第11章光學(xué)-全息成相成像

§5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理主要內(nèi)容1.光學(xué)成像的平面性與空間立體性2.全息照相原理3.全息圖的分類與制作方法5.2.1光學(xué)成像的平面性與空間立體性(1)普通光學(xué)成像系統(tǒng)的成像特點同一垂軸平面上的不同物點，其共軛像點亦位于同一垂軸平面上；不同垂軸平面上的物點，其共軛像點位于不同垂軸平面上。因此，三維物體經(jīng)普通光具組所成的像也是三維的。只是由于觀察屏或全息底片只能放在某一確定的垂軸平面處，故只有與光屏面共軛的那些物體表面點能夠在光屏上成清晰像。本來應(yīng)成在其他垂軸平面上的表面點的像則全都投影在光屏上，似乎整個空間都被壓縮在一個平面上了。

圖5.2-1普通光學(xué)系統(tǒng)成像的三維特性ss'QLP5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理落在視網(wǎng)膜上的像仍然是一幅平面圖像。但眼睛具有快速的調(diào)節(jié)功能，能夠通過變焦調(diào)節(jié)將位于不同空間平面處的物依次成像在視網(wǎng)膜上，再經(jīng)過大腦的合成處理，最終得到立體的空間圖像視覺。故人眼之所以能夠感受到外部世界的立體景象，完全是由于眼睛的自調(diào)節(jié)功能所導(dǎo)致的一種視覺效應(yīng)。

眼睛的體視功能5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.1.1光學(xué)成像的平面性與空間立體性(2)普通光學(xué)成像系統(tǒng)實現(xiàn)三維立體像記錄與再現(xiàn)的可行性仿照人的雙眼成像原理，采用雙照相機系統(tǒng)，兩照相機的主光軸相對物體在水平方向保持微小夾角，同時從不同角度拍攝到物體的兩幅影像。觀察時讓左右眼睛分別觀察由左右相機拍攝到的圖片（在體視顯微鏡下），便可獲得體視效果。圖5.2-2體視攝影原理AaaQB5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.1.1光學(xué)成像的平面性與空間立體性體視攝影法利用高速電影放映機（或電視播放機），將左右眼觀看的畫面交替播放，同時利用液晶的電光調(diào)制特性制作成一副液晶眼鏡，調(diào)節(jié)左右鏡片的開關(guān)速度與左右眼畫面的播放速度同步。當(dāng)屏幕上顯示右（左）眼畫面時，右（左）眼鏡片透光，左（右）眼鏡片不透光；從而可以讓左右眼鏡分別觀看相應(yīng)的影像畫面。當(dāng)左右眼畫面替換的速度較高時，人的眼睛將由于視覺暫留效應(yīng)而感覺不出左右眼畫面的時間差，從而可將兩者合成為一幅立體畫面。拍攝和顯示原理與體視攝影法類似，只是在兩個成像鏡頭前分別裝有起偏方向正交的偏振片。顯示時分別將兩幅影像用偏振方向正交的平面偏振光投影在同一屏幕上，觀察者需要戴一副左右眼鏡片偏振方向正交的偏振眼鏡。

5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.1.1光學(xué)成像的平面性與空間立體性立體電影與立體電視偏振圖像合成法首先在照相機物鏡前加一濾色鏡（如紅色或綠色）并用彩色膠片對所拍攝物體曝光一次，然后在物鏡前換上另一種濾色鏡（如綠色或紅色），并以被攝物體中心為軸線轉(zhuǎn)動鏡頭，在同一彩色膠片上對所拍攝物體做第二次曝光。轉(zhuǎn)角大小正好等于人的左右眼對物體所張的角度。這樣，膠片上同時記錄了自兩個不同角度對同一物體觀察到的兩個不同顏色且相互略微錯開的像。觀察時，戴上一副雙色眼鏡，左右鏡片與拍攝時用的濾色鏡性能相近，因而使得左右眼分別觀察到兩個不同顏色的畫面，其合成結(jié)果，便有立體的感覺。這一原理也可以用于立體繪畫和計算機圖像的立體顯示。

