全息光學系統(tǒng)的研究

全息光學系統(tǒng)的研究

全圖像是一種記錄物體反射（或透射）信息的新成像技術，以捕捉光譜學的所有信息（振幅和位置相位）。普通照像技術僅記錄了光的強度。全息照像技術不僅記錄了物光的強度,而且記錄了物光的位相,也就是把物光的所有信息全部記錄下來。一般全息照像的方法是通過一束參考光和一束物光在感光膠片上迭加出來的。激光器一般可采用氦—氖激光器,它可以發(fā)射出波長為6328埃的紅光。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)擴束器擴束后,經(jīng)分光板分束。其中一束光經(jīng)反射鏡反射后,通過透鏡會聚于全息膠片處,這束光稱為參考光束;另一束光經(jīng)反射鏡反射后,經(jīng)過物體(反射或透射),通過透鏡會聚于全息膠片處,這束光稱為物光束。全息圖相當于一個光柵,從全息圖看不出被攝物體的表觀圖像,但當用一定的激光束透過這一全息圖時,就產生與物光相同的衍射光波,這一過程稱為波前再現(xiàn)。由全息圖的特點可以看出,用全息照像的方法存儲信息具有保密性強的特點。由于全息圖的任何一部分都可反映原物體的全貌這一特點,就決定了全息存儲技術中的激光定位精確要求較低,無論激光束照射在全息圖的全部或部分,都會在適當?shù)奈恢蒙巷@現(xiàn)出被攝物體的原貌?？梢园褏⒖脊馐臀锕馐?jīng)透鏡會聚到很小的尺寸后,使之在全息感光膠片處重合產生干涉而形成全息圖。全息存儲具有存儲密度高、保密性強、非接觸記錄、記錄信息不易丟失、便于長期保存等特點。全息存儲技術是信息存儲與交流的重要手段。全息存儲一般利用全息攝影機將普通縮微膠片上的影像制成全息圖,操作簡便、記錄速度快。利用全息拷貝機,可方便地制成全息拷貝片,利用全息圖再現(xiàn)閱讀器(全息圖再現(xiàn)復讀機)來閱讀(復印)全息圖所存儲的信息。由于全息圖的干涉圖樣十分精細,所以不能用普通膠片來拍攝全息圖,要用具有更高想像力和清晰度的全息膠片。全息照像技術,還可為人們提供立體電影和全息錄音。在很多場合,存在不能直接使用全息術拍攝真實三維像的情況。例如,利用全息照像對大的自然景物、建筑群進行拍攝有一定困難,而可把現(xiàn)在的電影攝影技術與全息術結合起來,采用合成全息術記錄,從而可觀察到逼真的準三維像。眾所周知,全息圖再現(xiàn)的是原物的真實三維像,即不僅是立體的而且包含有視差信息。合成全息圖雖然在客觀上也達到了三維顯示的效果,既是立體的而且也包含有一定的視差信息,但與一般意義的全息圖是有區(qū)別的,它實際上是由一系列體視對組成的立體圖;而不是象全息圖那樣同時記錄了一個三維物體的振幅和位相而直接得到原物的三維再現(xiàn)像。人們能夠利用現(xiàn)在的電影攝影技術獲得其質量與直接用相干光進行全息照像相近似的效果。作為這種立體像的原始信息是立體片的視差。即將分離的視差立體相片印到一段全息載片上可形成綜合立體像,這種立體全息相片的特點是,在重現(xiàn)立體像時,既可以把像放大并投影到觀察屏上進行觀察,也可直接進行觀察。合成全息術發(fā)展迅速,應用廣泛。例如,日本學者M.Yamaguchi等人提出一種全息三維印刷術的新方法,即用光、機、電、算相結合的合成立體圖技術,產生全息三維像的計算機數(shù)據(jù)硬拷貝輸出,尤其適合三維印刷;而且這種一步合成平面形李普曼全息立體圖具有垂直和水平兩個方向的視差效應,因此,重建像是無畸變的,這比一般角度多路合成柱面全息立體圖僅有水平視差效應更具有優(yōu)越性。日本電報電話公司已研制出一種快速光響應晶體,原則上,以1×10-9S的幀率記錄全息電影。用新合成的摻銪硅酸釔(Eu3+:Y2SiO5)晶體和精確染料激光可在7K(-266℃)下記錄全息電影,可以放映約20s時間。由于這種晶體具有特殊的光化燒孔效應(在材料內能維持幾小時),可用這種材料進行圖像記錄。效應使材料有較優(yōu)的記錄功能。由于量子效率約為20%,高于有機染料(一種普通記錄材料),故較易燒孔。以前的研究光吸收靈敏度較低,不能實時記錄高速活動圖像。Eu3+:Y2Sio5晶體的光吸收譜寬為幾GHz,各種銪離子群在固體材料中有若干最窄(1kHz)的譜寬。通過激光寫入頻率的變化(步長1kHz),用燒孔法可記錄不同的圖像。