实验六用二步法拍摄彩虹全息图
实验六 用二步法拍摄彩虹全息图
实验六 用二步法拍摄彩虹全息图一、实验目的（1）知道彩虹全息图可以用白光再现的原理。
（2）了解母全息图的拍摄特点及减小母全息图再现像的波像差技术。
（3）掌握二步法拍摄彩虹全息的方法。
（4）了解空间信息通道的原理。
二、原理概述1．什么是彩虹全息离轴全息图不能用白光再现的原因是因为色模糊造成的，为了在像面全息图的基础上进一步减小像全息图的色模糊，人们发展出了彩虹全息图。
所谓彩虹全息图实际上是在同一张干板上，同时拍摄记录下了两个物体的全息图，其一是物体的像面全息图，另一是一条距干板为明视距离(通常为25cm)的矩型狭逢的离轴全息图，如(图6-1)所示。
彩虹全息的出现开创了全息显示技术，用白光再现的全息图主要用来显示物体的三维形像，故叫做显示全息，它是别的显示方法不能代替的。
彩虹全息再现时，物体的实像浮在干板上，狭逢的实像呈现在干板前。
观察时人眼只有通过狭逢实像，才能看到物体的像，狭逢实像起了一个限制观察视角的作用（信息通道作用）。
由于是用白光再现，所以每一个波长的光都能再现出一个物像和狭逢实像，它们具有不同颜色。
它们一一对应，通过某一颜色的狭逢，只能看到同一颜色的物体。
由于狭逢在干板前的位置较远，所以错开位置也较大(即色散较大)，这样更易把不同颜色的狭逢实像分离而不重合，也就达到了把物像也分开的目的。
这样就在更大的成度上消除了色模糊，实现了白光再现。
由于可以看到由红到紫的物体图像，就似彩虹一样，这就是彩虹全息的由来。
因为要成像于干板上，按成像方法的不同可分为一步法和二步法。
2．拍摄彩虹全息图时狭缝物像位置的计算当参考光和再现光都是平行光时，狭缝的物像的位置坐标公式为μO I l l ±= (6-1) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛±=R C O O I l x x ααμcos cos 1 (6-2) ⎪⎪⎭⎫⎝⎛±=R C O O I l y y ββμcos cos 1 （6-3)(图6-1)用白光再现彩虹全息图式中O α，O β为物光的两个方位角，R α，R β为参考光的两个方位角，C α，C β为再现光的两个方位角，I α，I β为再现像光束的三个方位角。
彩虹全像片
• 使用白光重建一般全像片的問題：
密密麻麻的干涉條紋， 可視為光柵的一種
白光 (重建光)
全像片
模糊的影像 (像差)
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色散現象的藝術照
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• 使用白光重建的全像片： (1) 彩虹全像片 (2) Lippmann全像片 (3) 複合式彩虹全像片 (4) 壓印式全像片
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彩虹全像片： 1968年，麻省理工學院 S. A. Benton所提 研究全像電視
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攝製主全像片 翻拍成光阻劑全像片
做成金屬模版 熱印
鍍鋁金屬反射膜 切割、黏貼等加工
銀鹽全像片 光阻劑
光阻劑全像片
鎳金屬模版 透明塑膠膜
穿透型全像片 鋁膜
反射型全像片
壓印式全像片之製造過程
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光子晶體：
基本概念：
