全息光学元件的设计与制作(精)
全息瞄准镜中全息光学元件的研究
全息瞄准镜中全息光学元件的研究姓名：蔡虎薛亮指导老师：王海林目录一、题目 (1)二、摘要 (3)三、关键词 (3)四、引言 (3)五、全息元件的制作与理论分析 (4)一、全息元件的制作 (4)二、全息瞄准镜的原理 (5)三、理论分析 (6)四、实验验证 (9)六、半导体激光器光波长漂移的影响及消除 (11)七、实验设计 (13)八、总结 (13)九、后记 (14)十、参考文献 (14)十一、英文摘要及关键词 (15)十二、附件 (15)全息瞄准镜中全息光学元件的研究蔡虎薛亮摘要: 本文对全息瞄准镜的核心部件——全息光学元件进行了理论和实验研究。
论文介绍了全息瞄准系统的原理、应用及特点，着重定量分析了全息瞄准镜中全息片的再现光束角度在水平和竖直方向微小偏移对“十”字叉虚像偏离角的影响，给出了理论关系式和相应的关系曲线，对其关系进行了实验测量，测量结果与理论分析结果一致。
分析了全息片的再现半导激光峰值波长漂移对“十”字叉虚像偏移角的影响，并提出了利用光栅补偿波长漂移的再现光路的设计方法。
关键词：全息光学元件、全息瞄准镜一、引言全息瞄准镜是一种新型的轻武器瞄准镜，它有一些其它瞄准方式不具备的特点，所以一问世就引起了广泛的关注，和其它瞄准镜(具)相比，它们的共同点和不同点如下：(1)就所有瞄准镜(具)的瞄准方式来说，它们是相同的。
机械瞄准具是三点一线方式:即准星和缺口形成一条直线，然后将目标置于这条线上以达到瞄准的目的;各种光学瞄准镜则是由光学系统确定一条光轴，在光轴上放置一个分划板，使分划和目标重合以达到瞄准的目的;全息瞄准镜也不例外，在照明光的作用下，衍射出一束和全息元件成一定角度并有一定形状(分划)的光，也就是产生了一条光轴和一个分划。
但因它们各自工作原理不同，因此它们各有优点，却也有自身难以克服的缺点。
其中全息瞄准镜无放大倍率，适用距离和机械瞄准具相同，但是瞄准时可以保持睁开双眼，只需要将分划对中目标即可。
全息光栅的设计与制作
现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
1. 为什么使用全息干板记录两平行激光束的 干涉 条纹， 只要 是 正确 曝 光 、显影得当， 则所得 到 的光栅为 正弦型，即其 振幅透过 率按 余弦分 布 ？ 2. 莫尔条纹是如何形成的？一定要用两块实 际的光栅重叠在一起才能够产生莫尔条纹吗？
2007年4月1日
Ⅰ
ϕ
N ϕ
θ
H
Ⅱ
6
现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
ϕ
当 干板转动 一小角度ϕ时， 对应干涉条纹的空间周期变为
H s ϕ
d d1 1 f 0 ' = ' = cos ϕ = f 0 cos ϕ d d 莫尔条纹的空间频率 ∆f 0 = f 0 '− f 0 = f 0 (1 − cos ϕ )
4
故：
2007年4月1日
现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
复合光栅是指在同一 张 全息 干板上拍摄 两 个 栅 线彼此平行但空间频率不同的光栅。若第一次曝光 拍摄空间频率为f0的光栅，然后保持光栅栅线方向， 仅改变光栅的空间频率，在同一张全息干板上进行 第二次曝光，拍摄空间频率为f0‘的光栅。照明时， 复合光栅将出现莫尔条纹，其空间频率 fm 是 f0和 f0' 的差频，即
f m = ∆f 0 = f 0 − f 0 '
上述制得的即为复合光栅。
2007年4月1日 5
现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
拍摄 复合光栅的光路可 如 图 所 示。为改变 第二次 曝 光时的光栅空间频率， 只须 改变两束准直光之间 的夹角 θ 。改变 θ 角的方 法 有两种，一种是 使 图中的 M1和M2作适当等量的平移 （ 反向 或 相向 ） ；另 一种 方 法 是 沿水平 方 向旋转干 板 H， 以改变 θ ，从而改变 d（或f0）。
全息光学透镜的设计与制作
全息光学透镜的设计与制作全息光学透镜与普通玻璃透镜的成像机理完全不同，普通玻璃透镜的成像是基于光的折射现象，而全息光学透镜的成像是基于光的衍射现象。
最早的衍射成像元件是1871年瑞利制成的菲涅耳波带板，但因其衍射效率低以及多级像的存在，没有获得实际应用。
