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07-激光全息

心语sss8
2013-11-21 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《07-激光全息ppt》,可适用于高等教育领域

物理学专业选修课激光技术与应用物理学专业选修课激光技术与应用第七章激光的应用激光全息视频:印度喀拉拉邦开设激光全息照相馆*激光全息技术全息术即全息照相术是记录波动(包括机械波、电磁波和光波)干扰的振幅和位相分布以及使之再现的专门技术。它广泛地用作三维光学的成像也可用于声波(声全息)和射频波。“全息”意思是全部信息即不仅是振幅信息还包含位相信息在内。*全息照相原理早在年就由英藉匈牙利物理学家丹尼斯·盖伯(DennisGabor)为了提高电子显微镜的分辨本领提出了全息术的最初设想。年他从事电子显微镜研究,当时电子显微镜的理论分辨率极限是nm,由于丢失了光波的相位,实际只能达到nm,比分辨原子晶格所要求的分辨率nm差得很多这主要是由于电子透镜的像差比光学透镜要大得多,从而限制了分辨率的提高。为此,盖伯设想:记录一张不经任何透镜的,用电子衍射的电子波制作曝光照片(即全息图),使它能保持物体的振幅和相位的全部信息,然后用可见光照明全息图来得到放大的物体像。由于光波波长比电子波长高个数量级,这样再现时物体的放大率就可获得倍而不会出现任何像差,所以这种无透镜两步成像的过程可期望获得更高的分辨率随后他采用汞灯作光源首次拍摄了第一张全息照片(即全息图)并获得了相应的再现像从而创立了全息术,并因此于年荣获诺贝尔物理学奖。*从年盖伯提出全息照相的思想开始一直到年代末期,全息照相都是采用汞灯作为光源,而且是所谓的同轴全息图,它的级衍射波是分不开的,即存在所谓的孪生像问题,不能获得好的全息像这是第一代全息图,是全息术的萌芽时期。第一代全息图存在两个严重问题:一个是再现的原始像和共轭像分不开,另一个是光源的相干性太差。直到年代出现激光这一相干强光源之后全息术才得以迅速发展成为现代光学中十分活跃的分支。*年随着激光器的问世利思和乌帕特尼克斯(LeithandUpatnieks)在盖伯全息术的基础上将通信理论中的载波概念推广到空域中发明了离轴全息术。他们用离轴的参考光和物光干涉形成全息图再利用离轴的参考光照射全息图使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量其中一个复制出原始物光。这样第一代全息图的两大难题宣告结束产生了激光记录、激光再现的第二代全息图。从而使全息术在沉睡了几十年之后得到了新生三维物体显示成为当时全息术研究的热点。但这种成像科学远远超过了当时经济的发展制作和观察这种全息图的代价是很昂贵的全息术基本只是一个需要高昂经费来维持的实验。*由于激光再现的全息图失去了色调信息人们开始始致力于研究第三代全息图。第三代全息图是利用激光记录和白光再现的全息图例如反射全息、像全息、彩虹全息及模压全息等在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。年本顿(Benton)发明了彩虹全息术掀起以白光显示为特征的全息三维显示新高潮。彩虹全息图是一种能实现白光显示的平面全息图除了能在普通白炽灯下观察到明亮的立体像外还具有全息图处理工艺简单、易于复制等优点。*然而利用激光记录也有其不便性如:激光的高度相干性要求全息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相干噪声也很严重这给全息术的实际使用带来了种种不便。于是科学们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图可能是白光记录和白光再现的全息图它将是全息术走出实验室进入广泛的使用领域。目前已经开始取得进展。*除了用光学干涉方法记录全息图还可用计算机和绘图设备画全息图这就是计算全息(ComputerGeneratedHologram,简称CGH)。计算计算全息是利用数字计算机来综合的全息图不需要物体的实际存在只需要物光波的数学描述。因此具有很大的灵活性。全息术不仅可以用于光波波段也可以用于电子波、X射线、声波和微波波段。