实验十六 彩虹全息图的制作
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。
用红敏光聚合物干板制作彩虹全息图
用红敏光聚合物干板制作彩虹全息图
向科辉;马兴坤;张慧云;茅卫红
【期刊名称】《物理实验》
【年(卷),期】2006(026)009
【摘要】用红敏光聚合物干板制作了一步彩虹全息图,并通过对影响全息图质量的几个参量的实验研究,得到了制作像质较好的彩虹全息图的实验条件.
【总页数】3页(P41-42,47)
【作者】向科辉;马兴坤;张慧云;茅卫红
【作者单位】清华大学,物理系,北京,100084;清华大学,物理系,北京,100084;清华大学,物理系,北京,100084;清华大学,物理系,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】O4
【相关文献】
1.用双参考光拍摄干板两侧物体的三维全息图 [J], 戴薇;颜占先
2.非水溶性红敏光致聚合物特性及后处理对全息图性能影响的研究 [J], 李展华;章鹤龄;邵继宝;徐向敏;石磊
3.红敏光聚合物干板的使用特性 [J], 马兴坤;张慧云;茅卫红
4.党员先锋示范干港资红板别样红--红板(江西)有限公司党建促发展实践探索 [J],
5.利用天津Ⅰ型全息干板制作明胶全息图的优化工艺 [J], 胡光荣;张洪生
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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。
基于傅里叶合成全息的彩色全息制作方法
基于傅里叶合成全息的彩色全息制作方法全息技术是一种记录并再现物体的光学方法，通过利用干涉现象记录物体的相位和幅度信息，能够实现真实的三维影像。
而彩色全息技术则可以更加逼真地还原物体的颜色信息。
基于傅里叶合成全息的彩色全息制作方法结合了傅里叶变换和全息技术，能够有效地记录并再现物体的彩色信息。
以下是基于傅里叶合成全息的彩色全息制作方法的步骤：1.收集物体信息：首先，需要收集物体的三维形状和颜色信息。
可以使用多种方法，如激光扫描和摄像机拍摄等，获得物体表面的三维点云和颜色图像。
2.数据预处理：对收集到的点云和颜色图像进行处理，包括点云的滤波和重建，以及颜色图像的校准和去噪。
目的是消除噪声和误差，提高数据的精度和准确性。
3.数据转换：将点云和颜色图像转换到频域，使用傅里叶变换将它们转化为频率域中的复数振幅和相位信息。
这一步骤可以使用快速傅里叶变换（FFT）或其他相关的变换算法来实现。
4.彩色全息生成：根据傅里叶变换后的频率域信息，在全息材料（例如银盐全息材料或光致聚合物）上产生三维的全息图。
方法包括将复数振幅和相位信息分别显示为幅度和相位调制的图像，并将它们叠加在一起，形成彩色全息图。
5.彩色全息再现：使用适当的光源，将彩色全息图照射在全息材料上，产生全息波前。
当光波通过全息图时，会产生干涉现象，从而实现彩色的三维影像再现。
需要注意的是，基于傅里叶合成全息的彩色全息制作方法需要考虑多个因素，如物体的颜色分布、光源的特性、全息材料的特性等。
此外，制作过程中需要精确控制各个步骤的参数，以保证最终的彩色全息效果的质量和准确性。
在实际应用中，基于傅里叶合成全息的彩色全息制作方法能够广泛应用于科学研究、艺术创作和娱乐产业等领域。
它可以提供更加真实和逼真的三维影像，为我们带来更加丰富和沉浸式的视觉体验。
同时，随着技术的发展，我们可以预见基于傅里叶合成全息的彩色全息制作方法在未来会有更加广泛的应用前景。
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
