第7章 光学全息1
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光学全息实验报告
光学全息实验报告光学全息实验报告引言：光学全息是一种利用光的干涉和衍射原理记录并再现物体的三维形态的技术。
本实验旨在通过实际操作，深入理解光学全息的原理和应用，并通过实验结果验证理论模型的正确性。
一、实验目的本实验的主要目的是通过搭建光学全息实验装置，观察并记录物体的全息图像，并对全息图像进行分析和解读，以加深对光学全息原理的理解。
二、实验装置本实验所用的光学全息装置主要包括激光器、分束器、物体台、参考光源、全息板等。
其中，激光器用于产生单色、相干的光源；分束器用于将激光光束分为物体光和参考光；物体台用于放置待记录的物体；参考光源用于提供参考光束；全息板用于记录光的干涉和衍射信息。
三、实验步骤1. 准备工作：调整激光器、分束器和参考光源，使其正常工作并保持稳定的光源；2. 调整物体台和全息板的位置，使其与光路保持垂直；3. 将待记录的物体放置在物体台上，并调整物体的位置和角度，以获得清晰的全息图像；4. 调整全息板的位置和角度，使其与物体和光路保持一定的相对位置和角度；5. 打开激光器，使光束照射到物体上，同时参考光束照射到全息板上；6. 关闭激光器，取下全息板，并用显影液进行显影处理；7. 将显影后的全息板放置在光路中，观察并记录全息图像。
四、实验结果与分析通过本实验，我们成功记录了多个物体的全息图像，并对其进行了分析和解读。
在观察全息图像时，我们发现全息图像具有非常强的立体感，能够清晰地显示物体的三维形态和细节。
而且，与传统的二维图像相比，全息图像具有更广阔的视角和更真实的效果。
在分析全息图像时，我们发现全息图像中包含了物体的干涉和衍射信息。
通过对全息图像的放大和旋转，我们可以观察到干涉条纹的变化和衍射光的分布情况。
这些信息不仅可以用于还原物体的三维形态，还可以用于分析物体的光学特性和材料属性。
五、实验总结通过本次光学全息实验，我们深入了解了光学全息的原理和应用。
通过实际操作，我们成功记录了物体的全息图像，并对全息图像进行了分析和解读。
光学全息技术原理演示文档
光学全息技术原理
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“wavefront reconstraction”
3．全息实验光路设计原则 （1）光程差的要求尽可能小 （2）干板表面物光和参考光光强之比在1：2至1：10以内 （3）空间频率的限制：物光和参考光的夹角应选择适当，使全
息图的条纹密度不得大于所选用记录介质的分辨率 （4）光学元件使用数量要尽可能少，一方面是为了减少不必要
的光能量损失，另一方面也为了减少引入光噪声的渠道。
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 0（O 0 2 + R 0 2）exp [- jφr ]
均匀的平面波，它相当于波前记录时的参考波；另一项是 t
所代表的弱散射波，它相当于波前记录时的物光波。
（1）C ( x , y ) = R ( x , y )，即原参考光再现 U’( x , y ) = R 0（O 0 2 + R 0 2）exp [ jφr ] + R 0 2 O 0 exp [ j φo]+ R 0 2 O 0 exp [ - j (o - 2φr )]
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
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“wavefront reconstraction”
3．全息实验光路设计原则 （1）光程差的要求尽可能小 （2）干板表面物光和参考光光强之比在1：2至1：10以内 （3）空间频率的限制：物光和参考光的夹角应选择适当，使全
息图的条纹密度不得大于所选用记录介质的分辨率 （4）光学元件使用数量要尽可能少，一方面是为了减少不必要
的光能量损失，另一方面也为了减少引入光噪声的渠道。
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 0（O 0 2 + R 0 2）exp [- jφr ]
均匀的平面波，它相当于波前记录时的参考波；另一项是 t
所代表的弱散射波，它相当于波前记录时的物光波。
（1）C ( x , y ) = R ( x , y )，即原参考光再现 U’( x , y ) = R 0（O 0 2 + R 0 2）exp [ jφr ] + R 0 2 O 0 exp [ j φo]+ R 0 2 O 0 exp [ - j (o - 2φr )]
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
光学全息术-1
前两项基本上是常数，是直流项，对波前再现无用。
7.2.3式中的第三项、第四项：分别包含了物光波 和物光波的共轭。是物光波对参考光波的调制，参 考光波是载波， 物光波作为调制波。可以用于波 前再现。
7.2.4式的第三项：是由7.2.3中的第三、四项得来， 是干涉项， 清楚地表明：它包含了物光波的振幅和 相位信息。参考光波作为载波，其振幅和相位均受 到物光波的调制(调幅、调相)
