第三、四讲-激光全息摄影的发明及原理课件.ppt

1、第三讲第三讲 激光全息摄影的发明激光全息摄影的发明The invention of laser holography 什么叫全息什么叫全息 “全息全息”一词源于希腊词一词源于希腊词hobos和和grammar，在英文中用在英文中用Holography表示，表示，“Holo”即即“完全完全”的意思，我国译为的意思，我国译为“全息全息”，意思是意思是“全部信全部信息息”。一、引言一、引言全息技术参与美国大选全息技术参与美国大选 在在2008年美国总统大选的新闻报道现场，年美国总统大选的新闻报道现场，美国有线电视新闻网美国有线电视新闻网(CNN，其总部在美，其总部在美国的佐治亚洲国的佐治亚洲)运用全

2、息投影技术，将身运用全息投影技术，将身处异地的处异地的CNN女主持女主持Jessica Yellin的的“全息影像全息影像”出现在直播间里，与著名出现在直播间里，与著名主持人主持人Wolf Blitzer面对面交谈，而实际面对面交谈，而实际上她本人远在芝加哥，令人称奇。上她本人远在芝加哥，令人称奇。在这一技术中，总共动用了在这一技术中，总共动用了35部高清摄部高清摄像机，像好莱坞大片一样从各不同角度像机，像好莱坞大片一样从各不同角度对主持人进行拍摄，图像素材进而被输对主持人进行拍摄，图像素材进而被输送到送到20台电脑中进行处理合成，形成的台电脑中进行处理合成，形成的影像通过影像通过37英寸等离

3、子电视预览后即传英寸等离子电视预览后即传输到演播现场，由高清投影机实现人像输到演播现场，由高清投影机实现人像再现过程。再现过程。广州海心沙的全息影像广州海心沙的全息影像 “八角楼灯光八角楼灯光”复原了等大的八角楼，复原了等大的八角楼，用真人比例的全息成像动态演示毛泽东、用真人比例的全息成像动态演示毛泽东、贺子珍在八角楼生活工作的情景。窗口贺子珍在八角楼生活工作的情景。窗口上方设置游走字幕屏，人物对话会一一上方设置游走字幕屏，人物对话会一一出现在上面。全息投影中的人物景像栩出现在上面。全息投影中的人物景像栩栩如生。栩如生。井冈山革命博物馆用全息井冈山革命博物馆用全息技术展览展示技术展览展示英女王

4、的全息照片英女王的全息照片 2010年年6月月5日，日，Google为了纪念全息摄为了纪念全息摄影术的发明者丹尼斯影术的发明者丹尼斯伽博诞生伽博诞生110周年周年制作了新的制作了新的LOGO-全息水晶棺。全息水晶棺。二、全息摄影术的发展史二、全息摄影术的发展史Thomas Young-Grandfather of holography Dennis Gabor-Father of Holography 丹尼斯丹尼斯伽博伽博（Dennis Gabor，1900年年1979年年）英国匈牙利裔）英国匈牙利裔物理学家，物理学家，1971年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖获得者，全息摄影技术的发获得者，全息摄

5、影技术的发明者明者 Article Nature 161,777-778(15 May 1948)|doi:10.1038/161777a0;A New Microscopic Principle D.GABOR 1948年年D.GABOR 在在Nature杂志上发表的文章杂志上发表的文章:Gabor的原始成果的原始成果 By Dr.D.Gabor 丹尼斯丹尼斯伽博（伽博（Dennis Gabor，1900年年6月月5日日1979年年2月月9日），匈牙利裔著名日），匈牙利裔著名物理学家、电气工程师和发明家。因为物理学家、电气工程师和发明家。因为发明和发展了全息摄影术而获得发明和发展了全息摄影术

6、而获得1971年年诺贝尔物理学奖。这是除诺贝尔物理学奖。这是除100多项发明专多项发明专利权之外，加博尔所获得的最高荣誉。利权之外，加博尔所获得的最高荣誉。60年代激光的问世，为全息术提年代激光的问世，为全息术提供了理想的相干光源。供了理想的相干光源。1962年在美国密歇根大学环境年在美国密歇根大学环境研究院从事雷达工作的研究院从事雷达工作的利思利思和和乌巴乌巴特尼克斯特尼克斯两个人提出采用倾斜参考两个人提出采用倾斜参考光束形成一个均匀的相干底衬即所光束形成一个均匀的相干底衬即所谓离轴全息照相法谓离轴全息照相法,从而克服了共轴从而克服了共轴全息图的本质缺点。他们于全息图的本质缺点。他们于 19