據(jù)公司研究人員說,理論上可記錄約1000萬幀靜止圖像,相當于100個小時的電視廣播。該組需要研制在可尋址頻率上能寫入全息圖像的高分辨率、580mm波長染料激光器。該激光器要在500MHz范圍內可調諧,頻率穩(wěn)定性需比普通染料激光器優(yōu)1000倍,光頻在實驗的吸收線分布范圍內連續(xù)可調。目前,光化燒孔均在超低溫下工作,雖然每一離子都有不同的光吸收頻率,但密集形式的離子由于其光譜分布而有很寬吸收譜。當激光器發(fā)射特定波長時,只有與激光頻率共振的離子才能對該光束有響應,并在吸收線上形成燒孔,記下各個圖像。隨著全息技術的發(fā)展,全息錄音也隨之產生。在電影膠片上,全息錄音和全息聲圖的再現(xiàn),與一般的光學錄音的錄放過程不同。在全息錄音時,是用幾束光制成聲圖。各光束具有相同的波長,而各光束有位相的移動。全息錄音的最大優(yōu)點是,用一個聲路載有幾個相互迭加的全息聲圖,以實現(xiàn)多路立體聲。每個通道以相應的空間頻率記錄,并由信號光束和參考光束的角度決定。全息照像技術也是保護、檢查藝術珍品的很好工具,可用全息照像技術拍攝、存儲藝術作品,已證明全息照像是收集藝術作品,欣賞、研究藝術作品的很好手段。全息照像技術對藝術珍品進行檢查也是很適用的,可通過定期地將原件與其全息圖像進行對照檢驗。一般全息照像方法,參考光束和全息干版有一定的夾角,該夾角不能太大,也不能太小。而在邊緣照明全息術中,該夾角很小。邊緣照明全息源于波導全息術。人們將波導全息中的導波光(參考光)改為從邊緣直接入射,發(fā)展為今天的邊緣照明全息。在邊緣照明全息術中,物光與普通全息術中的物光沒有不同;而參考光則是從全息干版邊緣入射,與干版夾角很小。所以邊緣照明全息片能夠做到平面一體化,這一點是普通全息所無法做到的。由于再現(xiàn)光也是從邊緣入射,不會出現(xiàn)觀察者面對再現(xiàn)光源(透射全息)或觀察者遮擋再現(xiàn)光源(反射全息)這類情況。而且環(huán)境光也不會對再現(xiàn)圖像產生影響。加之邊緣照明全息獨特的較高的衍射效率,使其再現(xiàn)圖像具有很高的對比度,對周圍環(huán)境也沒有特殊要求。這樣的一些特點,使邊緣照明全息成為一種應用前景很寬的新技術。目前,掃描全息技術也在發(fā)展中。美國弗吉尼亞技術公司光學圖像處理實驗室的研究人員發(fā)展了一種實時光學全息記錄技術。這種技術采用兩束時變頻率激光對物體兩維掃描。用光電探測器收集并輸出由含掃描物體振幅和相位信息散射所產生的外差電信號。此外差信號被解調并與掃描光束同步顯示在陰極射線管上時,物體的全息圖被得到實時顯示。該技術被稱為光學外差掃描全息術,是一種革新的全息記錄術,比標準非掃描全息記錄法優(yōu)越:記錄在全息圖上的信息成分減少,背景偏置降低。其他實用優(yōu)點還有光的有效利用和排除環(huán)境的干擾,因而這種技術適于制作大規(guī)模物體的全息圖。上述技術的有趣應用是實時全息術。當用這種掃描技術記錄的全息信息表現(xiàn)為調制的電掃描信號時,掃描信號便能直接顯示在電子束尋址的空間光調制器(EBSLM)上,可進行實時相干全息圖再現(xiàn)。美國弗吉尼亞光學圖像處理實驗室的研究人員在與日本濱松光子公司中心研究實驗室和美國濱松公司的合作中已能使掃描全息圖相干地顯示在電子束尋址的空間光調制器上。這種調制器的工作簡況如下:調制器接收掃描的全息序列信號,使電子槍的發(fā)射在調制器內強度調制,然后,用偏轉線圈使電子槍在LiNbO3晶體表面兩維掃描。由此,電荷累積在晶體的表面,全息圖也以電荷圖樣形式存儲在晶體上。與該電荷相關的電場通過普克耳斯效應使晶體折射率變化并用對這種晶體照明的線偏振光使全息圖再現(xiàn)。空間復用全息存儲技術是存儲高密度的重要手段。用水平角度復用來提高全息存儲容量的方法有:擴大對參考光束掃描的透鏡孔徑,增大全息圖有效厚度以減少全息圖之間的角度,改善所用材料的動態(tài)范圍。但這些技術每種都有實際物理限制。另一種選擇是用垂直角度復用,但這通常會使全息存儲介質變壞,產生過多干擾。用不規(guī)則碎片形成幾何配置,可以克服這個問題。用這種技術,已在一塊2mm×1mm×1.5cm鈮酸鋰晶體的同一空間位置上記錄了每排1000個全息圖的5排信息