5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.1.1光學(xué)成像的平面性與空間立體性雙色圖像合成法5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.1.1光學(xué)成像的平面性與空間立體性雙色圖像合成5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.1.1光學(xué)成像的平面性與空間立體性說明一般的光探測器或感光材料只對光強度有響應(yīng)，因而只能感受到光波場的振幅信息，對相位信息則無響應(yīng)。上述各種立體攝影，都只是利用了人眼的視覺效應(yīng)而產(chǎn)生的一種并非真實的立體效果，所探測或記錄到的圖像只包含了反映物體表面亮暗或色彩分布的二維圖像信息,并沒有真正地記錄和再現(xiàn)到物的全部信息。

由物體表面發(fā)出或經(jīng)物體表面反射的光波，攜帶著物體表面的信息，這些信息由物光波的波函數(shù)（復(fù)振幅分布）表示：(5.2-1)O0(x,y)：波前上各點的振幅分布，反映了物體表面各點的亮度信息；fO(x,y)：波前上各點的相位分布，反映了物體表面的縱向位置信息。

全息記錄和顯示：要記錄或再現(xiàn)物體表面的全部信息，必須同時能夠記錄或再現(xiàn)出反映物體表面特征的光波場的振幅和相位信息。

5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.1.1光學(xué)成像的平面性與空間立體性(3)全息的意義(1)波前記錄原理

伽伯的設(shè)想：雖然感光膠片不能記錄光波的相位，但可以利用雙光束干涉原理，令物光波與另一束與之相干的光波疊加而產(chǎn)生干涉圖樣，從而把物光波的相位疊加到干涉圖樣中，用全息底片記錄下干涉圖樣，就等于同時記錄下物光波的振幅和相位信息。記錄平面H上物光和參考光波前復(fù)振幅分布：

(5.2-2b)(5.2-2a)HROO+R圖5.2-3波前記錄原理5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.2全息照相原理全息圖：對物光波前和參考光波前疊加所形成的干涉圖樣經(jīng)適當(dāng)曝光后的全息底片，記錄了物光波前的振幅和相位信息。

(5.2-5)全息圖的復(fù)振幅透過率t(x,y)：在線性曝光和顯影定影處理下，正比于曝光量或記錄平面上總的光強度t0和b：與曝光量和記錄介質(zhì)感光特性有關(guān)的常數(shù)。疊加光波波前復(fù)振幅及強度分布：

(5.2-3)(5.2-4)5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.2全息照相原理再現(xiàn)全息圖用照明光波的波前復(fù)振幅分布：

(5.2-6)全息圖衍射光波的波前復(fù)振幅分布：(5.2-7)第一項：t0+bO02+bR02，0級衍射；第二項：

bR0*R0'exp[i(fR'-fR)]O(x,y)，+1級衍射；第三項：

bR0R0'exp[i(fR'+fR)]O*(x,y)，-1級衍射。5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.2全息照相原理(2)波前再現(xiàn)原理討論：

①若R'=R，則+1級衍射光波：

bR02O(x,y)，-1級衍射光波：

bR02exp(i2fR)O*(x,y)②若R'=R*，則

+1級衍射光波：bR02exp(-i2fR)O(x,y)，-1級衍射光波：

bR02O*(x,y)圖5.2-5波前再現(xiàn)原理2HR*O*圖5.2-4波前再現(xiàn)原理1HRO5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.2全息照相原理③若R'=R=R0，fR'=fR=0，則

+1級衍射光波：bR02O(x,y)，-1級衍射光波：bR02O*(x,y)。

圖5.2-6波前再現(xiàn)原理3HR0OO*5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.2全息照相原理說明：全息照相過程分為波前記錄和再現(xiàn)兩步