1987年， 美國UCLA電機系Eli Yablonovitch教授： 以降低自發輻射之能量浪費，構思新的雷射結構，發 現光子能隙(photonic band gap)結構圍繞著原子方式 之可行 加拿大Toronto大學物理系Sajeev John教授： 以電子可被有缺陷的晶體所侷限(localization)，類推 光子可被光子晶體的缺陷所侷限。
像能力 • 當時缺乏理想光源(同調光源)，成為
想像中的技術
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• 1960年，雷射(laser)發明 • 1962年，美國蜜西根大學E. N. Leith和
J. Upatnieks首次驗證全像術 • 1971年，D. Gabor獲諾貝爾物理學獎
“Train and Bird”(1964年)
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全像術與一般攝影術不同之處：
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Electro-optics：電的效應扮演角色之光學元件(例 如：雷射、光電調制器、光開關) Optoelectronics：本質為電但包含光的元件或系 統(例如：發光二極體、液晶顯示器、陣列光偵測 器) Quantum electronics：基於光與物質交互作用之 元件與系統的聯結(例如：雷射、使用於光學放大 之非線性光學元件、波的混合) Quantum optics：關於量子和光的同調性質之研 究領域 Lightwave technology：描述使用於光通訊或光 學訊號處理之元件與系統
全息原版制作的原理与工艺
全息原版制作的原理与工艺彩虹全息概述从商品包装的角度考虑，包装防伪标识不仅应该具有较强的防伪功能，而且更重要的是当在包装上使用了防伪标识后，标识不仅不破坏原来包装图案的整体协调感和装潢效果，而且应该增强原包装的装潢促销功能。
目前常用的全息防伪标识主要采用彩虹全息图。
所以本书重点介绍彩虹全息图的制作工艺。
彩虹全息是用激光记录的全息图，用白光再现单色或彩色像的一种全息技术，从再现像与原物色彩之间的异同，彩虹全息又可分为假彩色彩虹全息和真彩色彩虹全息两类。
彩色彩虹全息的基本特点是在记录系统中适当位置加入一个狭缝，其作用为限制了再现光波,以降低图像的色模糊，从而实现白光再现单色或彩色像。
彩虹全息首先由本顿受到全息图的碎片能再现物体完整像的启发，在1969年以二步记录全息（二步彩虹全息）的方式提出的。
二步彩虹全息先记录一张离轴菲涅耳全息图（称主全息或掩膜），如图1（a）所示。
用记录主全息时的逆参考方向的共轭光照明主全息图，使其再现孪生实像，靠近主全息放一个宽为a的水平狭缝S，以限制衍射光束即以狭光束构成孪生实像，如图1（b）所示。
这样记录的全息图即为二步彩虹全息。
用再现白光照明这彩虹全息时，物体和狭缝的再现像将激光记录时，再现像束中红、绿、蓝（R、G、B）三种颜色波长光的再现像和狭缝像处在不同的位置，这样，在不同波长狭缝像的位置即看到不同颜色的像，这就是能用白光照明全息图再现单色像的原因。
如果人眼沿z轴移动，使几种颜色的光进入眼睛，就会观察到像的颜色像雨后天空中的彩虹一样，这就是彩虹全息命名的由来。
因为本顿提出的二步彩虹全息要记录二次全息图，手续较繁，易产生噪声，且不能对再现像的颜色的观察方位作设定。
所以，后来发展了一步彩虹全息、加场镜的一步彩虹、像散二步和一步彩虹、无狭缝彩虹、无透镜彩虹、条形散射屏综合狭缝彩虹、编码二步彩虹和零光程差彩虹全息等多种彩虹全息技术。