20世纪60年代激光技术和全息技术的大发展才推动了新型光学元件一全息透镜的发展与应用。
目前衍射成像元件已成为很庞大的家族，发展和应用日益广泛。
一、实验目的1．掌握全息透镜的设计与制作原理。
2．学习全息透镜的制作工艺。
3．理解全息透镜的成像机理，并学会利用所制作的全息光学透镜对物体进行观测。
二、实验仪器光学实验平台，He-Ne激光器，分束镜，反射镜，扩束镜，转换透镜，暗室处理器具及显影、定影、漂白药剂，电吹风，全息干版，硬币等三、实验仪器介绍1.He-Ne激光发射器氦-氖激光器由激光电源和激光发射管构成，如图1所示。
一般来说，氦氖激光器发出红色的光线，其波长为632.8nm。
图1氦-氖激光器2.光学元件本实验所需的主要光学元件如图2所示。
1—分束镜2,3—反射镜4,5—扩束镜6—转换透镜7—白板（全息干版）1234567图2光学元件三、实验原理1.全息透镜的分类与制作全息光栅的方法极相似，全息透镜也是利用两束相干光在叠加区域产生干涉，形成干涉条纹，记录这些干涉条纹就得到全息透镜。
所不同的是制作全息光栅采用的是两束平面波的叠加，而制作全息透镜一般是采用记录平面波与球面波的干涉叠加条纹而成。
当平面波与球面波的光轴重合时，全息记录材料记录的是一组包括圆心在内的同心条纹。
这种全息透镜称为同轴全息透镜；当平面波与球面波的光轴有一定夹角时，全息记录材料记录的是远离圆心的同心条纹的一部分，这种全息透镜称为离轴全息透镜。
2．同轴全息透镜的制作同轴全息透镜的制作记录光路如图3所示，K 为光开关；M 1、M 2、M 3为平面反射镜；C 为扩束镜；L 1为单色准直镜；BS 1、BS 2为大孔径分束镜；L 2为聚光镜；H 为全息干版(或白屏)。
全息显示技术的光学元件设计
全息显示技术的光学元件设计全息显示技术是一种现代高科技技术，它是基于光学原理而设计的一种图像显示技术。
全息显示技术的应用范围非常广泛，可以应用在教育、交通、医疗、娱乐等领域中，显示出更真实、清晰、逼真的图像效果。
全息显示技术的核心在于光学元件设计，下面我们就来详细讨论一下光学元件的设计。
全息显示技术中的光学元件通常包括全息记录材料、全息记录光源和全息展示光源等三个部分。
其中全息记录材料是实现全息显示技术的重要材料，在光学元件设计中所占的比例非常大。
全息记录材料的特点是具有根据不同光波长反射、透过和散射光线的不同特性。
因此，在光学元件的设计中，需要考虑到不同波长的光线，以便全息记录材料能够有更好的效果。
同时，全息记录材料在制作时需要有一定的空间，因为全息记录材料的主要功能是记录和储存信息，因此需要一定的空间来储存这些信息。
除了全息记录材料之外，全息显示技术中还有全息记录光源和全息展示光源。
全息记录光源是指用于记录全息记录材料的光源，而全息展示光源则是指用于展示全息图像的光源。
在光学元件的设计中，需要考虑到两种光源的波长和强度，以便全息显示技术能够达到最佳的显示效果。
在全息显示技术的光学元件设计中，还需要考虑到光线的散射和干涉效应。
由于全息记录材料可以记录光线的相位、振幅和方向等信息，因此需要考虑到光线在相遇时会发生的干涉效应。
与此同时，在光学元件的设计中还需要避免光线的散射，因为散射会影响全息图像的显示效果。
除了上述的因素以外，在全息显示技术的光学元件设计中，还需要考虑到如何降低材料的散射和增强材料的折射率。
这需要使用一些特殊的材料和制作工艺，以获得更好的显示效果。
综上所述，全息显示技术的光学元件设计非常重要，需要考虑到多个因素的影响，以便实现更真实、清晰、逼真的图像效果。
未来，随着科技的不断发展，全息显示技术将会在越来越多的领域中得到应用，并为人们带来更优质的生产和生活体验。
全息光栅的设计制作
全息光栅的设计制作光栅是重要的分光元件之一, 由于它的分辨率优于棱镜, 因而许多光学仪器中都采用光栅代替棱镜作为分光的主要元件, 如单色仪、光谱仪、摄谱仪等。
此外, 光栅在现代光学中的应用日趋广泛, 如光通信中用作光耦合器、光互连中用作互连元件、激光器用作选频元件、光信息处理用作编码器、调制器、滤波器等等。
全息光栅制作技术是20世纪60年代随着全息技术的发展而出现的, 因其具有传统刻划光栅所不具备的一些优点而受到人们的重视。
目前, 全息光栅在某些方面已经取代刻划光栅, 在光栅家族中占有了一席之地。
