信息光学复习要点

信息光学复习要点
1 (5.1&5.2)全息概述&波前记录与再现/所有的感光材料只能记录光强信息，全息记录的关键是必须冻住位相信息，要想实现全息记录必须使位相信息转化为光强信息，转化途径是光的干涉.
2 （波面形状与干涉场分布的关系）平面波与平面波相干，干涉场：平面族；平面波与球面波相干，干涉场：旋转双曲面；球面波与球面波相干，干涉场：双叶旋转双曲面；复杂波面与平（球）面波相干，干涉场：复杂的曲面分布.（对应关系）干涉场曲面的形状、间隔与相干波面一一对应；一种干涉场分布只对应一种干涉特征包括：波面形状和相干“姿态”——全息记录的依据
3 全息记录的基本光路
4 （全息记录的数学描述）单色光波 , 振幅，
位相，“+”号表示正向传播，“-”号表示反向传播.
5 （全息定义）将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，
使物体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”.当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重
现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像，这个波前记录
和重现的过程称为全息术或全息照相.
6 （依据全息原理解释全息照片的三大特点：三维立体性，可分割性，
白光不能再现）每一个物点的信息覆盖干板表面所有点，干板表面上每一点接收到所有物点的信息.普通照片不可分割的原因是物点与像点是一一对应关系.
7 （全息图的分类）物参光主光轴：同轴全息和立轴全息；记录介质相对物体的位置：菲涅耳全息图、夫琅和费全息图和傅里叶变换全息图；记录介质的厚度：平面全息图和体积全息图；记录和再现的光路配置：透射型和反射型；透射率函数的性质：振幅型、位相型和混合型；再现照明条件：激光再现和白光再现（像面全息图、彩虹全息图、360°全彩色全息和真彩色全息）
8 其他的全息图只能用激光重现.为什么像全息图和彩虹全息图却能用白光重现呢？普通的全息图是薄全息图，它的记录介质的感光层非常薄，以致全系记录的干涉条纹只分布在表面层，它只能在单色光照射下清晰地再现物光波，如果采用白光即连续非单色光，照射薄全息图，则由于再现物的纵向位置、横向位置和放大率因波长而异，以致各色光的+1级衍射波混杂一起，而模糊一片，不能再现物体形貌，如果，记录介质的感光层足够厚，以致全息记录时的干涉强度沿纵向Z 也被记录下来，便形成一个三维周期分布的光驻波场，经线性冲洗后，就获得一张体全息图.像全息图和彩虹全息图是体全息图，可以用白光重现
9 全息图记录到的实际上是一些纵横分布的干涉条纹，这些干涉条纹的形状、疏密、强度分布取决于物光波和参考光波的波前特性,以及两者之间的相互位置关系.干涉条纹是两光位相差为常量的点的轨迹.
10 (5.3)同轴全息图和离轴全息图(P117)
11 (5.4)基元全息图：由单一物点构成的物光波与点源构成的参考光波所形成的最基本、最简单的全息图.其他复杂的结构则可看成是这些简单结构的组合.（空域：基元波带片；频域：基元光栅）
12 (P122例题)
13 (5.5)菲涅尔全息图：记录平面位于衍射光场的菲涅尔衍射区，物光由物体直接照在底片上.物体特征：二维或三维漫射体，透射型或反射型；物光波特征：是物体的菲涅耳衍射波，物与干板距离满足菲涅耳近似条件；记录与再现：激光记录，激光再现.
14 菲涅耳全息图在什么条件下能再现出原始像来？请用数学描述，并说明其虚、实.P126(1)菲涅耳全息图在什么条件下能再现出共轭像来？请用数学描述，并说明其虚、实，有何特点？P127(2)
15 *夫琅和费全息图，近似条件：)(20200y x z +>>λ
π（特点）物体特征：二维透射型物体，即平面漫射体；物光波特征：是物体的夫琅和费衍射波物与干板距离满足夫琅和费近似条件；记录与再现：激光记录，激光再现；参考波特征：平面波
16 (5.6)傅立叶全息图凸透镜的傅里叶变换功能表
述为：当目标物置于透镜前焦面上时，透镜的
后焦面上得到物的傅里叶变换.结论：利用凸透
镜可以实现光学傅里叶变换.