考虑到商品包装对防伪标识应具备能用专色表示品牌特色的功能，能通过景特色彩的设计，景特纵深感强、装潢效果好和色彩鲜艳多变引人注目等要求，本书仅介绍具有色彩编码功能的彩虹全息的制作工艺。
彩虹雨实验步骤和原理 展板
彩虹雨实验步骤和原理展板一、实验步骤。
做彩虹雨这个实验可有趣啦。
准备材料：食用油、食用色素（最好有红、黄、蓝等不同颜色）、透明的瓶子或者杯子、水。
先把食用油倒入瓶子里，油要多倒一些哦。
就像给瓶子穿上一层厚厚的油衣裳。
接着呢，在油里滴入食用色素。
你可以把色素想象成一个个彩色的小水滴。
你看，当色素滴进油里的时候，它并不会像在水里那样马上散开，而是形成一个个彩色的小珠子在油里滚动呢，就像彩色的珍珠在油里玩游戏。
然后把这个装了油和色素的瓶子放在一边，再拿一个大一点的杯子或者盆子，在里面装上水。
最后把装着油和色素的瓶子慢慢倾斜，让油和色素的混合液慢慢流到水里。
这时候，奇迹就发生啦！你会看到像彩虹一样颜色的“雨滴”从油里落下来，在水里散开，就好像天空中下起了美丽的彩虹雨。
二、实验原理。
那为什么会出现这样漂亮的彩虹雨呢？这里面的道理其实也不难理解呢。
油和水是不能互相融合的，就像两个性格不合的小伙伴。
油比水轻，它会浮在水的上面。
而食用色素呢，它在油里不能溶解，但是在水里可以溶解。
当我们把油和色素的混合液倒入水中的时候，油带着色素珠子慢慢下沉，一旦色素珠子碰到水，就像找到了自己的家一样，立刻就溶解到水里去了，于是就出现了像彩虹雨一样的美丽景象。
我给你们讲个小例子呀。
就像一群彩色的小蚂蚁，它们本来被困在一片油的海洋里，到处乱爬。
当这个油的海洋靠近水的时候，小蚂蚁们一看到水，就纷纷跑向水里面，然后在水里散开，就形成了我们看到的彩虹雨啦。
这个彩虹雨实验是不是很神奇呢？大家都可以自己动手试一试，感受一下这种奇妙的现象哦。
彩虹全息和傅里叶变换全息
实验二一步彩虹全息实验一、实验目的1.掌握制作一步彩虹全息图的原理和方法2.制作一张一步彩虹全息图，在白光下观察其重现的像。
二、实验原理彩虹全息是像全息与狭缝技术相结合的产物，可以在白光照明下重现物体的像。
彩虹全息在被摄物和全息干板之间置一狭缝，再现物像时，也再现了狭缝像。
如果用白光照明，眼睛在狭缝像位置观察，可见特定波长光的再现像，而当实现沿垂直于狭缝像方向移动时，再现像也随之按彩虹色序发生变化。
彩虹全息图有各种不同的记录光路，如图1、2。
图1 一步彩虹全息实验图（一个全反镜，不加狭缝，可记录像全息图）三、实验步骤下面是以图2为实验光路图的实验步骤，图1光路图类似。
1、打开激光器，先摆放分束镜、2个全反镜、干板和载物台，使物光和参考光的光程相等（误差不超过2cm）。
注意：物体到干板的距离为45cm（假设成像透镜L的焦距为110mm，物体放在透镜前2倍焦距处，在透镜后2倍焦距处成等大倒立的实像，干板放在实像后1cm处）；物光与参考光的夹角θ在30°~60°；参考光光点位于干板中心；参考光与物光的光强比在4:1-8:1之间。
2、将2个准直镜（透镜焦距为190mm和300mm）分别放入物光和参考光光路中，调节透镜位置和高低，使两路光的光斑中心位于干板中央。
3、将2个扩束镜分别放入物光和参考光光路中的透镜前焦点上，使从透镜射出的光为平行光。
4、将物体放置在载物台上，用白屏或白纸观察物体的影子，物体影子应位于平行光斑的中央。
注意：物体躺倒放置；5、将焦距为110mm的透镜放在距物体22cm的地方，将在干板前1cm处可以观察到清晰的物体的像；调节物体的方向，观察物体的像，找反射最强的方向。
