光学全息
光学全息实验报告
光学全息实验报告光学全息实验报告引言：光学全息是一种利用光的干涉和衍射原理记录并再现物体的三维形态的技术。
本实验旨在通过实际操作，深入理解光学全息的原理和应用，并通过实验结果验证理论模型的正确性。
一、实验目的本实验的主要目的是通过搭建光学全息实验装置，观察并记录物体的全息图像，并对全息图像进行分析和解读，以加深对光学全息原理的理解。
二、实验装置本实验所用的光学全息装置主要包括激光器、分束器、物体台、参考光源、全息板等。
其中，激光器用于产生单色、相干的光源；分束器用于将激光光束分为物体光和参考光；物体台用于放置待记录的物体；参考光源用于提供参考光束；全息板用于记录光的干涉和衍射信息。
三、实验步骤1. 准备工作：调整激光器、分束器和参考光源，使其正常工作并保持稳定的光源；2. 调整物体台和全息板的位置，使其与光路保持垂直；3. 将待记录的物体放置在物体台上，并调整物体的位置和角度，以获得清晰的全息图像；4. 调整全息板的位置和角度，使其与物体和光路保持一定的相对位置和角度；5. 打开激光器，使光束照射到物体上，同时参考光束照射到全息板上；6. 关闭激光器，取下全息板，并用显影液进行显影处理；7. 将显影后的全息板放置在光路中，观察并记录全息图像。
四、实验结果与分析通过本实验，我们成功记录了多个物体的全息图像，并对其进行了分析和解读。
在观察全息图像时，我们发现全息图像具有非常强的立体感，能够清晰地显示物体的三维形态和细节。
而且，与传统的二维图像相比，全息图像具有更广阔的视角和更真实的效果。
在分析全息图像时，我们发现全息图像中包含了物体的干涉和衍射信息。
通过对全息图像的放大和旋转，我们可以观察到干涉条纹的变化和衍射光的分布情况。
这些信息不仅可以用于还原物体的三维形态，还可以用于分析物体的光学特性和材料属性。
五、实验总结通过本次光学全息实验，我们深入了解了光学全息的原理和应用。
通过实际操作，我们成功记录了物体的全息图像，并对全息图像进行了分析和解读。
物理光学中的全息技术
物理光学中的全息技术全息技术是一项基于物理光学的科技，在我们的日常生活和工业中都有着广泛的应用。
具体来说，全息技术可以利用激光等光源，将物体的全息图像记录在照相底片或数字储存介质中，再通过光束的干涉和衍射来实现全息图像的再现。
本文将探讨物理光学中的全息技术，包括全息图像的记录方式、全息图像的再现原理，以及全息技术的实际应用等方面内容。
一、全息图像的记录方式在全息技术中，全息图像的记录方式主要有两种：透射全息和反射全息。
透射全息是将光源穿过物体，经过透镜后照到记录介质上。
此时透镜会将光束分成两部分，一部分与物体直接相交，被称为物光；另一部分则被透镜折射，与物光相交形成干涉图案，被称为参考光。
参考光和物光交汇后形成全息图像，可以通过激光光源再现。
反射全息则是将光源照射到物体表面，经过反射后再经摄像头或记录介质记录下来。
反射全息通常需要一定的条件，如物体需要有较为光滑的表面。
二、全息图像的再现原理全息图像的再现原理是依靠物体的光的干涉和衍射。
再现全息图像需要使用与记录时相同的波长的激光光源，将相应角度的光束照射到记录介质上。
照射到介质上的光经过干涉和衍射后，可以再现出原来的物体形象。
在再现全息图像时，需要用到解全息图的技术。
解全息图一般有两种方法，一种是使用去模糊技术，即通过复原模糊的进程来还原形象的细节；另一种是使用全息光学重建技术，即通过衍射和干涉来达到图象的重建。
三、全息技术的实际应用全息技术可以用于军事、医疗、艺术等许多领域。
在军事领域，全息技术可以被用于制造易于观察的瞄准器和防伪码。
在医疗领域，全息技术可以被用于制作3D样品和人体模型，有助于疾病的诊断和治疗。
在艺术领域，全息技术可以被用于制作全息画，如灯光装置、雕塑或装饰等。
此外，全息技术也被用于开发新型光存储器，储存数据可以达到很高的容量。
总之，全息技术是一项让光线变得更加神奇的科技。
随着技术的不断发展，全息技术的应用领域也将进一步扩大，带来更多意想不到的应用及其潜力。
全息光学技术在光学成像中的应用研究
全息光学技术在光学成像中的应用研究随着科技的不断发展，现代人们的生活越来越依赖于光学成像技术。
在这一过程中，全息光学技术作为一种先进的光学成像技术，正在被广泛应用于各个领域。
本文将详细介绍全息光学技术的原理及其在光学成像中的应用研究。
一、全息光学技术的原理全息光学技术是一种利用光的波动性进行光学成像的技术。
它的主要原理是通过在介质中记录物体的全息图像，然后再利用光源对全息图像进行恢复，从而实现对物体的三维成像。
具体来说，全息光学技术的实现需要经历三个步骤：第一步，全息图像的记录。
这里涉及到一个名为干涉的物理现象。
当两束光线在空间中相遇时会发生干涉现象。
应用这一原理，我们可以让一束来自光源的参考光线和另一束来自物体的物光线在某个介质中相遇，从而形成一个三维的干涉图案。
这个干涉图案就是物体的全息图像。
在记录全息图像的时候，我们需要用到全息板这种介质。
第二步，全息图像的重建。
这里同样涉及到两束光线的干涉现象。
在全息图像记录完成后，如果我们想要看到物体的三维图像，就需要让一束光线通过全息板，从而恢复出干涉图案。
这时候我们需要使用一个名为参考光的光源。
这个光源会发出一束与全息图像记录时使用的参考光相同的光线。