在1948年，提出用光波记录物光波振幅和相位的方法，并用 实验证实这一想法，从而产生了一个新的光学领域——光全 息术。1971年，因此获得诺贝尔物理学奖。
二、全息术发展的几个阶段
自1948年伽伯提出光全息的思想一直到50年代末，全息照相 一般采用汞灯作为光源，并且是同轴全息记录方法（得到全 息图称为同轴全息）。±1级衍射波与零级分不开，存在所 谓的“孪 生像”问题，不能获得好的再现图像。光源的相 干性差。 全息术的萌芽时期。第一代全息图。
当再现光波满足一定条件时，可比较准确地再现 原物光波或原物光波的共轭光波。
1. 再现光波是全息记录时的参考光波，即 C(x,y)=R(x,y)：
U4
A
B C D
O
B
A
D C
U1+U2
O 再现
U3
Байду номын сангаасR 记录
C=R
(1).
U 3 R CO x , y R O x , y
2
7.2.8
|R|2是参考光波的强度; 是一实常数(平面波), 或 近似为实常数(球面波)。
U4
U3项，再现原物光波，用 眼睛观察或成像系统观测 时，在原位置观察到原物 体的影像，就象原物体还 在。由于物光波是发散的， 所以观察到是物体的 虚像。
光学全息
三、特点 1、全息照相最突出的特点为由它所形成的
三维形象 2、可分割性 3. 全息图可进行多重记录 4. 全息图可同时得到虚像和实像
四、全息图的类型 1、按参考光波与物光波主光线是否同轴来
分类，可分为同轴全息图与离轴全息图 2. 按全息图的结构与观察方式分类，可分 为透射全息图与反射全息图 3. 按全息图的复振幅透过率分类，可分为 振幅型全息图和相位全息图 4. 按全息底片与物的远近关系分类，可分 为菲涅耳全息图(Fresnel hologram)、像 全息图(Image plane hologram)、和傅里 叶变换全息图(Fourier transform
R( x, y) t 0 R0 ( x, y)
O( x, y) t ( x, y) R0 ( x, y)
R0 ( x, y)
为正入射平面波
要求： t ( x, y) t0
②离轴全息图 ⅰ.定义：±1级不同轴的全息图。 ⅱ.产生：用光契记录全息图 sin 参考光产生一倾角θ 0
第五章
Optical Holograph 光学全息
►光学全息概述 ►波前的记录与再现 ►常用全息图的生成与再现 ►体全息 ►平面全息图的衍射效率 ►计算全息及其应用
§ 1. 光学全息概述
一、光学全息的发展历史
发明人：英籍匈牙利人丹尼斯盖伯 （Dennis Gabor) 发明时间：1948年 1960年，第一台激光器问世，解决了相干 光源的问题。 1962年，美国科学家利思和乌帕特尼克斯 提出了离轴全息图
③分析讨论： ⅰ 当a1 0时，无法有效记录 ⅱ 当a2 , a3 an 0时, 记录将会代入附加振幅 变化，使相位信息呈非线性 ⅲ 因此要选择线性度较好的全息干板，使： t ( x, y) a0 a1E ( x, y )
信息光学第七章-光学全息ppt课件
引入一相干参考波，该参考波在H上产生 的复振幅分布为
R x,yr0x,yejrx,y
那么，两波相遇叠加的总光场是
U x ,y O x ,y R x ,y
对应的强度分布为
I x , y U x , y 2 O x , y 2 R x , y 2 O x , y R * x , y O * x , y R x , y
➢用共轭参考波照明
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
2、波前记录与再现
✓用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C(x,y)，
全息图的透射光场分布为 U t x , y C t x , y C t b C O 2 C O R * C O * R U 1 U 2 U 3 U 4
4、基元全息图分析
✓全息图可看作是很多基元全息图的线性组合，了解基元全息图的结构和
作用对于深入理解整个全息图的记录和再现机理非常有益。 空域方法是把物体看作一些相干点源的集合，物光波前是所有点源发出的 球面波的线性叠加。每一个点源发出的球面波与参考波干涉，记录的基元 全息图称为基元波带片； 频域方法是把物光波看作由很多不同方向传播的平面波分量的线性叠加， 每一个平面波分量与参考平面波干涉而记录的基元全息图称为基元光栅。
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
1、引言
✓全息发展简史
➢ 1948年 Dennis Gabor 提出 “波前重现” 理论
目的：改善电子显微镜的分辨率 光源：汞灯 效果：因光源相干性差，效果很不明显
R x,yr0x,yejrx,y
那么，两波相遇叠加的总光场是
U x ,y O x ,y R x ,y
对应的强度分布为
I x , y U x , y 2 O x , y 2 R x , y 2 O x , y R * x , y O * x , y R x , y
➢用共轭参考波照明
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