17 全息方法既可以在空域中记录物光波，也可以
在频域中记录物频谱.物体或图像频谱的全息图，
称为傅立叶变换全息图.实现方法：物置于透镜前→在照明光的共轭位置得到物光波的傅立叶频谱+参考光波→傅立叶变换全息图.
18准傅立叶变换全息图: 凡是采用带有二次位相因子的傅立叶变换系统记录的关系图.无透镜傅立叶变换全息：参考光是从和物体共面点发出的一个球面波,用这种特殊光路记录的全息图.
19傅里叶变换全息技术用于特征识别第一步：制作待识别物的傅里叶变换全息图(匹配滤波器)第二步：将该物的匹配滤波器置于4f 系统的（x2，y2）平面上(频谱平面)第三步：将比对物置于4f 系统的（x1，y1）平面上（输入平面）第四步：在4f 系统的（x3，y3）平面上进行判别（输出平面）指纹识别全息锁** 机器人视觉…20傅里叶变换全息图的特点与应用1）全息图上记录的干涉条纹排列有序→适用于计算全息术2）全息图记录的是目标物的频谱分布集中，面积小→适用于大容量、高密度全息存储3）全息图记录的是干涉条纹,即使用高倍显微镜也看不到内容保密性好→适用于存储高密级资料
21(5.7)像面全息定义：物体靠近记录介质，或利用成像系统使物成像在记录介质附近，或者使一个全息图再现的实像靠近记录介质，都可以得到像面全息图特点：可以用扩展的白光光源照明再现.1)物体靠近记录介质，或利用成像系统使物体成像在记录介质附近，就可以拍摄像全息图；2)当物体的像位于记录介质面上时，称为像面全息.这时对于记录介质来讲，物体的像就是被记录的物，物距为零.再现的像距也相应为零；3)这时线模糊与色模糊也为零，可以用宽光源和白光照明再现出清晰的像；4)对于物体靠近记录介质的像全息图，线模糊与色模糊也非常小.显然这个特性对于全息的实际应用有极重要的意义.因此像全息图是一类极重要的全息图；5)像全息图的数学模型和菲涅耳全息相同，只是物、像距为零.
221)怎样得到“物光波”——成像光波？2)记录像面全息图的光路有何特殊性？3)像面全息图可否用白光再现？23透镜成像法(一步法)——透射型，采用原光路白光再现，反射型像面全息图如何记录？无透镜法(二部法) 记录：
1)记录菲涅耳全息图用平行参考光；2)共轭再现干板记录像面全息图，为什么要用共轭再现？景深反演→赝像两
种方法的优缺点：1方法简便；视场角小（受透镜孔径限制）；可用于多重像的多角度存储；噪声小/2方法较一步法复杂;噪声大；视场角大；可通过增大干板1相对干板2的张角实现
241）为什么像面全息图用白光再现时不会出现像模糊?2）要想使再现像处于干板后（或干板前）是否可能？记录光路应怎样改变？
25(5.8)彩虹全息定义：彩虹全息是利用记录时在光路的适当位置加狭缝，再现时同时再现狭缝像，观察再现像时将受到狭缝再现像的限制.当用白光照明时，对不同颜色的光，狭缝和物体的再现像位置都不同，在不同位置将看到不向颜色的像，颜色的排列顺序与波长顺序，犹如彩虹一样.彩虹全息图的特点：1）可以用白光再现；2）再现像呈现彩虹状的彩色，但再现像的色彩与原物体的色彩无关，而仅与再现照明光包含的波长组分有关.例如：用白炽灯照明和用日光灯照明，得到的彩虹效果有很大差异.3）彩虹全息属于假彩色全息.
26扩大视场角、降低噪声的方法：条形散斑屏法；移动法；零光程差法；像散彩虹全息法；与计算机技术相结合的更先进的方法.
27彩虹全息的发明思路1)普通全息图为什么不能用白光再现？/是由于不同波长的再现像错位重叠，发生色模糊和像模糊所致.2)能否设法把再现光波压缩在空间很窄的一个条形区域里，不同的波长占据空间不同的区域.3)当用白光照明时眼睛处在空间某一个位置，只能看到一种波长的再现像.4)移动观察位置，依次看到不同波长的像，不再会出现色模糊，于是达到了白光再现的目的.
