第一章 全息术的基础ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ识
1.1 全息技术的历史、特点和应用
• 与普通照相不同，全息照相有两个突出的 特点，一是三维立体性，二是可分割性。
– 所谓三维立体性，是指全息照片再现出来的像 是三维立体的，具有如同观看真实物体一样的 立体感，这一性质与现有的立体电影有着本质 的区别。
– 所谓可分割性，是指全息照片的碎片照样能反 映出整个物体的像来，并不会因为照片的破碎 而失去像的完整性
全息术的发展简史
1971Nobel Prize
• 全息照相术是英籍匈牙利科学 家丹尼斯· 盖伯(D. Gabor, 1900~1979)发明的。1947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0.4 nm，由于丢失了光波的相位， 实际只能达到1.2 nm，比分辨原 子晶格所要求的分辨率0.2 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。
• 于是，科学家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，它将使全息术 最终走出实验室，进入广泛的实用领域。
• 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出全息图，这就是计 算全息(Computer-generated hologram，简称 CGH)。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。
– 一张全息图看上去很象一扇窗子，当通过它观 看时，物体的三维形象在眼前，让人感觉到形 象就要破窗而出。如果观察者的头部上下、左 右移动时，就就可以看到物体的不同侧面。所 看到的整个景像是那样的逼真，完全没有普通 照片给予人们的隔膜感。
• 2. 全息图具有弥漫性 (可分割性)
– 一张具有激光重现的透射式全息图，即使被打碎成若 干小碎片，用其中任何一个小碎片仍可重现所拍摄物 体的完整的形象。不过，当碎片太小时，重现景像的 亮度和分辨率伴随着低。这就好比通过一个小窗口观 看物体时所出现的情况。为证明这一点，我们不妨拿 一张已拍好的全息图来作下列实验：用一张带有小孔 的黑纸板遮住该全息图的不同部位，所观察到的重现 像都是相同的。改变小孔的尺寸，只是使观察到的重 现像的亮度和分辨率有所变化罢了。为什么全息照片 会具有上述特征呢？这是因为，全息底片上的每一点 都受到被拍摄特体各部位发出的光的作用，所以其上 每一点都记录了整个物体的全部信息。
1960年 激光器 问世， 提供 理想的相干光源
为全息技术的发展创造了条件
红宝石 Laser — 梅曼（英），美国休斯飞机制造公司 氦—氖 Laser — 霍曼（伊朗），美国贝尔实验室
1962年
1964年
离轴全息图问世 ——— Leith（美）里斯 加速了全息术的发展 Ar+ Laser问世 —— 布里奇斯
• “立体照片”能将实物发出的物光波的全 部信息“冻结”其上，需要时，又能在特 定的光照条件下将物光波“复活”，使其 继续向前传播，再现出像来。在全息术中 这种“照片”就称为“全息图” (Hologram) 。把“冻结”物光波的过程称为“波前记 录”，而把“复活”信息称为“波前再现 ”。
1.2.1 波前记录
• １．干涉场分布与波面位相的一一对应关系:
– 盖伯避免位相信息丢失的技巧是干涉方法。当两束光 相干时，其干涉场分布（包括干涉条纹的形状、疏密 及明暗分布）与这两束光的波面特性（振幅及位相） 密切相关。例如两束平面波相干，干涉场等强度面是 明暗相间的平面族；两束球面波相干，干涉场为一组 旋转双曲面；等等。但无论是简单的还是复杂的分布 ，一种分布只对应着唯一的相干方式，若两束光的波 面形状有微小的改变，或者两者的相对位置有微小改 变（如相交角度改变），都会引起干涉场分布的改变 。因而，干涉场的分布与波面位相可以说是一一对应 的。由此可以推知，利用干涉场的条纹可以“冻结” 住位相信息。
• 伽博1900年6月5日出生于匈牙利首都布达佩斯，他对物理的特 殊爱好是从15岁时突然萌生的。还没有上大学就以两年的时间 自学了微积分。他学习到阿贝（E.Abbe）的显微理论和李普曼 （G.Lippmann）的彩色照相术。这对他以后几十年的研究起了 重大作用。他和他的弟弟在家里建立了一个小型实验室，做一 些X射线和放射性之类的实验。不过，伽博在大学里不是选修物 理，而是选修工程。因为当时在匈牙利物理还不成为一门专业 。1924年他在柏林工科大学毕业，1927年取得博士学位。在那 期间，他常去柏林大学旁听，这里有名师爱因斯坦、普朗克、 劳厄等开设各种物理课程，他工作在电气工程专业，但身心几 乎全钻到应用物理上了。他的博士学位论文是研制一种新型的 阴极射线示波器。他还制成了一台磁电子透镜。取得博士学位 后，伽博来到西门子公司，在这里他发明了高压石英水银灯。 导致他考虑全息术的是1934年到英国一家公司的研究室工作以 后，该公司制造电子显微镜需要提高分辨率，伽博对这项研究 课题很感兴趣，在研究过程中获得了进行许多光学实验的机会 。全息术的基本构思就是在这里形成的 • 伽博逝世于1979年2月9日。

