CH6-6

全息術(shù)

holography一.什么是全息照相二.全息術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史三.全息照相的原理四.常用激光光源五.常用全息記錄材料六.全息照相的特點(diǎn)七.全息圖的基本類型八.全息照相的應(yīng)用九.全息術(shù)的新進(jìn)展DennisGabor(NobelLaureate,Physics,1971)DennisGabor(1900-1979)ImperialCollegeLondon英籍匈牙利物理學(xué)家緬懷全息術(shù)先驅(qū)TheFathersofHolographyLeft:EmmettLeith(1927-2006),Univ.ofMichiganMiddle:StephenA.Benton(1941-2003),MITRight:YuriDenisyuk(1927-2006)一.什么是全息照相(holography)普通攝影：（照相、電影、電視）只記錄光的強(qiáng)度（振幅）信息，相位信息完全丟失掉了，所以只能在底片上顯示出物體的平面圖像全息照相

：則是利用光的干涉原理把物光波的振幅和相位同時(shí)記錄下來(lái)，再利用光的衍射原理再現(xiàn)物光波的振幅和相位，從而可以獲得與物體十分逼真的三維圖像。全息照相既記錄光波振幅信息，又記錄光波相位信息－全部信息二全息術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史第一代：水銀燈記錄，無(wú)相干光源1948英國(guó)DennisGabor提出同軸全息術(shù)

(1971年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))缺點(diǎn)：原始像和共軛像不能分離，發(fā)展遲緩第二代：激光記錄，激光再現(xiàn)1960Maiman研制成功紅寶石激光器1961Javan制成氦氖激光器1962E.N.Leith&J.Upatnieks提出離軸全息圖原始像、共軛像分離第三代：激光記錄，白光再現(xiàn)1962前蘇聯(lián)Y.N.Denisyuk

提出反射全息術(shù)思想來(lái)源于G.Lippmann的駐波天然彩色照相法（1908年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）1969美國(guó)S.A.Benton發(fā)明彩虹全息術(shù)浮雕彩虹全息術(shù)全息圖模壓復(fù)制技術(shù)全息印刷產(chǎn)業(yè)第四代：白光記錄，白光再現(xiàn)？計(jì)算機(jī)制全息圖（CGH），數(shù)字全息I(x,y)=O+R2=(O2+R2)+OR*

+O*R=(O2+R2)+2ROcos(o-R)W(x,y)RI(x,y)=C+

R

2O+R2O*任何光探測(cè)器或記錄材料都無(wú)法直接響應(yīng)光波的相位分布

記錄(編碼):引入?yún)⒖脊馀c物光干涉，將相位轉(zhuǎn)變成強(qiáng)度進(jìn)行記錄再現(xiàn)(解碼):引入再現(xiàn)光，通過(guò)全息圖的衍射效應(yīng)重構(gòu)原來(lái)的物光全息底片反射鏡再現(xiàn)光波全息圖觀察者虛像+1級(jí)共軛像-1級(jí)全息圖記錄過(guò)程再現(xiàn)全息圖再現(xiàn)過(guò)程三.全息照相的原理

(Principleofholography)衍射光波中包含了原來(lái)物體的全部信息（振幅和相位）激光特點(diǎn)：高度時(shí)間相干性:單色性好高度空間相干性方向性好:光束發(fā)散角小、能量高度集中四.全息照相的常用激光光源全息實(shí)驗(yàn)室：全息防震平臺(tái)，激光器，光學(xué)元件，數(shù)字圖象獲取、處理設(shè)備等理想材料：高靈敏度、高衍射效率、高分辨率、高環(huán)境穩(wěn)定性五.常用全息記錄材料CCD:數(shù)字全息術(shù)1：三維性2：彌漫性:全息圖中每一局部都記錄了來(lái)自物體上各點(diǎn)的光信息。因此，全息圖被打碎以后，每一碎片都仍能再現(xiàn)原物的基本形狀

3：可多重記錄:一張全息底片可分別記錄幾個(gè)物光波，可儲(chǔ)存信息量比普通照片多4：可同時(shí)獲得實(shí)像與虛像5：全息照片無(wú)正負(fù)之分，黑白相反時(shí)觀察效果相同。六.全息照相的特點(diǎn)按物光波與參考光波是否同軸分類：同軸全息圖、離軸全息圖按全息圖結(jié)構(gòu)及觀察方式分類：透射全息圖、反射全息圖按全息圖的復(fù)振幅透過(guò)率分類：