当这个光线通过全息板时，它会与全息图像产生干涉现象，从而形成一个与物体真实的图像高度相似的三维投影图像。
第三步，三维成像效果的提高。
全息光学技术在三维成像方面具有较高的效果，但同时也有其局限性。
为了提高成像效果，我们需要特别关注全息图像的记录。
一种常用的增强全息图像质量的方法是使用数字全息技术，即用计算机处理全息图像，并且用数字技术对它进行重建。
二、全息光学技术在光学成像中的应用研究随着全息光学技术的完善，它在各个领域的应用也越来越广泛。
下面就来看一下它在光学成像中的应用研究情况。
1、医学成像现代医学成像技术在医学诊断和治疗中扮演着重要的角色。
在医学成像中，全息光学技术可以用于记录和重建人体部位的三维图像，从而更好地观察和分析病变症状。
《信息光学》第七章-光学全息解析
5、几种不同类型的全息图
5.2 振幅全息图和位相全息图
平面全息图的复振幅透过率一般是复函数，它描述照明光波通过全息图 传播时振幅和位相所受到的调制，可以表示为
t x, y t0 x, y exp j x, y
1、引言
✓什么是全息术？
全息术（holography）是利用光的干涉和衍射原理， 将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来， 并且在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的 立体象。由于记录了物体的全部信息，包括振幅和 相位因此称为全息术。
1、引言
✓全息发展简史
➢ 1948年 Dennis Gabor 提出 “波前重现” 理论
频域方法是把物光波看作由很多不同方向传播的平面波分量的线性叠加， 每一个平面波分量与参考平面波干涉而记录的基元全息图称为基元光栅。
4、基元全息图分析
如右图，参考波是由坐标在 xr , yr , zr
的点源发出的球面波，在傍轴近似下， 投射到照相胶片上的波前为：
U
x,
y
r0
exp
j
1zr
1、引言
✓全息发展பைடு நூலகம்四个阶段
第一阶段 汞灯作光源，同轴全息图
—— 萌芽阶段 第一代全息
第二阶段 激光记录，激光再现，离轴全息图
——第二代全息*
第三阶段 激光记录，白光再现
——第三代全息*
第四阶段 白光记录，白光再现
——第四代全息
1、引言
✓全息图的基本类型
1.同轴全息图 2.离轴全息图 3.菲涅耳全息图 4.傅里叶变换全息图 5.像全息图 6.模压全息 7.位相全息 8.彩虹全息图 9.体积全息图 10.计算全息
➢ 若采用参考光波照射全息图，即C(x,y)=R(x,y)，则
全息光学基本原理
全息光学基本原理
全息光学基本原理是一种利用光的干涉和衍射现象记录并再现物体全貌的技术。
它的基本原理由以下几个关键步骤组成：
1. 采集光波：全息图像的制作首先需要采集物体的光波信息。
光波可以是由光源照射物体产生的反射光，也可以是透过透明物体后的透射光。
采集光波的方法包括使用相机或者将光波直接引导到光敏材料上。
2. 激光照射：将采集到的光波与一束激光光束相干叠加。
激光光束是一束相干性极高的光波，能够产生高质量的干涉和衍射效果。
激光的照射使得原始光波与参考光波相互干涉。
3. 干涉记录：使用光敏材料（例如全息底片）记录干涉的结果。
全息底片是能够记录和储存光波干涉图案的特殊材料。
当光波通过光敏材料时，会在材料中形成干涉条纹的反射图案。
4. 光栅纹理形成：在光敏材料中形成的反射图案中，存在一种称为全息光栅纹理的结构。
光栅纹理是由干涉条纹形成的周期性结构，其储存了原始物体的光学信息。
5. 光学再现：通过将激光光束照射到储存有光栅纹理的光敏材料上，可以再现出原始物体的光学信息。
入射到光敏材料的激光光束会被光栅纹理衍射，从而形成与原始物体类似的光场分布，使人眼可以观察到三维全息图像。
总之，全息光学基本原理利用光的干涉和衍射现象记录和再现
物体光学信息。
通过采集光波、激光照射、干涉记录、光栅纹理形成以及光学再现等步骤，可以实现记录和观察真实三维全息图像的目的。
光学全息术-1
前两项基本上是常数，是直流项，对波前再现无用。
7.2.3式中的第三项、第四项：分别包含了物光波 和物光波的共轭。是物光波对参考光波的调制，参 考光波是载波， 物光波作为调制波。可以用于波 前再现。
7.2.4式的第三项：是由7.2.3中的第三、四项得来， 是干涉项， 清楚地表明：它包含了物光波的振幅和 相位信息。参考光波作为载波，其振幅和相位均受 到物光波的调制(调幅、调相)
在1948年，提出用光波记录物光波振幅和相位的方法，并用 实验证实这一想法，从而产生了一个新的光学领域——光全 息术。1971年，因此获得诺贝尔物理学奖。
二、全息术发展的几个阶段
自1948年伽伯提出光全息的思想一直到50年代末，全息照相 一般采用汞灯作为光源，并且是同轴全息记录方法（得到全 息图称为同轴全息）。±1级衍射波与零级分不开，存在所 谓的“孪 生像”问题，不能获得好的再现图像。光源的相 干性差。 全息术的萌芽时期。第一代全息图。
当再现光波满足一定条件时，可比较准确地再现 原物光波或原物光波的共轭光波。
1. 再现光波是全息记录时的参考光波，即 C(x,y)=R(x,y)：
U4
A
B C D
O
B
A
D C
U1+U2
O 再现
U3
Байду номын сангаасR 记录
C=R
(1).
