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1、全息显示技术及应用摘要全息术是一种利用相干光干涉和衍射原理，将物体的全部信息以干涉条纹的形式记录下来， 并在一定的条件下再现的技术。 该技术重现与原物体十分逼真的像。全息术的发展大概分为同轴全息术、离轴全息术和白光再现全息术。全息术是一门正在蓬勃发展的科学技术，近年来已经渗透到社会生活的各个领域，尤其在全息显示方面。 随着全息技术的快速发展， 全息显示将为我们带来更逼真的三维体验。关键字 ：全息显示；干涉；衍射；记录；重现Development and application of holographic display Abstract: The holography is a techno
2、logy which is recorded the whole information from an object by the way of interferencefringes and reconstruct it under the certain condition using Principle of coherent light interference and diffraction. The technology can reconstruct a very realistic image. And the development of holography can be
3、 roughly divided into coaxial holography,off-coaxial holography and white light reconstructing holography. The holography is a developing science and technology, which has already penetrated into every field of social life, especially on the aspect of holographic display. With the rapid development
4、of holography,holographic display will bring more realistic three-dimension experience for us. Keywords : holographic display;interference;diffraction;record;reconstruction 一、 引言光全息术是利用光的干涉和衍射原理，将物体反射的光波以干涉条纹的形式记录下来， 并在一定的条件下使其再现，形成与原物体逼真的三维图像。更有人用“干涉记录，衍射再现”来描述光全息术显示技术的方法。也就是说以干涉条纹的形式存储被摄物的光强和位相， 再
5、运用光衍射原理来重现物体原来的三维形状。随着科学技术的发展， 光全息术已渗透到社会生活的各个领域，并被广泛地应用在科研和工业生产中。 随着人们生活质量的逐步提高， 人们对科学技术的要求也将越来越高，因此该技术将有更为广阔的研究前景和应用前景。二、 全息术发展简介全息术 (Holography)1，最早是于 1947 年由匈牙利籍英国物理学家Dennis Gabor发明的。当时为提高电子显微镜的分辨率，在布拉格“X射线显微镜”和泽尼克的相衬原理的启示下，提出了一种用光记录物光波的振幅和位相的方法，并通过实验证实了这一想法。 在当时的条件下，只是采用高压水银灯记录物光波，而且参考光和物光共轴， 使
6、得再现的原始像和共轭像分不开，而作为光源的高压水银灯的相干性太差， 使得科学家们花费了十多年的时间也没有使这一技术有很大进展。1960 年激光的出现，为全息术提供了一种高相干度的光源。1962 年，美国科学家 Leith和 Upatnieks将雷达理论中的高载频可以有效抗干扰的概念推广应用到全息图中，发明了离轴全息术，解决了孪生像干扰问题。这样，解决了同轴全息术的两大难题。1969 年，美国科学家 Benton 发明了白光再现全息术，即用激光记录，用白光还原，它在一定条件下可以赋予全息图以鲜艳的色彩，弥补了激光再现全息图失去色调信息的缺点，并使得该技术成为目前应用最广泛的全息术。三、全息术基本
7、原理3.1 波前记录物体发出的光包含光的振幅和相位两部分，即O x,y = O(x, y)exp? -j? (x, y)(3-1) 其中： O(x,y) 为振幅， exp? -j? (x, y) 为位相。图 3-1 拍摄全息照相光路图激光器发出的激光由分束镜将光线一分为二，投射光线经反射镜M1反射再经过扩束后照射在被摄物体上，这束光称为物光；反射光线经过M2反射再经过扩束镜直接照射在感光材料上， 这束光线称为参考光。 这两束光线相干并形成干涉条纹。物光为： O(x,y)exp? -j? (x, y)(3-2) 参考光为： R x,y= R(x, y)exp? - j (x, y)(3-3) 两
8、光相干后总光强为：I =O x,y + R x,y2= |O(x, y)|2+ |R(x, y)|2+ 2R x,y O(x, y)cos? x,y - ?(x, y)(3-4) 上式可以看出，相干后的总光强包含物光的所有信息。对物光波振幅和位相编码的原理：V =2O x,y R(x,y)|O(x,y)|2+|R(x,y)|2?= ? x,y - (x, y)(3-5) 全息图的振幅透射系数：t x, y = tb= + O x,y2+R x,y2+ 2 O x,y R(x, y)cos? ? x,y - (x, y)(3-6) 3.2 波前重建干涉实现了物光波和参考波的叠加， 而衍射将实现复
