面兩個(gè)式子，結(jié)構(gòu)相似。二次項(xiàng)表示的是球面波的相位因子；一次項(xiàng)表示傾斜傳播的平面波的相位因子。,上述表達(dá)式具有的標(biāo)準(zhǔn)形式為：,因此，可以寫出像點(diǎn)的坐標(biāo)：,3. 幾種特殊情況的討論,有了前面一般性的討論，我們?cè)诮鉀Q實(shí)際問題時(shí)，可以將條件代入，得到相應(yīng)的結(jié)果，即計(jì)算出全息圖成像的位置。,（1）再現(xiàn)光波是原參考光波，即,代入前面得到的像點(diǎn)坐標(biāo)公式，有,及,當(dāng) ，分量波U3產(chǎn)生物點(diǎn)的虛像； ，產(chǎn)生物點(diǎn)的實(shí)像。,分量波U4產(chǎn)生物點(diǎn)的一個(gè)虛像，位于物點(diǎn)處，是物點(diǎn)的準(zhǔn)確再現(xiàn)。,（2）再現(xiàn)光波是原參考光波的共軛，即,有,及,分量波U3產(chǎn)生物點(diǎn)的實(shí)像，這個(gè)像點(diǎn)與物點(diǎn)關(guān)于全息圖鏡面對(duì)稱。,分量波U4產(chǎn)生物點(diǎn)的虛像，也可以產(chǎn)生實(shí)像。,(3)參考光波和再現(xiàn)光波是沿z軸傳播的完全一樣的平面波，即,則有,此時(shí)得到兩個(gè)像點(diǎn)，一個(gè)實(shí)像，一個(gè)虛像，它們位于全息圖的兩側(cè)，對(duì)稱分布。,二. 傅立葉變換全息圖,傅立葉變換全息圖當(dāng)記錄介質(zhì)接收到的光波場(chǎng)是物光波的傅立葉變換時(shí)，所記錄下來(lái)的全息圖稱為傅立葉變換全息圖。,1. 記錄,設(shè)物光分布為 ，則其頻譜為,式中：空間頻率 , 是透鏡焦距。,參考光可以是平行光，也可以是點(diǎn)光源，這里以平行光為例。,產(chǎn)生平行光的點(diǎn)光源位置：位于物平面上點(diǎn)（0，-b）處。,點(diǎn)光源的復(fù)振幅分布為：,它在透鏡的后焦平面上形成的頻譜為：,因此，后焦面上光場(chǎng)分布（即照射到全息底片上的光場(chǎng)）為：,光強(qiáng)：,全息圖的復(fù)振幅透過(guò)率為,2. 再現(xiàn),用振幅為C的平面波垂直照射全息圖，得到透射光波的復(fù)振幅為：,1、2項(xiàng)與物光再現(xiàn)沒有直接關(guān)系； 第3項(xiàng)：與物光 的傅立葉頻譜成正比； 第4項(xiàng)：與物光 的傅立葉共軛頻譜成正比。,因此，要得到物體的再現(xiàn)像，必須在全息圖的后方放置透鏡，并且使全息圖恰好放置在透鏡的前焦平面上。,推導(dǎo)后焦面上的光場(chǎng)分布：,計(jì)算結(jié)果：,表示直接透射光經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚在像面中心產(chǎn)生的亮點(diǎn)；,形成焦點(diǎn)附近的一種暈輪光；,原始像的復(fù)振幅，中心位于反射坐標(biāo)系的 處；,共軛像的復(fù)振幅，中心位于反射坐標(biāo)系的 處；,注意事項(xiàng)：如果物體在y方向的寬度為wy，為了避免再現(xiàn)像與暈輪光重疊，必須滿足：,三. 像全息圖,像面全息圖也是一種離軸全息圖，它記錄的是物體本身或物體成像的光場(chǎng)分布。一般來(lái)說(shuō)，如果物體靠近記錄底片，不便于引入?yún)⒖脊?。因此，通常采用成像方式產(chǎn)生像光波。,1. 記錄方法,（1）透鏡成像法,（2）二次記錄全息圖法,步驟1. 