彩虹实验报告
一、实验目的1. 了解彩虹的形成原理，探究光的折射和色散现象。
2. 通过实验模拟彩虹的形成过程，加深对光学知识的理解。
3. 培养实验操作能力和观察能力。
二、实验原理彩虹是由太阳光通过雨滴时发生折射、反射和色散而形成的。
当太阳光射入雨滴时，光线会发生折射，进入雨滴内部。
由于不同颜色的光具有不同的波长，所以在折射过程中会发生色散，形成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。
经过雨滴内部的反射和再次折射，这些颜色组合在一起，形成了我们看到的彩虹。
三、实验器材1. 平面镜2. 深色透明容器（如玻璃杯）3. 清水4. 水彩笔5. 太阳光或强光源6. 白纸7. 尺子四、实验步骤1. 在深色透明容器中倒入清水，确保水面平静。
2. 将平面镜放置在容器底部，调整角度，使太阳光或强光源能够垂直照射到平面镜上。
3. 观察水面，调整平面镜的角度，使反射光能够照射到白纸上。
4. 用水彩笔在白纸上描绘出彩虹的形状，注意观察七种颜色的变化。
5. 用尺子测量彩虹的宽度，记录数据。
五、实验现象1. 当调整平面镜的角度时，可以看到反射光在白纸上形成彩虹的形状。
2. 通过调整平面镜的角度，可以观察到七种颜色的变化，分别为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
3. 彩虹的宽度与平面镜与白纸的距离有关，距离越远，彩虹宽度越大。
六、实验结论1. 太阳光经过折射和色散后，形成了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的彩虹。
2. 彩虹的形成与平面镜的角度和距离有关，通过调整平面镜的角度和距离，可以观察到不同形状和宽度的彩虹。
七、实验讨论1. 彩虹的形成原理与三棱镜的色散现象有何关系？2. 彩虹的颜色与光的波长有何关系？3. 如何利用实验结果解释生活中常见的彩虹现象？八、实验拓展1. 利用不同形状和大小的容器，观察彩虹的形成。
2. 尝试在不同天气条件下观察彩虹，比较其形状和颜色的变化。
3. 利用全息技术制作彩虹全息图，观察全息彩虹的特点。
通过本次实验，我们了解了彩虹的形成原理，加深了对光的折射和色散现象的理解。
实验十六 彩虹全息图的制作
128 实验十六 彩虹全息图的制作实验目的制作彩虹全息图并在白光下观察其再现像。
实验方法第一步：对被照物体制作一个普通的全息图H 1，叫母全息图，见图1。
第二步：将已做好的全息图H 1用R 1*照明再现物体实像，利用此实像作为物（物光），加上参考光R 2及狭缝制作出第二块全息图H 2。
这第二块全息图H 2，具有彩虹的性质，也就是在用R 2*再现时，眼睛放在狭缝位置上可以看到物体的像，若在白光下再现，人眼沿着与狭缝垂直的方向改变观察方向，可看见不同颜色、五彩缤纷的像，如图2所示。
实验光路如图3所示。
实验步骤（制母板步骤省略）1．首先按图3调好光路。
2．放上已作好的母全息图，用R 1*再现原物体实像，可在实像处放一毛玻璃观察。
（这时可挡掉R 2）。
3．挡住物光，调节参考光R 2，使参考光R 2与物光波光强比约为3:1。
（可调连续分束镜或在参考光路中放置衰减镜）。
4．挡住光源，在实像面处放上全息干板，待稳定后进行曝光。
曝光时间，He －Ne 激光器功率40mW ，天津Ⅰ型全息干板为20秒左右，GYT 型干板为90秒左右。
全息干板图1 母全息图图2 第二块全息图1295．经显影、定影和漂白后的干板在白光下观察其再现现象。
注意事项1．狭缝大小和方向的选择：狭缝大小选取由虹全息来说希望越窄越好。
越窄色彩越纯，但太窄物光强太弱，不便观察，也不容易拍照。
