全息术 Holography

2022-11-18 09:27:29 浏览:254

定义

全息术是一类基于干涉现象记录和重建三维图像的方法。 全息图像称为全息影像。 与普通摄影图像不同,它们不使用将单个对象点映射到全息图中的各个点;从这个意义上说,它们不是图像。 相反,来自每个图像点的光会影响整个全息影像,全息记录的每个点都会影响每个重建的图像细节。 可见光图像的重建只有在特定情况下才有可能,例如使用来自某个方向的激光进行照明。

还有一些全息图不是通过记录真实物体的光场生成的,而是通过基于计算机的方法生成的——就像照片类型的图像可能是人工制作的,例如通过计算机图形学。

1971年诺贝尔物理学奖授予丹尼斯·加博尔,以表彰他对全息方法的发明和发展;他的第一次演示是在1947年完成的。

全息术的基本原理

全息术的基本操作原理如下所述。

我们首先考虑一种情况,即来自不同方向的两个相互相干的准直单色激光束叠加在某种透明介质中。 让我们假设第一个光束来自下图的左侧,第二个光束来自右上角:

全息术 Holography

第二束通常由另一束光束生成,例如使用分束器和两个镜子。

在光束叠加的地方,会产生干涉图案。 该图案的方向取决于两个光束的方向。 振荡强度模式可以用矢量来描述,该矢量作为两个光束的波矢量之间的差异获得。 它的大小决定了振荡的速度,并且它的方向垂直于恒定强度的点。

现在想象一下,干涉图案以某种方式烧入介质中,从而形成全息光栅。 有不同的物理机制会导致这种影响。 例如,介质可以像照相胶片一样含有光敏颗粒,因此被照亮的部分在经过一些显影过程后变得吸光。 其他物理机制(例如在光折变介质中)会导致折射率的变化,从而导致介质中的相位光栅。 在简单考虑的情况下,我们得到体积布拉格光栅。

一旦介质内部具有这样的全息光栅,它就会反射具有正确角度方向和波长的激光束。 例如,如果我们现在只取第一束激光束(来自左侧),其部分光功率将在左下方向反射(更准确地说,衍射),而另一束激光束则来自右上角。 因此,对于靠近底部的观察者来说,情况看起来和以前相似,他只能看到来自顶部的光束。

当然,同样的机制也适用于第二束的其他方向。 记录的全息光栅的方向将相应改变,因此仅使用单个入射光束获得的反射光束将始终具有适当的出射方向。

我们也可以使用两个不同的光束同时从顶部以不同的方向来做到这一点:

全息术 Holography

干涉图案现在变得更加复杂。 假设吸收或折射率的局部变化与记录过程中的光强度成正比,则当仅施加第一束光束时,所得光栅将在两个不同的方向上反射光。

同样,该工作原理也适用于发散或会聚光束。

最后,我们可以用一些物体(例如人脸)替换第二个光束的一个镜子。 然后,我们将获得更复杂的散射光空间分布,而不是简单的反射光束,在各种不同的方向上传播。 其中一些光(物体光束 - 实际上不再是准直光束)将进入介质,在那里它可以与第一束(称为参考光束)叠加,并且它将再次干扰它:它的空间相干性通常会丢失,但假设物体没有移动,它的时间相干性不会丢失。

请注意,散射光可以被视为许多平面波的叠加,每个平面波都有助于全息图。 在数学上,我们可以使用傅里叶变换将散射光场分解为平面波。 重建将适用于每个平面波分量,并且这些平面波将共同形成物体的图像。

全息图像具有三维外观,因为它为观察者提供了一定的深度感知线索。 这是因为最初被物体散射的整个光场被重建了。 例如,观察者可以四处移动,以便从不同的角度看到物体,甚至可能看位于前方的物体后面。 相比之下,普通的二维照片只能呈现记录中选择的一个给定视角的视图。 显然,全息影像可以包含比 2D 图像更多的对象或场景信息。