实际上利思和乌帕特尼克斯的离轴全息概念就是来自于微波领域的旁视雷达微波全息图。正如盖伯在他荣获诺贝尔奖时的演说中所指出的利思在雷达中用的电磁波长比光波长万倍而盖伯本人在电子显微镜中所用的电子波长又比光波短万倍。他们分别在相差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总是互相渗透互相影响的。*普通照相:利用透镜成像原理仅记录了物光中的振幅信息无立体感。一、全息照相和普通照相的区别被摄物照相机普通照相只记录物光的振幅信息因此所成的是物体的平面图象。普通照相*全息照相:利用光的干涉原理记录物光中的全部信息振幅和位相有立体感。视频:激光全息照相实验教学录像*由惠更斯-菲涅耳原理可知被摄物体散射的光波可看作是其上各点发出的球面波叠加。因此可写为:二、全息照片的获得光的干涉拍摄全息照片的原理图*拍摄全息照片的原理图分光镜全反镜扩束镜扩束镜物体全息干版物体漫反射的光与参考光束在记录干板处干涉干板仅能记录所形成的条纹而不是物体的像。全息图仅为一组干涉条纹。全反镜*全息照相是将物光波中的振幅和位相信息以干涉条纹的反差和明暗变化的形式记录下来形成的干涉条纹是不规则的干涉条纹的间距为:θ为参考光束与物光束射到干板时两者的夹角λ为光波波长。全息照片上的干涉条纹全息图上明条纹、暗条纹的明暗对比反映了物光的振幅信息条纹的形状、疏密反映了物光的位相信息因此全息图包含了物光的全部信息。*感光后的全息干版经显影、定影等处理得到的全息照片相当于一个“衍射光栅”。再现光路如下图所示三、全息照片的再现为重现物光波一般是用参考光波相似的光照射全息图虚像照明光束再现原理全息图级衍射波准确再现原来的物光波(只是振幅大小有变化)这是一发散波它在全息图后面形成了与物体完全相同的虚像称原始像。改变观察方向可看到物体的不同方位。级衍射波包含了物光的共轭波它是一束会聚波其会聚点就是实像的位置。一般来说实像有畸变。若要得到无畸变的实像需用一束与参考光波共轭的再现光波照射全息图。实像四、全息照相的主要特点四、全息照相的主要特点()全息照片所再现的物体是逼真的三维立体图象。()全息照片具有可分割特性。()全息照片再现出的物像亮度可调。()全息照片的再现物像可放大或缩小。()同一张全息感光板可进行多次重复曝光记录。*光源:具有一定功率及相干性的光源常用小型HeNe激光器(mW)系统稳定性:干涉条纹移动超过半个条纹的宽度干涉条纹就记录不清。光路:参考光与物光的光程差要尽量小参考光与物光的夹角为度左右参考光与物光在全息干版上的照度比为:左右全息干版:I型干版分辨率为条mm对于绿光不敏感。灵敏度较低曝光时间需秒左右五、全息照相拍摄的条件**冲洗设备*安排光路调整光路曝光冲洗处理再现虚象和实象的观察*、安排光路注:将各个光学元件调至等高注:拍摄全息照片光路的安排*注:拍摄全息照片光路的安排分光镜全反镜全反镜扩束镜扩束镜物体全息干版*、光路的调整参考光与物光的光程差要尽量小参考光与物光的夹角为度左右参考光与物光在全息干版上的照度比为:注参考光与物光的光程差(尽量小)*注参考光与物光的光程差(尽量小)光程差=物光程-参考光程由于光波的相干长度有限两束光的光程差若超过其相干长度就不会形成干涉。光程差越小物光与参考光的空间相干范围就越大用照相术语讲即景深越大效果越好。注参考光与物光的夹角(度)*注参考光与物光的夹角(度)θ太小再现时不易观察θ大条纹太密拍摄易失败注全息干版照度比*注全息干版照度比调节扩束镜位置可调节光强(参考光与物光:)*稳定一分钟、曝光全息拍摄过程中最怕振动在曝光时要安静*D显影液清水定影液清水、冲洗冲洗时只是改变了不同部分的透光性。干燥*a、再现虚象的观察激光束(需扩束)、再现象的观察所有发光点的对应的衍射条纹会使人眼看到一个处于原来位置的完整的立体虚像。当人眼换一个位置时,便可以看到物体的侧面像即物体上原来被挡住的部分也可以看到。b、观察的实象情况*b、观察的实象情况细激光束(不扩束)全息干版观察屏实象屏的位置不同像的大小不同*c、汞灯再现汞灯狭缝全息图用汞灯再现可呈现出由汞灯光谱组成的物体的彩色图象。*按照记录介质的膜厚分类有平面全息图和体积全息图两类按照投射率函数的特点分类有振幅型和位相型两类而位相型又可分为表面浮雕型和折射率型两类按照记录的物光波特点可分为菲涅耳全息图、夫琅和费全息图和傅里叶变换全息图三类按照再现时对照明光的要求可分为激光再现和白光再现两类。