什么是全息术？全息术的不同类型有哪些？
发布时间：2023-02-10 11:02:13 阅读数： 427
全息术是一种用于生成物体的三维图像的技术。这些三维图像被称为全息图。这项技术是由丹尼斯-加博于1947年发明的。全息图是用三种不同类型的波创造的，如物体波、参考波、重建波和照相板。上述三种波都来自同一个相干光源。
物体波。来自相干光源的光波，照亮了物体。
参考波。在记录全息图的过程中，来自同一光源的光波落在摄影板上。
重建波。来自同一相干光源的光波，落在用于重建图像的照相板上。
摄影板。一个平面的金属或玻璃片，摄影图像记录在上面。
为了记录全息图，物体波在照相板上与参考波（平面波）发生干涉。在照相板上形成的这种干涉图案包含了关于物体波的振幅和相位的信息。为了看到图像，照相板被重建波照亮，这个过程被称为重建。红色激光器或He-Ne激光器通常被用来记录全息图。激光作为相干光源，可以提供稳定和良好的全息图像。
有两种类型的全息术。模拟全息术和数字全息术。
模拟全息术
以物理方式重建图像被称为模拟全息术。在模拟全息术中，全息图被记录在一块胶片或摄影板上。下面将解释记录和重建模拟全息图的方法。
在线和离轴全息术。
在最初阶段，Gabor的技术涉及到使一束相干光从一个物体上散开，然后让它与另一束无遮挡的相干光重叠，如图1所示。放在物体前面的照相板会因为两组波的结合而产生干涉条纹。这种干涉条纹图案被称为Gabor区板。
图1：Gabor的线内全息术
在这个过程中，平面相干波照亮了平板。全息图的各点都会产生衍射光。它创造了一个虚拟的图像，可以从全息图的右侧观看。这种全息技术被称为线内全息技术。但这种方法有一些局限性。形成双胞胎图像（真实和虚拟图像）造成了困难。这个问题由Leith和Upatneiks在1962年通过开发离轴全息图得到了解决。在离轴全息术中，在参考光和散射光之间引入了一个角度。这将真实的图像与虚拟的图像分开。图2描述了离轴全息术的记录和重建过程。
图2：离轴全息术中全息图的记录和重构
全息术的工作有两个阶段。记录和重构。
图3：全息图的记录
全息图的记录
图3描述了记录全息图的过程。单色相干激光束被一个分光器分成两部分。来自分光器的其中一束激光通过镜子的反射被送到照相板上，这束光被称为参考光。另一束光通过另一面镜子的反射打到物体上。这束光被称为物体光束。从物体散射出的光束也到达照相板。这种反射光携带着关于物体的信息。参考光束和物体光束都叠加在照相板上，形成一个干涉图案。这个干涉图案包含由两束光的建设性和破坏性干涉产生的多模式条纹。这个图案也包含关于物体的信息。
图像的重建
参考光束被用来重新照亮被显影的全息图。当全息图被这束光照亮时，物体的两个图像由全息图的衍射光产生。观察者会看到物体的一个不扭曲的三维视图，这是一个虚拟的图像，因为它需要一个镜头，也就是观察者的眼睛来形成。形成的第二个图像是由与虚拟图像不同方向的光线衍射形成的真实图像。这是被直接投射到屏幕上的，不需要镜头来形成。一些光束通过全息图以与参考或重建光束相同的方向传输，没有任何衍射，从而失去了。图4描述了全息术中的图像重建。
图4：图像的重建
全息图的类型
反射、透射、彩虹和混合全息图。
在反射全息图中，物体和参考光束从全息板的不同侧面入射到全息板上。被重建的物体从重建光束入射的一侧观看。由于它们能产生高质量的图像，所以它们非常昂贵。这些类型的全息图多见于画廊。它们是用激光创造的，但它们的结构使它们只能用白光看到。像阳光直射、聚光灯、手电筒等定向光源被用来观看，因为它们是最好的光源，可以提供明亮和清晰的图像。在反射全息图中，光源从正面照亮全息图，重建的图像 "反射 "到胶片的表面。