2、波前记录与再现
✓用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C(x,y)，
全息图的透射光场分布为 U t x , y C t x , y C t b C O 2 C O R * C O * R U 1 U 2 U 3 U 4
4、基元全息图分析
✓全息图可看作是很多基元全息图的线性组合，了解基元全息图的结构和
作用对于深入理解整个全息图的记录和再现机理非常有益。 空域方法是把物体看作一些相干点源的集合，物光波前是所有点源发出的 球面波的线性叠加。每一个点源发出的球面波与参考波干涉，记录的基元 全息图称为基元波带片； 频域方法是把物光波看作由很多不同方向传播的平面波分量的线性叠加， 每一个平面波分量与参考平面波干涉而记录的基元全息图称为基元光栅。
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
1、引言
✓全息发展简史
➢ 1948年 Dennis Gabor 提出 “波前重现” 理论
目的：改善电子显微镜的分辨率 光源：汞灯 效果：因光源相干性差，效果很不明显
17光学全息技术的原理
c.波面的改变：再现光波面的改变会使原始像发生畸变。
全息再现特点的定性说明
全息图上每一点都记录有物上所有点发出的波的全部信息，因此 每一点都可以在参考光照射下再现出像的整体。
对再现像有贡献的点越多，像的亮度越高。 点越多，再现时的照明孔径也越大，像的分辨率就越高，可 以观察三维立体像的视角也越宽
还应当注意到，在全息图上这四项是相互重叠在一起的 由于光是独立传播的，再现时在全息图上相互重叠的的四项
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。
利用这一特性，可采用不同角度的参考光在同一张全息片上 记录多重全息图，再现时只要依次改变再现光角度，便可依次显 示出不同的像来。
b.波长的改变：如再现光与参考光只是波长存在差异，则再现像会 出现尺寸上的放大或缩小，同时改变与全息图的相对距离。
干涉场光振幅应是两者的相干叠加，H 上的总光场为干涉场光振幅应是两者的 相干叠加，H 上的总光场为 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 * ( x , y ) =∣O∣2 +∣R∣2 + O·R* + O*·R
将分别沿三个不同方向传播。
只要这些方向之间夹角比较大，离开全息图不远就可以分离 开来，在不同方向上观察，这四项产生的图像并不会互相干扰
——利思和乌帕特尼克斯提出离轴全息图的原理。
全息实验用装置
1. 相干光源——激光器
2．防震平台及光学元件 在几秒到几分钟甚至几十分钟内要求光路必须达到较高稳定 度，光程差的变化量不得超过λ /10 常用的光学元件有：反射镜；扩束镜；针孔滤波器；光分束 器；透镜；散射器等
全息再现特点的定性说明
全息图上每一点都记录有物上所有点发出的波的全部信息，因此 每一点都可以在参考光照射下再现出像的整体。
对再现像有贡献的点越多，像的亮度越高。 点越多，再现时的照明孔径也越大，像的分辨率就越高，可 以观察三维立体像的视角也越宽
还应当注意到，在全息图上这四项是相互重叠在一起的 由于光是独立传播的，再现时在全息图上相互重叠的的四项
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。
利用这一特性，可采用不同角度的参考光在同一张全息片上 记录多重全息图，再现时只要依次改变再现光角度，便可依次显 示出不同的像来。
b.波长的改变：如再现光与参考光只是波长存在差异，则再现像会 出现尺寸上的放大或缩小，同时改变与全息图的相对距离。
干涉场光振幅应是两者的相干叠加，H 上的总光场为干涉场光振幅应是两者的 相干叠加，H 上的总光场为 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 * ( x , y ) =∣O∣2 +∣R∣2 + O·R* + O*·R
将分别沿三个不同方向传播。
只要这些方向之间夹角比较大，离开全息图不远就可以分离 开来，在不同方向上观察，这四项产生的图像并不会互相干扰
——利思和乌帕特尼克斯提出离轴全息图的原理。
全息实验用装置
1. 相干光源——激光器
2．防震平台及光学元件 在几秒到几分钟甚至几十分钟内要求光路必须达到较高稳定 度，光程差的变化量不得超过λ /10 常用的光学元件有：反射镜；扩束镜；针孔滤波器；光分束 器；透镜；散射器等
光学全息实验报告
一、实验目的1. 了解光学全息的基本原理和实验方法。
2. 掌握光学全息实验的操作技能。
3. 通过实验观察全息图的记录和再现过程，加深对光学全息原理的理解。
二、实验原理光学全息是一种利用光的干涉和衍射原理记录和再现物体三维图像的技术。
全息照相的基本原理是将物体发出的光波与参考光束进行干涉，记录下物体的光波振幅和相位信息，从而形成全息图。
当全息图被适当的光照射时，可以再现物体的三维图像。
三、实验仪器1. 全息实验台2. 激光器3. 分束镜4. 反射镜5. 扩束镜6. 载物台7. 全息干板8. 显影液9. 定影液10. 暗房设备四、实验步骤1. 激光器发射的激光束经分束镜分成两束，一束作为参考光束，另一束作为物光束。