U 3 R CO x , y R O x , y
2
7.2.8
|R|2是参考光波的强度; 是一实常数(平面波), 或 近似为实常数(球面波)。
U4
U3项，再现原物光波，用 眼睛观察或成像系统观测 时，在原位置观察到原物 体的影像，就象原物体还 在。由于物光波是发散的， 所以观察到是物体的 虚像。
光学全息
三、特点 1、全息照相最突出的特点为由它所形成的
三维形象 2、可分割性 3. 全息图可进行多重记录 4. 全息图可同时得到虚像和实像
四、全息图的类型 1、按参考光波与物光波主光线是否同轴来
分类，可分为同轴全息图与离轴全息图 2. 按全息图的结构与观察方式分类，可分 为透射全息图与反射全息图 3. 按全息图的复振幅透过率分类，可分为 振幅型全息图和相位全息图 4. 按全息底片与物的远近关系分类，可分 为菲涅耳全息图(Fresnel hologram)、像 全息图(Image plane hologram)、和傅里 叶变换全息图(Fourier transform
R( x, y) t 0 R0 ( x, y)
O( x, y) t ( x, y) R0 ( x, y)
R0 ( x, y)
为正入射平面波
要求： t ( x, y) t0
②离轴全息图 ⅰ.定义：±1级不同轴的全息图。 ⅱ.产生：用光契记录全息图 sin 参考光产生一倾角θ 0
第五章
Optical Holograph 光学全息
►光学全息概述 ►波前的记录与再现 ►常用全息图的生成与再现 ►体全息 ►平面全息图的衍射效率 ►计算全息及其应用
§ 1. 光学全息概述
一、光学全息的发展历史
发明人：英籍匈牙利人丹尼斯盖伯 （Dennis Gabor) 发明时间：1948年 1960年，第一台激光器问世，解决了相干 光源的问题。 1962年，美国科学家利思和乌帕特尼克斯 提出了离轴全息图
③分析讨论： ⅰ 当a1 0时，无法有效记录 ⅱ 当a2 , a3 an 0时, 记录将会代入附加振幅 变化，使相位信息呈非线性 ⅲ 因此要选择线性度较好的全息干板，使： t ( x, y) a0 a1E ( x, y )
光学全息实验报告
一、实验目的1. 了解光学全息的基本原理和实验方法。
2. 掌握光学全息实验的操作技能。
3. 通过实验观察全息图的记录和再现过程，加深对光学全息原理的理解。
二、实验原理光学全息是一种利用光的干涉和衍射原理记录和再现物体三维图像的技术。
全息照相的基本原理是将物体发出的光波与参考光束进行干涉，记录下物体的光波振幅和相位信息，从而形成全息图。
当全息图被适当的光照射时，可以再现物体的三维图像。
三、实验仪器1. 全息实验台2. 激光器3. 分束镜4. 反射镜5. 扩束镜6. 载物台7. 全息干板8. 显影液9. 定影液10. 暗房设备四、实验步骤1. 激光器发射的激光束经分束镜分成两束，一束作为参考光束，另一束作为物光束。
2. 物光束照射到被摄物体上，物体反射的光波与参考光束发生干涉，形成干涉条纹。
3. 干涉条纹记录在全息干板上，形成全息图。
4. 全息图经过显影和定影处理后，即可观察全息图的再现图像。
五、实验结果与分析1. 全息图的记录实验过程中，成功记录了被摄物体的全息图。
观察全息图，可以看到清晰的干涉条纹，表明实验过程顺利进行。
2. 全息图的再现在全息图上适当位置照射激光，可以观察到被摄物体的三维再现图像。
再现图像清晰、立体感强，与原物体相似。
3. 实验分析（1）全息图的记录：实验中，通过调整激光器、分束镜、反射镜等光学元件的位置，实现了参考光束和物光束的干涉。
干涉条纹记录在全息干板上，形成全息图。
（2）全息图的再现：在全息图上照射激光，参考光束与全息图上的干涉条纹发生干涉，形成再现光束。
再现光束与物光束具有相同的振幅和相位，从而再现被摄物体的三维图像。
六、实验总结1. 通过本次实验，成功掌握了光学全息的基本原理和实验方法。
2. 加深了对光学全息原理的理解，认识到全息技术在记录和再现三维图像方面的优势。
3. 提高了动手操作能力，为今后的科学研究奠定了基础。
七、实验展望光学全息技术在科学研究、工业生产、文化艺术等领域具有广泛的应用前景。
光学全息技术原理
光学全息技术原理光学全息技术是一种利用光的干涉原理制作出的三维影像的技术。
全息投影是通过将光波的相位和幅度信息编码到光场中，利用干涉和衍射的原理实现光学全息图像的产生与重建。
它与普通的摄影技术不同，摄影只记录了光强信息，而全息技术还记录了光的相位信息，使得图像更加真实，能够实现如同实物一样的三维空间感。
下面将详细介绍光学全息技术的原理。
光的干涉原理是光学全息技术的基础。
