全息照相调研报告

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1、2018/9/16,全息照相调研报告,-背景.意义.应用及对实验中所遇到的问题的思考,Southeast University,物理系,2018/9/16,报告主要内容,一.全息技术的历史发展进程 二.实验仪器与光路 三.全息照相的拍摄原理 四.全息照相的观察原理 五.全息照相实验中相关问题的讨论 六.全息技术的意义 七.全息技术的应用 八.全息术的前景展望,2018/9/16,一.全息照相概述,全息照相原理是1948年由Dennis Gabor为了提高电子显微镜的分辨本领而提出的。“全息”是指物体发出光波的全部信息：既包括振幅或强度，也包括相位。普通照相使用透镜成像原理，底片上化学反应的强度

2、直接由物体各处的明暗决定，即由入射光波的强度决定。,2018/9/16,全息照相虽然也是一种照相过程,但在概念上同普通照相根本不同。全息照相记录的不是物光的强度分布,而是干涉条纹。干涉条纹的可见度反映了物光波的振幅,干涉条纹的疏密和取向则由物光波的波长和相位决定。物体上每个点发出的光波记录在整个底片上,换言之,底片上的每个点都记录了所有物点发出的光波。这样用干涉法把物光波场的“全部信息”都记录下来所获得的照片,称为全息照片或全息图。由全息图可以再现物光波,从而形成与原物体逼真的三维像。这个物光波的完整记录与再现的过程,便称为全息术或全息照相。,2018/9/16,二.实验仪器与光路,He-Ne

3、激光器,定时阀,物体,干板架,全息平台,扩束器,反射镜,分束器,2018/9/16,如图所示，根据光的干涉原理，单色光源S 通过分束板BS 分成两束相干光， 一束为参考光R，一束为物光O， 物光O 照在被摄物体上反射即为物光波。这两束光在感光板上叠加产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹， 条纹的明暗反衬度记录了物光的振幅分布，而条纹的形状、间矩、位置则记录了物光的相位分布，感光板经过显影、定影后就得到与衍射光栅相似的全息照片。,三.全息照相的拍摄原理,2018/9/16,理论分析：,在感光板平面上一点处物光束和参考光束的光场分布分别为：两列光波在全息干板平面上相干叠加, 底片上的光强 I（x，y）

4、是它们合振幅的平方。即：,2018/9/16,*为共轭光波的符号。第一项为参考光的光强度, 它构成全息底片平面上的均匀背景第二项为物光波的光强度, 它在底片随不同位置而异。第三项代表两光波之间的干涉效应, 结果将产生干涉条纹。条纹形状由 决定,因而干涉条纹的疏密、取向、强弱和对比度都随处变化。因此, 记录过程的本质在于物体的全部信息以干涉条纹的形式储存在全息干板中, 相当于物光波的调制过程。,2018/9/16,全息照片不同于普通照片,其底片不显示物体的形象,而是干涉条纹叠加后的图像。冲洗时只是改变了不同部分的透光性。观察时,需利用与拍照时同频率的光的照射全息图。,冲洗好的全息干板,注意：图中

5、的圆圈并不是干涉条纹，而是因为各种原因造成的衍射条纹。,2018/9/16,四.全息照相的观察原理,2018/9/16,2018/9/16,观察全息照片的光路图如下：,如图，利用光波衍射原理，用一束参考光照射全息照片， 照片上疏密的干涉条纹就相当于一个特殊的光栅（其光栅常数的变化反映了物光的相位信息）， 再现光束照射到光栅上就会产生衍射， 它的一级衍射光波就将原来的物光波的波前重新再现出来。我们通过全息照片便重新看到与原物完全逼真的立体图像。观察时，从全息照片的背面（接受透射光）可看到在原物位置上有一个和原物完全相同的立体虚像， 而在全息照片对称的另一侧的屏幕上有一个共轭实像（负一级）。,20

6、18/9/16,五.全息照相实验中相关问题的讨论,2018/9/16,全息存储 计算全息 模压全息 全息干涉计量 全息显微术,七.全息技术的应用,2018/9/16,1.全息存储 (1)什么是全息存储？全息存储(HolographicMemory)是利用全息照相的原理来实现数据的记录。这一概念是DennisGabor在1984年为提高电子显微镜的分辨率而提出的(注：全息表示物体发出光波的全部信息，例如振幅、强度、相位等)。全息存储技术的最大优点就是超高密度。,2018/9/16,(2)光全息存储的提出及优势一封1.1M的电子邮件，从发送到接收，需要占用51.5M的存储空间。美国2010年即将投