如果物体光束和参考光束从同一侧入射到全息板上，则被称为透射全息图。这种类型的全息图的重建只可能使用激光束或准单色源。它们是可以通过激光查看的全息图。用于创建原始记录的相同激光可用于查看传输全息图。在重建过程中，激光来自全息图的背面，穿过它，然后从正面观看图像。全息图上获得的干涉条纹的方向与全息图表面垂直。这些条纹在重建衍射图像方面很好，但在过滤不同波长方面很差，所以用白光重建这些全息图会造成色度的模糊。在反射全息图的情况下，记录的条纹方向与胶片的表面平行。因此，这些条纹看起来就像胶片上的多层，可以过滤掉不同的波长，而且只有图像所需的颜色被重放，这使得非折射的颜色可以不受干扰地通过胶片。因此，在重建这些全息图时要使用白光光源。如果大规模地生产，透射全息图的成本较低。透射全息图能产生一个清晰而深刻的虚拟图像。透射全息图比反射全息图有更高的景深。如果这种类型的全息图被分成几块，每块仍然能够再现整个全息图。
如果物体由白光而不是激光照射，生成的全息图被称为彩虹全息图。彩虹全息图是传输全息图的一种类型。斯蒂芬-本顿博士创造了这种类型的全息图，因此它们也被称为本顿全息图。当白光被用来照亮透射全息图时，由于它们具有广泛的光谱，它们会将所有的波长衍射到图像中。红色波长比蓝色波长衍射得更多，因为它们更长，因此颜色扩散，得到了彩虹般的图像。即使从上面或下面看，图像可能不会出现变化。这些类型的全息图通常用于安全目的。图5显示了透射和反射全息图中的条纹的产生。
图5：透射和反射全息图中的流苏产生的俯视图
透射和反射全息图的混合版本被称为混合全息图。混合全息图的例子有：浮雕全息图、整体全息图、全息干涉法、多通道全息图、计算机生成的全息图等等。浮雕全息图被大量生产，并被用于认证目的。它们产生透明类型的图像，而且非常复杂，难以重新制作。在信用卡、货币、护照和其他安全应用上看到的全息图是压印全息图。这些全息图上记录有凹槽，然后用镍填充，之后再剥离，使其上出现金属垫片。这种垫片在高温高压的环境下被放置在一个滚筒上，使垫片压印在滚筒上。整体全息图是由一系列的照片产生的。一个物体的不同视图被照相机记录下来，并显示在一个用激光束照亮的LCD上。这束光作为物体的光束，将全息图记录在一个狭窄的垂直条上。在以类似的方式记录所有的视图后，最后得到的全息图被观看，从而得到一个立体的图像。在全息干涉测量中，发生在物体上的变化被识别出来。在多通道全息图中，观看图像的差异被检测出来。通过改变观察光线的角度，可以观察到不同的图像。这些全息图被用于计算机内存应用。计算机生成的全息图是使用计算机软件进行分析和合成的全息图。这些全息图可用于创建全息光学元件。
振幅和相位全息图
全息图同时携带振幅和相位信息。根据衍射效率的不同，全息图可分为相位全息图和振幅全息图。全息光栅的效率被称为衍射效率。衍射效率较低的全息图被称为振幅全息图，衍射效率较高的全息图被称为相位全息图。如果全息图所衍射的光的振幅与记录的光的强度成正比，这就是振幅全息图。就像曝光强度在空间上的变化一样，振幅透射率也会发生变化。振幅透射率是指光束在通过光栅后保留的输入振幅的百分比。如果材料的厚度或折射率与全息干涉图案的强度成比例变化，就会产生一个相位全息图。在相位全息图中，振幅透射率的大小等于1，但相位是变化的。振幅全息图可以通过漂白转换为相位全息图。由于相位全息图比振幅全息图更有效，所以在实验中它更受青睐。
厚全息图和薄全息图
图6：a）薄全息图和b）厚全息图
如果记录介质的厚度大于干涉条纹的间距，产生的全息图被称为厚全息图。在厚全息图中，物体与参考波之间的角度将大于90º。厚全息图可以用白色光源来观察。从厚全息图中观察不到假象，相反，一个非常清晰的图像被重建，重建的基础是布拉格衍射。厚全息图也被称为体积全息图或布拉格全息图。厚全息图可以存储大量的图像。如果记录介质的厚度小于干涉条纹的间距，它就是一张薄全息图。由于没有布拉格衍射，薄全息图不可能再现真实的颜色。物体波和参考波之间的角度将小于90º。薄全息图是有色散的。因此，当白光被用来照亮它们时，会看到光谱的混合颜色。同样地，当它被汞灯照射时，在汞灯的不同颜色下会看到独立的图像。图6描述了薄全息图和厚全息图的图像。
数字全息术