我们在后文将重点介绍这两类按照再现时观察者和光源的相对位置可分为透射型和反射型两类按照显示的再现像特征有像面全息、彩虹全息、全息、真彩色全息等等。*白光反射全息图白光再现的全息三维显示白光反射全息图是较为简单的一种白光再现全息图其记录和再现光路如图。*像面全息图根据全息学的理论对于普通透射式全息显示图像而言当再现光波长与记录时的光波长不同或再现光源为非理想点光源而有一定的空间扩展时再现像点将会发生弥散而变得模糊由上述两种因素造成的像点模糊量皆与象点和全息板的距离成正比。因此假如记录时让物点落在全息板上或很靠近于全息板则用普通白光扩展光源再现时像点的模糊量仍小至可接受的程度。因实际物体难以直接“嵌入”全息板故人们采用将物体通过透镜成像于全息板的附近同时引入参考光波与其干涉的办法来记录全息显示图像这样记录的物体几何像全息显示图像称为像面全息显示图像它可用普通白光扩展光源再现。显然这种全息显示图像的景深也是有限的距全息板平面愈远的像点愈模糊不清。*彩虹全息图彩虹全息图因再现像存在彩虹般的色彩而得名其基本方法是二步彩虹全息图。二步彩虹全息的基本原理如图二步彩虹全息的基本原理*真彩色全息真彩色是指图像中的每个像素值都分成R、G、B三个基色分量每个基色分量直接决定其基色的强度这样产生的色彩称为真彩色。真彩色图像是一种用三个或更多字节描述像素的计算机图像存储方式。为了能反映物体的本来面貌(也包括颜色信息)真彩色全息术的研究课题引起了人们的重视。目前已有多种真彩色全息图的制作方法如白光反射型真彩色全息、夹层真彩色全息、假彩色编码的真彩色全息等但是这些方法均还处于研究阶段应用推广还有一定的困难。*模压全息目前所见的模压全息图大多数采用彩虹全息光路制作模压母版。根据模压工艺的要求模压母版需要制成浮雕型通常采用光刻胶版材料制作全息母版然后对全息母版进行处理以电镀、电化学方法制作金属模压版最后以这个金属模压版去压印涤纶薄膜得到大量的与原全息母版一样的高衍射效率的模压全息图。*合成彩虹全息术的基本原理合成全息全息可以显示出物体一周的像其三维立体感更强。其记录分两步第一步是将被拍摄的物体置于可绕中心轴旋转的平台上用普通白光照明当平台转动时用电影摄影机对物体连续摄影(a)第二步是合成过程利用彩虹全息光路且在光路中插入一狭缝(b)用全息软片记录。白光再现时观察者能见到一个连续动作的立体像(c)像的颜色和彩虹全息的像相同像的垂直方向视差也与彩虹全息再现像一样受到限制。视频:动态合成激光全息图震旦馆玉器的激光全息影像展示*计算全息图的制作和再现过程主要分为以下几个步骤计算全息图①抽样对物体或其波面抽样得到在离散样点上的值②计算计算物光波和参考光波叠加后在全息平面上形成的光场分布③编码把全息平面上的光波复振幅分布编码成全息图的透过率分布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再经光学缩版得到实用的全息图⑤再现需用光学方法再现出物光波计算全息的优点:可以记录物理上不存在的虚拟实物只要知道物体的数学表达式就可用计算全息记录下这个物体的光波并再现该物体的像。计算全息的主要应用范围:①二维和三维物体像的显示②在光学信息处理中用计算全息制作各种空间滤波器③产生特定波面的光波用于全息干涉计量④激光扫描器⑤数据存贮。*反射全息图背景科学家李普曼(GabrielLippmann,~)因发明基于干涉现象的彩色照相术获得了年度诺贝尔物理学奖。年前苏联科学家尤里·丹尼苏克(YuriDenisyuk)根据李普曼彩色照相法和伽伯全息法提出了反射全息图。GabrielLippmannYuriDenisyuk*反射全息图激光反射式全息图的记录和再现两种全息图的比较:)拍摄光路不同透射式全息图拍摄时物光和参考光在干板的同一侧反射式全息图拍摄时物光和参考光在干板的两侧*反射全息图)再现方法不同透射式全息图再现时光与人眼在干板的异侧反射式全息图再现时光与人眼在干板的同一侧。)应用领域不同透射式全息图主要应用大型展览如服装展示、大型物体的拍摄及再现再现时一般用激光反射式全息图再现像景深较小再现光源可用白光主要用于防伪商标、人物拍摄等。