光学全息光学全息引言引言 人人的的眼眼睛睛能能够够看看到到一一个个物物体体，是是由由于于物物体体所所发发出出的的光光波波携携带带着着物物体体所所包包含含的的信信息息传传播播到到眼眼睛睛里里，在在视视网网膜膜上上成成像像所所致致。光光波波的的波波长长、振振幅幅、相相位位就就决决定定了了所所看看见见物物体体的的特特征（颜色、亮暗和形状）。征（颜色、亮暗和形状）。 然然而而，普普通通照照相相只只能能作作强强度度记记录录，不不能能记记录录物物体体光光波波的的相相位位，因因而而在在照照相相过过程程中中丢丢失失了了物物体体纵纵深深方方向向的的信信息息。我我们们生生活活在在丰丰富富多多彩彩的的三三维维世世界界中中，但但通通过过普普通通照照片片、电电视视、电影所看到的只是一些电影所看到的只是一些二维二维的图景，这自然不能令人满意。的图景，这自然不能令人满意。如何得到三维的图像呢？如何得到三维的图像呢？这种方法就全息术：这种方法就全息术： 利利用用干干涉涉原原理理，将将物物光光波波前前以以干干涉涉条条纹纹的的形形式式记记录录下下来来，由由于于物物光光波波前前的的振振幅幅和和相相位位，即即全全部部信信息息都都储储存存在在记记录录介介质质中中，它它被被称称为为“全全息息图图”。光光波波照照明明全全息息图图，由由于于衍衍射射效效应应能能再再现现原原始始物物光光波波，该该光光波波将将产产生生包包含含物物体体全全部部信信息息的的三三维维像像。这个波前记录和再现的过程就是全息术，或全息照相。这个波前记录和再现的过程就是全息术，或全息照相。 如如果果我我们们能能够够用用某某一一种种方方法法把把物物体体光光波波（其其中中包包含含振振幅幅和和相相位位信信息息）以以某某种种方方式式记记录录下下来来，则则当当我我们们想想办办法法把把物物光光波波再现出来的话，就能再现三维的物体。再现出来的话，就能再现三维的物体。全息照相仿真实验全息照相仿真实验CAICAI5.1 5.1 光学全息概述光学全息概述 全全息息照照相相术术是是英英籍籍匈匈牙牙利利科科学学家家丹丹尼尼斯斯. .加加伯伯(Dennis (Dennis GaborGabor) )于于19481948年年 发发明明的的，从从而而开开辟辟了了光光学学中中的的一一个个崭崭新新领领域域，他他因因此获得了此获得了19711971年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 19481948年年到到5050年年代代末末期期，全全息息照照相相都都是是采采用用汞汞灯灯作作为为光光源源，而而且且是是所所谓谓的的同同轴轴全全息息图图，它它的的 1 1级级衍衍射射波波是是分分不不开开的的，即即存存在在所所谓谓的的“孪孪生生像像”问问题题，不不能能获获得得好好的的全全息息图图，这这是是第第一一代代全全息息图图，是是全全息息术术的的萌萌芽芽时时期期。第第一一代代全全息息图图存存在在两两个个严严重重问问题题，一一个个是是再再现现原原始始像像和和共共轭轭像像分分不不开开，另另一一个个是是光光源的源的相干性相干性太差。太差。 19601960激激光光的的出出现现，提提供供了了一一种种高高相相干干性性光光源源。19621962年年美美国国科科学学家家利利思思( (LeithLeith) )和和乌乌帕帕尼尼克克斯斯( (UpatnieksUpatnieks) )将将通通信信理理论论中中的的载载频频概概念念推推广广到到空空域域中中，提提出出了了离离轴轴全全息息术术。他他用用离离轴轴的的参参考考光光与与物物光光干干涉涉形形成成全全息息图图，再再利利用用离离轴轴的的参参考考光光照照射射全全息息图图，使使全全息息图图产产生生三三个个在在空空间间相相互互分分离离的的衍衍射射分分量量，其其中中一一个个复复制制出出原原始始物物光光。这这样样第第一一代代全全息息图图的的两两大大难难题题宣宣告告解解决，产生了激光记录、激光再现的决，产生了激光记录、激光再现的第二代全息图第二代全息图。