7、63年，年，首先做出了第一张成功的全息照相。首先做出了第一张成功的全息照相。1964年年,利斯利斯(Leith)和乌帕特尼克斯和乌帕特尼克斯 (Upatnieks)制作了第一幅真实三维物体制作了第一幅真实三维物体的透射激光再现全息图的透射激光再现全息图,再现图像十分清再现图像十分清晰。晰。Train and birds,10*13 cm利斯利斯(Leith)和和乌乌帕特尼克斯帕特尼克斯 (Upatnieks)制制作作19621962年，前苏联科学家丹尼苏克首年，前苏联科学家丹尼苏克首次拍摄出了反射式全息图。次拍摄出了反射式全息图。丹尼苏克丹尼苏克Yuri Denisyuk-Pioneer of

8、 modern holography 1969年年Benton 在全息图的碎片能再现物在全息图的碎片能再现物体完整像的启发下体完整像的启发下,提出了彩虹全息术提出了彩虹全息术,首首次利用二步法制成了彩虹全息图次利用二步法制成了彩虹全息图 1978年美籍华人陈选和杨振寰提出了一年美籍华人陈选和杨振寰提出了一步彩虹全息步彩虹全息 1977年年CrosS复合全息图复合全息图(即多重全息图即多重全息图)制成制成 Stephen Benton This 1968 white light transmission hologram by Stephen Benton 1980年，美国科学家利用压印全息技术

9、，年，美国科学家利用压印全息技术，将全息表面结构转移到聚酯薄膜上，从将全息表面结构转移到聚酯薄膜上，从而成功地印制出世界上第一张模压全息而成功地印制出世界上第一张模压全息图片。图片。1981年日本举办了首届模压全息图展览年日本举办了首届模压全息图展览,目前国外许多公司都在作为商品组织大目前国外许多公司都在作为商品组织大规模生产。规模生产。1981年，日本首次在年，日本首次在计测与控制计测与控制杂杂志上采用了全息图。志上采用了全息图。1984年美国年美国国家地理国家地理杂志也采用了杂志也采用了带有飞鹰立体图像的全息图作为封面带有飞鹰立体图像的全息图作为封面,映映像十分逼真像十分逼真,发行量创历史

10、最高记录发行量创历史最高记录,高达高达1000万册万册,风靡美国。风靡美国。1986年中国第一家激光全息产业青岛倚年中国第一家激光全息产业青岛倚美图象公司（得到了北京邮电大学的支美图象公司（得到了北京邮电大学的支持）建立，主要产品是模压全息图持）建立，主要产品是模压全息图.1992年，中国出刊的年，中国出刊的应用激光应用激光杂志杂志封面，也采用了真彩模压全息图。封面，也采用了真彩模压全息图。早在早在1992年年,英国就成立了英国就成立了“国际全息制国际全息制造商协会造商协会”同时建立了全息图注册制度。同时建立了全息图注册制度。目前全息投影的表现形式主要有两种：目前全息投影的表现形式主要有两种：

11、立体全息投影和单面全息投影。其中，立体全息投影和单面全息投影。其中，360度全息投影可用于产品或珍贵物品度全息投影可用于产品或珍贵物品的展示；的展示；180度全息投影可用于度全息投影可用于1：1动动态展示。态展示。根特（根特（Yves GENTET）是一名激光专家，）是一名激光专家，居住在法国波尔多城郊的小镇，在居住在法国波尔多城郊的小镇，在1994年发明了世界上第一台便携全息俏像摄年发明了世界上第一台便携全息俏像摄像机。随后几年他与他的兄弟一起发明像机。随后几年他与他的兄弟一起发明了名为了名为“终极终极”的感光乳胶，获国际全的感光乳胶，获国际全息图制造者联合会颁发的息图制造者联合会颁发的“本

12、年度最佳本年度最佳全息摄影作品全息摄影作品”和和“最新全息摄影技术最新全息摄影技术”奖奖Yves GENTET and his holographic self portrait illuminated by laser lightColor reproduction of the final diffuse object hologram compared with the real object under the same reconstruction/illumination source 19951995年年7 7月月1 1日起用新工艺制作的身份证日起用新工艺制作的身份证,采用了透视