1948年 Dennis Gabor 提出 “波前重现”理论
目的：改善电子显微镜的分辨率 光源：汞灯
效果：因光源相干性差，效果很不明显
• 从1948年盖伯提出全息照相的思想开始一 直到50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。不能获得好的全息图。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。
• 经线性处理后，底片的透过率函数tH 与曝光 光强成正比 • tH ( x , y ) ∝ I ( x , y ) （1.4） • 略去一个无关紧要的比例常数，上式可直接 写成 • tH ( x , y ) =∣O∣2 +∣R∣2 + O· R* + O*· R (1.5) • 这样得到的底片就是全息照片，又称全息图
• 3．数学模型
• 全息干板H上设置x , y坐标，设物波和参考波的复 振幅分别为
O ( x , y ) = O 0 ( x , y ) exp [ jφo ( x , y ) ] R ( x , y ) = R 0 ( x , y ) exp [ jφR ( x , y ) ]
照明光
（1.1）
（x,y）
氩离子激光器
提供了短波长连续可见光
50多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高 科技、国防、艺术等领域几乎无所不及。
光计算机 轻型化
航空航天
全息元件
全 息
多功能化
智能武器
智能机器人
全息检测
无损检测 （用于工程领域）
全息显示
立体图画
全息动画
全息电影
模拟军事演习
全息照相的基本特点
• 1.全息照相最突出的特点为由它所形成的三 维形象
• 1960年激光的出现以后，提供了一种高相干性光 源。1962年美国科学家利思 (E.N. Leith)和乌帕特 尼克斯 (J. Upatnieks) 将通信理论中的载频概念推 广到空域中，提出了离轴全息术。他用离轴的参 考光与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解决，产生了激 光记录、激光再现的第二代全息图从而使全息术 在沉睡了十几年之后得到新生，进入了迅速发展 年代，相继出现了多种全息方法，并在信息处理 、全息干涉计量，全息显示、全息光学元件等领 域得到广泛应用。由此可见，高相干度激光的出 现，是全息术发展的巨大动力。
• 4. 全息图可同时得到虚像和实像 • 实像能投射到屏幕上被观察到，而虚像则 否。这基础光学中关于实像与虚像的概念 是一致的。但细致观察，还可看到全息图 更多的像。
GoogleGlass（上）和Meta2（下）
• iPhone X因为取消了home键，所以安全识别从指 纹识别改为Face id，也就是人脸识别 • TrueDepth相机技术及其配置的相应子系统，其中 包括红外传感器，照明器，点阵投影仪，距离传 感器和环境光线传感器等各种传感器设备。
物光
O（x,y）
参考光
全 息 干 板
R（x,y）
H
• 其中O0、φo 分别是物光波到达全息干板H上 的振幅和位相分布，R 0 、φr 分别是参考光 波的振幅和位相分布。干涉场光振幅应是 两者的相干叠加，H 上的总光场为 • U(x,y)=O(x,y)+R(x,y) （1.2） • 干板记录的是干涉场的光强分布，曝光光 强为 • I ( x , y ) = U ( x , y )· U*(x,y) =∣O∣2 +∣R∣2 + O· R* + O*· R （1.3)
• 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一微波全 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10 万倍，而盖伯等人在电子显 微镜中所用的电子波长又比光波短10万倍 。他们分别在相差1010倍波长的两个方向上 发展了全息照相术。
• 2．干涉法记录波前
• 基于前面的分析，利用感光材料来记录干涉 场的条纹，可以达到“冻结”物光波位相信 息的目的。具体方法是在物光波到达感光板 的同时，用另一束已知振幅及位相，并能与 物光相干的光波（称为参考光）同时照射感 光板曝光后，感光板上记录到的是两者相干 涉的条纹。由前面讲述的一一对应关系可知 ，物光波的振幅和位相信息便以干涉条纹的 形状、疏密和强度的形式“冻结”在感光的 全息干板上。这就是波前记录的过程。
• 3. 全息图可进行多重记录
– 对于一张全息相片，记录时的物光和参考光以及重现 时的重现光，三者应该是一一对应的。这里包含两层 意思：一是指记录时用什么物，则重现时也就得到它 的像；二是指重现光与原参考光应相同。如果重现光 与原参考有区别(例如波长、波面或入射角不同)，就得 不到与原物体完全相同的像。当入射角不同时，则像 的亮度和清晰度会大大降低，入射角改变稍大时，像 将完全消失。利用这一特点，就可在同一张全息底片 上对不同的物体记录多个全息图像，只须每记录一次 后改变一下参考光相对于全息底片的入射角即可。如 果使重现光与原参考光的波长不同，则重现像的尺寸 就会改变，得到放大或缩小的像；如果重现光波面形 状相对于原参考光发生了变化，则有可能获得畸变的 像，就像公园的哈哈镜里看到的像那样。