7、入运转的LSST( Large Space Systems Technology )望远镜，一个晚上就会产生多达30000GB的数据数字时代对数据存储的需求超乎人们想象。 2010年，全球数据中心能耗导致的花费将达115亿美元。 如果按照电源的实际使用率在50%左右计算，仅100台服务器每天24小时、每年365天运行的耗电量将达到54万度。,2018/9/16,然而，这些昂贵、耗能的服务器中的绝大部分数据大多时候都是静静地躺在那里，难得被叫出来工作一次。既如此，何不将这些不常被访问的数据存储在体积小、节能的介质上呢？ 是时候拔掉大型数据中心那些耗电的硬盘了。它们费钱、笨重，又不环保！ 2009

8、年4月，一张500G的全息光盘在GE公司的实验室诞生。此前，市面上光盘存储的容量上限不超过30G。 未来存储技术革新的核心目标是降低成本。在这方面全息光盘是一个突破。与目前的存储技术相比，全息存储在降低成本、增大容量、提高速度和更优的可靠性方面都极具发展潜力。,2018/9/16,从个人用的手持设备到企业用的存储产品，在单个的碟片上能够存储50个小时的高清晰视频，在一张邮票上能够存储50000首歌。与传统硬盘不一样，全息光盘不需要任何移动部件，数据读写操作为非接触式，使用寿命、数据可靠性、安全性都达到理想的状况。相对于普通存储介质来说，全息存储几乎可以永久保存数据，在切断电能供应的条件下，数据

9、可在感光介质中保存数百年之久。,2018/9/16,（3）光全息存储的原理 a.如何写入？ 与一般的光盘读取方式不同，全息存储在写入数据时，会利用分光设备将一束光分成两束数据光和索引光。数据光会被导入由很多微型透镜组成的空间光调制器（SLM）。它能将电子信号以像素为单元进行编译，编译后的数据就带在数据光上，准备刻入光盘。另一束索引光最后会和数据光汇聚在光盘上的一点，交汇记录下一个三维结构的全息图像。,2018/9/16,B.如何读取？读取的时候，只需要索引光。用索引光照射全息图像，就可以重新得到数据光。光驱内置的CCD感光设备和解码设备能够将数据光中携带的数据再次解码，导入电脑后我们就可以利用

10、这些数据了。 理论上，只要改变光盘的角度，或者改变索引光的入射角度，就可以在光盘任一点上叠放若干幅图像，在一立方厘米左右的立方体上就能够存储1000G的数据。,2018/9/16,2018/9/16,2.计算全息,a.什么是计算全息？ 全息图能够显示的三维物体像的信息是记录在错综复杂的条纹中的. 假如物体并不存在,而只知道光波的数学描述,也可以利用计算机,将模拟的干涉图样绘制和复制在透明胶片上,这种计算机合成的全息图称为计算全息图.目前,计算全息的主要应用范围是: 二维和三维物体像的显示;在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器; 产生特定波面用于全息干涉计量; 激光扫描器; 数据存贮等。

11、,2018/9/16,b.计算全息的操作 计算全息图的制作和再现过程主要分为以下几个步骤：1抽样得到物体或波面在离散样点上的值2.计算计算物光波在全息平面上的光场分布3.编码把全息平面上光波的复振幅分布编码成全息图的透过率变化4.成图在计算机控制下，将全息图的透过率变化在成图设备上成图如果成图设备分辨率不够，再经光学缩版得到实用的全息图5.再现这步骤在本质上与光学全息图的再现没有区别,2018/9/16,2018/9/16,c.计算全息的背景 1965年在美国IBM公司工作的德国光学专家罗曼使用计算机和计算机控制的绘图仪做出了世界上第一个计算机生成全息图（Computer-Generated