13、全息图像采用了透视全息图像第二代身第二代身份证上的份证上的防伪标识防伪标识 19991999年美国年美国ZEBRA IMAGINGZEBRA IMAGING公司推出了、公司推出了、真彩色数字化大面积大视场大景深光聚真彩色数字化大面积大视场大景深光聚合物反射全息图，推动了三维显示全息合物反射全息图，推动了三维显示全息图的进一步发展和市场化。图的进一步发展和市场化。ZEBRAZEBRA全息图全息图将全息技术和计算机技术结合起来，形将全息技术和计算机技术结合起来，形成新的数字化自动化象素全息图技术，成新的数字化自动化象素全息图技术，一张全息图再现像一张全息图再现像视角超过视角超过1000，景深，景深

14、6英尺英尺 全息图颜色鲜艳逼真不变，水平和全息图颜色鲜艳逼真不变，水平和垂直动态视场分别可达垂直动态视场分别可达100度，全息度，全息图面积可以任意大，使全息三维显图面积可以任意大，使全息三维显示技术在空间显示，广告宣传，文示技术在空间显示，广告宣传，文物，人像，标本，模型，实物图象，物，人像，标本，模型，实物图象，抽象图象，工业数据，工业设计等抽象图象，工业数据，工业设计等等方面的三维逼真空间显示前进了等方面的三维逼真空间显示前进了一大步，显示了全息图应用光辉灿一大步，显示了全息图应用光辉灿烂的前景烂的前景.2005年，诺基亚手机的原装电池上附有一年，诺基亚手机的原装电池上附有一张防伪全息图

15、和一个可以在网上或短信查张防伪全息图和一个可以在网上或短信查询的询的20位隐形识别码位隐形识别码全息摄影发展的四个阶段全息摄影发展的四个阶段 第一代全息图：全息术的起萌阶段，汞灯拍摄第一代全息图：全息术的起萌阶段，汞灯拍摄汞灯再现汞灯再现-丹尼斯。伽博丹尼斯。伽博 第二代全息图：激光拍摄激光再现第二代全息图：激光拍摄激光再现-利思利思和和乌巴特尼克斯乌巴特尼克斯 第三代全息图：激光拍摄白光再现第三代全息图：激光拍摄白光再现-本顿，丹本顿，丹尼苏克尼苏克 第四代全息图：计算机制作全息图，白光再现第四代全息图：计算机制作全息图，白光再现-数字全息图，数字全息图，美国美国ZEBRA IMAGINGZ

16、EBRA IMAGING公司公司思考题思考题1、激光全息术是哪一年发明的？发明人是谁？、激光全息术是哪一年发明的？发明人是谁？他于哪一年获得了诺贝尔物理学奖？他于哪一年获得了诺贝尔物理学奖？2、是谁在哪一年发明了反射全息术？、是谁在哪一年发明了反射全息术？3、彩虹全息术是哪位科学家在哪一年发明的？、彩虹全息术是哪位科学家在哪一年发明的？有何重要意义？有何重要意义？第四讲第四讲 激光全息摄影原理激光全息摄影原理The Principle of Laser Holography 怎样把镜子里看到的像固定下来呢？怎样把镜子里看到的像固定下来呢？全息照相全息照相无透镜两步成像无透镜两步成像第一步第一步

17、 干涉术干涉术物光波前的物光波前的全息记录全息记录 第二步第二步 衍射术衍射术物光波前再现物光波前再现 显示显示 真三维图像真三维图像被摄物被摄物照相机照相机照片照片 普通照相只记录物光的振普通照相只记录物光的振幅信息，因此，所成的是物体幅信息，因此，所成的是物体的平面图象。的平面图象。激光全息图的记录原理激光全息图的记录原理 将同一个激光器发出的激光用分光器分将同一个激光器发出的激光用分光器分为两束，一束照射被摄物体，一束直接为两束，一束照射被摄物体，一束直接照射全息干板（参考光），由物体反射照射全息干板（参考光），由物体反射的光（物光）与参考光在空间相遇形成的光（物光）与参考光在空间相遇形