28一步彩虹全息和二步彩虹全息的比较：1）一步彩虹全息制作简单，噪声小，但视场较小；2）二步彩虹全息制作复杂，噪声较大，但视场大.
29记录彩虹全息图需注意的问题：1）狭缝的宽度应选择适当:狭缝过宽，再现时各波长对应的衍射区展宽，引起“混频”，像的单色性差；狭缝过窄，像的单色性好，色彩鲜艳，但光能量损失较大，增加曝光时间，对系统的稳定度要求提高.2）注意狭缝的放置方位:狭缝应垂直于光路平面.3）注意物体的放置方位:为了保证再现像是正立的，记录时，物体应“卧”在光路平面内，即与狭缝相垂直.
30 1.记录彩虹全息图时1）为什么狭缝应垂直于光路平面放置？2）为什么物体应“卧”在光路平面内？2.彩虹全
息图和像面全息图的区别是什么？3.一步彩虹全息图可以用原光路再现，为什么二步彩虹全息图需要用共轭光再现？
31全视场彩虹全息特点:1）可以用白光再现，出现彩虹像；2）可以用二步彩虹全息方法制作；3）满足共轭再现条件时，可在一张全息图的正、反两面分别观察到物体的正面和背面，更加逼真.
32记录体视对彩虹全息注意事项1）第一步用普通照相记录时，必须根据与目标的距离以及人眼的平均间距，精确计算两架相机的间距，以及对准角度，包括水平方位和俯仰角度，保证符合人眼观察大景物的视差值；2）两架照相机曝光必须严格同步，尤其是拍摄动态实景时更为重要；3）第二步用全息照相记录时，OL、OR必须精
确对准，否则将得不到预期的观察效果. 33 体视对彩虹全息特点:1）体视对彩虹全息图“牺牲”了再现像的三维特性，立体感的产生，是靠两眼分别接收了左视图和右视图，继而产生了视差；2）观察再现像时，仅当双眼处于双孔像位置时，才能看到三维立体像；离开该位置则看不到预期的效果；3）体视对彩虹全息由于引入了普通照相技术，因而不必要求目标物体完全静止，可用于实时记录动态大场景.
34 (5.9)相位全息图：衍射效应起因于位相调制，而不是振幅调制相位全息图的特点：相位全息图对光是透明的；光束通过时，相位分布发生变化而导致衍射作用的发生，从而使记录在上面的物信息得以恢复.相位全息图的优点：相位全息图的衍射效率相当高;重铬酸盐明胶、光致聚合物的衍射效率可高达100%在全息技术中占有相当重要的地位.
35 相位全息图的类型 1）折射率型：如全息图的位相分布是由折射率变化引起的，称为折射率型全息图.如将银盐干板漂白，后可得到折射率全息图.再如用重铬酸盐明胶或光致聚合物制成的全息图，也属折射率型.（2）表面浮雕型：若位相分布是由记录介质表面厚度变化而引起的，则称为表面浮雕型.如将银盐干板制成的全息图置于鞣化漂白液中，经干燥便可制得浮雕型全息图；再如用光致抗蚀剂（光刻胶）作记录介质，得到的全息图也是浮雕型.
36 模压全息图：模压方法复制全息图的一项新技术.与凸版印刷术类似，称为全息印刷术.优点：解决了复制问题，可大规模生产；商品化，走进社会、家庭.制作技术分三个阶段：1)白光再现浮雕全息图的制作；2)电铸金属模板；3)模压复制.需要在白光下再现观察，所以母版的全息图多采用彩虹全息图，为了制作电铸金属板的母版，彩虹全息图还必须记录成相位浮雕型全息图.模压(P147)：也称印压，即在一定压力和温度下，利用专门模压机将镍板上的全息干涉条纹印刷到聚氯乙烯等热塑料薄膜上以制成模压全息图，再将模压全息图表面镀铝，使之成为反射再现全息图，便于观察.