[实验目的]1.掌握用全息方法制作光栅的基本原理；2.掌握全息实验光路的基本调节方法和一维光栅的制作技巧；3.了解全息光栅的基本特性和测试方法；4.初步了解全息记录介质—卤化银乳胶的特性和干板的处理方法。
[实验仪器]全息防震平台（2m ×1.5m ）, He-Ne 激光器, 反射镜（若干）, 分束镜, 针孔滤波器, 干板架, 全息干板。
[实验原理]一. 全息光栅制作原理由光的干涉原理可知, 两束平行的相干光干涉, 干涉场是一组明暗相间的等间隔的平面族, 其周期由两束平行光的夹角和光波波长所确定。
若将全息记录干板置于该干涉场中, 则干板上记录到的干涉条纹将呈等间隔的平行直线条纹, 这就是全息光栅。
设两束平行光与光轴的夹角分别为θ1和θ2, 光波波长为λ, 显然, 干板记录的全息光栅的透射率应该呈余弦函数分布, 称为余弦光栅。
⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+===---x U x U e e U UU U I e e U U U U e U U e U U x j x j x j x j x j x j λθθπλθθπλθθπλθθπλθπλθπλθπλθπ212202120sin sin 2sin sin 220*2sin 2sin2021sin 202sin 201sin sin cos 4sin sin 2cos 122;;;21212121由干涉原理可知, 全息光栅常数d 由下式确定:πλθθπ=-d 21sin sin ;LD d f ≈--==21210sin sin ;sin sin 1θθλθθ ;;0λλDL d L D f ==或f 0是光栅空间频率, 表征了光栅线密度特性, 其单位通常用“lp/mm ” （lp 表示“线对”, 指一条亮纹和一条暗纹构成的一个“线对”, 对应光栅的一个周期）。
全息透镜的制备与应用
目录1.实验目的 (1)2.实验原理 (1)3.实验过程 (3)3.1光路调节 (3)3.2曝光 (7)3.3冲洗 (8)3.4再现与观察 (8)4.心得体会 (8)5.参考文献 (9)全息透镜的制备及应用1.实验目的全息透镜性能可靠成本低廉，易于制作，在很多方面可以代替传统的玻璃透镜，特别在象差校正、信息处理、激光扫描等应用中更是不可缺少的。
全息透镜的离轴量由两束相干光的夹角决定，如果按照平常的干涉光路调整工作将很费事，因为离轴量的任何变化都必需通过改变光路来达到，很难保证焦距的一致性；另外受准直透镜的孔径限制，光束夹角不可能太小，制作同轴的全息透镜比较困难。
因此，此次实验我们采用了马赫-曾德干涉仪的光路，在制作同轴全息透镜时可以很方便地调节离轴量。
通过此次实验，目的是为了让我们在设计光路、调节光路中掌握同轴全息透镜的基本原理和方法，观察全息透镜的成像特性，进一步理解光信息记录原理及技术。
2.实验原理全息透镜实际上是一张球面波基元全息图（或称点源的全息图）。
它相当于一块菲涅耳波带片，具有类似透镜的会聚作用和成像特性。
全息透镜易制成较大的尺寸，造价低制作方法简单，易复制，重量轻，因而在某些场合具有独特用途。
全息透镜可用一个球面波与平面波相干，或两束球面波相干来记录。
全息透镜分同轴全息透镜、离轴全息透镜和反射型全息透镜。
同轴全息透镜类似于菲涅尔波带片，实质上是一组透光与不透光相同的同心圆环，又称为全息波带片。
一个点物的全息图就是一个全息透镜，当点物与参考点光源的连线通过全息图中心时，得到的全息图就是同轴全息透镜。
如图1所示，A 点是物点，坐标为(0，0，z a )，B 为参考点源，其坐标为(0，0，z b )，如z a ，z b 均代表代数量，则A ，B 在H 上的复振幅分布分别为：（1）（2） 图1同轴全息透镜的形成⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=a a z y x jk A y x u 2exp ),(220⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=b b z y x jk B y x u 2exp ),(220H 上的光强分布为： （3） 经过线性处理后，全息图的透过率：（4）式（4）中，t 0、t 1是与x 无关的常数。
全息光学元件的设计与制作