当两束光波相遇时，它们会发生干涉现象。
干涉分为两种类型：相长干涉和相消干涉。
相长干涉是指两束光波在相遇时的干涉，会使得光的幅度增强；相消干涉则是两束光波相遇时产生的干涉，会使得光的幅度减弱或消失。
在光学全息技术中，我们通常使用的物体光源是一束激光光源。
激光光源的特点是具有高度相干性，相干长度长，可以产生明确的干涉图案。
全息图的形成一般可分为三个步骤：记录、显影和重建。
首先是记录过程。
记录过程需要将物体的光波和参考光波进行干涉，将物体光波的信息编码到光场中。
具体操作是将激光通过一个分束镜分成两束，一束作为参考光照射到全息图的记录介质上，另一束经过物体反射或透过后，再与参考光在全息图的记录介质上相遇。
两束光波发生干涉后，形成了全息图的干涉图案。
在光场中，参考光波形成了一种参考波的空间分布，而物体光波也形成了与物体相关的物波的空间分布。
通过这种方式即可将物体的光波信息编码到光场中。
接下来是显影过程。
显影过程是将记录介质中的干涉图案转化为可见的全息图像。
通常采用的方法是将记录介质浸入显影液中，在显影液的作用下，记录介质中光敏材料会经历物理或化学变化，并在光的照射下，显出原本的干涉图案。
经过显影处理后，就得到了全息图，可以在透光条件下观察到清晰的三维图像。
最后是重建过程。
重建过程是将全息图中的光场重新导引出来，使得能够再现物体原始的光波信息。
在重建过程中，使用与记录过程中相同的光源，通过照射到全息图上，使得记录介质中的全息图被激活。
原来记录的参考光与物体光波在全息图上重新重合，发生衍射，从而生成了物体原始的光波，通过屏幕就可以观察到物体的三维图像。
光学全息原理
光学全息原理光学全息是一种记录和再现物体波前信息的技术，它利用光的干涉和衍射现象，实现了对物体的三维立体再现。
光学全息的原理基于麦克斯韦方程组和亚伯拉罕-费尔南德斯原理，通过记录物体的全息图像，再通过光的衍射将图像还原出来。
光学全息的基本原理是光的干涉。
当一束平行光照射到物体上时，光束会被物体散射并改变相位和振幅。
在光学全息中，我们将这个散射光束与一个参考光束进行干涉。
干涉是指两束光叠加在一起形成干涉图案。
这个干涉图案记录了物体的相位和振幅信息。
为了记录干涉图案，我们需要使用一种特殊的材料，即全息记录介质。
这种材料能够记录光的相位和振幅信息，并将其永久保存下来。
全息记录介质通常是由光敏材料制成，例如银盐或聚合物。
当干涉图案照射到全息记录介质上时，介质中的光敏材料会发生化学变化或物理变形，从而记录下干涉图案。
在记录全息图像之后，我们可以使用再现装置将图像还原出来。
再现装置通常由一个光源、一个透镜和一个全息记录介质组成。
当光源照射到全息记录介质上时，记录的干涉图案会通过衍射现象再现出来。
透镜的作用是调整光束的焦距，使得再现的图像清晰可见。
光学全息的优点是可以实现真实的三维立体影像。
与传统的摄影技术相比，光学全息可以记录物体的全息信息，包括相位和振幅。
这使得再现的图像更加真实，具有更好的深度感和立体效果。
此外，光学全息还具有较高的信息密度和良好的抗干扰性能。
光学全息在许多领域有着广泛的应用。
在科学研究中，光学全息被用于记录和分析微小物体的形态和运动。
在医学影像学中，光学全息可以用于实现高分辨率的医学图像，帮助医生进行诊断和手术。
在安全领域，光学全息可以用于制作防伪标签和身份证件，提高安全性和防伪能力。
光学全息是一种利用光的干涉和衍射现象记录和再现物体波前信息的技术。
通过记录物体的全息图像，再通过光的衍射将图像还原出来，实现了对物体的三维立体再现。
光学全息具有广泛的应用前景，在科学、医学和安全等领域都有着重要的作用。
光学全息实验报告
光学全息实验报告实验目的通过进行光学全息实验，了解全息成像的原理和应用，并掌握全息光栅的制备和观察方法。
实验原理全息成像是利用光的干涉原理，通过记录物体的全部信息的方法，实现三维图像的重建。
全息成像相比于传统的平面成像具有更好的真实感和立体感。
光学全息实验主要包括两个步骤：全息光栅的制备和全息图像的观察。
全息光栅的制备1.准备光敏材料：将光敏材料涂覆在平整的玻璃片上，待其干燥。
2.制备物体和参考光：选择一个具有强反射或透射特性的物体，作为全息光栅的被记录物体。
同时，准备一束平行光线作为参考光。
3.曝光：将被记录物体和参考光同时照射在光敏材料上，使其发生干涉。
4.开发：将经过曝光后的光敏材料进行开发处理，使得干涉条纹被固定在材料中。
全息图像的观察1.准备光源：选取适当的光源，如白光源或激光光源。
2.照射全息光栅：将光源照射到制备好的全息光栅上。
3.观察光栅的衍射图样：调整观察角度，观察衍射图样的变化。