至于狭缝方向水平放置与垂直放置均可，只是观察时移动方向不同，依习惯而定。
2．制作彩虹全息图时，参考光与物光光强比约为3:1。
且参考光与物光夹角不宜过大，以免影响衍射效率。
3．观察彩虹全息图的再现像应注意再现条件：白光方向必须是R 1*的方向，再者人眼须刚好置于狭缝原位置。
4．母全息图的制备可参考全息照相实验，为了便于再现实像和制作虹全息图，制作母全息图时物光与参考光的夹角不能太小，例如应在60︒以上，物与干板的距离也应适当选择。
实验原理下面我们稍微定量地讨论基元彩虹全息图的记录与再现。
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128 实验十六 彩虹全息图的制作
实验目的
制作彩虹全息图并在白光下观察其再现像。
实验方法
第一步：对被照物体制作一个普通的全息图H 1，叫母全息图，见图1。
第二步：将已做好的全息图H 1用R 1*照明再现物体实像，利用此实像作为物（物光），加上参考光R 2及狭缝制作出第二块全息图H 2。
这第二块全息图H 2，具有彩虹的性质，也就是在用R 2*再现时，眼睛放在狭缝位置上可以看到物体的像，若在白光下再现，人眼沿着与狭缝垂直的方向改变观察方向，可看见不同颜色、五彩缤纷的像，如图2所示。
实验光路如图3所示。
实验步骤
（制母板步骤省略）
1．首先按图3调好光路。
2．放上已作好的母全息图，用R 1*再现原物体实像，可在实像处放一毛玻璃观察。
（这时可挡掉R 2）。
3．挡住物光，调节参考光R 2，使参考光R 2与物光波光强比约为3:1。
（可调连续分束镜或在参考光路中放置衰减镜）。
4．挡住光源，在实像面处放上全息干板，待稳定后进行曝光。
曝光时间，He －Ne 激光器功率40mW ，天津Ⅰ型全息干板为20秒左右，GYT 型干板为90秒左右。
全息干板
图1 母全息图
图2 第二块全息图
129
5．经显影、定影和漂白后的干板在白光下观察其再现现象。
注意事项
1．狭缝大小和方向的选择：
狭缝大小选取由虹全息来说希望越窄越好。
越窄色彩越纯，但太窄物光强太弱，不便观察，也不容易拍照。
至于狭缝方向水平放置与垂直放置均可，只是观察时移动方向不同，依习惯而定。
2．制作彩虹全息图时，参
考光与物光光强比约为3:1。
且参考光与物光夹角不宜过大，以免影响衍射效率。
3．观察彩虹全息图的再现像应注意再现条件：白光方向必
须是R 1*的方向，再者人眼须刚好置于狭缝原位置。
4．母全息图的制备可参考全息照相实验，为了便于再现实像和制作虹全息图，制作母全息图时物光与参考光的夹角不能太小，例如应在60︒以上，物与干板的距离也应适当选择。
实验原理
下面我们稍微定量地讨论基元彩虹全息图的记录与再现。
由于分析的记录光路是线性的，若只考虑一个物点I 0(x 0，y 0，z 0)即再现实像上的一点并
不失去其普遍性。
在记录过程中，令记录所用的单
色光波长为λ，参考光的发散点是R (x r ，y r ，z r )。
选择空间直角坐标系的x －y 平面在记录干板的药
膜面上，坐标原点与干板中心重合。
如图4所示。
设在记录干板上物光和参考光的复振幅分别是U 0(x ，y )和U r (x ，y )，两者所形成的干涉图样的光
强分布是
*
00*2
202
0),(U U U U U U U U y x I r r r
r
+++=+= (1)
上式*号表示共轭复数。
假设记录过程是线性的，彩虹全息图的振幅透射率t (x ，y )正比于
I (x ，y )：
)(),(*
00*2
2
U U U U U U K y x t r r r
+++= (2)
当处理好的虹全息图放回原记录位置，用波长为λ' ，发散点为R (x r ，y r ，z r )的单色光照