组合。当挡住物光（或移去物体本身） ，用平行光照射时，则再现出组成物体的各发光点的 像，其空间位置仍在原处。因此，整个再现像便是立体的了，象原物一样。用非平行光照射 时，像略有发散或缩小。拍普通三维全息图，参考光虽然不一定用平行光，但道理是一样的。
参考文献
[4-1] 王仕璠、朱自强编著， 《近代光学原理》 ，第 5、8 章，成都：电子科技大学出版社，1998 年 11 月，P.117~121, 206~209
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的便是一个离轴全息透镜。
C A M2 S D M3 L1
M1
B.S 1
图 5-18-6 透射型离轴全息透镜拍摄的一种光路
把制得的离轴全息透镜放回原位，挡住球面波，只用平行光照射，同样可以再现球面波。 将离轴全息透镜反转 180°放置，即用共轭平行光照射，则在它的后面得到一个会聚的球 面波。由于离轴全息透镜的成像是离轴的，所以可以认为它相当于一个棱镜和一个透镜的组 合。前者使光偏转，后者使光成像。 3、反射型全息透镜的实验光路 如图 5-18-7 所示，使平面波与球面波分别从干版的两侧透射（仍需等光程、等光强） 。 这种情况下制得的全息透镜便是反射型全息透镜。 在这种情形中，干涉场的条纹更密（因两束光传播方向的夹角更大） ，而且有沿乳胶厚 度方向的条纹（两光束接近相向传播） ，所以，反射全息透镜可以看作是点光源的全息图， 并且是一种体全息图，因而再现时对光波长有较强的选择性，而且用红光（632.8nm）制作 的全息图，由于处理后乳胶的收缩，不再完全适合于红光，而向短波方向移动。此时用白光 再现时出现黄绿光。 此外，用反射全息透镜成像时，物和像都在透镜的同一侧。
B.S.2 A S L1 M2
M1
B.S.1
图 5-18-7 反射型离轴全息透镜拍摄的一种光路
(完整word版)全息光学元件的设计与制作实验设计
全息光学元件的设计与制作小组成员：李贺谢佳衡杨森用全息图可再现光波的波前，或者说它对入射光具有相位调制的能力。
在某些场合,全息图有可能代替普通透镜、棱镜、光栅，作为成像、转像、准直、分光元件.这种全息图就称为全息光学元件（HOE）。
它使用感光记录介质制作的,其功能基于衍射原理,是一种衍射光学元件(DOE）。
普通光学元件是用透明的光学玻璃、晶体、或有机玻璃制成的,起作用基于光的直线传播、光的反射、折射等几何光学原理.全息光学元件主要有全息光栅、全息透镜、全息扫描器、全息滤波器等.我们这里要制作的是全息光栅和全息透镜。
实验一马赫-曾德干涉仪法（分振幅法)制作全息光栅【实验目的】1．学习掌握制作全息光栅的原理和方法。
2．学习掌握制作全息复合光栅的原理和方法，观察其莫尔条纹.3．通过实验制作一个低频全息光栅和一个复合光栅，并观察和分析实验结果。
【实验仪器】1。
光学防震平台一个，支架、支杆及底座若干，旋转平台一个，带三维调节架及φ15 ~25μm针孔的针孔滤波器组合两套。
2。
扩束透镜（20~40倍显微物镜）两个，已知焦距的透镜一个，反射镜若干,分束器一个,光束衰减器两套.3. 20mW He—Ne 激光器一台。
4. 全息干板，显影、定影设备和材料.5。
电子快门和曝光定时器一套。
【实验原理】全息光栅的制作原理是:两束具有特定波面形状的光束干涉，在记录平面上形成亮暗相间的干涉条纹，用全息记录介质记录干涉条纹,经处理得到全息光栅。
采用不同的波面形状可得到不同用途的全息光栅，采用不同的全息记录介质和处理过程可得到不同类型或不同用途的全息光栅（如正余弦光栅、矩形光栅、平面光栅和体光栅）。
下面介绍制作平面全息光栅的光路布置、设计制作原理。
1、全息光栅的记录光路记录全息光栅的光路有多种,图 1 和图 2 是其中常见的两种光路。
在图 1 所示光路中，由激光器发出的激光经分束镜 BS 后被分为两束,一束经反射镜 M 1反射、透镜L 1 和 L 2 扩束准直后，直接射向全息干板 H；另一束经反射镜 M 2 反射、透镜 L 3和 L 4 扩束准直后，也射向全息干板 H.图中，S 和 A 分别为电子快门和光强衰减器,电子快门与曝光定时器相连，用于控制曝光时间。
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
全息光栅的设计与制作
现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
p f0" = 2lλ