37 电铸金属模板（P146）
38 (5.11)体积全息(P147)当用白光照明体积全息图时,会发生什么？1）布喇格条件保证了体积全息图的角度或波长选择性；2)尽管记录过程必须用单色光完成，再现却可以用白光实现；3)白光中只有一个很窄的光谱成分能够满足布喇格条件, 得到有效的衍射，不会产生其它颜色
的干扰.这在全息术的许多应用中是明显的优点.按
衍射条件：所有波长的光波都可能得到再现，但各
自的衍射角不同: 按反射条件：反
射角＝入射角＝ 结果：只可能有一个波长，其出
射方向同时满足两个条件如图中的4 ，其它波长的
衍射光被抑制，不能得到再现
39 1)“谁”能满足布喇格条件?只有波长等于记录光波长的衍射光才能满足布喇格条件，得到物光的再现,即当的单波长光能得以再现.
2)再现像有何特点? 形象与物相同，单色.
40 透射型体积全息图特点：
1)记录/物光和参考光在全息干板同侧；2)再现/照明光与观察者在全息图两侧；3)干涉条纹趋向/垂直于全息图表面；4)敏感点/对角度特别敏感.反射型体积全息图特点：1)记录/物光和参考光在全息干板两侧；2)再现/照明光与观察者在全息图同侧；3)干涉条纹趋向/平行于全息图表面；4)敏感点/对波长特别敏.（比较）透射体全息对角度敏感 时,有再现像； 时，无再现像.（实现多重像的存储）记录时对不同的目标物采用不同角度入射的参考光，白光再现时改变照明光入射的角度，得到多重像的再现
反射体全息对波长敏感 时，有再现像， 时，无再现像.用白光再现时，得到单色像不会出现色混淆
“蓝移”现象：再现单色像的波长通常并不与 相同原因是全息图在化学处理过程中发生了乳胶收缩
41 1)体积全息图在化学处理过程中发生了乳胶收缩，再现像为什么会发生“蓝移”现象而不是“红移”呢？满足什么条件有可能发生“红移”现象？2)什么叫体积全息图？它和平面全息图的主要区别是什么？3)什么是布喇格条件？4)透射体全息和反射体全息有何区别？记录光路；干涉条纹趋向；再现特点.
42 (5.12)平面全息图的衍射效率(P150)
43
*真彩色全息术一般原理:任何颜色都由三原色按比例合成三原色：红绿蓝（R G B ）；人眼辨别颜色靠视网膜上三种感色的锥体细胞，分别对红绿蓝三种颜色敏感；三原色波长的国际标准（由国际照明委员会规定）：1964年CIE —RGB 系统的标准.红He-Ne Laser(632.8 nm)；绿Ar + Laser(514.5 nm)；蓝Ar + Lase(488.0nm).若用 R 、G 、B
三
种波长记录三套全息图，将再现出十二项，相互干扰白光再现时造成严重的，用哪一种类型的全息技术有望消除？色串扰
44(5.13)全息干涉计量(P152)
§6计算全息
1计算全息1)计算全息将计算机技术与光全息术结合起来，可以实现光学全息术无法实现或难以实现的某些特殊功能.
2)光全息术是利用光的干涉原理，借助于参考光将物光波的复振幅记录在感光材料上，能够实现这种记录的必要条件是物体的真实存在
3)很多实际应用中理想的“物体”是很难制作，例如，用于检测光学元件加工质量的标准件，用于光学信息处理的空间滤波器，用于数据存储系统的相移器
4)计算全息发展极其迅速，已成功地应用在三维显示、空间滤波、光学信息存储和激光扫描等诸多方面
2计算全息图的制作计算全息图的计算机制作分为五步：对物光信息的采集：对于实际存在的物体，可用扫描仪或数字摄像机进行数据采集.而对于那些实际不存在的物体，可将其函数直接输入计算机抽样：用抽样定理将物函数离散化，得到物体或者波面再离散样点上的值，取抽样单元数不超过物的空间带宽积计算：计算物函数在全息平面上的光场分布编码：（两种途径）干涉的计算机仿真和迂回位相法存储：用计算机绘图仪直接画在纸上，然后用精密照相翻拍在照相底片上，适当放大或缩小到合适的尺寸
