全息光学与二元光学

应用举例 (3)
对流体场的分析
（用双脉冲激光） 如：飞行粒子速度的测定 气体密度场分布的测定 柴油机汽缸内油滴场分布的测定——设计喷嘴
医学上的应用
如：乳腺癌的早期诊断（澳）（用双脉冲激光） 牙病的防治（瑞典 Abramson） 生长速度的检测*（美 Lieth） et al
艺术领域
如：现代激光纹面术（用双脉冲激光）
概述
普通干涉法
迈克尔孙干涉仪
分振幅法
法布里泊罗干涉仪
双棱镜干涉
双缝干涉 近代光学测试技术，杨国光著，浙江大 学出版社 1997.9 (2001.10) 缺点 多需要标准面 被测表面要求是光学表面 现代干涉测量技术，殷纯永编，天津大 学出版社 1999.7 Optical shop testing, Daniel Malacara
数字
合成全息术
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一 全息光学概论 3600合成彩虹全息术
第一步
记录
非相干光记录
26/94
一 全息光学概论
第二步
相干光记录
R
O（黑白胶片）
H L1 柱 透 镜
27/94
L2
CL L
S
ห้องสมุดไป่ตู้
H
一 全息光学概论 原光路再现
白光点源
白光点源
H
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一 全息光学概论 讨论
视差的产生是由于双眼从不同的条形全息图得到
计算全息图最大的特点 可以“无中生有”
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三
二元光学
只要知道光波的数学描述，便可以利用计算机绘 出图形 计算全息的发展受到两个不同因素的刺激： 全息学发展至鼎盛时期 计算机绘图开始普及 罗曼在光学研究方面的成就，加上他在IBM公 司工作，使他走上了计算全息研究的这条路
62/94
三
二元光学
丹尼休克从李普曼中挖掘到他所 需要的东西，这就是“体积反射 再现波前原理”
--丹尼休克原理
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一 全息光学概论
位相全息图
折射率型
表面浮雕型
全息图的衍射效率
位相型 高于 振幅型
正弦型 低于 矩形型 和 锯齿型
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一 全息光学概论
4 白光再现全息术
白光再现 反射全息术 像 面 全息术 真彩色 全息术 白光 反射术
二 全息干涉度量学
介绍：研究扬声器的振动特性实验
施加不同的电压和频率 可得到不同的振型
00 模
01 模 56/94
11 模
二 全息干涉度量学 应用举例
机床振型分析：条纹密处是容易损坏的部位
汽车发动机振型分析：条纹密处是噪声源 编钟振型分析：研究其音域、音色
检测复制品的质量（编钟）
操作手电钻工人的振动分析： 检测操作工的受振部位，研究劳保待遇问题
激光器坏了
+
需要做全息图
63/94
怎么办？？？
三
二元光学
1967年巴里斯（Paris）与罗曼一起完成了几 个用光学方法很难实现的空间滤波，显示了计 算全息的优越性 1969年赖塞姆（Lesem）提出了相息图 1974年李威汉（Wai-Hon Lee）提出了计算 全息干涉图的制作技术
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三
计算全息图的主要应用范围是： 二维和三维物体像的显示 制作各种空间滤波器
二元光学
产生特定波面用于全息干涉
激光扫描器和数据存贮
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三 计算全息图的制作 ① 根据全息学方程
由计算机计算全息图的透过率函数
二元光学
tH（x，y）
②
函数
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二 全息干涉度量学
扬声器的振动特性实验结果照片
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第八章 一
二
全息光学与二元光学
全息光学概论
全息干涉度量学
三
二元光学
59/94
三 1 计算全息术
二元光学
Computer Generation Holography
+
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三
二元光学
人物：德国光学专家罗曼（A.W.Lohmann） 时间：1965年 地点：美国IBM公司 内容：使用计算机和绘图仪做出了世界上第一 个计算全息图
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二 全息干涉度量学
飞行子弹速度的测定
To 17
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二 全息干涉度量学
一次曝光法
又称： 实时检测法
步 骤
制作一张物体变化前的菲涅耳全息图 全息图精确复位
物体变化过程中观察莫尔条纹的变化情况
计算物体的变化量
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二 全息干涉度量学
应用举例
实时监测植物生长的速度 光学元件表面加工质量的实时检测 光学元件内部折射率分布的实时检测
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分波阵面 法
二 全息干涉度量学
全息干涉法 用时间分割法获得相干光 对系统本身的依赖性小，系统误差小 测量精度高，达波长量级，几百 n m 精度提高2个数量级
（几十 m）
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二 全息干涉度量学