由于激光照明的困难，光学全息图的记录只适用于中等大小的物体，对于遥远的物体是不可能的。这方面的一个选择可能是计算机生成的全息图（CGH）。因此，全息图也可以用数字方式记录，这被称为数字全息术。在数字全息术中，光敏材料被替换成电子装置，如电荷耦合装置（CCD）。CCD内的光学信号被数字化为二维数字信号，然后用数字图像处理来重建全息图。计算机被用来分析和合成相干的光波。计算机生成的全息图就是在这里合成的。首先用数学方法定义一个物体、一个源和一个参考波。然后计算机计算物体散射的波前的振幅和相位，同时计算由于物体和参考波的干涉而在全息板上产生的强度模式。因此，我们可以生成一个想象中的物体的全息图。
数字全息术的类型
有两种类型的数字全息术。菲涅尔全息术和傅里叶全息术。利用菲涅尔衍射理论对衍射光进行数值模拟产生的全息图被称为菲涅尔全息图，利用傅里叶变换（FT）产生的全息图则是傅里叶全息图。在参考点源的帮助下，傅里叶变换全息术（FTH）将物体信息记录为干涉模式中的傅里叶光谱。因此，从数字重建的FTH中，通过傅里叶变换操作可以得到整个物体的信息。
全息图平面上的物体波可以由菲涅尔或物体的傅里叶衍射来描述。如果生成的全息图平面是用菲涅尔衍射描述的，那么我们就有一个菲涅尔全息图。当光源与物体或物体与图像平面之间的距离是有限的或与物体的大小相当时，就会发生菲涅尔衍射，这导致了一种独特的衍射行为。当记录摄影板处于近场时，就会形成菲涅尔全息图。菲涅尔全息图系统将称为菲涅尔区板的球形环投射到图像的平面上。菲涅尔全息系统如图7所示。如下图所示，菲涅尔全息图的真实图像和虚拟图像都在两边。
图7：菲涅尔全息系统
如果全息图平面上的物体波需要对物体进行傅里叶变换，就可以得到傅里叶全息图。傅里叶变换是一种用于处理图像的工具，它将图像分离成正弦和余弦成分。输入的图像将是空间域的，而获得的输出图像是频率域的。图8所示的设置表明，物体被设置在镜头2的前焦平面，导致镜头2的后焦平面的光场的傅里叶变换。同时，通过透镜1在物体旁边的聚焦光点作为参考光，在全息膜上做出倾斜的平面波。
图8：傅里叶全息图的记录和重建几何学
图8所示的重建几何学表明，放置在镜头前焦平面的全息图是由法入射和单位振幅的平面波照射的。
其他类型的全息图
全息图可以根据其光学几何形状和记录介质来分类。其中一些全息图是Denisyuk反射全息图、伪彩色反射全息图、激光可视透射全息图、脉冲激光全息图、模版和复式全息图以及点阵全息图
如果有一个以上的相干源，反射全息图可以用彩色观看，这种类型的全息图被称为denisyuk全息图。通常情况下，红、绿、蓝三色激光被结合在一起，以获得真正的彩色反射全息图。在这种全息图中，激光束穿过摄影胶片，然后从物体上反射。在伪彩色反射全息图中，通过控制乳剂厚度，可以控制反射全息图的最终图像颜色。一个单一的白光源可以用来重建所有的颜色成分。氦氖激光器的红线主要用于创建伪彩色反射全息图，然后用白光进行重建。在激光透视全息图中，图像被记录在胶片后面，当用激光源照射时，可以得到一个非常深的、清晰的图像。使用激光可视透射全息图可以实现光场的完美重建。
通过使用脉冲激光全息技术暂停受试者的运动，可以产生活体的全息图。这是在产生超短脉冲的脉冲激光的帮助下完成的，与连续激光相比，它们需要的曝光时间更短。在一个全息表面上记录多个全息图被称为多路复用。短暂的动画图像可以用照相的方法记录。这是通过在全息图上用图像幻灯片和模板进行手工动画的过程完成的。这种类型的全息术被称为模版和复用全息术。点阵式全息图是由微小的点或衍射像素组成。具有特定几何形状的物体会以某些角度衍射光线，并以特定的几何形状记录下来。照射在这些全息图上的光线会呈现出不同的色谱，得到的图像也非常明亮。但这些全息图并不包含三维深度信息。
应用
全息数据存储。大量的数据可以存储在一个小空间里。通过改变参考波的入射角度，不同的物体波可以记录在同一全息图上。
全息技术在医学领域的应用。利用全息技术可以看到内部器官和身体部位的三维图像。这有助于医生进行准确的诊断。
全息干涉仪。全息技术被用来追踪物体的变化。由于压力条件或温度变化等引起的身体变形可以用这种技术进行精确分析。从物体的全息图中重建的波将创造出该物体在记录全息图的那一瞬间的真实副本。因此，如果我们将这个波与另一个在不同时间重建的波进行比较，就可以发现物体在这个时间间隔内发生的任何变化。