18、成干涉条纹，全息干板将干涉条纹记录下干涉条纹，全息干板将干涉条纹记录下来，这些条纹里包含了来自物体的全部来，这些条纹里包含了来自物体的全部信息（强度信息和位相位相信息）。信息（强度信息和位相位相信息）。分光镜分光镜全反镜全反镜He-NeHe-Ne激光器激光器全反镜全反镜扩束镜扩束镜扩束镜扩束镜物物 体体全息干板全息干板参考光参考光物光物光激光全息图的再现原理激光全息图的再现原理 将记录有物体全部信息的全息干板将记录有物体全部信息的全息干板进行暗室处理后，再用一束激光束进行暗室处理后，再用一束激光束照射，激光经过干板上干涉条纹的照射，激光经过干板上干涉条纹的衍射，人眼通过干板可以看到一个衍射，人

19、眼通过干板可以看到一个与原物体形状一样的像（虚像），与原物体形状一样的像（虚像），同时在以干板为对称的地方还有一同时在以干板为对称的地方还有一个与原物体完全相同的像（实像）个与原物体完全相同的像（实像）扩束镜扩束镜全息干板全息干板实实 像像虚虚 象象观察者观察者二、实验仪器二、实验仪器 He-NeHe-Ne激光器激光器 全息台全息台 曝光定时器曝光定时器 全息干板全息干板 暗室设备暗室设备激光器激光器全息台全息台 暗室处理设备暗室处理设备被拍摄物体被拍摄物体三、实验步骤三、实验步骤1 在全息台上调整光路在全息台上调整光路2 测量光强比测量光强比3 拍摄全息图拍摄全息图4 将干板进行暗室处理并凉

20、干将干板进行暗室处理并凉干5 在激光下观察再现像在激光下观察再现像1、全息记录、全息记录（1）将个光学元件调至等高）将个光学元件调至等高He-NeHe-Ne激光器激光器分光镜分光镜全反镜全反镜全反镜全反镜扩束镜扩束镜扩束镜扩束镜物物 体体全息干板全息干板（2）调整光路）调整光路He-NeHe-Ne激光器激光器分光镜分光镜全反镜全反镜全反镜全反镜扩束镜扩束镜扩束镜扩束镜物物 体体全息干板全息干板参考光参考光物光物光光程差光程差=物光程物光程参考光程参考光程移动全反镜移动全反镜（3）使物光和参考光的光程大致相等）使物光和参考光的光程大致相等（4 4）调节物体位置，使物光和参考光的夹）调节物体位置，

21、使物光和参考光的夹角小于等于角小于等于3030度。度。移动物体移动物体=30o（5）调节参考光与物光在全息干）调节参考光与物光在全息干版上照度比为版上照度比为3:17:1。2、曝光、曝光（1 1）遮光）遮光（2 2）在盒中取出全息干（注意不要曝光）在盒中取出全息干（注意不要曝光）（3）取下白屏换上全息干版，注意正面（有）取下白屏换上全息干版，注意正面（有药的一面）对着光。药的一面）对着光。（4 4）安静等待）安静等待1 1到到2 2分钟，等到整个系统稳定后，打分钟，等到整个系统稳定后，打开激光开关进行曝光，开激光开关进行曝光，曝光时间为曝光时间为8到到10秒秒。3、全息干版的冲洗、全息干版的冲

22、洗 在照相暗室中，可在暗绿灯下操在照相暗室中，可在暗绿灯下操作，整个过程不能用手触摸全息干版作，整个过程不能用手触摸全息干版的表面。的表面。D19D19显影液显影液2 2到到3 3分钟分钟清清 水水半分钟半分钟定影液定影液4-54-5分钟分钟最后在清水中冲洗干净，凉干后再将干版放回光路最后在清水中冲洗干净，凉干后再将干版放回光路中观察。中观察。干板上记录的是干涉条纹，干板上记录的是干涉条纹，而不是物体的像。因此，全息图而不是物体的像。因此，全息图在普通光源下看到的外观仅为干在普通光源下看到的外观仅为干涉条纹。涉条纹。全息照片外观全息照片外观4 4 物像的再现与观察物像的再现与观察（1 1）再现