在全息底片H1上記錄物體的菲涅耳全息圖；,步驟2. 利用共軛參考光照明H1，再現(xiàn)實(shí)像，將全息底片H放在實(shí)像處記錄像面全息圖。,像面全息的主要特點(diǎn)：可以利用擴(kuò)展的白光光源照明再現(xiàn)。,主要應(yīng)用：全息顯示。,為什么像面全息圖可以用白光來(lái)觀察？,普通的全息圖，記錄的是離軸部分的波帶片，由于條紋間隔小，白光中各種不同的波長(zhǎng)會(huì)造成高色散，從而導(dǎo)致像模糊。,像面全息記錄的是波帶片的中心部分，條紋間隔較大，色散減小。如果物體嚴(yán)格位于全息底片上，那么再現(xiàn)像也位于全息圖平面上，則表現(xiàn)為消色散。因此，用白光作為再現(xiàn)光源，也能得到質(zhì)量較好的像。,再現(xiàn)光源的寬度和光譜跨度對(duì)像全息的影響,（）再現(xiàn)光源寬度對(duì)再現(xiàn)像的影響,（）再現(xiàn)光源光譜寬度對(duì)再現(xiàn)像的影響,四. 彩虹全息圖,利用記錄時(shí)在光路的適當(dāng)位置加狹縫，再現(xiàn)時(shí)同時(shí)再現(xiàn)狹縫像，從而限制觀察者的眼睛觀察全息圖的角度。,特點(diǎn)：可以白光再現(xiàn)，即用白光來(lái)觀察全息像。,實(shí)現(xiàn)彩虹全息圖的方法：,二步彩虹全息,一步彩虹全息,二步彩虹全息,1. 拍攝物O的三維全息圖H1作為母全息圖或掩膜（如圖（a）；,2. 用R光的共軛光R*照明H1得到物O的共軛贗像O*，以 O*作為物光，引入另一個(gè)參考光R和一條狹縫制作彩虹全息圖H，（如圖（b）。,注意：狹縫S在此放置的位置及所起的作用。 位置：在H1和H之間； 作用：限制了衍射光束，H實(shí)際上記錄了許多窄條狀的全息圖，其寬度為 。,3. 彩虹全息圖的再現(xiàn),用共軛參考光R*再現(xiàn)全息圖H，產(chǎn)生第二次贗像。 第二次贗像中包括了原物的像和狹縫的像。 當(dāng)人的眼睛位于狹縫的像處（如圖S），則可以看見完整的再現(xiàn)像。 如果用白光點(diǎn)光源照明，物體和狹縫的再現(xiàn)像將因波長(zhǎng)的不同而變化，在不同波長(zhǎng)狹縫像的位置看到不同顏色的像。,一步彩虹全息,一步彩虹全息的記錄光路是在全息底片與物體之間插入一個(gè)成像透鏡和一個(gè)水平狹縫，把物體和狹縫的像一次記錄下來(lái)，由于狹縫放置的位置不同，一步彩虹全息圖的記錄光路有兩種：贗像記錄光路和真像記錄光路。,從本質(zhì)上講，一步彩虹全息和二步彩虹全息毫無(wú)區(qū)別。,彩虹全息的本質(zhì)：在觀察者與物體的再現(xiàn)像之間形成一個(gè)狹縫像，使觀察者通過(guò)狹縫像來(lái)看物體的像，以實(shí)現(xiàn)白光再現(xiàn)單色像。,贗像記錄光路和再現(xiàn),記錄光路,再現(xiàn)光路,2. 真像記錄光路和再現(xiàn),記錄光路,再現(xiàn)光路,彩虹全息的像質(zhì)討論,（1）像的單色性,彩虹全息用白光照明再現(xiàn)的單色像與激光照明再現(xiàn)的單色像有所不同。它包含一個(gè)小的波長(zhǎng)范圍 ，設(shè)在某一固定位置所觀察到的單色像的波長(zhǎng)范圍是從 到 ，則,稱為像的單色性。,設(shè)狹縫的寬度為a，狹縫與全息圖的距離為zs，人眼瞳孔直徑為D，參考光與物光的夾角為 。則,由此式可以得知：參考光與物光的夾角越大，觀察距離越遠(yuǎn)，狹縫越窄，則像的單色性越好。,（2）像的分辨率,彩虹全息要引入一條狹縫，狹縫的存在會(huì)引起邊緣分辨率的損失。