第第二二代代全全息息图图的的出出现现, , 使使全全息息术术在在沉沉睡睡了了十十几几年年之之后后得得到到新新生生，进进入入了了快快速速发发展展年年代代，相相继继出出现现了了多多种种全全息息方方法法，并并在在信信息息处处理理、全全息息干干涉涉计计量量、全全息息显显示示、全全息息光光学学元元件件等等领领域域得得到到了了广广泛泛的的应应用用。由由此此可可见见，高高相相干干度度的的激激光光的的出出现现是是全全息息术术发发展展的的巨大动力。巨大动力。 由由于于激激光光器器再再现现的的全全息息图图丢丢失失了了色色调调信信息息，人人们们开开始始致致力力研研究究第第三三代代全全息息图图。第第三三代代全全息息图图是是利利用用激激光光记记录录和和白白光光再再现现的的全全息息图图，如如反反射射全全息息、像像全全息息、彩彩虹虹全全息息及及模模压压全全息息等等，在在一一定条件赋予全息图像以定条件赋予全息图像以鲜艳鲜艳的色彩。的色彩。 激激光光高高度度相相干干性性，要要求求全全息息拍拍摄摄过过程程中中各各个个元元件件、光光源源和和记记录录介介质质的的相相对对位位置置严严格格保保持持不不变变，并并且且相相干干噪噪声声也也很很严严重重，这这给给全全息息术术的的实实际际使使用用带带来来了了种种种种不不便便，于于是是科科学学家家们们又又回回过过头头来来继继续续探探讨讨白白光光记记录录的的可可能能性性。第第四四代代全全息息图图可可能能是是白白光光记记录录和和白白光光再再现现的的全全息息图图，它它将将使使全全息息术术最最终走出实验室，进入广泛的实用领域。终走出实验室，进入广泛的实用领域。 除除了了用用光光学学干干涉涉方方法法记记录录全全息息图图，还还可可用用计计算算机机和和绘绘图图设设备备画画出出全全息息图图，这这就就是是计计算算全全息息（Computer Computer Generated Generated HologramHologram，简简称称CGH)CGH)。计计算算全全息息是是利利用用数数字字计计算算机机来来综综合合的的全全息息图图，不不需需要要物物体体的的实实际际存存在在，只只需需要要物物光光波波的的数数学学描描述述，因此具有很大的灵活性。，因此具有很大的灵活性。 全全息息术术不不仅仅可可以以用用于于光光波波波波段段，也也可可用用于于电电子子波波，X X射射线线、声波和微波波段。声波和微波波段。5.2 5.2 波前记录与再现波前记录与再现 物物体体通通过过成成像像系系统统所所成成的的像像中中包包含含着着物物体体的的信信息息，对对这这一一点点不不会会有有人人提提出出异异议议。事事实实上上这这种种信信息息存存在在于于物物像像之之间间光光波波经经过过的的任任一一平平面面上上。正正是是光光波波承承载载着着物物体体信信息息经经过过这这些些平平面面向向像像面面传传递递的的。因因而而在在该该平平面面把把携携带带信信息息的的光光波波波波前前记记录录下下来来，将将可可以以在在另另一一时时间间场场所所，采采用用适适当当的的方方法法把把波波前前再再现现出出来，使之继续传播，以产生一个可观察的三维像。来，使之继续传播，以产生一个可观察的三维像。 光光波波传传递递信信息息，构构成成物物体体的的像像这这一一过过程程被被分分为为两两步步：波波前前记录记录与与波前再现波前再现，这正是全息术的基本思想。，这正是全息术的基本思想。5.2.1 5.2.1 波前记录波前记录1 1、用干涉方法、用干涉方法 记录物光波前记录物光波前 所有记录介质都只对强度有响应，属所有记录介质都只对强度有响应，属能量探测器能量探测器，不能，不能记录波前携带的相位信息，因此，必须设法把相位信息转记录波前携带的相位信息，因此，必须设法把相位信息转化为强度的变化才能记录下来。化为强度的变化才能记录下来。干涉法干涉法是将空间相位调制是将空间相位调制转换为空间强度调制的标准方法。转换为空间强度调制的标准方法。