2. 物光束照射到被摄物体上，物体反射的光波与参考光束发生干涉，形成干涉条纹。
3. 干涉条纹记录在全息干板上，形成全息图。
4. 全息图经过显影和定影处理后，即可观察全息图的再现图像。
五、实验结果与分析1. 全息图的记录实验过程中，成功记录了被摄物体的全息图。
观察全息图，可以看到清晰的干涉条纹，表明实验过程顺利进行。
2. 全息图的再现在全息图上适当位置照射激光，可以观察到被摄物体的三维再现图像。
再现图像清晰、立体感强，与原物体相似。
3. 实验分析（1）全息图的记录：实验中，通过调整激光器、分束镜、反射镜等光学元件的位置，实现了参考光束和物光束的干涉。
干涉条纹记录在全息干板上，形成全息图。
（2）全息图的再现：在全息图上照射激光，参考光束与全息图上的干涉条纹发生干涉，形成再现光束。
再现光束与物光束具有相同的振幅和相位，从而再现被摄物体的三维图像。
六、实验总结1. 通过本次实验，成功掌握了光学全息的基本原理和实验方法。
2. 加深了对光学全息原理的理解，认识到全息技术在记录和再现三维图像方面的优势。
3. 提高了动手操作能力，为今后的科学研究奠定了基础。
七、实验展望光学全息技术在科学研究、工业生产、文化艺术等领域具有广泛的应用前景。
傅里叶光学第7章-全息术课件
3.菲涅耳全息图
4.傅里叶变换全息图
5.像全息图
6.模压全息
7.位相全息
8.彩虹全息图
9.体积全息图
10.计算全息
✓全息术的应用
1.全息显示
2.模压全息
3.全息光学元件
4.全息干涉计量
5.全息信息存储
2、波前记录与再现 p227
✓全息成像过程
1、波前记录—
用干涉法记录物光波
干涉图样的记录
2、波前再现—
胶片上的曝光强度为
2
I x, y r0 O x0 , y0 r02 O r0O r0O*
2
3、同轴全息图与离轴全息图
经过显影、定影后，负片的复振幅透过率就正比于曝光强度，即
t x, y tb O r0O r0O*
2
若用一平面波垂直照明全息图，透射光场为
jr x , y
那么，两波相遇叠加的总光场是
U x, y O x, y R x , y
对应的强度分布为
I x, y U x, y O x , y R x , y O x , y R * x , y O * x , y R x , y
U t x, y C0tb C0 O C0 r0O C0 r0O*
2
b) 同轴全息图的波前再现
✓物光和参考光都来自同轴，全息图透射光波中包含的四项都在同一方向传播，
无法分离；
✓在全息图的两侧距离为z0的对称位置产生物体的实像和虚像，成为孪生像；但
观察某一像时，会受到另一离焦的孪生像的干扰；
用衍射法再现物光波
2、波前记录与再现
4.傅里叶变换全息图
5.像全息图
6.模压全息
7.位相全息
8.彩虹全息图
9.体积全息图
10.计算全息
✓全息术的应用
1.全息显示
2.模压全息
3.全息光学元件
4.全息干涉计量
5.全息信息存储
2、波前记录与再现 p227
✓全息成像过程
1、波前记录—
用干涉法记录物光波
干涉图样的记录
2、波前再现—
胶片上的曝光强度为
2
I x, y r0 O x0 , y0 r02 O r0O r0O*
2
3、同轴全息图与离轴全息图
经过显影、定影后，负片的复振幅透过率就正比于曝光强度，即
t x, y tb O r0O r0O*
2
若用一平面波垂直照明全息图，透射光场为
jr x , y
那么，两波相遇叠加的总光场是
U x, y O x, y R x , y
对应的强度分布为
I x, y U x, y O x , y R x , y O x , y R * x , y O * x , y R x , y
U t x, y C0tb C0 O C0 r0O C0 r0O*
2
b) 同轴全息图的波前再现
✓物光和参考光都来自同轴，全息图透射光波中包含的四项都在同一方向传播，
无法分离；
✓在全息图的两侧距离为z0的对称位置产生物体的实像和虚像，成为孪生像；但
观察某一像时，会受到另一离焦的孪生像的干扰；
用衍射法再现物光波
2、波前记录与再现
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3
光学信息技术原理与应用
光电科学分院
2013
3/68
丹尼斯·盖伯，1900年6月5日出生 在匈牙利首都布达佩斯，1971年诺 贝尔物理学奖授予英国伦敦帝国科 技学院的匈牙利裔物理学家伽博 (Dennis Gabor,1900-1979),以表 彰他发明和发展了全息术。 丹尼斯的主要成就是发明了全息 术，而作为物理学家和高级工程 师，他一生中除了享有100多项专 利外，还发表了80多篇的论著
2 * *
干板记录的是干涉场的光强分布，曝光光强为
经线性处理后，底片的透过率函数 tH 与曝光光强成正比，略去一个无 关紧要的比例常数，上式可直接写成
t ( x, y ) ==| O | + | R | +O ⋅ R + O ⋅ R
2 2 * *
光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013