9、杂波的分解与波前重建。参考波和物光波叠加产生一个复杂波，利用光的衍射就实现了复杂波的分解。也就是说，再现过程就是用一束均匀的相干光照射全息图，透过全息图的光波就是全息图衍射的光波，这个波在传播过程中会发生一些分解。U x,y= B x,y t x,y = tbB x,y + O x,y2+R x,y2B x,y + O x,y R?x, y B x,y + O?x,y R x,y B x,y = U1+ U2+ U3+ U4(3-7) U(x, y)就是透过全息图的光波， B(x, y)就是照射全息图的一束相干光波， t(x, y)表示全息图的复振幅透射系数。当再现光波是全息记录时的参考光波，
10、即B x,y = R(x,y)。图 3-2 波前重建图U1+ U2：该光波沿参考波方向传播；U3：当记录时的参考光波和重建时的相干光波是共轭的时，该波沿衍射屏透射光波方向。也就是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，就像原物体还在。由于物光波是发散的，所以观察到是物体的虚像。U4：R x,y B(x,y) 的相位因子无法消除。 若参考波是平面光波， R x,y B(x, y)的相位因子是一个线性相位因子，O?(x, y)是物光波的 “ 共轭” ，原物光波发散， 它是会聚的，所以U4会在偏离原物镜像位置的某处形成一个原物的镜像实像；如果参考波是球面波，则 R x,y B(x,
11、y)中含有二次相位因子，使 O?(x, y)发生聚散，会在偏离原物镜像位置的某处出现一个与原物大小不同的镜像实像。再现像 U(x,y) 包含原始物体的所有信息。 通过全息图窗口看到的像不论在深度感和分布上和原来物体完全一样，记录了物体上各点的信息， 每个像素都记录物体的每个点信息， 不同物体又记录了物体不同视差方向的信息，所以透过全息图看物体可以调动人眼所有生理学和心理学暗示。四、几类全息术原理4.1 同轴全息术4.1.1 同轴全息术的记录1948 年，Gabor 发明了全息术， 并用高压汞灯同轴全息图的被拍摄物体必须是高度透明片上的洗漱物体，光波透过载有信息的透明物体上时，会发生干涉，产生干
12、涉条纹。干涉记录过程如下所示：图 4-1 同轴全息图记录原理图如上图所示， 用一束平面光波照射透明的物体O，透过物体的透射光主要有两部分组成， 一部分是均匀平行的平行光波，也就是参考光波。 另一部分是散射波， 也就是透明物体上载有信息的光波， 即物光波。两部分光沿同一个方向传播，O H 发生干涉，形成干涉条纹记录在全息干板H 上。4.1.2 同轴全息术的重现再现光路就是用一束光垂直照射全息图，透过全息图的光波发生衍射， 分解成很多的波，同轴全息图的再现光路原理图如下所示：图 4-2 同轴全息图再现原理图同轴全息术对光源相干性要求低，光路简单，对记录介质的分辨率要求低。但是由于实像和虚像形成不可
13、分离的孪生像，当接收实像时， 虚像干扰； 当接受虚像时，实像干扰， 降低全息图的质量。 此外同轴全息术要求被拍摄物体必须是高度透明的物体。4.2 离轴全息术随着 1960 年，激光的出现为全息术提供了一种相干性好的光源。且1962年美国科学家 Leith和 Upatnieks将雷达理论中的高载频可以有效抗干扰的概念推广应用到全息图中，发明了离轴全息术，解决了孪生像干扰问题。这样一来，就解决了同轴全息术光源相干性差和孪生像干扰的两大问题4.2.1 离轴全息术的记录在光学中，增大参考波传播角度可提高空间频率。设参考波为平面波，倾斜角为 ，则参考光波为：R x,y = Aexp(- j2sin y)
14、(4-1) 其中，sin 为空间频率。H O 图 4-3 离轴全息图记录原理图记录介质表面的总光场分布为：I x, y =O x,y + R x,y2= A2+O x,y2+ AO x, y exp j2sin y+AO?x,y exp - j2sin y= A2+ |O(x, y)|2+ 2A|O(x, y)|cos? 2sin y -? (x, y) (4-2) 4.2.2 离轴全息术的重现再现光波是垂直入射的、振幅为B的平面光，则透射场为：U x,y = B x,y t x,y = B x,y tbx,y + B|O|2+ BAOexp j2sin y+BAO?exp - j2sin y
15、 = U1+ U2+ U3+ U4(4-3) 虚像、实像、直透项不在同一方向上，是空间分离的。参考光越倾斜（越大） ，分的越开。4.3 白光再现全息术由于激光再现的全息图失去了色彩信息，科学家们开始研究第三代全息图。1969 年，美国科学家 Beaton的科学家发明了彩虹全息术。白光再现全息术是用激光记录，用白光照明全息图还原影像。4.3.1 彩虹全息图的记录虽然彩虹全息术也是一种离轴透射式全息术，但它与普通的离轴全息术比较有它自己的特点。 彩虹全息与离轴全息不同之处是在摄制时于适当位置添加了一个狭缝，使再现像的色彩更加鲜艳2。R 图 4-4 菲涅尔全息图的记录首先记录一个主全息图 H1，如上
16、图所示。图 4-5 彩虹全息图的记录然后，在该主全息图前放一个狭缝，狭缝的宽度不超过 10mm ，用一束相干光从参考光的共轭方向照射这个全息图，就可以再现一个共轭的实像， 在实像位置放上第二块全息干板 H2，参考波 R2采用会聚波，用和物光波干涉，就记录了一个彩虹全息图3。从上图可以明显看出， 与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色散掉了，丢掉了垂直于狭缝方向的视差。在彩虹全息术中， 被记录物体上每点的信息在彩虹全息图上只是记录在对应的区域内。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。4.3.2 彩虹全息图的重现再现时，用 R2的共轭光照明 H2，则产生第二次赝实像，由于H2记录的是原物的赝实像， 故重现的第二次赝实