設(shè)記錄的相干光源波長(zhǎng)為 ，狹縫與全息底片之間的距離為s，全息底片與點(diǎn)像之間的距離為d，狹縫的寬度為a，則分辨率（最小分辨距離）為,從此式可以看出，分辨率與再現(xiàn)光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，它正比于物像的位置以及狹縫像與全息底片之間的距離，反比于狹縫像的寬度。當(dāng)分辨率小于一定值產(chǎn)生像模糊，像模糊隨分辨率的減小而增大，即隨狹縫寬度的減小而增大。,（3）像的色模糊,當(dāng)彩虹全息用共軛白光照明時(shí)，再現(xiàn)的狹縫存在有限的波長(zhǎng)展開 ，這就引起色模糊。色模糊定義為全息像的彌散距離，經(jīng)計(jì)算，有,色模糊,式中z0是贗像與H之間的距離。可見，狹縫與全息圖距離越遠(yuǎn)，則像的色模糊量越小。,從上面的討論可以看出： 第一：狹縫是彩虹全息的一個(gè)關(guān)鍵元件，再現(xiàn)出的狹縫像在觀察者的眼前起到準(zhǔn)單色濾光鏡的作用。 至于狹縫的寬度，采取折衷的方案?？p的寬度越小，再現(xiàn)像的色模糊越小，但分辨率也下降。當(dāng)縫寬小到一定程度時(shí)，縫的衍射效應(yīng)使得分辨率大大下降，使像模糊大大增加，同時(shí)物光也被衰減得太弱。 第二：使得彩虹全息再現(xiàn)像發(fā)生色模糊、像模糊的共同原因是實(shí)像到全息底片的距離變大。因此，對(duì)z0的大小應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，一般在10cm以內(nèi)。,五. 相位全息圖,分兩種類型：,表面浮雕型記錄物質(zhì)的厚度改變，折射率不變。,折射率型記錄物質(zhì)厚度不變，折射率改變。,六. 模壓全息圖（全息印刷術(shù)）,模壓全息的制作過(guò)程,模壓全息圖的制作過(guò)程可以分為三個(gè)階段，即白光再現(xiàn)浮雕型全息圖的制作、模壓金屬模板和模壓復(fù)制 。,模壓全息圖要在白光下再觀察，多采用彩虹全息圖作為全息的母版。 為了制作電鑄金屬模的母版，彩虹全息圖還必須記錄成相位型浮雕全息圖。 記錄介質(zhì)有多種，通常采用光致抗蝕劑。,(1) 浮雕全息圖的制作,(2) 電鑄金屬模板,電鑄金屬模板，簡(jiǎn)稱電鑄。電鑄也稱電成型，目的是將光致抗蝕劑母版上的精細(xì)浮雕全息干涉條紋精確地“轉(zhuǎn)移”到金屬鎳板上，以便于工作在模壓機(jī)上作為“印壓模板”對(duì)熱塑性薄膜進(jìn)行大批量復(fù)制。,(3) 模壓,模壓也稱壓印，即在一定壓力和溫度下，利用專用模壓機(jī)將鎳板上的全息干涉條紋印刷到聚氯乙烯等熱塑料薄膜上以制成模壓全息圖。再將模壓全息圖表面鍍鋁，使之成為反射再現(xiàn)全息圖，便于人們觀察。,七. 體積全息圖,平面全息圖感光乳膠層較薄，再現(xiàn)原理服從平面光柵衍射規(guī)律。 體全息圖感光乳膠層較厚（是條紋間距的若干倍），再現(xiàn)原理服從體光柵（布拉格）衍射規(guī)律。,按物光和參考光的入射方向和再現(xiàn)方式的不同，分為透射體積全息圖和反射體積全息圖兩種。,典型干板的乳膠厚度范圍：5-20mm； 有時(shí)條紋的間隔可以小到2-3mm，乳膠的厚度是條紋間隔的許多倍，那么，整個(gè)乳膠都將參與全息記錄和再現(xiàn)。,1. 透射體積全息圖,物光和參考光均為平面波，在全息底片的同一側(cè)入射。,記錄介質(zhì)內(nèi)振幅透過(guò)率為：,所以，在乳膠層內(nèi)，形成一組垂直于xz平面的體積光柵。