该原理已通过体积全息图进行了解释。 然而,也可以使用薄全息图,在薄层内具有足够强的指数或吸收调制。

录制全息影像的条件

如上所述的全息影像的录制只能在适当的情况下工作。 一个关键条件是产生稳定的干涉图样,并且可以足够精确地记录下来。 这会产生以下后果:

  • 使用的激光源需要具有足够长的相干长度 - 远高于记录设备中发生的最大路径长度差。 这与激光器足够小的带宽(或线宽)有关。 通常,人们使用单频激光器形式的窄线宽激光器- 例如,某些激光二极管(可能与半导体光放大器一起使用)或倍频YAG激光器。
  • 在记录过程中,所有光学元件以及被记录的物体都需要静止不动 - 其精度仅为光学波长的一小部分。 否则,干涉图案将被洗掉。 对于像生物这样的物体,无法以这种精度精确固定,可能必须使用非常短的记录持续时间,例如单个纳秒激光脉冲的持续时间。 当然,所涉及的路径长度差异应远低于脉冲持续时间。
  • 记录介质必须具有足够高的空间分辨率,以准确记录干涉图案。 例如,普通照相胶片或CCD探测器无法满足这一条件。

全息技术的变体

如上所述记录的体积全息图需要窄线宽激光进行重建。 当然,它只会以该激光的颜色出现,而不是全彩图像。

有透射和反射全息图,用于通过透射光或反射光进行观察。 如上所述,有些是体积全息图,而有些应用需要薄全息图。 如前所述,全息图可以记录为幅度或相位光栅。

已经开发了不同的全息记录介质,包括照相乳液(针对比普通照相胶片更高的分辨率进行了优化)、光折射材料、光敏聚合物和光刻胶。

有多种方法可以生成全息影像,而不是原始记录,而是作为一个记录的副本或计算机生成的图像。 例如,可以使用精密压花技术,通过在热塑性基材上形成精确控制的表面浮雕图案来制造薄相全息图。

有可以用白光重建的彩虹全息图,这显然是一个重要的实用优势。 (例如,如果需要激光进行查看,则各种安全全息图应用将不切实际。 但是,观察到的渐变颜色不是原始物体的颜色。 毕竟,记录的全息图不包含这样的颜色信息。 此外,必须为该技术牺牲垂直视差,即不可能获得完整的3D外观。

甚至可以创建全彩全息图,可以用白光源查看。 这些技术通常基于相当复杂的操作原理,比上面解释的基本原理更难理解。 此外,它们通常无法实现高图像质量。

另一个技术挑战是产生移动的3D图像(体积显示器)。 在这里,全息术与其他技术竞争,这些技术似乎更实用。

全息术的应用

尽管用全息3D成像取代传统的二维摄影和视频显然很有吸引力,但全息技术的典型严格要求仍然强烈限制了实际应用的范围。 即使经过几十年的发展,我们似乎还远远没有在消费应用或高质量的体积显示器中使用全息3D彩色照片。 尽管如此,一些应用程序已经建立;一些例子:

  • 有安全全息图,例如护照、身份证和信用卡,它们基本上用于使制作令人信服的非法副本变得更加困难,因为所需的复制技术难以获得且价格昂贵,而且所需全息图的细节难以衡量。
  • 尽管存在典型的图像缺陷,但全息影像作为艺术品可能很有吸引力。
  • 出于研究目的,微小物体的全息图像不仅可以用光制作,还可以用相干X射线制作,就像用自由电子激光器一样。

在未来,全息术可能会用于高密度数据存储。 与目前使用的仅使用薄二维层的光学存储介质相比,全息存储器可以以3D方式存储数据,有可能在相当有限的体积内达到巨大的存储容量。 然而,开发实际实施仍然是一个重大挑战。

基础光学

作          者: 泮桥成像光电商城

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