明，就能再现出物点的全息像I (x I ，y I ，z I )，物点与全息像点的关系由下面的式子给出：
R 2狭缝H 1H 2
R 1*He －Ne 激光器
透镜反射镜反射镜
反射镜扩束镜扩束镜
准直镜(母全息干板) 图3 实验光路
I (x ,y ,z )R (x ,y , z )
H x
y z
0 0 0 0
r r r
图4 全息图的记录
U 0
U r
130
1
) 1(11z z z r i ⋅λλ+λλ-= (3)
01 ) 1(z z y z y r r i i ⋅λλ+λλ-= (4)
z x z x i i ⋅λλ= (5) 从上面的式子很容易
看出，当λ＝λ' 时再现的全息像点与记录的物点位置重合。
即再现光同参考光相同的情况下，原物点的
再现波前将由公式(2)
的第三项给出。
若在R (x r ，y r ，z r ) 点放置波长为λ1的点光源再现上述的虹全息图后，除了形成一般全息图所有的全息像点I 01之外，还将形成一个与之相对应的
狭缝实像I S1，如图5(a)
所示。
观察者看到全
息像点I 01' 的条件是瞳孔D 落在从I S1出射的衍射光场中，而最佳的观察位置是D
落在I S1处。
这好比人
们隔窗观景，越是靠近窗户景视场也越大。
若用具有两个波长λ1和λ2的再现光
源，这时再现光被虹
全息图衍射成为两个
空间错开颜色不同的
全息像点I 01、I 02和与
之对应的两个狭缝像I S1、I S2，如图5(b)所示。
只要I S1和I S2分离的尺寸大于人眼瞳孔直径D ，就可以通过I S1和I S2分别看到波长为λ1和λ2的两个全息像点I 01和I 02。
将这一概念推广到点白光源照明虹全息图的情况。
由于波长是连续变化的，每一波长都在不同的位置上形成它自己的全息点和相应的狭缝像。
于是全息像点按光源的光谱弥散成了一条线段，狭缝的全息像也按光源的光谱弥散成为一个六面体，如图5(c)所示。
在这种情况下，
ΔH ΔH (b)(a)(c)R(x ,y ,z )H H r r r
I 01
I 01
I 02I 0 图5 全息像点的再现 I S1I S1S2I
131
因瞳孔具有一定的线度D ，在固定的观察位置上，观察者只能看到一个准单色λ＋∆λ(∆λ＝λ'－λ)的全息像点，沿铅直方向改变观察位置，将相继地看到不同准单色的全息像点。
虽然彩虹全息照相也是一种离轴透射式全息照相，但它与普通的离轴全息照相比较可找出它自己的特点。
1．记录特点和普通全息照相记录光路相比，彩虹全息照相光路中引入了一条狭缝，物光束必须经过狭缝才能到达记录干板上，因此狭缝（或像）相当于记录光路系统中的入射光瞳，它允许狭缝方向的物信息通过，使这个方向的视差被保留下来，而垂直于狭缝方向的物信息绝大部分被限制住，丢掉了垂直于狭缝方向的视差。
在普通全息照相中，被记录物体上每点的信息均记录在整个全息图上，而在彩虹全息照相中，被记录物体上每点的信息在虹全息图上只是记录在对应的∆H 宽的区域内。
所记录的干涉图样在平行于狭缝的方向上条纹的空间频率低，在垂直于狭缝的方向上条纹的空间频率高，而普通全息图的干涉条纹空间频率分布一般没有明显的方向性。
2．再现特点：彩虹全息照相能直接用一般白光再现是这种全息图的最大特点。
亦即用某种波长的激光记录的虹全息图，在白光照明下，可再现出不同色彩的准单色全息像。
由于被记录物体
的信息均来自狭缝，根据光路的可逆性，再现的准单色全息像也将会聚于对应这种准单色的狭缝全息像，如图6所示。
因而虹全息的再现像是十分明亮和鲜艳的。
另外，使用非相干白光再现出的全息像的细腻程度变好，大大减小了普通全息照相用激光再现所带来的相干散斑噪声。
但同时也引起了全息像某种程度的色模糊。
这可通过记录光路中元件参数的选取上尽量克服。
H R
H 图6 准单色狭缝全息像
S1O1。