3物信息的采集物光信息的采集是指确定物光信息的函数形式，一般表现为复振幅透射率函数（或反射率函数）对于实际存在的物体，可利用扫描仪或数字摄像机进行数据采集对于那些实际不存在的物体，可将其函数形式直接从键盘输入计算机物函数需要离散化，一般取抽样单元数不超过物的空间带宽积，即满足关系式式中M、N分别为X方向和Y方向的抽样单元数，Δx和Δy为物体的空间宽度，Δfx和Δfy为物的频带宽度4物信息的处理计算傅里叶变换全息图：被记录的复数波面是物波函数的傅立叶变换.必须使用计算机完成物函数的傅里叶变换（借助快速傅立叶变换算法完成），得到全息图平面的光场复振幅函数.计算全息多采用傅里叶变换全息图.计算菲涅耳全息图：被记录的复数波面是物体发出的菲涅耳衍射波.须计算物函数经菲涅耳衍射到达全息图的复振幅分布，再将该复振幅分布编码成全息图的透过率变化.计算像全息：被记录的复数波面是物波函数本身或者其几何像.只需由计算机完成物函数的坐标缩放变换与抽样.全息图平面上函数的抽样数不得少于物函数的抽样数
5信息的编码到达全息图的物光波通常呈现为复数形式，包括振幅信息和位相信息；将二维光场复振幅分布变换为全息图的二维透过率函数分布的过程，称为计算全息的编码.计算全息的编码主要为如下两大类：一种途径是对光全息术的计算机仿真，用计算机算出全息图上参考光波与物光波的干涉条纹分布函数，这种编码方式称为干涉型编码方式，用这种方法制作的全息图称为干涉型计算全息图.（缺点：参考光波的加入增加了空间带宽积，因此全息图上的抽样点数必须增加）分别对振幅和相位编码（计算全息所特有的：迂回位相法）
6信息的存储计算全息图通常都用光学方法实现波前重现，因而存储手段必须与此相适应信息存储的方法有多种，最普遍的一种是用计算机绘图仪将计算机处理的结果直接画在纸上，然后用精密照相拍制在照相底片上，适当放大或缩小到合适的尺寸，制成实用的全息图还可用图形发生器、光绘仪、显微密度仪、激光光束扫描记录装置等来制作振幅型计算全息图对于浮雕型位相计算全息图（如相息图），由于只记录物的位相信息，因此还必须用光刻机、离子束刻蚀机或电子束刻蚀机等制作
7计算全息图的再现计算全息图的再现方法是根据全
息图类型来确定的用干涉编码法制作的傅里叶变换全
息图，可以用下图所示的光学系统来再现.用置于R处
的点光源通过透镜L1生成平行光，照明透镜L2前焦
面上的计算全息图H，在透镜L2后焦面处光轴上观察
再现像8迂回位相编码计算全息图的再现对于用迂回
编码法制作的全息图，再现时，用衍射角度保证在一
个抽样单元内获得从0到2π变化的位相差.因为透镜前后焦面是
傅里叶变换关系，前焦面上对中心的偏离在后焦面上表现为波面
位相的变化.这就是迂回位相编码的物理基础.
9计算全息术的应用（1）三维图象显示：计算全息可对那些能方
便地用数字描述但却难以实际制作的物体进行三维显示计算全息元件：用于校正普通全息元件像差用的像差校正器用于激光扫描器，可实现多束光同时高速扫描用于数据存储中进行编码的相移器功能特殊的全息透镜
10计算全息术的应用（2）光学检测：计算全息制作标准波面精度很高光学信息处理中的各种空间滤波器：用于图象消模糊的逆滤波器用于像边缘增强或图象加减的微分滤波器图象处理的各种带通滤波器等等
11全息记录介质全息记录介质是记录光全息图的载体，因而要求记录材料有较高的分辨率，较强的衍射效率，较大的动态范围和较高的感光灵敏度.目前用于全息记录的材料种类繁多：卤化银乳胶；重铬酸明胶；光致抗蚀剂；光导热塑；光致变色材料；液晶；光致聚合物；光折变晶体；小杆细菌视紫红质（BR）