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全息术的发展历史（1）
丹尼斯·盖伯（Dennis Gabor） 于1948年提出一直到50年代末 期——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。存在两个严重问 题：一个是再现的原始像与共 轭像分不开，另一个是光源的 相干性太差。所以这一时期全 息术发展缓慢。
第一代全息图：汞灯光 源，同轴全息
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光学信息技术原理与应用
光电科学分院
2013
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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) = R0(O02 + R02)exp(-jφr) + R02 O0exp[j(φo -2φr )] + R02 O0 exp(-jφo) Ø 第一、二项合并，仍保留了参考光的特征 Ø 第三项是畸变了的虚象 Ø 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
上式 称为全息学基本方程，其中方程右边各项的意义为 Ø 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。 Ø 第三项：包含有物的位相信息，但还含有附加位相。 Ø 第四项：包含有物的共轭位相信息，可能形成共轭像。
光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013
光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013
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全息术的发展历史（2）
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）将通信理论中的载频概念 推广到空域中，提出了离轴全息术，并记录了第一张三维物体的全息图 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，称为第二代全图。
得到二维的平面图像 普通光源照明
激光全息视频
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光学信息技术原理与应用
光电科学分院
2013
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7.2全息照相的基本分析 ----波前记录与再现
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光学信息技术原理与应用
光电科学分院
2013
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全息术原理--波前记录与再现
用干涉的方法光波的全部信息（振幅和相位），并在一定条 件下再现物光波的波前，那么从效果上来看，相当于物的信 息在记录时被“冻结”在记录介质上，然后再某种条件下再 把波前从全息图中“释放”出来，然后继续传播，以产生一 个可以观察的三维像，如果不考虑时间间隔和空间上存在的 差异，再现光波与原始物光波毫无差异。 光波传递信息而构成物体的过程被分为两部分。“冻结”物 光波的过程称为“波前记录”，“释放”信息称为“波前再 现”，在全息术中使用的波常用光波，所以成为光全息术。 可以参照电信号的术语理解为“调制”和“解调”。 全息术的核心为 波前记录与波前再现
7.2.2 波前再现
C ( x, y ) = C0 ( x, y ) exp[ jφc ( x, y )]
透过H后的光振幅U’(x,y) 为 设照明光波表示为
U ′ ( x, y ) = C0 ( x, y)exp[ jφc ( x, y)][| O |2 + | R |2 +O ⋅ R* + O* ⋅ R] = C0 O02 exp [ jφc ( x, y)] + C0 R02 exp [ jφc ( x, y)] + C0O0 R0 exp j (φ0 − φr + φc ) + C0O0 R0 exp − j (φ0 − φr − φc )
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全息照相的基本叙述
波前记录
波前再现
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全息照相的特点
两个突出的特点: 三维立体性，可分割性 Ø 立体性: 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 Ø 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 18
第四代全息图:白光记录、白光再现