23、虚象的观察）再现虚象的观察扩束镜扩束镜全息干板全息干板实实 像像虚虚 象象观察者观察者再现光路图再现光路图再现虚象再现虚象细激光束细激光束全息干板全息干板观察屏观察屏实象实象（3 3）用人眼观察虚像，改变眼睛的位置做同样观察，）用人眼观察虚像，改变眼睛的位置做同样观察，可观察到再现像的不同部位。可观察到再现像的不同部位。（2 2）观察的实象情况）观察的实象情况全息图再现像全息图再现像 1、全息照片再现像是真实物体的三维立体、全息照片再现像是真实物体的三维立体图象，并且可同时再现一虚一实两个相。图象，并且可同时再现一虚一实两个相。2 2、全息照片具有可分割特性，、全息照片具有可分割特性，如果全如

24、果全息照片打碎了，它的每一块碎片都可以再现息照片打碎了，它的每一块碎片都可以再现原物体的像，即可以一斑而知全豹原物体的像，即可以一斑而知全豹。如：一朵玫瑰的全息相片被割成两半，用如：一朵玫瑰的全息相片被割成两半，用激光照射，会发现每一半都有整个玫瑰的影像，激光照射，会发现每一半都有整个玫瑰的影像，即使再分下去，每一小块底片中都会包含着一即使再分下去，每一小块底片中都会包含着一个完整的原来玫瑰的影像。个完整的原来玫瑰的影像。3、全息照片再现物像的亮度、大小均、全息照片再现物像的亮度、大小均可调。可调。4 4、同一张全息感光板可进行多次重复曝光、同一张全息感光板可进行多次重复曝光记录。记录。要注意

25、安全，要注意安全，防止视网膜损伤。防止视网膜损伤。不要用手触摸实验仪器的光学元件的镜面。不要用手触摸实验仪器的光学元件的镜面。在拍摄全息照片时，要保持室内安静，不在拍摄全息照片时，要保持室内安静，不要触及防震平台。要触及防震平台。曝光前稳定一段时间。曝光前稳定一段时间。拿破仑半身铜像全息图拿破仑半身铜像全息图从平面照片的正前方看是正面像从平面照片的正前方看是正面像激光全息摄影的神奇激光全息摄影的神奇从左边可看见左面的脸从左边可看见左面的脸从右边可看见右面的脸从右边可看见右面的脸全息图的神奇全息图的神奇一只青蛙的三个一只青蛙的三个角度角度 看得见全摸不到的香蕉看得见全摸不到的香蕉悬浮于空中的草莓

26、全息像悬浮于空中的草莓全息像悬浮于空中的汽车全息图像悬浮于空中的汽车全息图像思考题思考题1、全息照相的原理是什么？用什么方式看、全息照相的原理是什么？用什么方式看全息图的再现像？全息图的再现像？2、激光全息图有哪些主要特点？、激光全息图有哪些主要特点？3、全息照相与普通照相有什么不同？、全息照相与普通照相有什么不同？全全 息息 图图 片片全息图全息图美人鱼美人鱼小鸡破壳而出全息图小鸡破壳而出全息图玻璃杯全息图玻璃杯全息图狗狗 1988年年10月月18日奥地利发行了世界上第日奥地利发行了世界上第一张全息图邮票。长方形的全息图镶在一张全息图邮票。长方形的全息图镶在蓝色的背景图中。邮票面值为蓝色的背

27、景图中。邮票面值为8先令。全先令。全息图中有一个奥地利出口产品商标的平息图中有一个奥地利出口产品商标的平面图形和正方体的立体图象，文字是面图形和正方体的立体图象，文字是“奥地利奥地利”和和“奥地利制造奥地利制造”。世界上第一张全息邮票世界上第一张全息邮票多路合成角度全息用于艺术品展示多路合成角度全息用于艺术品展示 全息圣母子像全息圣母子像天使与和尚天使与和尚 激光显示全息图是一种高科技工艺品激光显示全息图是一种高科技工艺品,它它将激光三维造型艺术与现代艺术造型有将激光三维造型艺术与现代艺术造型有机结合机结合,在平面感光材料上在平面感光材料上,记录物体光的记录物体光的强度与相位强度与相位(各部分的相对位置各部分的相对位置)展示三维展示三维立体图像立体图像,色彩绚丽色彩绚丽,立体感强立体感强,具有强列的具有强列的艺术魅力艺术魅力,是现代艺术与高科技的结晶是现代艺术与高科技的结晶.激光全息图展示龙激光全息图展示龙 龙虾的龙虾的全息图全息图