12卤化银乳胶胶片（或干板）的结构如下图示，卤化银乳胶均匀涂布在片基上，构成软片或干板记录的物理过程曝光：卤化银盐在光的作用下先是分解再还原成单个金属银原子，以微粒的形式散布在乳胶内部，形成潜像.这样析出的银粒子密度很小，只是形成了进一步显影
的中心显影：还原剂作用下，显影中心周围
的卤化银大量地被还原成金属银定影：使未
反应的卤化银晶粒溶于定影液中，保持影像
的稳定性.漂白：利用漂白剂的氧化作用，使
底板上黑色的金属银变成近乎透明的卤化银盐，使全息图由振幅型转化为位相型，以提高衍射效率
13卤化银乳胶的特性几个物理量的定义：曝光量E：定义为入射到感光表面上每单位面积的光能量，单位常用毫焦耳/厘米2（mJ/cm2）或微焦耳/厘米2（μJ/cm2）入射光强度I ：定义为单位时间里通过单位面积的光能量，单位常用毫瓦/ 厘米2（mW/cm2）或微瓦/厘米2（μW/cm2）曝光时间T：定义为记录介质受光照射的时间，用分或秒为单位上述三个物理量的关系为：E = I·T透射率：定义为透射光强和入射光强之比，即强度透射率E = I透射/ I入射光密度D也称黑度：定义为透射率倒数的对数：D = lg（1/τ）
14卤化银乳胶的感光特性照片的光密度D与曝光量的对数lgE之间的关系曲线，简称H-D曲线可大致分为五段：灰雾区；趾部；线性区；饱和区；过饱和区照相多用线性区.设CD段的斜率为，常用胶片的值表示之：也常称为反差系数，值越高说明反差越大.值的大小除与胶片型号有关外，还与曝光量和显影条件有关.选择合适的参数，可获得预期的值.
15卤化银乳胶的分辨率和信噪比分辨率：乳胶能记录的空间光强度变化的最
小周期，单位通常用“线对/mm”.分辨率的高低取决于卤化银颗粒的大小外，
还与曝光量和显影条件等有关.用稀释显影法可以提高乳化银乳胶的分辨率
信噪比：通常表示为“S/N”，S和N分别表示信号和噪声的光强度形成噪声
的因素很多：有光散射；显影液选择不当；显影速度过快；漂白处理不当提
高信噪比的途径：尽可能减小颗粒尺寸；选择适当的显影液和显影速度
16卤化银乳胶的常规处理方法卤化银乳胶板曝光后的化学处理是很重要的
环节，其过程为：显影—水洗—停显—定影—水洗—干燥.（1）显影：D-19
是最常用的高反差显影剂，显影时间2-5分钟. D-76是一种低调显影剂，适
用于曝光量范围很宽的傅里叶变换全息图.（2）停显：一般用水冲洗即可达
停显效果，但用停显液效果更好.（3）定影：常规的定影液是F-5，时间在5
分钟以上.（4）水洗：目的是清除底片上的定影液和其他物质，必须充分（5）干燥：可用自然干燥，为缩短时间也可浸入无水乙醇后吹干（6）漂白：有时为了提高衍射效率，可将全息图进行漂白处理，使其转化为位相型.还有一种方法是显影后先漂白后定影，有利于长期保存
17重铬酸盐明胶（DCG）重铬酸盐明胶是一种很重要的全息记录材料，它几乎具有相位全息图的理想特性可产生很大的折射率变化，衍射效率最高可达100%，分辨率可高达5000线对/mm以上，噪声低再现像显得很“干净”重铬酸盐明胶的曝光机理十分复杂，处理过程与卤化银明胶不同，
DCG的缺点:灵敏度低，稳定度差，在高温高湿度环境下容易消象.在实际应用中需经封胶处理，才能长期保存.
18光致抗蚀剂（Photoresist）光致抗蚀剂能形成浮雕型相位全息图，常用于全息压印复制工艺光致抗蚀剂即光刻胶.其曝光机理是：曝光部分比未曝光部分溶解速率快200倍，置于稀碱溶液中显影曝光区便迅速溶解，使表面形成凹凸不平的浮雕状条纹光刻胶对紫外光灵敏度较高，曝光时间可达秒量级，而对于全息照相常用的可见光波段，灵敏度要低得多.常用的显影液是NaOH溶液，浓度0.7-1.2%，显影温度20+10C，显影时间在10秒内为宜.光刻胶板在显影液中若浸泡时间过长，会使表面粗糙而影响表面质量；显影短则衍射效率低光刻胶的分辨率较卤化银乳胶低，一。