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光学信息技术原理及应用(十四)光学全息技术的原理与介绍

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全息照相的特点和原理两个突出的特点，一是三维立体性，二是可分割性全息照片再现出来的像是三维立体的，具有如同观看真实物体一样的立体感，这一性质与现有的立体电影有着本质的区别可分割性，是指全息照片的碎片照样能反映出整个物体的像来，并不会因为照片的破碎而失去像的完整性普通照相在胶片上记录的是物光波的振幅信息（仅体现于光强分布），而全息照相在记录振幅信息的同时，还记录了物光的位相信息

全息术的发展历史丹尼斯·盖伯（DennisGabor）于1948年提出，由于这种技术要求高度相干性及高强度的光源而一度发展缓慢——萌芽时期，是用汞灯作光源，摄制同轴全息图，是第一代全息图1960年第一台激光器问世，解决了相干光源问题，1962年美国科学家利思（Leith）和乌帕特尼克斯（Upatnieks）提出了离轴全息图以后，全息技术的研究才获得突飞猛进的发展——，激光记录、激光再现的离轴全息图，称为第二代全息第三阶段是激光记录、白光再现的全息图，称为第三代全息，主要包括白光反射全息、像全息、彩虹全息、真彩色全息及合成全息等用白光记录、白光再现的全息图，称为第四代全息

波前记录与再现人眼接收到不失真的物光波的全部信息，两眼产生视差的结果，便看到了三维立体像利用两眼视差观察不同像合成，并不是真正的立体像；接收到具有位相关系的物光波，看见物体的立体像，才是“全息”立体像“冻结”物光波的过程称为“波前记录”，“复活”信息称为“波前再现”即“wavefrontreconstraction”盖伯避免位相信息丢失的技巧是干涉方法,因为干涉场分布与波面位相有一一对应关系物光波的振幅和位相信息便以干涉条纹的形状、疏密和强度的形式“冻结”在感光的全息干板上

波前记录和波前再现示意图

波前记录的数学模型在全息干板H上设置x,y坐标，设物波和参考波的复振幅分别为O(x,y)=O(x,y)exp[jφ(x,y)]0R(x,y)=R(x,y)exp[jφ(x,y)]o0r干涉光振幅是两者的相干叠加，H上的光干涉光振幅是两者的相干叠加，H上的光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)·U=∣O∣+∣R∣性理后，底片的透率函数t*(x,y)22+O·R*+O*·R与曝光光强成正比，略去一个无关紧要H的比例常数，上式可直接写成tH(x,y)=∣O∣2+∣R∣2+O·R*+O*·R

波前再现的数学模型设照明光波表示为C(x,y)=C(x,y)exp[jφ(x,y)]0c透过H后的光振幅U’(x,y)为式(5.7)称为全息学基本方程，其中方程右边各项的意义为第一、二项：与再现光相似，它具有与其相同的位相分布，只是振幅分布不同，因而它将以与再现光C(x,y)相同的方式传播。第三项：包含有物的位相信息，但还含有附加位相。第四项：包含有物的共轭位相信息，可能形成共轭像。

波前再现的几个特例(1)（1）C(x,y)=R(x,y)，即原参考光再现U’(x,y)=R（O2+R02）exp[jφr]00+R02Oexp[jφ]+R2Oexp[-j(φ-2φ)]0o00or第一、二项合并为一项，保留了参考光的信息第三项与原物光波只增加了一个常数因子，再现了物光波，所成的像称为原始像（虚象）第四项为共轭项，它除了与物波共轭外，还附加了一个位相因子，因而这一项成为畸变了的共轭像，是实像

波前再现的几个特例(2)（2）C(x,y)=R*(x,y)采用与参考光共轭的光波再现U’(x,y)=R（O2+R02）exp[-jφr]Oexp[-jφ]00+R02Oexp[j(φ-2φ)]+R20or00o第一、二项合并，仍保留了参考光的特征第三项是畸变了的虚象第四项是与原物相象的实像，但出现了景深反演，即原来近的部位变远了，原来远的部位变近了，称为赝像

波前再现的几个特例(3)(3)其他情况：a．照射角度的偏离：如再现光与参考光波面形状相同，只是相对全息图的入射角有偏离。偏离角小时仍出现再现像；随着角度的增大，再现像由畸变直至消失。全息图只在一个有限的角度范围内能再现物波前。利用这