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全息术的发展历史
第一代全息图：汞灯光源，同轴全息 第二代全息图：激光记录，激光再现，离 轴全息 第三代全息图:激光记录、白光再现 第四代全息图:白光记录、白光再现
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正如盖伯在诺贝尔获奖演说时所说的：利思在雷达中的电磁波长比光波大10万 倍，而盖伯在电子显微镜中用的电子波长比光波短10万倍，他们分别在相差10 的10次方倍波长的两个方向上发展了全息照相术，这说明科学的发展史相互渗 透、相互影响的。 14
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全息照相的理论依据
光全息术的拓展
计算全息：除了光学干涉方法记录全息图外，还可以利用 计算机和绘图设备画出全息图，称为计算全息。计算全息 利用数字计算机来综合的全息图，不需要有物体的真实存 在，只需要了解光波的数学描述，因此具有很大的灵活性。 全息术不仅适用于光波段，也可用于电子波、X射线、声波 和微波波段。事实上1962年利思（Leith）和乌帕特尼克斯 （Upatnieks）的离轴全息图的概念就来自于微波领域的 旁视雷达。
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普通照相与全息照相的区别
普通照相
以几何光学的规律为基础 底片记录的是各物点的光强（振幅） 信息 像点与物点是一一对应的关系，一 个物点对应一个像点
全息照相
过程分为记录、再现两步，是以干 涉衍射等波动光学为基础的 全息图记录的是物体各点的全部信 息，包括光强和相位 物体与底片是点面对应关系，每个 物点的信息在底片的各个位置都有 记录，反过来可以说：全息图每一 局部都包含物体各点的光信息 完全再现原物体的波前，能观察到 非常逼真的立体图像 因为是干涉记录，要求光源有很高 的时间和空间相干性
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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) = R0(O02 + R02)exp(jφr ) + R02 O0 exp(jφo) + R02 O0 exp[-j (φo - 2φr )]
Ø 第一、二项合并为一项，保留了参考光的信息 Ø 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） Ø 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
第三代全息图:激光记录、白光再现
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全息术的发展历史（4）
激光的高度相干性，要求全息图拍摄过程中各个元件、光 源和记录介质的相对位置严格保持不变，并且想干噪声严 重，这给全息图的实际使用带来了很多不便，于是科学家 们又回过头来重新研究白光记录的可能性。 把白光记录、白光再现的全息图称为第四代全息图，它将 使全息术最终走出实验室，进入广泛的应用领域。
第七章：光学全息
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ü二十世纪光学领域三件大事：
1948年：全息术的诞生 1955年：光学传递函数 1960年：激光诞生 现代 光学 信息光学 (傅里叶光学) 非线性光学 (强光光学)
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7.1 引言—全息照相的基本介绍
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丹尼斯1918年至1920年在布达佩斯工业大学学习，后转 入柏林工科大学，于1924年柏林工科大学获得学位证书， 三年后获得电气工程方面的工程博士学位，后又在伦敦大 学获科学博士学位。1927年丹尼斯在柏林西门子公司和霍 斯克公司任研究工程师。 直到1933年，丹尼斯和数以千计的其他知识分子一样，离 开了德国，回到了匈牙利，没多久就迁到了英国 ，并取 得了英国国籍 。 1949年到伦敦大学帝国科学技术学院执教，起初担任讲 师，后来从1958年起任应用电子物理学教授，一直执教到 1967年退休
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1 U (P ) = U 0 (Q )K (θ )e jkr ds ∫ jλ r − ∞
∞
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光电科学分院每一点S发出一列球面波，整个物体发出的是一组复杂的光 波，传入我们的眼睛，使我们能够观察到它。 （b图）用一波前Σ把物体和观察者隔开，并设法记录波前，在移去物体 后把波前上的振动分量重现出来，观察者将会在原来的对方看到与原物一 模一样的形象，产生这种奇异的效果就是波前再现的深刻意义。