波前再現(xiàn)過程：依據(jù)光的衍射原理波前記錄過程：依據(jù)干涉原理物光波與參考光波相干疊加而產(chǎn)生干涉條紋，干涉條紋的反襯度記錄了物光波前的振幅分布，干涉條紋的幾何特征（包括形狀、間距、位置）記錄了物光波前的相位分布。參考光波扮演著載波的角色，干涉過程實際上就是作為信號波的物光波對作為載波的參考光波的調(diào)制過程。在線性處理條件下，全息圖的衍射光波場包含三部分——代表照明光波直透部分的0級衍射、代表物光波的+1級衍射和代表物光波的共軛光波的-1級衍射。提取出+1級衍射光波就可以獲得有關(guān)物場的振幅和相位信息。可見，全息再現(xiàn)過程相當(dāng)于信息的解調(diào)過程。5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.2全息照相原理按記錄光路分類：同軸全息圖，離軸全息圖按對再現(xiàn)光波的衍射規(guī)律分類：平面全息圖，體全息圖按記錄平面位置分類：菲涅耳全息圖，像面全息圖，傅里葉變換全息圖，夫瑯禾費全息圖按結(jié)構(gòu)分類：透射式全息圖，反射式全息圖按復(fù)振幅透射（或反射）系數(shù)分類：振幅型、相位型及混合型全息圖按再現(xiàn)方式分類：激光全息圖，白光全息圖，彩虹全息圖按載體分類：光學(xué)全息圖，模壓全息圖，計算全息圖，數(shù)字全息圖5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法①同軸全息圖：伽伯全息圖，記錄全息圖時參考光波與物光波同軸。

特點：記錄光路簡單，對光源的相干性和環(huán)境要求（如隔震）較低，在一個光具導(dǎo)軌上就可以實現(xiàn)。其中穿過物場的直透光波作為參考光，被物場衍射或散射的光波作為物光。

應(yīng)用：通?？捎糜谟涗浟鲌?、粒子場等透明或半透明物體的全息圖。圖5.2-7半透明物場的同軸全息圖記錄光路記錄平面激光器物場L1L2缺點：三束衍射光波同軸，觀察原物場的再現(xiàn)像時，總會有0級衍射和原物場的共軛再現(xiàn)光波作為背景伴隨。

5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法(1)同軸全息圖與離軸全息圖②離軸全息圖：烏帕特尼克斯-利思全息圖，記錄光路類似于馬赫-曾德干涉儀光路，物光波與參考光波不同軸。特點：產(chǎn)生的三束衍射光波在空間亦彼此分離，互不干擾，因而便于對物光波前的觀察和信息提取。

缺點：為實現(xiàn)物光波與參考光波在空間分離，離軸全息圖的記錄光路變得復(fù)雜，從而對光源的相干性和環(huán)境（如隔震）的要求也變得較為苛刻。5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法平面全息圖：全息圖底片的乳膠層較薄，所記錄的全息圖具有正弦型平面光柵的結(jié)構(gòu)特征，故再現(xiàn)過程服從平面光柵的衍射規(guī)律。

體（積）全息圖：全息圖底片的乳膠層較厚，所記錄的全息圖具有正弦型體光柵的結(jié)構(gòu)特征，故再現(xiàn)過程服從體光柵的（布拉格）衍射規(guī)律。

性能比較：平面全息圖的再現(xiàn)條件要求較簡單，但衍射效率較低；體全息圖的衍射效率較高，但再現(xiàn)時對照明光波的波長和入射角度的選擇性較強。

5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法(2)平面全息圖與體全息圖記錄光路特點：全息圖記錄平面與物體表面之間相距較近，且沒有其他成像器件，由物體表面散射的光波將通過菲涅耳衍射直接到達(dá)記錄平面并與參考光波發(fā)生干涉。

M2M1分束鏡擴束鏡記錄平面激光器物光參考光擴束鏡圖5.2-8菲涅耳全息圖的實驗記錄光路5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法(3)菲涅耳全息圖菲涅耳全息圖特點：到達(dá)記錄平面上任一點的物光波均攜帶著物體表面各點的信息，因此，如果將菲涅耳全息圖分割成若干部分，則由其中的每一部分均可再現(xiàn)出物體的全息像。只是隨著該部分尺寸的減?。ㄏ喈?dāng)于通光孔徑減?。?，再現(xiàn)像的噪聲增大，清晰度降低。

