现代光学系统第五章

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1、光学全息光学全息主讲人：徐世祥主讲人：徐世祥本章是信息光学的基础，重点是全息术的基本原理，傅立叶本章是信息光学的基础，重点是全息术的基本原理，傅立叶变换全息；要求学生掌握基本原理，实现各种全息图的方法变换全息；要求学生掌握基本原理，实现各种全息图的方法及其特点及其特点.教学内容教学内容教学目的和要求教学目的和要求光学全息基本原理光学全息基本原理同轴和离轴全息图同轴和离轴全息图基元全息图基元全息图傅立叶变换全息图傅立叶变换全息图体积全息、计算全息体积全息、计算全息全息术的应用全息术的应用5-0 概述概述 普通感光片普通感光片: :只能记录光波的振幅只能记录光波的振幅( (光强光强) )，不能记录

2、相，不能记录相位，不能真实地重现原来的物光波，图像缺乏立体感。位，不能真实地重现原来的物光波，图像缺乏立体感。 全息术全息术: :同时记录光波的振幅信息和相位信息并使光波同时记录光波的振幅信息和相位信息并使光波重现的技术；能真实地重现原来的物光波，图像有极强重现的技术；能真实地重现原来的物光波，图像有极强的立体感。为使只能记录光强的感光片能把相位信息记的立体感。为使只能记录光强的感光片能把相位信息记录下来，必须把相位信息转换成光强形式，通常用干涉录下来，必须把相位信息转换成光强形式，通常用干涉法达此目的。法达此目的。 全息感光板可重复使用，记录多个图象信息全息感光板可重复使用，记录多个图象信息

3、。一张全息的一张全息的信息量相当信息量相当100100张或张或10001000张普通照片。张普通照片。 全息技术应用广泛，全息技术应用广泛，如：全息三维显示、全息防伪标识、如：全息三维显示、全息防伪标识、全息显微术、全息信息存储等。全息显微术、全息信息存储等。 全息术的基本思想：波前记录与波前再现。全息术的基本思想：波前记录与波前再现。5-1 全息照相的基本原理全息照相的基本原理全息图的记录全息图的记录全息图的再现全息图的再现 记录介质只对光强有响应，不能记录波前携带的位相信息，记录介质只对光强有响应，不能记录波前携带的位相信息，只有使位相的空间调制转换为强度的空间调制才可能实现完只有使位相的

4、空间调制转换为强度的空间调制才可能实现完整信息的波前记录整信息的波前记录干涉法可实现这一转换。干涉法可实现这一转换。( )( )*( , )( )( , )( )( , )( , )( , )( , )( , )ORirtOirtRO r tA r eR r tA r eA r tO r tR r tI rA r t A r t物光复振幅：参考光复振幅：记录介质上的总光场为：对应的总光强为( )=一、波前记录：干涉记录一、波前记录：干涉记录记录介质上的总光强为：记录介质上的总光强为：22( )( , ) *( , )2cos( , )( , )RoI rA x y Ax yORO Rx yx

5、y物光波被记物光波被记录的强度录的强度参考光波被参考光波被记录的强度记录的强度物光波与参考光物光波与参考光波间的干涉效应波间的干涉效应条纹对比度：条纹对比度：条纹形状：条纹形状：全息图实际上就是干涉图：第三项是干涉项，在干涉条纹的全息图实际上就是干涉图：第三项是干涉项，在干涉条纹的幅值以及条纹位置信息中包含有物光振幅和位相的信息，它幅值以及条纹位置信息中包含有物光振幅和位相的信息，它们分别受到参考光振幅和位相的调制。们分别受到参考光振幅和位相的调制。( , )( , )Rox yx y222 ORVOR怎样记录物体的干涉信息？怎样记录物体的干涉信息？ 常用的记录介质是银盐感光胶片，对两个波前的

6、干涉图样常用的记录介质是银盐感光胶片，对两个波前的干涉图样曝光后，经显影处理得到全息图。曝光后，经显影处理得到全息图。 记录介质的作用相当于线性变换器，它把曝光时的入射光记录介质的作用相当于线性变换器，它把曝光时的入射光强线性地变换为显影后的振幅透过率分布。强线性地变换为显影后的振幅透过率分布。 全息图振幅透过率与光强成正比：全息图振幅透过率与光强成正比：足够的相干长度：相干长度必须大于记录物体的信息跨度。足够的相干长度：相干长度必须大于记录物体的信息跨度。00,x yI x y为常数，与底片曝光和显影过程有关，为底片灰度有关。l 照相底板照相底板：以平板玻璃或胶片为底片：以平板玻璃或胶片为底