振幅型全息圖、相位型全息圖（折射率調(diào)制型、浮雕調(diào)制型）按記錄物體距全息底片的遠(yuǎn)近關(guān)系分類：

菲涅耳全息圖、像全息圖、傅里葉變換全息圖按所用重現(xiàn)光源分類：

激光重現(xiàn)全息圖（如菲涅耳全息圖）

白光重現(xiàn)全息圖（如像全息圖、彩虹全息圖、反射全息圖）按記錄介質(zhì)的厚度分類：平面全息圖、體積全息圖

七.全息圖的基本類型1948D.Gabor同軸全息圖記錄光路1962Leith離軸全息圖記錄光路

同軸全息、離軸全息同軸全息記錄時(shí)物光與參考光同軸，再現(xiàn)時(shí)實(shí)像與虛像在空間上不可分離，受直透光干擾，全息圖像質(zhì)量低二步彩虹全息,1969美國(guó)MITBenton提出，實(shí)現(xiàn)白光再現(xiàn)主全息圖(菲涅耳全息)記錄彩虹全息圖記錄

彩虹全息優(yōu)點(diǎn)：無(wú)透鏡，視場(chǎng)大缺點(diǎn)：丟失垂直方向視差,二次激光記錄,步驟復(fù)雜,散斑噪聲大單色光和白光再現(xiàn)彩虹全息圖:單色光再現(xiàn)完整像白光再現(xiàn)彩虹像Thefirstrainbowhologram:madebySteveBentonin19691978楊振寰提出一步彩虹全息一步記錄，噪聲較小，但視場(chǎng)受透鏡孔徑限制全息圖記錄全息圖再現(xiàn)模壓全息圖分類：2D、2D/3D、3D、3D/2D分層透明片(a)(b)(a)2D/3D主全息圖記錄(b)浮雕全息圖記錄全息圖各層及每層中不同部分的顏色及觀察角度均可預(yù)先設(shè)計(jì)反射全息有良好的波長(zhǎng)選擇性，可以激光記錄，白光再現(xiàn)單色像可應(yīng)用于文物虛擬展示、大幅仿真商業(yè)廣告、三維立體精美禮品單光束記錄光路雙光束記錄光路

反射全息

真彩色反射全息圖：真彩色反射全息圖的記錄光路雙通道反射全息圖1.全息立體顯示(彩虹全息、反射全息、合成全息…)2.全息防偽、模壓全息3.全息光學(xué)元件（全息光柵、全息透鏡、全息掃描器等）

4.全息干涉計(jì)量5.全息信息存儲(chǔ)…….八.全息照相的應(yīng)用合成全息：第一步：分角度記錄一系列二維底片角度多路合成全息第二步：相干光記錄多幅窄條全息圖第三步：再現(xiàn)縱向多路合成全息第二步：多重曝光全息圖記錄第三步：再現(xiàn)合成全息：第一步：系列二維CT照片記錄早期基于膠片的單色合成全息圖byTHJeong吹號(hào)手四維全息圖英國(guó)女王伊麗莎白二世肖像全息圖,2003

為女王80大壽（2006.4.21）而作，用1萬(wàn)多張女王的數(shù)碼照片制成，成本15萬(wàn)英鎊HolographicportraitofQueenElizabethII全息干涉計(jì)量：張力作用下金屬叉的實(shí)時(shí)全息干涉圖實(shí)時(shí)法用于圓盤(pán)微位移的測(cè)量光全息存儲(chǔ)：三維、并行、高容量、高數(shù)據(jù)傳輸速率

全息存儲(chǔ)體全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀出原理圖日本HitachiMaxell公司:美國(guó)InPhase公司的全息光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)：Tapestry?HDS200-R，2005年容量:200GB,傳輸速率:20MBps,存儲(chǔ)時(shí)間:50年2006年銷售300GB容量的全息光盤(pán)（光盤(pán)價(jià)格120～180USD，驅(qū)動(dòng)器價(jià)格15000USD）2008年上市第二代全息光盤(pán)容量800GB九.全息術(shù)的新進(jìn)展－計(jì)算全息數(shù)字全息光學(xué)全息:參、物光干涉記錄,制作全息圖時(shí)需有真實(shí)的記錄物體，需要激光光源、防震平臺(tái)、光學(xué)元件、記錄材料等硬件條件，對(duì)記錄環(huán)境條件（振動(dòng)、噪音等）有較高的要求，這些均影響全息圖的制作質(zhì)量與重復(fù)性。