可以观察到被记录物体的三维图像。
实验步骤1.准备实验所需材料和设备。
2.制备光敏材料：将光敏材料均匀涂布在玻璃片上，使其干燥。
3.准备被记录物体和参考光：选择一个具有明显反射或透射特性的物体，放置在光敏材料的一侧。
同时，准备一束平行光线作为参考光，照射在光敏材料的另一侧。
4.曝光：将被记录物体和参考光同时照射在光敏材料上，保持适当的曝光时间。
5.开发：将经过曝光的光敏材料进行开发处理，使干涉条纹固定在材料中。
6.准备观察光源：选择适当的光源，如白光源或激光光源。
7.照射全息光栅：将光源照射到制备好的全息光栅上。
8.调整观察角度：通过调整观察角度，观察衍射图样的变化。
可以观察到被记录物体的三维图像。
实验结果与分析经过实验观察，我们得到了全息光栅的衍射图样。
通过调整观察角度，我们可以看到被记录物体的立体图像。
全息光栅具有更好的真实感和立体感，相比于传统的平面成像方法，可以更好地还原物体的三维形态。
实验总结通过本次实验，我们深入了解了光学全息成像的原理和应用。
光学全息的概念
光学全息的概念
光学全息是一种利用激光光束将物体的三维信息记录下来的技术。
它是将物体的光学信息以干涉的形式进行记录，并在重建时使用激光光束进行投影，使得重建图像具有立体感和真实感。
全息技术的关键是利用干涉效应。
在全息记录过程中，一束激光光束被分为两束：一个作为"物体光"，照射到物体上并反射回来；另一个作为"参考光"，直接照射到记录介质上。
当物体光与参考光在记录介质上交叉时，它们会产生干涉图样。
全息记录介质通常是一层复杂的光敏材料，如光敏胶片或光致聚合材料。
在重建时，使用与记录过程中使用的参考光相同的激光光束照射记录介质，使得重建光与记录光场相干叠加。
这样，通过干涉效应，重建出一幅与原始物体光场一致的全息图像。
重建的图像可以捕捉到物体的深度、形状和纹理等三维信息，因此具有立体感和真实感。
光学全息技术在许多领域都有广泛的应用，例如三维显示、全息显微术、全息存储、安全防伪等。
光学全息
1. 波前记录: 全息编码
Holographic Code
• 基本点：在z = 0平面, 将初始光波O（物波）与已 知的参考波R叠加(混合). • 用照相方法记录两个波叠加以后干涉图样的强度 得到复振幅透过率 t与曝光强度成正比的透明片. 物光波的振幅和位相信息以干涉条纹的形状、 疏密和强度的形式“冻结”在感光的全息干板上。 这就是波前记录的过程。
§5-3 基元全息图分析（4）
物光波和参考光波:都是由 点源发出的发散球面波 r1-r2 = 常数 的点的轨 迹是双曲线
干涉条纹的峰值强度面为 一组旋转双曲面,旋转轴 是两个点光源的连线 全息图上不同位置处条纹的空间频率不同 r1
r2
全息术原理——波前记录与再现
波前记录
全息干板H上设置x , y坐标， x
§5-2 全息术原理 — 波前记录与再现
例：P189, 习题 5.3
两束夹角为 = 450的平面波在记录平面上产生干涉，已知光波 波长为632.8nm，求对称情况下（两平面波的入射角相等）该平面 上记录的全息光栅的空间频率。 O ( x , y ) = exp[jkxsin( /2)] x R R ( x , y ) = exp[-jkxsin( /2)] U(x, y) = exp[jkxsin( /2)] + exp[-jkxsin( /2)] z
y
干涉场光振幅应是两者的相干叠加，H 上的总光场
U(x,y)=O(x,y)+R(x,y) 干板记录的是干涉场的光强分布，曝光光强为
I ( x , y ) = U ( x , y )· * ( x , y ) U =∣O∣2 +∣R∣2 + O· + O*· R* R
光学全息(Holography)
16 Information Optics
全息再现 (波前重建）
Reconstruction of the wavefront
全息再现光路：
O’(x，y)
虚 像
C(x，y) 再现照明光
再现是衍射的结果
（x，y） －1级
0级
＋1级
H
？？？
17 Information Optics
全息再现的数学描述
O0 ：物光波的振幅 φo ：物光波的相位 R 0 ：参考光波的振幅 φR ：参考光波的相位
干涉场光振幅: 两者相干叠加
H 上的总光场：
U(x,y)=O(x,y)+R(x,y)
相干叠加
14 Information Optics
全息记录的数学描述（2）
——干板曝光——
曝光光强：
I ( x , y ) = U ( x , y )·U * ( x , y ) =∣O∣2 +∣R∣2 + O·R* + O*·R