,如果物光與參考光對(duì)稱于z軸，則光柵平面還垂直于x軸，光柵間距d為：,再現(xiàn)：,用平面光照明全息圖，體積光柵中的每個(gè)銀層相當(dāng)于一面反射鏡，如圖示。,相鄰銀層平面反射光波之間的光程差為,只有 是再現(xiàn)光波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，反射光波才能相干疊加，產(chǎn)生明亮的再現(xiàn)像。,布拉格條件,布喇格公式,同一晶面上相鄰原子散射的光波的光程差等于零 AD-BC= 0， 它們相干加強(qiáng)。若要在該方向上不同晶面上原子散射光相干加強(qiáng)，則必須滿足：,即當(dāng)2dsin=k時(shí)各層面上的反射光相干加強(qiáng)，形 成亮點(diǎn)，稱為 k 級(jí)干涉主極大。該式稱為布喇格公式。,因?yàn)榫w有很多組平行晶面，晶面間的距離 d 各 不相同所以，勞厄斑是由空間分布的亮斑組成。,1913年英國(guó)物理學(xué)家布喇格 父子提出一種簡(jiǎn)化了的研究 X射線衍射的方法，與勞厄 理論結(jié)果一致。,結(jié)論： 當(dāng)再現(xiàn)光波與參考光波相同時(shí)，再現(xiàn)波的傳播方向與物光的方向一致，這時(shí)，得到物體的虛像； 當(dāng)再現(xiàn)光波與參考光波方向相反時(shí)，再現(xiàn)波的傳播方向與物光的方向相反，這時(shí)，得到物體的實(shí)像。,體積全息圖的優(yōu)點(diǎn)： 當(dāng)照明光波的方向偏離布拉格條件時(shí)，衍射像很快消失，因此體積全息可用于多重記錄。,全息圖的衍射效率,定義,衍射效率：,全息圖的分類,(此公式適用于平面全息圖),振幅全息圖的衍射效率,1. 正弦型,振幅透過(guò)率,理想情況下，,則 達(dá)到最大范圍的變化幅度。,此時(shí)，用振幅為C0的平面波作為再現(xiàn)光波，則在透射光場(chǎng)中，正或負(fù)一級(jí)衍射光的強(qiáng)度為 ，若全息圖的面積為S，則,2. 矩形光柵型,零級(jí)： 1/2,級(jí)：,再現(xiàn)照明光是振幅C0的平行光，則,二. 相位全息圖的衍射效率,1. 正弦型,振幅透過(guò)率,根據(jù)貝塞爾函數(shù)定義：,有第1級(jí)的衍射效率為,因?yàn)?所以,2. 矩形相位光柵,三. 結(jié)論 1.相位全息圖的衍射效率比振幅全息圖高； 2.矩形函數(shù)光柵的衍射效率比正弦型的高； 因此，為了提高衍射效率，一般情況下都將拍攝好的全息圖進(jìn)行漂白處理，使之轉(zhuǎn)變成相位型全息圖。,5.5 光學(xué)全息的應(yīng)用,(1) 全息顯示（全息照相） (2) 全息干涉計(jì)量與無(wú)損檢測(cè) (3) 全息光學(xué)元件 (4) 全息顯微術(shù) (5)全息信息存儲(chǔ),() 全息顯示,用白光再現(xiàn)的象面全息，彩虹全息,模壓全息技術(shù)用于兩維，三維全息防偽制品,2-3種不同波長(zhǎng)的激光器拍出了真彩色全息圖,三維立體顯示且連續(xù)動(dòng)態(tài)的全息電影,(2) 全息干涉計(jì)量與無(wú)損檢測(cè),實(shí)現(xiàn)干涉計(jì)量的方法： 用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波前與一個(gè)變形物體產(chǎn)生的波前相比較。,普通干涉中獲得相干光的方法基本分成兩大類： 分振幅法和分波陣面法。 全息干涉的相干光則是采用時(shí)間分割法而獲得的，也就是將同一束光在不同的時(shí)刻記錄在同一張全息干板上，然后使這些波前同時(shí)再現(xiàn)并產(chǎn)生干涉。 