計(jì)算全息&數(shù)字全息：不用光學(xué)干涉記錄而用人工的方法，即使用計(jì)算機(jī)與繪圖儀，根據(jù)物波的數(shù)學(xué)描述，將其振幅和相位以一定的編碼方式記錄下來(lái)形成全息圖（記錄材料通常采用全息干版），即計(jì)算全息術(shù)；而采用光敏電子元件（CCD）代替普通全息照相干版，并將記錄的全息圖輸入計(jì)算機(jī)，再通過(guò)數(shù)字技術(shù)進(jìn)行圖像重建,即數(shù)字全息術(shù)。光學(xué)全息、計(jì)算全息、數(shù)字全息的區(qū)別光學(xué)全息、計(jì)算全息、數(shù)字全息的比較：光學(xué)全息圖的記錄及再現(xiàn)計(jì)算全息圖的記錄及再現(xiàn)數(shù)字全息圖的記錄及再現(xiàn)參、物光干涉記錄需要真實(shí)的記錄物體需要激光光源、防震平臺(tái)、光學(xué)元件、記錄材料等條件對(duì)記錄環(huán)境條件(振動(dòng)、噪音等)有較高的要求采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)需要物波的數(shù)學(xué)描述合適的編碼方法全息干版作為記錄材料光學(xué)方法再現(xiàn)圖像采用CCD代替全息干版計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)全息圖利用數(shù)字技術(shù)再現(xiàn)圖像記錄速度快、靈活性大—ComputergeneratedHologram，CGH計(jì)算全息是建立在計(jì)算機(jī)科學(xué)與現(xiàn)代光學(xué)的基礎(chǔ)上，是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)綜合的全息圖它不需要物體的實(shí)際存在，而是把物波的數(shù)學(xué)描述輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后，控制繪圖儀輸出或CRT或LCD顯示而制成的全息圖設(shè)計(jì)靈活可產(chǎn)生物理上不存在的物體的全息圖，適于產(chǎn)生干涉計(jì)量的特殊波面設(shè)備需求少需計(jì)算機(jī)、繪圖儀等,不須購(gòu)買昂貴的激光器、全息防震臺(tái)等抗外界干擾能力強(qiáng)，易復(fù)制大部分作成二元的，僅黑和白（透過(guò)率0和1）應(yīng)用波段寬可設(shè)計(jì)聲波、微波、可見(jiàn)光、X射線等波段的全息圖計(jì)算全息優(yōu)點(diǎn)：（一）計(jì)算全息計(jì)算全息圖分類：按物面與全息面的相對(duì)位置像計(jì)算全息

傅里葉變換全息

菲涅耳計(jì)算全息按透過(guò)率變化特征二元計(jì)算全息圖灰階計(jì)算全息圖按編碼方式迂回位相型計(jì)算全息圖（1965年A.W.Lohmann)、修正離軸參考光(1966年T.S.Huang,1974年J.J.Burch）相息圖（1968年L.B.Lesem)

計(jì)算全息干涉圖（1974年Wai-HonLee)

迂回位相型二元傅里葉變換計(jì)算全息圖的制作過(guò)程：物面抽樣全息面傅里葉頻譜離散DFT繪制放大圖稿迂回位相編碼計(jì)算全息圖照相縮版光學(xué)再現(xiàn)若全息圖上某一單元對(duì)應(yīng)的復(fù)振幅為：

通過(guò)控制開(kāi)孔面積來(lái)對(duì)光波的振幅進(jìn)行編碼，通過(guò)控制開(kāi)孔中心偏離抽樣單元中心的距離來(lái)對(duì)光波相位進(jìn)行編碼。羅曼Ⅲ型迂回位相編碼方法：羅曼Ⅲ型抽樣單元抽樣編碼繪圖再現(xiàn)羅曼Ⅲ型CGH的制作過(guò)程：計(jì)算全息圖再現(xiàn)圖計(jì)算全息圖的應(yīng)用（1）全息干涉計(jì)量（2）光學(xué)信息處理（3）像差校正（4）三維圖像顯示（5）激光掃描器（6）波前調(diào)制-光渦旋光子不僅有線動(dòng)量也有角動(dòng)量光子自旋角動(dòng)量：左旋圓偏振：右旋圓偏振：光子自旋角動(dòng)量可以驅(qū)動(dòng)微粒自轉(zhuǎn)（1936年，Beth實(shí)驗(yàn)）軌道角動(dòng)量決定于光波前的空間結(jié)構(gòu)（渦旋）光場(chǎng)軌道角動(dòng)量光束軌道角動(dòng)量驅(qū)動(dòng)微粒繞光軸公轉(zhuǎn)(1992年Allen提出軌道角動(dòng)量概念)光扳手OpticalSpanner光渦旋光渦旋的產(chǎn)生光學(xué)渦旋(OpticalVortices)是指一類具有螺旋相位波前或相位奇點(diǎn)的特殊光場(chǎng)螺旋相位：l：拓?fù)潆姾?Topologicalcharge)每個(gè)光子具有確定的軌道角動(dòng)量