7、片, ,涂上卤化银涂上卤化银( (溴化溴化银银) )晶粒的乳剂作为感光层。晶粒的乳剂作为感光层。l 曝光曝光：当光照射后分解出银离子：当光照射后分解出银离子, ,形成不可见的潜影中心。形成不可见的潜影中心。l 显影显影：在显影液中含有潜影中心的溴化银很快还原为黑：在显影液中含有潜影中心的溴化银很快还原为黑色的金属银；未经受光作用的溴化银还原极慢。色的金属银；未经受光作用的溴化银还原极慢。l 定影定影：将未还原的溴化银溶解于水从乳剂中除去。：将未还原的溴化银溶解于水从乳剂中除去。l 曝光量曝光量：曝光过程中记录介质表面上单位面积所接受的：曝光过程中记录介质表面上单位面积所接受的能量。能量。I(x

8、,y) t （光强（光强 时间时间）l 强度透过率强度透过率：透过光强：透过光强/入射光强。入射光强。l 光密度光密度：表示显影、定影后底片上单位面积的含银量。：表示显影、定影后底片上单位面积的含银量。它与强度透过率倒数的对数成正比。它与强度透过率倒数的对数成正比。2 hel CCD记录：记录：数值再现。数值再现。用原参考光波照明全息图时，全息图的透射光场分布为：用原参考光波照明全息图时，全息图的透射光场分布为：二二 波前再现：衍射再现波前再现：衍射再现220*123( , )( , ) ( )()*recAr tR r trRORRRORR OEEE本底，不含相位信息。本底，不含相位信息。2

9、210()EROR再现光与原参考光波的传输再现光与原参考光波的传输方向与波前分布都相同！方向与波前分布都相同！2*ERRO1 1 用原参考光波照明用原参考光波照明衍射光，含相位信息，但与原物波的不同。衍射光，含相位信息，但与原物波的不同。在原物的位置在原物的位置上得到虚像。上得到虚像。*3ERR O衍射光，含相位信息，如果原参考波振幅衍射光，含相位信息，如果原参考波振幅分布均匀分布均匀, ,其振幅与原物波的成正比，位相其振幅与原物波的成正比，位相和传输方向也与原物波的一致。和传输方向也与原物波的一致。2 2 用原参考光波的共轭照明用原参考光波的共轭照明用原参考光波的共轭照明全息图时，全息图的透

10、射光场用原参考光波的共轭照明全息图时，全息图的透射光场分布为：分布为：参考光波面应均匀！参考光波面应均匀！22*0*123( , )( , ) ( )()*recAr tRr trRORR R OR ROEEE对重现光的偏振态有什么要求？对重现光的偏振态有什么要求？物光的共轭波物光的共轭波三三 全息图记录和再现小结全息图记录和再现小结 胶片经线性处理，波前再现时又使全息图上的强度调制信胶片经线性处理，波前再现时又使全息图上的强度调制信息还原为波前的振幅和位相调制信息息还原为波前的振幅和位相调制信息, 这是衍射效应的结果这是衍射效应的结果, 此时的胶片就相当于光栅；此时的胶片就相当于光栅； 借用

11、通信术语，波前记录和再现也是借用通信术语，波前记录和再现也是“编码编码”和和“解码解码”的过程；的过程； 波前记录是一种干涉效应，它使振幅和位相调制的信息变波前记录是一种干涉效应，它使振幅和位相调制的信息变换为干涉图的强度调制信息；换为干涉图的强度调制信息； 由于波前再现产生了物体的虚像或实像，全息术是一个两由于波前再现产生了物体的虚像或实像，全息术是一个两步成像过程，它不需要使用透镜；步成像过程，它不需要使用透镜； 全息术是基于光的干涉和衍射现象，系统就应满足一定的相全息术是基于光的干涉和衍射现象，系统就应满足一定的相干要求：干要求： 1）激光具有足够的时间相干性和空间相干性；）激光具有足够