6、将狭缝（水平放置）放在物体与透镜之间，且与透镜的距离大于11cm，在干板架后面用毛玻璃寻找狭缝的像，通过狭缝的像观察物体的实像是否完整，若狭缝的像左右不全，可适当加大狭缝宽度或更换更小的物体。
7、曝光、显影、清水、定影、清水。
彩虹全息图
全息技术研究天
全息元件
多功能化
智能武器
智能机器人
全 息
全息检测
无损检测 （用于工程领域）
全息显示
立体图画
全息动画
全息电影
模拟军事演习
全息存储
1
第九章
第1节
引言
全息显示
假彩色显示 真彩色显示
合成全息显示
全息图像显示方法
激光记录，激光再现 激光记录，白光再现(全息显示主要研究内容之一)
3
概念 回放
白光再现反射全息
—— 丹尼苏克 全息图
Denisyuk hologram
记 录 光 路 H
Laser
仅当
再现像 特点 λ=λ0 时 满足 布喇格条件
白光
H
4
单 色 像
白光再现反射全息
属性
反射型 体积全息图
记录条件
激光记录
选择反射率较高的物体
干板胶面朝向物体
物体尽量靠近干板
再现照明条件
白光照明再现
再现像特点
单色再现像，波长与记录波长相同
用 途
白光反射全息技术是实现 彩色全息 的重要基础
5
像面全息
方法一 —
概念 回放
透射型
R O’
透镜成像法（一步法）—
L
记录
O
H C=白光 O’
再现
原光路再现
H
6
概念 回放
像面全息
方法二 无透镜法（二步法）
记录
第1步 记录菲涅耳全息图 用平行参考光
移动观察位置，依次看到不同波长的像，不再
会出现色模糊，于是达到了白光再现的目的。
第七章 光全息术2-像全息图、彩虹全息图1
UH ℱFOℱFROO fx , f y R fx , f y
O ( xo , yo ) exp [ - j2 ( fx xo f y yo ) ] d xo d yo Ro exp [ j 2 fx b] fx = xf / ( λf )、fy = yf / ( λf )，xf﹑yf为透镜后焦面的空间坐 标，f为透镜焦距
第二步
制作彩虹全息图 H2 以 H1 的共轭实像为“物”， 通过狭缝 S 记录彩虹全息图 H2
H2
S
R1*
记录
O’
R2
H1
再现
Two-Step Rainbow Holography 二步彩虹全息
用单色光再现（共轭光）
R2* (单色光）
H2
S’
再现
在观察再现像时，仿佛也是通过狭缝去看。
Two-Step Rainbow Holography 二步彩虹全息
全息激光幻彩第一币（藏品赏析）
• “幻”是奇异的变化，“彩”是各种颜色的交织。 这两个字组织到一起，幻中有色，色中有变，变中 有新，新中有奇，奇中有绝。这种幻彩表现在金银 币上，自然灵光四动，流光溢彩，别有一番奇妙风 采。2004年9月推出的《全国人大成立50周年》纪 念金银币，是我国贵金属纪念银币生产首次采用全 息激光工艺技术，此套纪念金银币就有这种特殊的 幻彩效果。
§5-4 平面全息图
2、傅里叶变换全息图
再 现 光 路
第三项U：f 3 ℱ 1 R0OF fx , f y exp j2 fxb
RoOF fx , f y exp- j 2 fxbexp j2 fx x 'o f y y 'o dfxdf y
彩虹全息
Rainbow Hologram 彩虹全息图
全息图通过一狭缝记录，在观察再现像时，仿佛也是通 过狭缝去看。 如果再现波长不同于记录波长，由于引入了放大效应， 再现出的波就显得好像是来自一个位移了的缝。
如果用白光再现，再现出的波好像是通过许多位移了 的缝看到的物体，每个缝的像有不同的波长（颜色）。
R2* (单色光）
再现
H2