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丹尼斯·盖伯，1900年6月5日出生 在匈牙利首都布达佩斯，1971年诺 贝尔物理学奖授予英国伦敦帝国科 技学院的匈牙利裔物理学家伽博 (Dennis Gabor,1900-1979),以表 彰他发明和发展了全息术。 丹尼斯的主要成就是发明了全息 术，而作为物理学家和高级工程 师，他一生中除了享有100多项专 利外，还发表了80多篇的论著
2 * *
干板记录的是干涉场的光强分布，曝光光强为
经线性处理后，底片的透过率函数 tH 与曝光光强成正比，略去一个无 关紧要的比例常数，上式可直接写成
t ( x, y ) ==| O | + | R | +O ⋅ R + O ⋅ R
2 2 * *
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全息术的发展历史（1）
丹尼斯·盖伯（Dennis Gabor） 于1948年提出一直到50年代末 期——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。存在两个严重问 题：一个是再现的原始像与共 轭像分不开，另一个是光源的 相干性太差。所以这一时期全 息术发展缓慢。
第一代全息图：汞灯光 源，同轴全息
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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) = R0(O02 + R02)exp(-jφr) + R02 O0exp[j(φo -2φr )] + R02 O0 exp(-jφo) Ø 第一、二项合并，仍保留了参考光的特征 Ø 第三项是畸变了的虚象 Ø 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
上式 称为全息学基本方程，其中方程右边各项的意义为 Ø 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。 Ø 第三项：包含有物的位相信息，但还含有附加位相。 Ø 第四项：包含有物的共轭位相信息，可能形成共轭像。
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全息术的发展历史（2）
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）将通信理论中的载频概念 推广到空域中，提出了离轴全息术，并记录了第一张三维物体的全息图 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，称为第二代全图。
得到二维的平面图像 普通光源照明
激光全息视频
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7.2全息照相的基本分析 ----波前记录与再现
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全息术原理--波前记录与再现
用干涉的方法光波的全部信息（振幅和相位），并在一定条 件下再现物光波的波前，那么从效果上来看，相当于物的信 息在记录时被“冻结”在记录介质上，然后再某种条件下再 把波前从全息图中“释放”出来，然后继续传播，以产生一 个可以观察的三维像，如果不考虑时间间隔和空间上存在的 差异，再现光波与原始物光波毫无差异。 光波传递信息而构成物体的过程被分为两部分。“冻结”物 光波的过程称为“波前记录”，“释放”信息称为“波前再 现”，在全息术中使用的波常用光波，所以成为光全息术。 可以参照电信号的术语理解为“调制”和“解调”。 全息术的核心为 波前记录与波前再现
7.2.2 波前再现
C ( x, y ) = C0 ( x, y ) exp[ jφc ( x, y )]
透过H后的光振幅U’(x,y) 为 设照明光波表示为
U ′ ( x, y ) = C0 ( x, y)exp[ jφc ( x, y)][| O |2 + | R |2 +O ⋅ R* + O* ⋅ R] = C0 O02 exp [ jφc ( x, y)] + C0 R02 exp [ jφc ( x, y)] + C0O0 R0 exp j (φ0 − φr + φc ) + C0O0 R0 exp − j (φ0 − φr − φc )
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全息照相的基本叙述
波前记录
波前再现
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全息照相的特点
两个突出的特点: 三维立体性，可分割性 Ø 立体性: 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 Ø 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 18
第四代全息图:白光记录、白光再现