设：C ( x , y ) = Co ( x , y ) exp [ jφC ( x , y ) ]
照明光波的振幅
照明光波的相位
H 后的光振幅： U’( x , y ) = C ( x , y ) ·tH ( x , y )
底片 H 的 透过率函数
= C o ( x , y ) exp [ jφC ( x , y )] ∙ [∣O∣2 +∣R∣2 + O·R* + O*·R ]
5 Information Optics
物波复振幅的表示
y
物光光波
O(x, y)
x
复振幅 振幅 相位
O(x, y) O(x, y) ei(x,y)
光学全息原理
光学全息原理全息术是一种利用光波的干涉和衍射现象来记录和再现物体全息图像的技术。
它采用了光的波动性质，将物体的复杂光学信息以全息图的形式记录下来。
光学全息的原理是基于光的干涉和衍射现象。
在全息术中使用的光源经过分束镜的分光作用，形成了两个光束：物光和参考光。
物光经过物体后，具有物体形状和信息的光波将被记录下来。
参考光则是一个平行光束，它与物光进行干涉。
干涉是指两束光波叠加在一起时，相互加强或减弱的现象。
物光和参考光的干涉会形成一幅干涉图案，该图案记录了物体的各个细节和形状。
接下来，将这个干涉图案转换成全息图。
衍射是光波碰到物体边缘时发生弯曲和散射的现象。
在全息术中，记录下来的干涉图案被照射到光敏材料上，这个材料使得光波发生衍射。
通过对全息图进行照明，可以将物体的原始信息再现出来，形成一个逼真的全息图像。
与传统的平面摄影不同，全息术能够记录下完整的三维信息，包括物体的形状、颜色和光波的相位信息。
这使得全息图像在科学、技术和艺术领域有着广泛的应用。
例如，在生物医学领域，全息术可以用于观察细胞结构和分子运动；在航空航天领域，全息术可以用于制作复杂的光学元件；在艺术领域，全息术可以用于制作具有立体感和动态效果的艺术作品。
光学全息技术的发展已经取得了很大的进展，但仍面临着一些挑战。
例如，全息图的制作过程需要非常稳定的光源和高质量的全息材料。
此外，全息图的再现也需要特殊的照明条件，否则图像可能会失真。
尽管存在一些限制，光学全息技术仍然是一种强大的工具，能够捕捉和再现物体的三维信息。
随着技术的进步，相信全息术将有更广泛的应用领域，给我们带来更多的惊喜和发现。
全息光学的原理与应用
全息光学的原理与应用全息光学是一种非常重要的光学技术，它的原理和应用涉及到物理学、光学、电子学等多个领域。
全息光学技术是使用激光、相干光源等光学器件将物体的三维形态信息记录在光感材料之中。
全息光学是基于光学干涉原理和多普勒效应，利用相干光和光的波动性质，可以获得物体的三维图像，这种技术经常应用在科学研究、医学、安全、军事等领域。
一、全息光学的基本原理全息光学是基于光的波动性质和光的干涉原理，通过相干光的叠加可以获得物体的三维形态信息。
全息光学的原理主要包括反射型全息和透射型全息两种。
反射型全息是把被记录的物体放置在一个光感材料的表面上，使用波长为λ的单一激光束照射在材料表面上，产生反射光束，这个光束的波面是曲面的。
曲面波面的原因是由于物体反射光的折射率和空气之间的折射率之间存在差异，与之成正比。
全息图的记录就是在这个材料表面上的制造。
将在材料表面上记录的全息图再次照射与激光束的同相位光束上，可以恢复物体的三维图像。
透射型全息与反射型全息类似，不同的是将光束穿过被记录的物体，将物体背后的波形转化为光干涉图案来记录。
在一个光感材料中存储了透射型全息图像的光场，当用适当的光源照明时，透过全息图看到的图像与原始物体几乎完全相同。
二、全息光学的应用领域1.科学研究: 在科学研究中，全息光学技术经常被用于检测和观察微小的结构和变化，这对于研究物理、化学、生物和医学方面的问题非常重要。
全息光学为生物医学领域的图像制造提供了一种新的技术方法。
在生物医学中，通过全息显微镜技术，可以实现细胞内部微观结构的检测和研究，以及对组织、神经系统结构的非侵入式研究。
2.安全领域: 全息光学技术在安全领域也有广泛的应用，主要用于防伪和安全检测。
全息光学技术制造的图像不仅具有真实感和逼真感，而且非常难以伪造，所以经常被用于制造二维码和标签，从而提高产品的安全性和质量。
3.军事领域: 全息光学在军事领域应用也非常广泛，因为军事技术对于图像识别和传输技术的需求很高。
光学全息技术原理
第一、二项合并，仍保存了参照光旳特征 第三项是畸变了旳虚象 第四项是与原物相象旳实像，但出现了景深反演，即原来近旳部位
变远了，原来远旳部位变近了，称为赝像
波前再现旳几种特例(3)
(3)其他情况： a．照射角度旳偏离：如再现光与参照光波面形状相同，只是相对全