時(shí)間分割法的特點(diǎn)是相干光束由同一光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生，因而可以消除系統(tǒng)誤差，從而可以降低對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)元件的精度要求，這也是全息干涉計(jì)量的一個(gè)很重要的特點(diǎn)。,具體做法： 首先記錄一張位相物體未變化時(shí)物光波標(biāo)準(zhǔn)波面的全息圖，將全息干板在原位直接進(jìn)行顯影、定影、漂白等處理； 然后用位相物體變化時(shí)的被測(cè)物光與參考光同時(shí)照射該全息圖，使直接透過(guò)全息圖的被測(cè)物光波和全息圖所再現(xiàn)的原始物光波相互干涉，從而獲得實(shí)時(shí)全息干涉圖。依據(jù)該干涉圖上條紋的變化情況確定被測(cè)物理量。,例子：用二次曝光法對(duì)文物進(jìn)行檢測(cè),原理：兩次曝光用同一參考光波(x,y)，第一次曝光時(shí)物光波為1(x,y),第二次曝光時(shí)的物光波為(x,y)假設(shè)兩者的振幅無(wú)變化，僅有相位改變，即：,第二項(xiàng)是兩次曝光時(shí)兩種物光波相干疊加的合成波， 第三項(xiàng)是上述合成波的共軛波,再現(xiàn)時(shí)所出現(xiàn)的原始像和共軛像中均有干涉條紋出現(xiàn)，這一干涉記錄了兩次曝光時(shí)物體形態(tài)的變化，從而推知兩狀態(tài)中各點(diǎn)位置的改變量,在對(duì)文物的檢測(cè)中，用加熱的方法使物體形變，光路如下：,從圖中可以明顯看出干涉條紋錯(cuò)開現(xiàn)象，此處正是物體的裂紋處,全息圖再現(xiàn)的干涉條紋照片,看文獻(xiàn)資料,(3) 全息光學(xué)元件（Holographic Optical Elements 縮寫：HOE）,普通光學(xué)元件：用光學(xué)玻璃、晶體或有機(jī)玻璃制成。 其功能基于光的直線傳播、光的反射、折射等幾何光學(xué)原理。,全息光學(xué)元件：用感光記錄介質(zhì)制成。 其功能基于衍射原理。 主要有：全息光柵、全息透鏡、全息掃描器、全息濾波器等。,全息光柵,通常采用雙光束干涉的方法。,見教材285頁(yè)圖7-47。,條紋間隔：,全息光柵的優(yōu)點(diǎn)：見教材286頁(yè)。,B全息透鏡,全息透鏡實(shí)際上就是點(diǎn)源全息圖?？梢杂猛S全息圖的記錄光路來(lái)制作。,設(shè)全息透鏡的焦距為f，有,記錄,成像作用,它同時(shí)起正、負(fù)透鏡的作用。,(4) 全息顯微術(shù),如果照明光的波長(zhǎng)比記錄光的波長(zhǎng)大得多，則對(duì)于,放大倍率為,(5)全息信息存儲(chǔ),全息存儲(chǔ)優(yōu)點(diǎn)是大容量，高密度，保密性好，可靠性高。,() 特征識(shí)別,() 防偽標(biāo)記,光圈轉(zhuǎn)動(dòng)型防偽商標(biāo),電腦光刻型防偽,透明鐳射防偽商標(biāo),常用方法：兩次曝光法，時(shí)間平均法，和實(shí)時(shí)法。,具體用途：測(cè)量各種振動(dòng)物體，熱源的溫度場(chǎng)，氣體的密度場(chǎng)，機(jī)翼的蜂窩結(jié)構(gòu)，導(dǎo)彈火藥柱外覆層，航空雷達(dá)罩膠結(jié)質(zhì)量。,設(shè)原始物光波O1和參考光波R(x,y)均為平面波，記錄平面（即 x,y平面）與物光波面平行。