12、Holography，简称CGH）。但由于计算机速度、容量及高分辨率显示器的约束, 直到最近CGH才取得较大的进展。1989年MIT媒体实验室以S.A .Benton为首的空间成像研究小组开始对CGH展开研究，在美国ARPA 、 NSF和IBM 、 NEC、Microsoft等世界著名企业和组织的大力资助下，CGH研究取得了突破性进展。1994年Mark Lucente研究的快速算法使得三维宣示实时性更强，从而使CGH朝着实用化迈进了一大步。,2018/9/16,d.计算全息的意义 计算全息的合成中,只要在计算机中输入实际物体或虚构物体的数学模型就行了,计算全息图可以随心所欲地制造各种各样的光

13、波.从而创造千变万化的真实或虚拟的物体. 计算全息再现的三维像是现有技术所能得到的唯一的三维虚构像,具有重要的科学意义。例如飞机和新型轿车的设计师们可以用计算机全息图创造一个他们想像中的新机型三维立体像,经过从不同角度观察后决定是否要作某些修改,然后改动一下程序重新制作一张全息图,从这张新的全息图中,可以看到一辆经过修改的轿车的立体像!,2018/9/16,e.计算机生成全息的应用前景,目前计算机生成全息图尚处于研究阶段, 已有的研究成果表明了计算机生成全息图在技术上的可行性。当前CGH 实用化的约束因素主要是CPU速度、高分辨率显示器以及传输带宽。随着计算机技术和通讯技术的进一步发展,在不远

14、的将来, 约束CGH 卖用化的“ 瓶颈” 问题将得到解决。仅从目前的研究水平看, CGH 在影视艺术、全息防伪、远程教育、医学成像、可视化、虚拟现实等方面具有诱人的应用前景。作为真三维显示, 全息图比目前二维表达方法多一维信息, 它的应用必将对人类日常生活、教育、娱乐以及广泛的科技领域产生巨大而深远的影响。尤其是与计算机结合在一起, 必然在以信息为特征的未来社会中发挥重要作用.,2018/9/16,3.模压全息,a.什么是模压全息？ 模压全息术是20 世纪70 年代提出的用模压方法复制全息图的一项新技术. 它是建立在全息技术、计算机辅助成图技术、制版技术、表面物理、电化学,精密机械加工等多学科

15、基础之上的一种精细加工技术. 模压全息与凸版印刷术类似,所以又称为全息印刷术。,2018/9/16,b.模压全息术的展望自1979 年RCA 公司提出模压全息复制技术以来, 模压全息术已经过20 年的发展。其发展历程充分表明, 人类社会生活的需要, 相关高新技术的发展, 是推动模压全息术不断发展的动力。模压全息术一开始就是光全息学、感光材料、激光技术、精细化工、印刷工业等技术相结合的产物, 近年来兴起的模压光栅全息图, 则是将飞速发展的计算机技术引进模压全息工业的杰作。展望未来, 下述课题的研究有可能成为全息显示术研究的热点。 1. 制作保密性能好的隐型加密全息图 模压全息图的重要功能之一是防

16、伪, 人类生活的许多领域, 均需要防伪标识。因此, 研究高质量, 高保密 性能的加密全息图, 满足社会的需求, 将是全息工作者进一步研究的课题之一。,2018/9/16,2. 进一步对制作大视角真彩色全息图进行研究, 特别是寻找更好更实用的方法制作同时具有大视角 及真彩色的全息图。 3. 制作高分辨率、高质量的光栅全息图 由于目前设备及技术水平限制, 模压光栅全息图的“像素”还不够小, 故制出的全息图细看起来比普通模 压全息图的分辨率要低一些。另外, 目前国内尚无三维物体的模压光栅全息图做为商品出现。而三维物体的 光栅全息图, 其艺术表现力更有魅力, 因此, 制作三维物体以及二维, 三维物体混

17、合的模压光栅全息图, 将成 为全息工作者解决的问题。,2018/9/16,4.全息干涉计量,2018/9/16,5.全息显微术,全息显微术主要有两种形式,一种是将全息技术和显微镜结合,称为“全息显微镜”;另一种是利用全息图本身的特性来进行放大,称为“全息放大”. 全息显微术解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾,避免了像差影响而达到很小的衍射极限,可以获得更大的视野. 如果在拍摄和显示时,采用不同波长的激光器,可以实现图像放大. 由于波长的不同,衍射角不同,这等于将全息图作了相应 调整. 例如,若用电子束或X射线来拍摄全息片,然后用可见光来显示,就相当于使原来很小的物体像变成视角很大的图像. 因此可以获得很大的放大率.,