2 2
物光波在底片造成的强度分布是不均匀的，但实验上一般都让
它比参考光弱得多。前两项基本上是常数，作为偏置项. 第三项是干涉项，包含有物光波的振幅和相位。参考光波的作 用正好完成使物光波波前的相位分布转换成干涉条纹的强度分 布的任务。
2.干涉图记录到记录介质上形成全息图
全息记录介质有多种。常用的是涂有卤化银乳胶的银盐感光板（或胶片）。 经适当显、定影等处理后，就得到全息图。
这个波前记录和再现的过程就是全息术，或全息照相。
全息照相仿真实验CAI
5.1 光学全息概述
全息照相术是英籍匈牙利科学家丹尼斯.加伯(Dennis Gabor)

于1948年 发明的，从而开辟了光学中的一个崭新领域，他因
此获得了1971年诺贝尔物理学奖。 1948年到50年代末期，全息照相都是采用汞灯作为光源，
由于参考波通常采用球面波和平面波，所以R2近似为常数，于是U1中两项 系数的作用仅仅改变照明光波C的振幅，并不改变照明光波的特性。
2
2
( 2)
U2 O C
2
U2的系数中包含有上式
O
2
是物光波单独存在时在底片造成的强度分布，它是不均匀的。 因此， U2 代表振幅受到调制的照明波前，这实际上是照明波经历 |O|2 （x,y)分布的一张底片的衍射, 使照明波多少有些离散而出现杂光，是一 种噪声信息。这是一个麻烦问题，但实验上可想些办法，如使适当调整 照明度，使|O|2与 |R|2相比而成为次要因素。 总而言之，U1和U2基本上保留了照明光波的特性，这一项称为全息图衍 射场中的0级波。
参考波
R
记录介质上的的总光强为
I ( x, y ) O( x, y ) R( x, y )
2 2
2
O
记录介质
物波
O( x , y ) R( x , y ) R( x , y )O ( x , y ) R ( x , y )O( x , y )
O( x, y ) R( x, y ) 2r ( x, y )O0 ( x, y ) cos ( x, y ) ( x, y )
激光高度相干性，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 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
者而言，该实像的凹凸与原物体正好相反，因而给人以
某种特殊的感觉，这种像称为赝像。
如果照明光波恰好是参考光波的共轭波 R ( x , y ) 则再现波场的第三项和第四项为
U3 ( x, y) R RO
U4 ( x, y) RCO r 2O
这时U4再现了物光波前的共轭波，给出原始物体的一个实像。 U3 再现的是物光波前，所以给出原始物体的一个虚像，但由于 R R 的调制，虚像会产生变形。 受
2 2
对两个波前的干涉图样曝光后，经显影、定影处理后得到全息
图。因此，全息图实际上就是一幅干涉图。
参考波
R
O
记录介质
物波
I ( x, y ) O( x, y ) R( x, y ) 2r ( x, y )O0 ( x, y ) cos ( x, y) ( x, y)
2 2
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。
全息术不仅可以用于光波波段，也可用于电子波，X射线、 声波和微波波段。
5.2 波前记录与再现
上式中前两项是物光和参考光的强度分布，其中参考光波一般选 取用比较简单的平面波或球面波，因而
R( x, y )
2
是常数
O( x, y ) 是物光波在底片造成的强度分布。
2
I ( x, y ) O( x, y ) R( x, y ) 2r ( x, y )O0 ( x, y ) cos ( x, y) ( x, y)
光波传递信息，构成物体的像这一过程被分为两步：波前
记录与波前再现，这正是全息术的基本思想。
5.2.1 波前记录
1、用干涉方法 记录物光波前 所有记录介质都只对强度有响应，属能量探测器，不能
记录波前携带的相位信息，因此，必须设法把相位信息转
化为强度的变化才能记录下来。干涉法是将空间相位调制 转换为空间强度调制的标准方法。
t ( x, y ) t 0 ( R O RO RO ) t b ( O RO RO )
式中 tb t 0 R
2 2
2
2
表示均匀偏置透过率。如果全息图的记录
末能满足上面指出的线性记录条件，将影响再现光波的质量。
5.2.2 波前再现
