信息光学第五章解读

实际操作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，对两个波前的干涉图样
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
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：
x, y 0 I x, y
为常数，与底片曝光和显影过程有关，
光学全息
主讲人：徐世祥
教学内容
光学全息基本原理 同轴和离轴全息图 基元全息图 傅立叶变换全息图 体积全息、计算全息 全息术的应用
教学目的和要求
本章是信息光学的应用，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 及其特点.
概述
• 普通感光片:只能记录光波的振幅(光强)，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。
• 成像具有三维特性，可以从不同的角度观测，而几何成像是 平面像；
• 成像的方式不同：几何成像记录物面上的相对光强分布，而 全息成像记录物体光波，包含相位信息。
• 全息图具有弥散性：一张用激光重现的透射式全息图，即使 被打碎成若干小碎片，用其中任何一个小碎片仍可重现出所 拍摄物体的完整的形象。不过当碎片太小时，重现景像的亮 度和分辨率会伴随着降低。 而几何成像，去掉一部分底片，就去掉一部分像。
量。I(x,y) t （光强时间）
强度透过率：透过光强/入射光强。 e2h
光密度：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。
CCD记录：数值再现。
三、全息图记录和再现小结
• 波前记录：光的干涉效应，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，相对于一“编码”过程；
• 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： 1）激光具有足够的时间相干性和空间相干性； 2）记录介质具有足够的分辨率，与物光可参考光的夹角相 适应； 3）曝光期间，光学系统应稳定到波长的十分之一以内； 4）物光、参考光的强度比例要适当。
CCD记录：数值再现。
四、全息照相的基本特点（与几何成像比较）
全息术的基本思想：波前记录与波前再现。
全息图的记录
全息图的再现
一、波前记录：干涉记录
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整 信息的波前记录：干涉法可实现这一转换。
物光复振幅：O(r, t) AO (r)eiO (r)t 参考光复振幅：R(r, t) AR (r)eiR (r)t 记录介质上的总光场为： A(r,t) O(r,t)＋R(r,t) 对应的总光强为 I(r)= A(r,t) A*(r,t)
在原物的位置 上得到虚像。
2 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，全息图的透射光场为：
Arec (r, t)
R* (r, t) (r)
R*
0
(O 2
R
2
)
R*R*O R*RO* E1 E2 E3
物光的共轭波
参考光波面应均匀！
对重现的偏振态有什么要求？
波前记录的光 * 需满足产生稳定干涉的条件； * 足够的相干长度：相干长度须大于记录物体的信息跨度。
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 们分别受到参考光振幅和位相的调制。
二、波前再现：衍射再现 1.用原参考光波照明
再现光与原参考光波 的传输方向与波前分 布都相同！
用原参考光波照明全息图时，全息图的透射光场分布为：
Arec (r, t) R(r, t) (r) R(r, t) 0 I r
振幅透过率
R(r, t) 0
( O(r,t) 2
R(r,
t)
2
)
R(r,
t
)2
O
*
R(r, t)R*(r, t)O(r, t) E1 E2 E3
E1
R 0
(O
2
R
2
)
本底，不含相位信息。
E2 RRO * 衍射光，含相位信息，但与原物波的不同。
E3 RR*O
衍射光，含相位信息，如果原参考 波振幅分布均匀,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。
全息底片上每—点都收到被拍摄物体各部位发出的光，所以 其中每一点都记录了每个物点的信息。
全息照相可进行多重记录。
全息照相与记录时的物光和参考光以及再现时的重现光密切 相关。这里包含两层意思： ➢ 记录时用什么物，则重现时也就得到它的像； ➢ 重现光与原参考光应相同。如果重现光与原参考光有区别 (例如波长、波面或入射角不同)，就得不到与原物体完全相 同的像。当入射角不同时，则像的亮度和清晰度会大大降低。 入射角改变稍大时，像将完全消失。 用不同的参考光记录不同的物体，用相应的再现光就可以再 现不同的像。
为底片灰度有关。
0
照相底板：以平板玻璃或胶片为底片,涂上卤化银(溴化银) 晶粒的乳剂作为感光层。
曝光：当光照射后分解出银离子,形成不可见的潜影中心。 显影：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。 定影：将未还原的溴化银溶解于水从乳剂中除去。 曝光量：曝光过程中记录介质表面上单位面积所接受的能
• 干涉图样被感光介质接收，干涉图的强度分布线性转化为 感光介质的透过率分布。经显影定影处理后，感光介质相 当于一振幅调制光栅；
• 波前再现：再现光照射该振幅调制光栅，其衍射光使全息 图上的强度调制信息还原为波前的振幅和位相调制信息。 再现过程是一衍射过程, 相当于一“解码”过程；
• 波前再现既可产生物体的虚像也可产生实像。全息术是一个 两步成像过程，它不需要使用透镜；
记录介质上的总光强为：
I (r) A(x, y)A*(x, y)
O 2 R 2 2 O R cos[R (x, y) o (x, y)]
物光波被记 录的强度
条纹对比度：
参考光波被 记录的强度
物光波与参考光 波间的干涉效应
条纹形状：
2O R V O2 R2
R (x, y) o (x, y)
• 全息术:同时记录光波的振幅信息和相位信息并使光波重现； 能真实地重现原来的物光波，图像有极强的立体感。
• 全息感光板可重复使用，记录多个图象信息。一张全息的 信息量相当100张或1000张普通照片。
• 全息技术应用广泛，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。
§5-1 全息照相的基本原理