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1、信息光學(xué)PPT課件第五章光學(xué)全息這種方法就全息術(shù)：利用干涉原理，將物光波前以干涉條紋的形式記錄下來(lái)，由于物光波前的振幅和相位，即全部信息都儲(chǔ)存在記錄介質(zhì)中，它被稱(chēng)為“全息圖”。光波照明全息圖，由于衍射效應(yīng)能再現(xiàn)原始物光波，該光波將產(chǎn)生包含物體全部信息的三維像。這個(gè)波前記錄和再現(xiàn)的過(guò)程就是全息術(shù)，或全息照相。如果我們能夠用某一種方法把物體光波（其中包含振幅和相位信息）以某種方式記錄下來(lái)，則當(dāng)我們想辦法把物光波再現(xiàn)出來(lái)的話，就能再現(xiàn)三維的物體。全息照相仿真實(shí)驗(yàn)CAI5.1光學(xué)全息概述全息照相術(shù)是英籍匈牙利科學(xué)
2、家丹尼斯.加伯(DennisGabor)于1948年發(fā)明的，從而開(kāi)辟了光學(xué)中的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，他因此獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1948年到50年代末期，全息照相都是采用汞燈作為光源，而且是所謂的同軸全息圖，它的?1級(jí)衍射波是分不開(kāi)的，即存在所謂的“孿生像”問(wèn)題，不能獲得好的全息圖，這是第一代全息圖，是全息術(shù)的萌芽時(shí)期。第一代全息圖存在兩個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，一個(gè)是再現(xiàn)原始像和共軛像分不開(kāi)，另一個(gè)是光源的相干性太差。除了用光學(xué)干涉方法記錄全息圖，還可用計(jì)算機(jī)和繪圖設(shè)備畫(huà)出全息圖，這就是計(jì)算全息（ComputerG
3、eneratedHologram，簡(jiǎn)稱(chēng)CGH)。計(jì)算全息是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)綜合的全息圖，不需要物體的實(shí)際存在，只需要物光波的數(shù)學(xué)描述，因此具有很大的靈活性。全息術(shù)不僅可以用于光波波段，也可用于電子波，X射線、聲波和微波波段。5.2波前記錄與再現(xiàn)物體通過(guò)成像系統(tǒng)所成的像中包含著物體的信息，對(duì)這一點(diǎn)不會(huì)有人提出異議。事實(shí)上這種信息存在于物像之間光波經(jīng)過(guò)的任一平面上。正是光波承載著物體信息經(jīng)過(guò)這些平面向像面?zhèn)鬟f的。因而在該平面把攜帶信息的光波波前記錄下來(lái)，將可以在另一時(shí)間場(chǎng)所，采用適當(dāng)?shù)姆椒ò巡ㄇ霸佻F(xiàn)出來(lái)，使之
4、繼續(xù)傳播，以產(chǎn)生一個(gè)可觀察的三維像。光波傳遞信息，構(gòu)成物體的像這一過(guò)程被分為兩步：波前記錄與波前再現(xiàn)，這正是全息術(shù)的基本思想。5.2.1波前記錄1、用干涉方法記錄物光波前所有記錄介質(zhì)都只對(duì)強(qiáng)度有響應(yīng)，屬能量探測(cè)器，不能記錄波前攜帶的相位信息，因此，必須設(shè)法把相位信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度的變化才能記錄下來(lái)。干涉法是將空間相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為空間強(qiáng)度調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)方法。記錄介質(zhì)參考波物波上圖為波前記錄的示意圖,設(shè)傳播到記錄介質(zhì)上的物光波前復(fù)振幅（對(duì)于理想單色光，其空間的復(fù)振幅分布是不隨時(shí)間變化的）為傳播到記錄介質(zhì)上的參考光波前復(fù)
5、振幅記錄介質(zhì)上的的總光強(qiáng)為對(duì)兩個(gè)波前的干涉圖樣曝光后，經(jīng)顯影、定影處理后得到全息圖。因此，全息圖實(shí)際上就是一幅干涉圖。記錄介質(zhì)參考波物波上式中前兩項(xiàng)是物光和參考光的強(qiáng)度分布，其中參考光波一般選取用比較簡(jiǎn)單的平面波或球面波，因而是常數(shù)是物光波在底片造成的強(qiáng)度分布。記錄介質(zhì)參考波物波物光波在底片造成的強(qiáng)度分布是不均勻的，但實(shí)驗(yàn)上一般都讓它比參考光弱得多。前兩項(xiàng)基本上是常數(shù)，作為偏置項(xiàng).第三項(xiàng)是干涉項(xiàng)，包含有物光波的振幅和相位。參考光波的作用正好完成使物光波波前的相位分布轉(zhuǎn)換成干涉條紋的強(qiáng)度分布的任務(wù)。2、記錄
6、過(guò)程的線性條件直線曝光量振幅透過(guò)率負(fù)片的t-E曲線作為全息記錄的感光材料很多，常用的是由細(xì)微粒鹵化銀乳膠構(gòu)成的超微粒干板，簡(jiǎn)稱(chēng)全息干板。假定全息干板的作用相當(dāng)于一個(gè)線性變換器，它把曝光期間內(nèi)入射光強(qiáng)線性地變換為顯影后負(fù)片的振幅透過(guò)率，為此必須將曝光量變化范圍控制在全息干板t-E曲線的線性段內(nèi)。如圖所示，此外，我們還必須假定全息干板具有足夠高的分辨率，以便能記錄全部入射的空間結(jié)構(gòu)，這樣全息圖的振幅透過(guò)率可記為:式中和均是常數(shù)。是曝光時(shí)間。對(duì)于負(fù)片和正片，分別是負(fù)值和正值。假定參考光的強(qiáng)度在整個(gè)記錄表面是均勻
7、的，則式中表示均勻偏置透過(guò)率。如果全息圖的記錄末能滿足上面指出的線性記錄條件，將影響再現(xiàn)光波的質(zhì)量。5.2.2波前再現(xiàn)1衍射效應(yīng)再現(xiàn)物波波前用一束相干光波照射全息圖，假定它在全息圖平面上的復(fù)振幅分布為C（x,y)，則透過(guò)全息圖的光場(chǎng)為討論：由于參考波通常采用球面波和平面波，所以R2近似為常數(shù)，于是U1中兩項(xiàng)系數(shù)的作用僅僅改變照明光波C的振幅，并不改變照明光波的特性。U2的系數(shù)中包含有上式是物光波單獨(dú)存在時(shí)在底片造成的強(qiáng)度分布，它是不均勻的。因此，U2代表振幅受到調(diào)制的照明波前，這實(shí)際上是照明波經(jīng)歷
8、O
9、2
10、（x,y)分布的一張底片的衍射,使照明波多少有些離散而出現(xiàn)雜光，是一種噪聲信息。這是一個(gè)麻煩問(wèn)題，但實(shí)驗(yàn)上可想些辦法，如使適當(dāng)調(diào)整照明度，使
11、O
12、2與
13、R
14、2相比而成為次要因素。總而言之，U1和U2基本上保留了照明光波的特性，這一項(xiàng)稱(chēng)為全息圖衍射場(chǎng)中的0級(jí)波。當(dāng)照明光波是與參考光波完全相同的平面波或球面波時(shí)（C=R），透射光波中的第三項(xiàng)為因?yàn)閞2是均勻的參考光強(qiáng)度，所以除了相差一個(gè)常數(shù)因子外，U3是原來(lái)物光波波前的準(zhǔn)確再現(xiàn)，它