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全息术的发展历史
第一代全息图：汞灯光源，同轴全息 第二代全息图：激光记录，激光再现，离 轴全息 第三代全息图:激光记录、白光再现 第四代全息图:白光记录、白光再现
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正如盖伯在诺贝尔获奖演说时所说的：利思在雷达中的电磁波长比光波大10万 倍，而盖伯在电子显微镜中用的电子波长比光波短10万倍，他们分别在相差10 的10次方倍波长的两个方向上发展了全息照相术，这说明科学的发展史相互渗 透、相互影响的。 14
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全息照相的理论依据
光全息术的拓展
计算全息：除了光学干涉方法记录全息图外，还可以利用 计算机和绘图设备画出全息图，称为计算全息。计算全息 利用数字计算机来综合的全息图，不需要有物体的真实存 在，只需要了解光波的数学描述，因此具有很大的灵活性。 全息术不仅适用于光波段，也可用于电子波、X射线、声波 和微波波段。事实上1962年利思（Leith）和乌帕特尼克斯 （Upatnieks）的离轴全息图的概念就来自于微波领域的 旁视雷达。
光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 18/68
普通照相与全息照相的区别
普通照相
以几何光学的规律为基础 底片记录的是各物点的光强（振幅） 信息 像点与物点是一一对应的关系，一 个物点对应一个像点
全息照相
过程分为记录、再现两步，是以干 涉衍射等波动光学为基础的 全息图记录的是物体各点的全部信 息，包括光强和相位 物体与底片是点面对应关系，每个 物点的信息在底片的各个位置都有 记录，反过来可以说：全息图每一 局部都包含物体各点的光信息 完全再现原物体的波前，能观察到 非常逼真的立体图像 因为是干涉记录，要求光源有很高 的时间和空间相干性
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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) = R0(O02 + R02)exp(jφr ) + R02 O0 exp(jφo) + R02 O0 exp[-j (φo - 2φr )]
Ø 第一、二项合并为一项，保留了参考光的信息 Ø 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） Ø 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
第三代全息图:激光记录、白光再现
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全息术的发展历史（4）
激光的高度相干性，要求全息图拍摄过程中各个元件、光 源和记录介质的相对位置严格保持不变，并且想干噪声严 重，这给全息图的实际使用带来了很多不便，于是科学家 们又回过头来重新研究白光记录的可能性。 把白光记录、白光再现的全息图称为第四代全息图，它将 使全息术最终走出实验室，进入广泛的应用领域。
第七章：光学全息
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ü二十世纪光学领域三件大事：
1948年：全息术的诞生 1955年：光学传递函数 1960年：激光诞生 现代 光学 信息光学 (傅里叶光学) 非线性光学 (强光光学)
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7.1 引言—全息照相的基本介绍
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丹尼斯1918年至1920年在布达佩斯工业大学学习，后转 入柏林工科大学，于1924年柏林工科大学获得学位证书， 三年后获得电气工程方面的工程博士学位，后又在伦敦大 学获科学博士学位。1927年丹尼斯在柏林西门子公司和霍 斯克公司任研究工程师。 直到1933年，丹尼斯和数以千计的其他知识分子一样，离 开了德国，回到了匈牙利，没多久就迁到了英国 ，并取 得了英国国籍 。 1949年到伦敦大学帝国科学技术学院执教，起初担任讲 师，后来从1958年起任应用电子物理学教授，一直执教到 1967年退休
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1 U (P ) = U 0 (Q )K (θ )e jkr ds ∫ jλ r − ∞
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光学信息技术原理与应用
光电科学分院每一点S发出一列球面波，整个物体发出的是一组复杂的光 波，传入我们的眼睛，使我们能够观察到它。 （b图）用一波前Σ把物体和观察者隔开，并设法记录波前，在移去物体 后把波前上的振动分量重现出来，观察者将会在原来的对方看到与原物一 模一样的形象，产生这种奇异的效果就是波前再现的深刻意义。