全息干涉计量术主要包括：
二次曝光法 一次曝光法 时间平均法
温度特性测量 如：材料的温度特性测量 灯泡内温度场分布 ， et al
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二 全息干涉度量学
飞机轮胎内气泡的测量
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二 全息干涉度量学
灯泡温度特性的测定
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二 全息干涉度量学
加热前后二次曝光
焊 缝
有 虚 焊
焊 接 质 量 好
发动机汽缸裂缝焊接质量的检测
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二 全息干涉度量学
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彩 虹 全息术
单光束 光路 狭缝 的 作用
一步法 二步法
假彩色 编码术
一 全息光学概论
白光反射全息图
单 色 像
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一 全息光学概论
白光反射全息图
单 色 像
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一 全息光学概论 合成全息术
3600合成 彩虹全息术
纵向多层 合成全息术
利用光纤 传像束的 合成 全息图
动态
合成全息术
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二 全息干涉度量学
测量步骤
加压前、加压后分两次曝光
加 压
待测材料 样品
在同一张全息干板上
记录两张菲涅耳全息图
再现照明光
再现时出现
H
莫尔条纹
体现应力场分布
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二 全息干涉度量学
应用举例 (2)
全息无损探伤 如：飞机轮胎内气泡的测量 雷达天线的检测 发动机汽缸焊接质量的检测，et al
方法不同 用途各异
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二 全息干涉度量学

二次曝光法
第一次曝光
第二次曝光
在同一张全息干板上曝光两次，拍摄两张菲涅耳全息图
拍摄被测目标变化前的状态
拍摄被测目标变化后的状态
例如
刚体受压前后
物体加热前后 物体运动前后 等等
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用于测量材料的力学特性
用于测量材料的热学特性 用于测量流体的运动特性
再现光路 （x，y）
L
H（x，y）
单色平面波 共轭像
0
原始像
z f f （x’ ，y’）
原始像是倒立的实像，共轭像是正立的实像
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一 全息光学概论
透射型体积全息图
O
O’
R C=R
观察
记录：
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再现：
To 2
一 全息光学概论
记录：
R
O
再现：
H C=R O’ 观察 H
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一 全息光学概论
白 光
z H
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一 全息光学概论
激光
光纤输入端
利用光纤 传像束制 作合成全 息图
R
H
光纤输出端
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L2
CL L
S
3D-SDVR 彩虹全息图再现像
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3D-SDVR 反射全息图再现像
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第八章 一
二
全息光学与二元光学
全息光学概论
全息干涉度量学
三
二元光学
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二 全息干涉度量学
记录光路（二）
O 0 z R
H
P P
L
f
d0 di
再现
C=R
H
P
z
特点： 面积小 ： 1.5-2.0mm 可用细光束记录，细光束再现
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di - f
一 全息光学概论
（x0，y0）
O（x0，y0）
L
（xf ，yf）
0
R（-b，0）
z H f
u x
f
f
f
,v
y
f
f
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一 全息光学概论
H
一 全息光学概论
再现模式（A） P
原始像
λ
L
0
O0exp[jφO ]
z
零级
C（x，y）
平面波
H
f
共轭像
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O0exp[-jφO ]
一 全息光学概论
再现模式（B）：
P 原始像
L λ0
z
C（x，y）
球面波
零级
H
d0
14/94
di
d0 , d i 满足透镜的物像关系
共轭像
一 全息光学概论
傅里叶光学
第八章 全息光学与二元光学
第八章
一 二 三
全息光学与二元光学
全息光学概论 全息干涉度量学 二元光学
全息光学(设计、制造和应用)，周海宪 编著，化学工业出版社 2006.5
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序