S’
在观察再现时，仿佛也是通过狭缝去看。
Two-Step Rainbow Holography 二步彩虹全息
用白光再现（共轭光） R2* (白光)
H2
红 黄绿 蓝 紫
彩 虹 像
再现
狭缝像
一步彩虹全息图
1978年杨振寰等人发明了一步彩虹全息摄 影技术。彩虹全息图实质上也是一种像面 全息图。不同的是拍摄一步彩虹全息图时 在物和干版之间加一个狭缝，并且透镜成 的实像可以离开干版一段距离，所以再现 立体效果比像面全息图要强一些。可使狭 缝紧靠透镜，取铅直方位。缝宽没有严格 限制，可在０.５～８ｍｍ之间选择。
世界上最难伪造的钞票
• 面额：20英镑 国家：英国 最新版20英镑面值的钞票有一个显著的全息条。 一旦将钞票倾斜，全息条上的图像能在英镑标志 和数字"20"之间来回转换。
彩虹全息图
白光显示周视全成彩虹全息
演全 唱息 会投
影 打 造 的
初 音 未 来
——
一步彩虹全息图拍摄光路
两步法和一步法彩虹全息比较
• 二步法优点： 记录全息图的观察范围比较大，采取合适
的记录光路有较大的能量利用率 缺点：二步记录制作过程比较烦琐， 全息图的噪声较大
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实验六 用二步法拍摄彩虹全息图
一、实验目的
（1）知道彩虹全息图可以用白光再现的原理。
（2）了解母全息图的拍摄特点及减小母全息图再现像的波像差技术。
（3）掌握二步法拍摄彩虹全息的方法。
（4）了解空间信息通道的原理。
二、原理概述
1．什么是彩虹全息
离轴全息图不能用白光再现的原因是因为色模糊造成的，为了在像面全息图的基础上进一步减小像全息图的色模糊，人们发展出了彩虹全息图。
所谓彩虹全息图实际上是在同一张干板上，同时拍摄记录下了两个物体的全息图，其一是物体的像面全息图，另一是一条距干板为明视距离(通常为25cm)的矩型狭逢的离轴全息图，如(图6-1)所示。
彩虹全息的出现开创了全息显示技术，用白光再现的全息图主要用来显示物体的三维形像，故叫做显示全息，它是别的显示方法不能代替的。
彩虹全息再现时，物体的实像浮在干板上，
狭逢的实像呈现在干板前。
观察时人眼只有通过
狭逢实像，才能看到物体的像，狭逢实像起了一
个限制观察视角的作用（信息通道作用）。
由于是
用白光再现，所以每一个波长的光都能再现出一
个物像和狭逢实像，它们具有不同颜色。
它们一
一对应，通过某一颜色的狭逢，只能看到同一颜
色的物体。
由于狭逢在干板前的位置较远，所以
错开位置也较大(即色散较大)，这样更易把不同颜色的狭逢实像分离而不重合，也就达到了把物像也分开的目的。
这样就在更大的成度上消除了色模糊，实现了白光再现。
由于可以看到由红到紫的物体图像，就似彩虹一样，这就是彩虹全息的由来。
因为要成像于干板上，按成像方法的不同可分为一步法和二步法。
2．拍摄彩虹全息图时狭缝物像位置的计算
当参考光和再现光都是平行光时，狭缝的物像的位置坐标公式为
μ
O I l l ±= (6-1) ⎪⎪⎭⎫
⎝⎛±=R C O O I l x x ααμcos cos 1
μ (6-2) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛±=R C O O I l y y ββμcos cos 1μ （6-3) 式中O α，O β为物光的两个方位角，R α，R β为参考光的两个方位角，C α，C β为再现光的
(图6-1)用白光再现彩虹全息图
两个方位角，
α，Iβ为再现像光束的三个方位角。
这是全息定量计算时所需要的主要公式。
I
切记！