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相互分离的衍射分量，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。
第二代全息图的出现, 使全息术在沉睡了十几年之后得到新生，
进入了快速发展年代，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了广 泛的应用。由此可见，高相干度的激光的出现是全息术发展的 巨大动力。 由于激光器再现的全息图丢失了色调信息，人们开始致力研
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，如反射全息、像全息、彩虹全息及模压全息等，在一 定条件赋予全息图像以鲜艳的色彩。
体光波是发散的，所以观察到的物体的虚像。这一项称
为全息图衍射场中的+1级波。
(4)
U4 ( x, y) RCO R2O
当照明光波是与参考光波完全相同时（C=R）
R 2 中的相位因子一般无法消除。
当原始物波发散时，共轭光波则是会聚的，所以U4
给出一个实像。但由于R2的调制，实像会有变形。
而且是所谓的同轴全息图，它的1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，一个是再现原始像和共轭像分不开，另一个是光 源的相干性太差。
1960 激光的出现，提供了一种高相干性光源。 1962年美 国科学家利思 (Leith) 和乌帕尼克斯 (Upatnieks) 将通信理论中
3、记录过程的线性条件
假定全息干板的作用相当于一个线性 变换器，它把曝光期间内入射光强线性地 变换为显影后负片的振幅透过率，为此必 须将曝光量变化范围控制在全息干板t-E曲 线的线性段内。如图所示，此外，我们还 必须假定全息干板具有足够高的分辨率， 以便能记录全部入射的空间结构，这样全 息图的振幅透过率可记为:
全息干板（胶片）
结构
感光过程:光化学过程
银盐乳胶吸收光子生成不可见的潜像，显影处理后得 可见的像，定影后成永久的像。 潜像形成过程：银盐乳胶吸收光子后，分解成一些金 属银小斑点（显影中心），在显影过程中，这些细小的 显影中心使整个卤化银晶粒变成金属银沉淀下来，没有 曝光或曝光不足的晶粒保持不变，定影出去未曝光的卤 化银，而留下金属银。
参考波
R
O
记录介质
物波 上图为波前记录的示意图,设传播到记录介质上的物光波前复振幅（对于理 想单色光，其空间的复振幅分布是不随时间变化的）为
j ( x, y) O( x, y) Oo ( x, y) exp
传播到记录介质上的参考光波前复振幅
j ( x, y) R( x, y ) r ( x, y ) e xp
息。胶片经线性处理后 ，波前再现时又使全息图上的强度调制信息还原为
波前的振幅和相位调制信息。这是衍射效应结果。用通信术语，波前记录 和再现也是“编码”和“解码”的过程。
全息术基于光的干涉和衍射，所以系统应满足一定的相干条 件。 （1）激光输出波长应稳定。 （2）曝光期间装置稳定（光程差变化不大于0.1波长）。 （3）两束光的最大光程差应比光的相干长度小得多,以便记
( 3)
U3 ( x, y) RCO
当照明光波是与参考光波完全相同的平面波或球面波时 （C=R），透射光波中的第三项为
U 3 ( x, y) r 2O
因为r2是均匀的参考光强度，所以除了相差一个常数因
子外，U3是原来物光波波前的准确再现，它与在波前记
录时原始物体发出的光波作用完全相同。当这一光波传 播到观察者眼睛里时，可以看到原物的像。由于原始物
录下对比度好的干涉条纹。再现时衍射光波产生的像可看作
子波相干叠加的结果，所以通常照明全息的光波也应是空间 相干的。
例题：设一列单色平面波的传播方向平行于xz平面并与z轴成角，如图（a)
所示 （1）写出原始光波和共轭光波的表达式； （2）写出原始光波和共轭光波在z=0的平面上的表达式，再讨论它们的传 播方向。
0 .0
E
1 .0
t
振幅透过率
直线
0 .5
曝光量
负片的t-E曲线
t ( x, y) t0 E t0 I ( x, y) t0 I ( x, y)
是曝光时间。 式中 t 0 和 均是常数。
对于负片和正片， 分别是负值和正值。 假定参考光的强度在整个记录表面是均匀的，则
物体通过成像系统所成的像中包含着物体的信息，对这一
点不会有人提出异议。事实上这种信息存在于物像之间光波