θ He-Ne 激 光 器
p
H
l
全息光栅衍射花样及空间频率检测
2007年4月1日 9
现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
2.复合全息光栅的制作： 搭建实验光路，采用两次曝光，第一次曝光记 录光栅条纹的空间频率 仍 定为 f0＝100 线 / mm。 然 后 ， 调 节安装 干板 架 的 二 维 大 镜座 的方 位 角 微 调 旋钮，使全息干板水平旋转一个角度ϕ之后，再进 行第二次曝 光。 本 实验要求第二次曝光记录的光 栅空间频率为f0'＝98线/mm。 两 次曝 光的全息 底片经 显影、 定 影、 漂 白等处 理后即制得复合光栅。 最 后 是 测量 复合光栅的 莫尔 条纹的空间频率， 并与设计值作比较。
2007年4月1日 1
现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
1. 掌握制作正弦型和矩形全息光栅的原理和方 法。 2. 掌握制作复合光栅的原理和方法，观察莫尔 条纹。 3. 通过实验，制作一个低频全息光栅和一个复 合光栅，并观察和分析实验结果。
2007年4月1日
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现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
王仕璠 教授 刘 艺 副教授
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现代光学系列实验－－全息光栅的设计与制作
全息光栅是一种重要的分光元件。它与传统的 刻痕光栅比较，具有光谱中无鬼线、杂散光少、分 辨率高、有效孔径大、生产效率高、价格便宜等优 点。现在，全息光栅已广泛用于光谱仪器、θ调制技 术、集成光学中作光束分束器、耦合器和偏转器等。 在光信息处理中，它既可作为调制器用于图像相减、 边缘增强、消模糊处理等，又可作为编码器，对黑 白图片实现假彩色编码。
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的便是一个离轴全息透镜。
C A M2 S D M3 L1 M1 B.S 1 图 5-18-6 透射型离轴全息透镜拍摄的一种光路把制得的离轴全息透镜放回原位，挡住球面波，只用平行光照射，同样可以再现球面波。
将离轴全息透镜反转 180°放置，即用共轭平行光照射，则在它的后面得到一个会聚的球面波。
由于离轴全息透镜的成像是离轴的，所以可以认为它相当于一个棱镜和一个透镜的组合。
前者使光偏转，后者使光成像。
3、反射型全息透镜的实验光路如图 5-18-7 所示，使平面波与球面波分别从干版的两侧透射（仍需等光程、等光强）。
这种情况下制得的全息透镜便是反射型全息透镜。
在这种情形中，干涉场的条纹更密（因两束光传播方向的夹角更大），而且有沿乳胶厚度方向的条纹（两光束接近相向传播），所以，反射全息透镜可以看作是点光源的全息图，并且是一种体全息图，因而再现时对光波长有较强的选择性，而且用红光（632.8nm）制作的全息图，由于处理后乳胶的收缩，不再完全适合于红光，而向短波方向移动。
此时用白光再现时出现黄绿光。
此外，用反射全息透镜成像时，物和像都在透镜的同一侧。
B.S.2 A S L1 M2 M1 B.S.1 图 5-18-7 反射型离轴全息透镜拍摄的一种光路【讨论】前面讲的同轴全息透镜和离轴全息透镜是点源全息图。
这种点源全息图可以帮助我们更容易地理解
普通三维物体的全息照片为什么能显示物体的立体像。
因为普通物体可以看作是由许许多多的发光点组成，每个点发出一个球面波，它们分别与平面波相干，形成各自的同心圆形的干涉条纹。
普通的三维物体的全息图实质上是许许多多的同心圆形条纹结构的复杂第 17 页
组合。
当挡住物光（或移去物体本身），用平行光照射时，则再现出组成物体的各发光点的像，其空间位置仍在原处。
因此，整个再现像便是立体的了，象原物一样。
用非平行光照射时，像略有发散或缩小。
拍普通三维全息图，参考光虽然不一定用平行光，但道理是一样的。
参考文献 [4-1] 王仕璠、朱自强编著，《近代光学原理》，第 5、8 章，成都：电子科技大学出版社，1998 年 11 月，P.117~121, 206~209 第 18 页。