-相位板入射光出射光光渦旋驅(qū)動(dòng)微粒繞光軸公轉(zhuǎn)光渦旋的產(chǎn)生光學(xué)渦旋的產(chǎn)生基于空間光調(diào)制器計(jì)算全息的光路產(chǎn)生l=40光學(xué)渦旋的計(jì)算全息圖及其重現(xiàn)結(jié)果

一個(gè)雙環(huán)帶計(jì)算相息圖及其光學(xué)再現(xiàn)l1＝20，l2＝41l1＝33，l2＝41光學(xué)渦旋的產(chǎn)生0.99

m的聚苯乙烯小球在聚焦的渦旋光束下的運(yùn)動(dòng)Twoconcentricvorticeswithinnervortexl1=-30andoutervortexl2=80光渦旋的應(yīng)用光子軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量共同作用下的微粒光渦旋的應(yīng)用微流體控制微光馬達(dá)、光泵光子的角動(dòng)量光學(xué)微操縱可以構(gòu)筑芯片上的實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip）光渦旋的應(yīng)用1.數(shù)字全息術(shù)的特點(diǎn)：CCD記錄全息圖，digitalrecording計(jì)算機(jī)數(shù)字再現(xiàn)物體的三維圖像，numericalreconstruction不需要全息記錄介質(zhì)，無(wú)煩瑣的的化學(xué)處理過(guò)程可數(shù)字化快速記錄及再現(xiàn)，操作簡(jiǎn)便采用數(shù)字技術(shù)消除普通光學(xué)全息圖再現(xiàn)時(shí)的零級(jí)衍射光及共軛像的干擾(二）數(shù)字全息2.數(shù)字全息圖的記錄：光學(xué)全息和計(jì)算全息的再現(xiàn)：屬于光學(xué)再現(xiàn)過(guò)程，即用適當(dāng)?shù)墓庹彰魅D，光經(jīng)過(guò)全息圖衍射后形成了與原物光波相似的光波，構(gòu)成物體的再現(xiàn)像數(shù)字全息的再現(xiàn)：先將CCD記錄的全息圖數(shù)字化，然后在計(jì)算機(jī)中通過(guò)一定的算法重建物體的再現(xiàn)像，重建方法直接影響再現(xiàn)像的效果

常見(jiàn)的數(shù)值再現(xiàn)處理方法：菲涅耳變換法(Fresneltransform)、傅里葉變換法(Fouriertransform)、卷積法(Convolutionmethod)、角譜法（Angularspectrummethod）、小波變換法(Wavelettransform)等

3.數(shù)字全息圖的再現(xiàn)：5.數(shù)字全息術(shù)應(yīng)用表面形貌測(cè)量位移和形變測(cè)量振動(dòng)分析與測(cè)量流場(chǎng)與粒子場(chǎng)測(cè)定生物粒子監(jiān)視構(gòu)件缺陷檢測(cè)動(dòng)態(tài)3D顯示生物醫(yī)學(xué)診斷鼓膜振動(dòng)模式的時(shí)間平均全息圖合成視頻PC驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器控制鼓膜的振動(dòng)頻率和強(qiáng)度振動(dòng)頻率變化范圍在500—1800Hz數(shù)字全息術(shù)應(yīng)用：動(dòng)態(tài)振動(dòng)模式分析40xmicroscopelensNA0.6,DOF1.5m空間分辨率：橫向<0.5μm軸向<8nm數(shù)字全息術(shù)應(yīng)用：數(shù)字全息顯微鏡Digitalholographicphasecontrastimagesofredbloodcells:(a):amplitudeimage,(b):phasecontrastimage(c):3Dplotofthecellthicknesscalculatedfrom(b)Fig.3.HolographyofconfluentSKOV-3ovariancancer(卵巢癌)cells.imageareais6060m2(a)Zernikephasecontra