盖伯防止位相信息丢失旳技巧是干涉措施,因为干涉场分布与波面位 相有一一相应关系
物光波旳振幅和位相信息便以干涉条纹旳形状、疏密和强度旳形式 “冻结”在感光旳全息干板上
波前统计和波前再现示意图
波前统计旳数学模型
在全息干板H上设置x , y坐标，设物波和参照波旳复振幅分别为 O ( x , y ) = O 0 ( x , y ) exp [ jφo ( x , y ) ] R ( x , y ) = R 0 ( x , y ) exp [ jφr ( x , y ) ]
离轴全息图
统计离轴全息图旳光路
离轴全息图统计光路如下图所示，准直光束一部分直接照射物 体（透明物体），另一部分经物体之上旳棱镜P偏折，以倾角 投射到全息干板上。全息干板上旳复振幅分布应是物体透射波 和倾斜参照波叠加旳成果，即有
P
y
物体
U ( x, y) Aexp j2 y O( x, y)
H胶片
均匀旳平面波，它相当于波前统计时旳参照波；另一项是 t
所代表旳弱散射波，它相当于波前统计时旳物光波。
在距离物体 z0处放置全息图干板时旳曝光光强为：
I (x, y) R O(x, y) 2 R~2 O(x, y) 2 RO*(x, y) R*O(x, y)
光学全息技术介绍
彩虹全息技术
原理
在全息图的记录过程中，采用不同角 度的参考光束，形成具有不同波长选 择性的干涉条纹，从而在白光下呈现 出彩虹般的效果。
特点
具有绚丽的视觉效果和较高的防伪性 能，广泛应用于证件、商标等领域。 但成像质量受光源影响较大。
数字全息技术
原理
利用计算机技术和数字图像处理技术对全息图进行记录和重现，实现全息图的数字化存储、传输和处 理。
特点
具有灵活性高、处理速度快、易于实现远程传输和自动化处理等优点。同时，数字全息技术还可以与 其他成像技术相结合，实现多模态成像和复合成像等高级功能。
03 光学全息技术应用领域探 讨
三维显示与虚拟现实应用
三维显示
光学全息技术能够记录并再现物体的三维信息，使得观察者能够从不同角度看到物体的不同侧面，从而实现真正 的三维显示。
发展历程
全息技术自20世纪40年代提出以来，经历了不断的发展和完 善。从最初的同轴全息术到离轴全息术，再到后来的数字全 息术，全息技术在不断突破中实现了更高的图像质量和更广 泛的应用领域。
光学全息技术原理简述
记录过程
在记录过程中，使用一束相干光（通常是激光）照射物体，另一束相干光作为 参考光与物体反射或透射的光在记录介质上干涉，形成全息图。全息图记录了 物体的振幅和相位信息。
特点
具有高分辨率、大视角、真彩色 三维立体成像等优点，但需要使 用激光作为光源，且对环境稳定 性要求较高。
反射式全息技术
原理
在全息图的记录过程中引入反射相移 ，使得全息图可以在普通白光下通过 反射方式观察到三维立体像。
特点
无需特殊光源，可在自然光下观察， 且观察角度较大。但分辨率和色彩还 原度相对较低。
曝光记录
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U ( x,
y)
O exp
j
1z0
(x2
y2
2 xx0
2 yy0 )
R exp
j
1zr
(x2
y2
2 xxr
2 yyr )
记录平面上的光强分布为
I(x, y)
R( x, y) 2
O(
x,
y
)
2
RO
e
xp
j
j
(x2 1z0 (x2
1zr
y
y2 2
2xx0 2xxr
j
j (x2 1z0 (x2 1zr
y
y2 2
2xx0 2xxr
2 yy0 2 yyr )
)
(xp, yp,zp)
H
z
o x
RO
e
xp
j j
1z0
1zr
(x2 (x2
y2 y2
2 xx0 2 xxr
2
yy0
)
2 yy)r
t( x, y) t1 t2 t3 t4
随着光学全息技术的发展，出现了多种类型的全息图， 从不同的角度考虑，全息图可以有不同的分类方法。从物光 与参考光的位置是否同轴考虑，可以分为同轴全息和离轴全 息；从记录时物体与全息片的相对位置分类，可分为菲涅耳 全息图、像面全息图和傅里叶变换全息图；从记录介质的厚 度考虑，可以分为平面全息图和体积全息图。
在透过率中我们主要关心是 t3 t4 项
在再现过程中，全息底片由位于( x p , y p , z p ) 的点源发出的球面波 照明，再现光波波长为 2
10
C(
x,
y)
C
exp
2z
p
(
x2
y2
2 xx p
2
yy p
)
照明光波 C
2
(xp, yp,zp)
y H
全息图透射项中，我们感兴趣的两项是 z
x02 y02 2z02
)
1z0
(x2
y2
2 xx0
2 yy0 )
记录平面上的物光波可以写成