*反射式全息图用于防伪商标反射式全息图用于人物拍摄*全息术的应用领域有:一、全息显示大面积显示全息图和全息显示一体化产品的研制目前的产品存在两个问题:一是面积太小作为高档次艺术挂图必需制作大面积全息图这对全息记录材料和图像制作技术提出了挑战二是全息图的显示必须在室内装有白炽灯或激光器并以特定的角度照明才能显示出三维立体像的最佳观赏效果。二、全息信息存储三、全息干涉计量四、全息显微技术…视频:藏品及其激光全息影像捷克馆城市与时尚激光全息影像激光舞全息投影iPhone最新概念激光键盘全息显示iPhoneS超炫概念设计激光键盘*文教艺术方面各种全息图本身就是一种文艺品可以制作成惟妙惟肖的三维立体图片去美化人们的生活。全息与艺术的结合已经开辟了广阔的领域种类繁多的全息艺术制品早已走进市场走入寻常百姓的生活中。全息图在科教中可作为三维立体模型、三维挂图、杂志和教科书的立体插图等等。例如把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来展出时可以真实地立体再现文物供参观者欣赏而原物妥善保存防失窃。例如大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照。小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰它可再现人们喜爱的动物多彩的花朵与蝴蝶。一、激光全息三维显示的应用*全息再现用于艺术创作英女王的全息照片多路合成角度全息用于艺术品展示*多媒体领域正如全息照片不同于普通的立体照片一样全息电影与用偏光镜观看的立体电影也截然不同它的突出特点是三维立体性。数字全息图的研究将促进“全息”电视或真正意义上的全息电影的问世。.虚拟物品设计方面激光计算全息图将激光全息技术和计算机技术结合起来形成了新的数字化、自动化象素全息三维显示技术。全息图颜色鲜艳逼真水平和垂直动态视场分别可达度全息图尺寸可以任意大工业产品检测全息显示和干涉测量技术结合形成了全息干涉测量技术也叫三维干涉测量技术它特别适用于各种材料的无损检测。激光全息干涉计量在无损探伤、应力与应变、以及光测力学等度量研究中有着广泛的应用前景。视频:激光全息干涉无损探伤*地理地形、地质勘测和气象观察等领域利用全息技术可将不同高度和角度的地形地貌拍摄成多幅全息图则再现时得到三维立体图像从而可取得更直观的观测效果。军事、医学和财经等领域利用真彩色显示在军事上可进行军事模拟训练和模拟演习三维的立体场景将显著增强现场的真实感和实战气息。.科学研究()在显微领域的应用全息显微镜具有高分辨率、高成像质量的优势它已用于透明或不透明的生物细胞、分子和医学器官等的三维放大、显示。()在海洋科学中的应用激光全息三维显示技术却可以在较大的视野内获得水下物体的清晰像适用于各种材料的无损检测。*三维象的重现亦即全息显示这个领域是商业介值较高的领域尤其是白光再现全息术它是走出实验室的最实用的全息术。现在民品的开发主要集中在全息显示领域全息显示即指利用全息照片来重构出物体的三维象以实现多种艺术品、物品、图案、艺术造型、厂家产品、人物肖像自然景物的三维象的重现。目前已经商品化的全息产品主要有两种:种是反射全息图在我国俗称激光宝石一种是彩虹全息图主要以模压全息图的形式出现。现在社会上流行的反射全息图产品主要有:艺术晶文物、艺术造型、特定图案等的反射全息图可用于展览供参观者欣赏而原物妥善保存防失窃。*把彩虹全息术与当时发展日趋成熟的全息图模压复制技术结合起来便形成了目前风靡世界的全息印刷产业产生了全息信用卡、全息商标、全息钞票、全息卡通、全息装饰材料、甚至全息服装等保安防伪及装璜装饰的全息图新应用。迅猛发展的模压彩虹全息图既可成为生动的卡通片、贺卡、立体邮票也可以作为防伪标识出现在商标、证件卡、银行信用卡甚至钞票上。装饰在书籍中的全息立体照片以及礼品包装上闪耀的全息彩虹使人们体会到世纪印刷技术与包装技术的新飞跃。模压全息标识由于它的三维层次感并随观察角度而变化的彩虹效应以及千变万化的防伪标记再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌顶点。