记录介质记录介质参考波参考波物波物波上上图图为为波波前前记记录录的的示示意意图图, ,设设传传播播到到记记录录介介质质上上的的物物光光波波前前复复振振幅幅（对对于于理理想单色光，其空间的复振幅分布是不随时间变化的）为想单色光，其空间的复振幅分布是不随时间变化的）为 传播到记录介质上的参考光波前复振幅传播到记录介质上的参考光波前复振幅记录介质上的的总光强为记录介质上的的总光强为对两个波前的干涉图样曝光后，经显影、定影处理后得到全息对两个波前的干涉图样曝光后，经显影、定影处理后得到全息图。因此，全息图实际上就是图。因此，全息图实际上就是一幅干涉图一幅干涉图。记录介质记录介质参考波参考波物波物波上式中前两项是物光和参考光的强度分布，其中参考光波一般选上式中前两项是物光和参考光的强度分布，其中参考光波一般选取用比较简单的平面波或球面波，因而取用比较简单的平面波或球面波，因而是常数是常数是物光波在底片造成的强度分布是物光波在底片造成的强度分布。记录介质记录介质参考波参考波物波物波物光波在底片造成的强度分布是不均匀的，但实验上一般都让物光波在底片造成的强度分布是不均匀的，但实验上一般都让它比参考光弱得多。前两项基本上是常数，作为偏置项它比参考光弱得多。前两项基本上是常数，作为偏置项. .第三项是干涉项，包含有物光波的第三项是干涉项，包含有物光波的振幅振幅和和相位相位。参考光波的作参考光波的作用用正好完成使物光波波前的相位分布转换成干涉条纹的强度分正好完成使物光波波前的相位分布转换成干涉条纹的强度分布的任务。布的任务。2 2、记录过程的线性条件、记录过程的线性条件直线直线曝光量曝光量振幅透过率振幅透过率负片的负片的t-Et-E曲线曲线 作作为为全全息息记记录录的的感感光光材材料料很很多多，常常用用的的是是由由细细微微粒粒卤卤化化银银乳乳胶胶构构成成的的超超微微粒粒干干板板，简简称称全全息息干干板板。假假定定全全息息干干板板的的作作用用相相当当于于一一个个线线性性变变换换器器，它它把把曝曝光光期期间间内内入入射射光光强强线线性性地地变变换换为为显显影影后后负负片片的的振振幅幅透透过过率率，为为此此必必须须将将曝曝光光量量变变化化范范围围控控制制在在全全息息干干板板t-Et-E曲曲线线的的线线性性段段内内。如如图图所所示示，此此外外，我我们们还还必必须须假假定定全全息息干干板板具具有有足足够够高高的的分分辨辨率率，以以便便能能记记录录全全部部入入射射的的空空间间结结构，这样全息图的振幅透过率可记为构，这样全息图的振幅透过率可记为: :式中式中和均是常数。均是常数。是曝光时间。是曝光时间。对于负片和正片，对于负片和正片，分别是负值和正值。分别是负值和正值。假定参考光的强度在整个记录表面是均匀的，则假定参考光的强度在整个记录表面是均匀的，则式中式中表示均匀偏置透过率。如果全息图的记录表示均匀偏置透过率。如果全息图的记录末能满足上面指出的线性记录条件，将影响再现光波的质量。末能满足上面指出的线性记录条件，将影响再现光波的质量。5.2.2 5.2.2 波前再现波前再现1 1 衍射效应再现物波波前衍射效应再现物波波前用一束相干光波照射全息图，假定它在全息图平面上的复振幅分布用一束相干光波照射全息图，假定它在全息图平面上的复振幅分布为为C C（x,y)x,y)，则透过全息图的光场为则透过全息图的光场为讨论：讨论：由由于于参参考考波波通通常常采采用用球球面面波波和和平平面面波波，所所以以R R2 2近近似似为为常常数数，于于是是U1U1中中两两项项系数的作用仅仅改变照明光波系数的作用仅仅改变照明光波C C的振幅，并不改变照明光波的特性。的振幅，并不改变照明光波的特性。U U2 2的系数中包含有上式的系数中包含有上式是物光波单独存在时在底片造成的强度分布，它是不均匀的。是物光波单独存在时在底片造成的强度分布，它是不均匀的。因因此此，U U2 2代代表表振振幅幅受受到到调调制制的的照照明明波波前前，这这实实际际上上是是照照明明波波经经历历|O|O|2 2（x,y)x,y)分分布布的的一一张张底底片片