O( x,
y)
O exp
j
1z0
(x2
y2
2 xx0
2 yy0 )
同理记录平面上的参考光可写成
R( x,
y)
R exp
j
1zr
(x2
y2
2 xxr
2 yyr
)
7
记录平面上的复振幅分布为
第五章 光学全息
• 5.1 光学全息概述 • 5.2 波前记录与再现 • 5.3 同轴全息图和离轴全息图 • 5.4 基元全息图 • 5.5 菲涅耳全息图 • 5.6 傅立叶变换全息图
利用光的干涉原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹 的形式记录下来，使物光波前的全部信息都贮存在记录介质 中，故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。
o
x
U3(x, y) t3C(x, y)
U3(
x,
y)
ROC
exp
j
j (x2 1z0 (x2 1zr
y2 y2
2xx0 2xxr
2 yy0 ) 2 yyr )
j
2z
p
(
x2
y2
2 xx p
2
yy p
)
RO
C
e
xp
j
1 1zr
1
1z0
1 2zp
( x2
点来计算，并作傍轴近似，即假设
O
x2 y2 , x02 y02 z02
(xo, yo, zo )
1
x
y
Q
o 胶片
因此物光波的相位可简化为
( x,
y)
2
____ ____
(OQ O0)
1
2
1
( x x0 )2 ( y y0 )2 z02
1 2
( x02
y02
1
z02 )2
2
5.5 菲涅耳全息图
菲涅耳全息图的特点是记录平面位于物体衍射光场的菲涅 耳衍射区，物光由物体直接照到底片上。由于物体可以看 成点源的线性组合，所以讨论点源全息图（基元全息图） 具有普遍意义。 基元全息图： 在拍摄全息图时，所用的参考光波总可以人为地简化为平 面波和球面波，但物体的形状一般比较复杂，所以全息图 的干涉花样一般说来总是复杂的，但我们可以把它看成是 许多基元全息图的线性组合，了解基元全息图的结构和作 用对于深入了解整个全息记录和再现机理是十分有益的。 从空域和频域分析，基元全息图分别称为基元波带片和基 元光栅。
2
2 yy0 yyr )
)
RO
e
xp
j j
1z0
1zr
(x2 (x2
y2 y2
2 xx0 2 xxr
2 yy0 )
2 yyr )
8
显影、定影后全息图的复振幅透过率和曝光量成线性关系，即
t(
x,
y)
tb
O(
x,
y)
2
RO
exp
j
j (x2 1z0 (x2 1zr
y
y2 2
2xx0 2xxr
2 yy0 2 yyr )
)
RO
e
xp
j j
1z0
1zr
(x2 (x2
y2 y2
2xx0 2xxr
2
yy0
)
2 yy)r
t( x, y) t1 t2 t3 t4
9
t(x, y) tb
照明光波
C
2
O( x,
y
y)
2
RO
e
xp
4
5.5.1 点源全息图的记录和再现
两相干单色点源所产生的干涉图实质上就是一个点源全息图， 即波带片型基元全息图。假定参考波和物波是从点源 R(xr ,yr ,zr ) 和点源 O(xo,yo,zo) 发出的球面波，波长为 1 ，全息底片位于 z=0的平面上，与两个点源的距离满足菲涅耳近似条件。据此 即可以用球面波的二次曲面近似描述这个球面波。记录光路图 如下图
y2 )
exp
j2
xr
1zr
x0
1z0
xp
2zp
x
yr
1zr
3
基元波带片和基元光栅的定义
从空域考虑，把物体看做一些相干点源的集合，物光波前是 所有点源发出的球面波的线性叠加。每一个点源发出的球面波 与参考波干涉，记录的基元全息图称为基元波带片.
从频域考虑，把物光看做许多不同方向传播的平面波分量 的线性叠加，每一平面波分量与参考光波干涉而记录的基元 全息图称为基元光栅。
2 1
z0
1
(x
x0 )2 ( y z02
y0
)
2
1 2
z0 (1
x02 y02 z02
)
1 2
6
2 1
z0
1
(x
x0 )2 ( y 2z02
y0
)
2
z0 (1
x02 y02 2z02
)
2 1
z0
1
(x
x0 )2 ( y 2z02
y0
)
2
z0 (1
R 1
y 照明光波
(xr , yr , zr )
C
(xp, yp,zp)
z O
x o 胶片 z
(xo, yo, zo )
2
x
y H
o
点源全息图的记录和再现
5
设投射到记录平面上的物光波的振幅O0，
R
考虑到一常数相位因子，写成O（复数）， (xr , yr , zr )
到达记录平面的相位以坐标原点0为参考 z