激光全息技术防伪原理*激光全息技术防伪原理视频:激光防伪二维码激光防伪解决方案激光全息防伪技术的发展过程*激光全息防伪技术的发展过程第一代商用模压防伪全息技术(彩虹二维三维)第二代改进型激光全息防伪技术第三代加密全息图像防伪技术第四代激光全息防伪技术应用计算机图像处理技术改进全息图像透明激光全息图像防伪技术反射激光全息图像防伪技术激光阅读光学微缩随机干涉条纹组合全息图真三维全息图激光全息图像技术在防伪包装上的应用主要是印刷防伪商标*激光全息图像技术在防伪包装上的应用主要是印刷防伪商标影响激光全息商标防伪性能的因素商标的种类商标的使用位置激光全息图像防伪商标的种类不干胶型防揭型烫印型加密型制作激光全息板制作全息电化铝箔制作烫印型激光全息标识图像模糊处理法莫尔条纹法密码法激光全息技术综合一体化防伪解决方案*激光全息技术综合一体化防伪解决方案由于前几代激光全息防伪标识几乎完全失去了防伪功能防伪人不得不开始对其进行改进。利用全息光学原理结合其它的防伪技术经反复试验研究提出了全新的激光全息综合防伪一体化解决方案采用计算机全息图母板的技术(含彩虹全息技术、光信息处理及光学变换技术、色彩控制及多通道技术、计算全息技术及脉冲全息技术等)改进全息图象并可融合多种加密手段技术形成加密或透明数码象素激光全息图像或多维多色功能。激光光刻(多维立体)+加密微缩文字(荧光防伪加密)制作激光全息图母版时采用光信息处理及光学变换技术形成动态的立体脉冲全息在任意观察范围和光源下均有动态效果有较高的防伪性能同时将其中的文字或图案加密成微缩图案肉眼不能识别用倍的放大镜可识别或在激光标识表层印制防伪荧光油墨在验钞机下可识别真伪。*激光密码(揭开式)双层防伪型表层为激光多维立体全息图案图案内设置激光密码底层胶水里印制文字或密码当将标识贴置商品撕下时文字或数码会留在物品上分辩真假激光再现防伪技术印制激光商标时可按用户需要输入激光密码如(文字、数字)肉眼无法看见但用激光笔照射可分辨真假激光光刻(多维立体)+物流序列号设计表层为激光多维立体全息图案表层上设计物流跟踪序列号实现防伪物流功能激光光刻(多维立体)+纽索纹开锁技术纽索纹开锁技术是利用印钞软件设定纽索纹图后拷贝成软片然后进行在特定的部位中印刷形像图为肉眼无法看见(显微镜下也无法破译)的图像或者文字但用专用的塑料片准确地套在开锁部位图像或者文字清晰可见。激光全息术在防伪领域的应用前景*激光全息术在防伪领域的应用前景计算机与传统全息图的结合使得全息图在制作原理、制作过程以及视觉效果上都实现了一次革命。计算机制作的全息图能再现人为想象的、自然界不存在的造型并利用全息合成技术表现立体动态效果。此外计算机对全息制作过程的介入提高了生产的自动化和精确程度解决了人手难以实现的困难从而也为开发更新颖、更可靠的模压全息图提供了基础。全息图与其他相关学科结合以提高防伪性能已成为防伪领域全息术发展的又一个显著特点。多学科的结合使得小小的一枚全息图上具备光电、光磁、红外、荧光显示等多重防伪手段。*全息揭露复合层防伪标识以激光防伪标记为基础结合揭开式的特点将二者结合在一起。即当标识揭开后标识一部分规则揭露显现出预定的图文信息其表层镂空与底层遗留的图文阴阳相对标识底层下部留有数码供消费者输入查询。该标识不可重复使用具有“全息规则揭露防伪标识”的全部特点。作封口使用时粘贴牢固性较稳定与电码工程(网络数码)相结合具有多重防伪功能。全息激光防伪标签已经是一个很大的产业*利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术通过将缩微胶片上的影像转变为光信息然后制出存储密度更大的全息图全息图是由干涉条纹组成的影像该条纹记录了入射光线的全部信息振幅和相位阅读还原时需在激光照射下利用条纹影像的衍射原理使其再现二、激光全息存储*激光全息存储的优点信息存储容量大可达bcm记录速度快记录信息不易丢失寿命可达数百年便于长期保存每一碎片都包含完整信息便于拷贝*体全息信息存储在全息数字存储系统中激光束分为物光和参考光物光扩展后通过一个空间光调制器加载数据页模式。物光被聚焦进入存储介质中在介质中还叠加了参考光参考光的角度由光束调整元件控制。当读数据时数据页成像在一个CCD探测阵列上。需要存储的数据进入并通过输入输出通道的电子元器件而这些元件的作用是编码和信号处理。*体全息信息存储原理

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