菲涅耳全息術(shù)的應(yīng)用：三維顯示、全息干涉計量和全息無損檢測等。

對物光波的要求：要求物光波為漫射光波。當(dāng)物體表面具有漫射特征時，用平面光波或球面光波照明均可滿足要求；當(dāng)物體表面光滑時，則需要使照明光波先透過一塊漫射屏（如毛玻璃）后再投射到物體表面上。5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法菲涅耳全息圖5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法記錄光路特點：感光底片放在物體的共軛像平面上，參考光波與物光波在物的共軛像平面上發(fā)生干涉。

圖5.2-9像面全息圖的記錄光路QLH參考光物光全息圖的特點：①可用白光再現(xiàn)，且在不同方向可觀察到不同顏色的單色再現(xiàn)像。②可將物場按需要進行縮放，便于記錄和觀察。

應(yīng)用：三維顯示、全息干涉計量和全息無損檢測等領(lǐng)域。

5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法(4)像面全息圖圖5.2-10像面全息圖的白光再現(xiàn)像5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法記錄光路特點：感光底片放在物體的傅里葉變換平面（頻譜面）上，平行參考光波與物光波在物的傅里葉變換平面上發(fā)生干涉。

全息圖的特點：全息圖記錄的是物的頻譜信息，因而再現(xiàn)光波是物光波復(fù)振幅的傅里葉變換，需要對其再作一次逆傅里葉變換才能得到物光波的復(fù)振幅。

應(yīng)用：由于一般物的頻譜分布僅占據(jù)著頻譜面上很小的區(qū)域，傅里葉變換全息圖占據(jù)的空間尺寸很小，故非常適合用于全息信息存儲。

5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法(5)傅里葉變換全息圖lLf記錄平面參考光物體f'傅里葉變換全息圖的記錄光路記錄光路特點：感光底片放在物體的夫瑯禾費衍射區(qū)的某個平面上，參考光波與之在該平面上發(fā)生干涉。

全息圖的特點：記錄的是物的夫瑯禾費衍射信息，因而再現(xiàn)光波正比于物光波復(fù)振幅的傅里葉變換。

5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法(6)夫瑯禾費全息圖透射式全息圖：物光波和參考光波自記錄介質(zhì)的同一側(cè)入射時記錄的全息圖。由于干涉條紋面接近垂直于記錄介質(zhì)的表面，故透射式全息圖對記錄介質(zhì)厚度的要求沒有特殊要求。反射式全息圖：物光波和參考光波自兩側(cè)入射時記錄的全息圖。由于干涉條紋面平行于記錄介質(zhì)的表面，故需要用較厚的記錄介質(zhì)才能記錄下多層條紋面。振幅型全息圖：全息圖的復(fù)振幅透射系數(shù)為實函數(shù)相位型全息圖：全息圖的復(fù)振幅透射系數(shù)的模值等于1混合型全息圖：全息圖的復(fù)振幅透射系數(shù)為復(fù)數(shù)5.2全息成像5光學(xué)成像的波動學(xué)原理5.2.3全息圖的分類與制作方法說明：①實際記錄材料有振幅型、相位型和混合型三種。相位型記錄材料又分為浮雕型和折射型。若記錄介質(zhì)在曝光和處理以后厚度改變，折射率不變，則稱為浮雕型；反之，若記錄材料的厚度不變，折射率改變，則稱之為折射率型。用全息干版制作的全息圖，在顯影處理以后是振幅全息圖；進一步作漂白處理后則變?yōu)橄辔蝗D或振幅相位混合型全息圖。②菲涅耳全息圖、傅里葉變換全息圖及夫瑯禾費全息圖均需要用激光記錄和激光再現(xiàn)，故又稱為激光全息圖。像面全息圖可以用白光再現(xiàn)，故又稱為白光全息圖。彩虹全息圖是一種可用白光再現(xiàn)的特殊的菲涅耳全息圖。如果全息圖的記錄和再現(xiàn)過程均通過光路實現(xiàn)，則稱為光學(xué)全息圖。5.2全息成像5