3．全息图再现像的波像差问题
透镜成像有像差存在，这是因为透镜本不是理想光学系统(只考虑了近轴光线)。
全息成像系统也非近轴球面波系统。
但在本章第六节推导全息图再现像与物的关系时，我们却把它看作了近轴球面波系统(利用了菲涅尔近似，忽略了3
1i l以上的项)，才得到各点的相位分布函数。
对真实全息成像系统，高次项总是存在的，它们就不是近轴球面波，所有的相位分布函数就和近轴球面波的不一样，这种空间相位差别，即理想波阵面和真实波阵面的差别，就用波像差来描述。
几何光学中像差是实际光线的成像位置与理想像点的位置之差。
两者表述方式不一样，但实质是相同的，故能找到类似之处。
具体讨论参见教学平台中PPT中相关内容。
在拍摄显示全息图片时，为确保图片的质量，常采用平行光做参考光和再现光，并常使参考光和再现光的波长相同，这时虽无放大倍数但像的质量最好，若需要实像应采用共轭参考光再现。
在需要放大倍数时，也应采用平行光再现，并使它们的方位角相同，让放大倍数主要来自不同的波长，方能使像差最小。
三、实验仪器及注意事项
光学平台一张He-Ne激光器一台
分束镜一块全反射镜两块
光学镜架三个扩束镜二个
准直镜一个狭缝一个
干板架一个全息干板一块
照度计一个
注意事项：
（1）不要自己调整激光器！！
（2）不能让激光束直接照射眼晴，同时也要防止较强的反射光进入眼晴，否则会严重损害视力。
（3）所有光学镜片，不能用手摸，不能对着哈气。
用后放入干燥箱内。
如果发现有不清洁现象，应交教师处理。
（4）遵守暗室规则。
化学处理在教师指导下进行。
四、实验内容
1．用二步法拍摄彩虹全息图
用二步法拍摄彩虹全息图，应先用银盐干板拍摄一张物体的普通离轴全息图，用它作为母全息图H1。
拍摄时用共轭参考光再现物体图像，在H1前面放置一条状狭缝，这样把二维图象记录到干板H上，这就是物光O，另用一束平行光R作参考光，所构建拍摄光路如(图
6-2)所示。
若再现光与共轭参考光相差太大，再现实像的波
像差较大（这可以和用透镜成像进行比较而察觉）。
故在设计拍摄光路时一定要特别注意，应尽可能地让
再现光接近共轭参考光，才能减少再现像的波像差。
二步法还有一个缺点，就是它的噪声总较透镜成像法
大，故在某些要求较高像质时，此法不可取。
二步法的优点是拍摄时它的光能利用率较一步(图6-2)二步法拍摄彩虹全息图
成像法为好，故无须太大功率的激光器，也无须大口径的成像透镜，故所需投资较小。
①在构建拍摄光路前应对光学平台的防震性能进行检查，并测量激光器的输出功率，检查输出光斑图样（一般由指导老师负责）。
②在构建光路时，尽可能做到让参考光和物光的光程相同(此光程指由分束镜起到记录干的光程)。
③光路构建好后，应再次检查所有支架的紧固螺定是否锁紧。
④遮住参考光检查母全息图成像的情况，并调整之使其达到要求（清晰、位置等）。
⑤用照度计测物光照度，遮住物光测参考光照度，调整物光或参考光强使参物比接近八比一(对于散射物体采用较强的参考光，有利于弱散斑的信息放大)；
⑥依干板特性曲线(即测定衍射效率曝光量曲线)，选择恰当的曝光量（天津—I，曝光量为220-240lx）。
测量总照度，依曝光量确曝光时间。
⑦设置并试用曝光定时器，遮住激光束，安装干板，静台十五分钟。
⑧打开激光束按曝光时间进行曝光。
⑨曝光结束后用暗盒装好干板，在教师指导下，在暗室中作化学处理，选择恰当的显影时间(约束80-100秒。
不适宜用延长曝光时间来增加黑度，这对减小噪声有利)。
⑩将干板干燥后保存，以备再现使用。
2．彩虹全息图的再现
用白点光源或太阳光对彩虹全息图再现，对再现像做出评价（噪声、观察视角、色彩等）。