伽柏 (1900-1979)
匈牙利-英国物理学家
Gabor Dennis
1927年在德国获得博士学位 1947年提出全息的理论基础 1965年实现全息技术 1971年获诺贝尔物理学奖
二 全息干涉度量学 原理概述
菲涅耳全息图记录了物光波和参考光波的干涉条纹 物体发生变化前后的位相会发生变化 物光波位相的微小变化导致全息图记录的干涉条纹 的 疏密、形状发生改变
变化前、后两套干涉条纹有微小差别，记录于同一 张菲涅耳全息图上，产生莫尔条纹
由莫尔条纹的结构，推算出物体变化的微小量
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二 全息干涉度量学 蘑菇生长速度的检测
记录
Laser
O
R
H
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二 全息干涉度量学 蘑菇生长速度的检测 再现
O’
R
H
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二 全息干涉度量学
应用举例 (1)
全息光弹技术—— 应力场分析
如：桥梁、建筑、机床材料刚度的测量； 飞船外壳力学特性的测量； 地应力的测量用于地震预报，et al
不同的视角，实际上是体视对效应
第一步记录黑白底片时应注意保持拍摄角度的一
致性，尤其对大场景。否则会出现再现像的“颠簸”
第二步全息合成时，狭缝宽度应精确计算，与观
察距离、双眼视角匹配，否则，像会发生畸变
突出优点是白光记录、激光合成、白光再现，可
用于拍摄大场景或动态全息 29/94
一 全息光学概论
体积 全息图
透射型体积全息图 反射型体积全息图
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特征识别
布喇格条件
联想识别
一 全息光学概论
菲涅耳全息图 记录与再现光路（离轴型）:
记录
再现

O（x,y）
R（x,y） H

O’（x,y ）
H C（x,y）
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一 全息光学概论
夫琅和费全息图
记录光路 （一）
R
O
λ
0
z L f
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wavefront 1、全息再现光路：
O’(x，y)
0级
再现是衍射的结果
（x，y） －1级
虚 像
C(x，y) 再现照明光
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＋1级
H
一 全息光学概论 3 典型全息图介绍
菲涅耳全息图
平面 全息图
记录和再现原理
凸透镜的傅里叶 变换功能
光学傅里叶变换 和逆变换
夫琅和费全息图 傅里叶变换全息图
应用 举例 光计算
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 光的干涉
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转化途径 ？？？
一 全息光学概论 全息记录基本光路
照明光
（x,y）
物光
O（x,y）
参考光
全 息 干 板
R（x,y）
8/94
H
一 全息光学概论 2、全息再现 (波前重建） Reconstruction of the
伽柏说：他们的成功不仅是由于有了 激光，还要归功于利思从1955年开始的 长期的理论准备
4/94
序
全息图再现像，视角超过100°，景深达6英尺.
5/94
序
平面镜成像的全息特性
三维立体性
可分割性
实时性
考虑一个问题:
实物 搬走了 像 还能存在吗？
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一 全息光学概论 1 全息记录 Holographic Recording
寻找噪声源
研究音色、音域 等等
测量发动机的振动特性
测量乐器的振动特性
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二 全息干涉度量学 原理概述
拍摄振动物体的菲涅耳全息图
要求：
曝光时间 >> 振动周期
全息图上包含无穷多个全息图的重叠
问题是
这种全息图能获得再现像吗？
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二 全息干涉度量学
研究振动物体的振动规律和全息原理可知：
O’ R
观察莫尔条纹的 增加速度，判断
H
相应的变化
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二 全息干涉度量学 一次曝光法 优、缺点评价
实时检测，便于应用
复位精度高，难度大
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二 全息干涉度量学
时间平均法
工程技术中遇到许多难解的实际问题
例如：要求测量物体的振动特性 研究材料的耐用性 测量机床的振动特性 测量桥梁的振动特性 测量飞机螺旋桨的振动特性
振动物体内部的振型更多是以驻波的形式存在的 某些物点的振幅很大，构成波腹
某些物点的振幅为零，构成波节
记录腹点的全息图再现像可见度为零
记录节点的全息图再现像可见度为最大
腹点连线构成全息图再现像上的暗条纹
节点连线构成全息图再现像上的亮条纹
由全息图上明暗条纹的分布状况，可进行振型分析 55/94
未来不能预测，但是，未来能被创造 3/94 --丹尼斯.伽柏
序 伽柏的第一张全息照片及再现图象所掀 起的高潮，由于找不到理想的相干光源很快 地低落了下去 60年代，激光的出现使全息术的研究走 出了低谷。61年，美国的利思(Leith)与尤帕 尼克斯(Upatnicks)对伽柏的同轴全息术作了 改进。用氦氖激光器成功地拍摄到第一张实 用的激光全息图