因此，這兩個(gè)光波的實(shí)振幅和物光波的位相因子都不隨x,y而變化。,設(shè)原始物光波的復(fù)振幅為：,參考光波的復(fù)振幅為：,設(shè)曝光時(shí)間為，則在線性記錄的條件下，全息圖的振幅透射系數(shù)：,其中，t0為未曝光時(shí)全息干板的透射系數(shù)，為全息感光度或綜合常數(shù)，上標(biāo)“*”表示對(duì)應(yīng)量的共軛復(fù)數(shù)（如O*表示O的共軛復(fù)數(shù)），,C= t0+Ar2+A02,實(shí)例1（封閉空間自然對(duì)流的光測(cè)）,實(shí)時(shí)再現(xiàn)時(shí)，用原參考光波R(x,y)與相位物體變化時(shí)的被測(cè)物光波O2同時(shí)照射全息圖，由于是位相物體，被測(cè)物光波O2(x,y)和原始物光波O1具有相同的實(shí)振幅，因此被測(cè)物光波的復(fù)振幅O2(x,y)為：,其中(x,y)為位相物體變化對(duì)光線干擾所產(chǎn)生的附加位相差。,實(shí)時(shí)再現(xiàn)時(shí)，在R(x,y)和O2共同照射下，全息圖衍射光波的復(fù)振幅為：,G(x,y)= R(x,y)+ O2(x,y)t(x,y) = C R(x,y)+ Ar2O1+R2(x,y)O1*+C O2(x,y) + O1O2(x,y)R*(x,y) +O1*O2(x,y) R(x,y),其中第2項(xiàng)和第4項(xiàng)代表了位相物體變化前后，原始物光波O1 與被測(cè)物光波O2(x,y) 的相互干涉項(xiàng)。它們形成的干涉條紋即為實(shí)時(shí)全息干涉圖。,用數(shù)碼攝像機(jī)或者數(shù)碼照相機(jī)記錄片光照射下煙的流動(dòng)軌跡；將煙排出再向上調(diào)整熱流體源的溫度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。,由于加熱圓管與周圍空氣的溫差，產(chǎn)生了自然對(duì)流，使圓管周圍空氣的折射率發(fā)生了變化，用該位相物體（即空氣）變化時(shí)的被測(cè)物光與參考光同時(shí)照射該全息圖，使直接透過(guò)全息圖的被測(cè)物光波和全息圖所再現(xiàn)的原始物光波相互干涉，從而獲得實(shí)時(shí)全息干涉圖。由于在本實(shí)驗(yàn)中，光波長(zhǎng)不變，折射率是溫度的單值函數(shù)，所以該全息干涉圖上的條紋既是等折射率線，也是等溫線，可定量確定。全息干涉圖如左圖。,實(shí)例2（兩次曝光法測(cè)定金屬板的楊氏模量）,實(shí)驗(yàn)光路如圖所示，激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡照射在干板上為參考光，透過(guò)干板后的光束經(jīng)鋁板反射后照射在干板上即為物光。首先在鋁板自由端未受力時(shí)作第一次曝光，干板上記錄了鋁板處于原始狀態(tài)時(shí)的全息圖，然后通過(guò)加力裝置對(duì)鋁板的自由端加力后作第二次曝光，干板上又記錄了鋁板受力變形后的全息圖。再現(xiàn)時(shí)同時(shí)復(fù)現(xiàn)鋁板兩個(gè)狀態(tài)下的物光波前，這兩個(gè)波前產(chǎn)生干涉，形成一簇等光程差的干涉條紋。如果能測(cè)出某一級(jí)亮紋或暗紋所在處沿鋁板縱軸方向的位置，即可計(jì)算出其楊氏模量。,此外采用全息干涉還可以通過(guò)表面的變化來(lái)檢測(cè)物體內(nèi)部的缺陷，這就是全息無(wú)損檢測(cè)。,