重庆大学
硕士学位论文
彩色全息图的研究姓名：李劲松
申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：王丁
20020401
重庆大学硕士论文中文摘要
摘要
本文通过对彩色全息图的彩色特性、记录时三狭缝位置及白光再现时各彩色
成份像的亮度的理论探讨，提出了自光编码法和数射参光法两种创作真彩色全息
图的方法。分析了复制全息图中出现黑色粗干涉条纹的原因并提出了消除方法。
对影响全息图像质的诸多因素进行了分析讨论，提出了相应的解决办法。
本文提出的白光编码法的最主要的特点是把记录菲涅尔全息术分区记录三
基色信息改成了白光记录，用白光和三张特制的编码片在同～全息干板上编码记
录下彩色全息像三基色信息，然后用单色激光再现出这些信息并记录成一张彩色
全息图。由于采用编码片把图像信息叠加在全息再现的漫射光波前上用白光记
录，因此极大地减少激光的相干噪声和散斑效应对全息像的明暗灰度特征和细微
结构的影响：消除了狭缝衍射产生的激光斑纹的影响。使彩色全息像能够保留下
细微结构和亮度层次的变化，与菲涅尔分区记录相比，明显地提高了彩色再现像
的清晰度。本方法对激光光能的利用率明显高于其它方法，这很适应于在光刻胶上制作模压彩色全息图。本方法使用的编码片可作为一组全息光学元件多次使用，这使得彩色全息图的记录得到了简化，而且只要根据计算好的光路参数准确设置光路就能使彩色图像的三原色像准确重合，由此可见，本方法在实际操作上较其它方法更容易实现。
本文提出的散射参考光法的特点是：采用平面物光和散射参考光，使通过
景物透明片的物光不再是散射光，并且物光也不受狭缝的限制，从而消除了一般
方法中的散射物和狭缝对像的影响，在全息干板上将记录下一个十分清晰的景物
像，然后由三个清晰的彩虹像最后合成一个清晰的真彩色像。此方法消除了产生
景物图象全息记录的敲斑噪声的影响，解决了全息记录中相干光产生的相干噪声
和全息显示中的光的衍射成像引起的色串扰，清除了产生信噪比低的障碍，从而
可以获得高质量的彩色全息图。此方法充分利用了激光能量，是制作大尺寸彩色
全息像的一种简单有效的好方法，并在彩色体视全息术，纵向彩色编码全息术方
面可以获得良好应用前景。
关键词：彩虹全息，彩色全息，白光编码，散射参考光
重庆大学硕士论文
英文摘要
Abstract
The orinciple and methods of making a
hologrmn
are
described 。Two
method of
making true color
hologram are proposed which improve
the quality of color
hologram Drominently ．They are named ‘'method of encoding with white light ’’and‘'method of
scattering reference
light ’’respectively ．The dark interfere
fringes appearing on a copying
hologram with white light is discussed and the method for eliminating the dark interfere fringes
is given ．A good many factors influence on
the
quality
of color
hologram are also discussed and
methods against
them are described ．
The method of encoding with white light uses three pieces
of
coding holographic
plates ，which
are
made with single-wavelength laser ．The separating red ，green
and
blue
color
information from a
pigee ofcolor negative film ale
recorded respectively on
three
black and white film with white-light source ．The separating red ，green and blue color
inforrnation is then encoded on
a
piece
of
holographic plate by
the
coding holographic plates
with white light SOUrCe ．Then reconstruct and record the tricolor information on
another holographic plate by rainbow holography ．The distinct merit of this method is
eliminating the influence of laser spots and easy to
achieve low noise ，high resolution ，
accurate true color
hologram 。
Method
of
scattering
reference
light
is
adopting plane object
beam
and
scattering
reference beam to make color hologram ．So it eliminates the influence oflaser spots and
color disturbance of slit
diffraction ．The hologram made with this method is clearer than
the ordinary method of making with scaring objective light ．It also has the merit of full
use
of recording laser power and suitable to
record
large size color hologram ．It has a
good
application prospect in stereoscopic color holography and vertical encoding color
holography ．
Keywords ：color hologram ，rainbow holography,encoding
with white
light ，scattering
reference
light
1绪论
1948年，D．Gabor发明了全息照相术的原理。由于全息照相需要相干性很好
的光源，而当时没有足够强的相干辐射源，使全息术的早期研究者不得不放弃这
种光学显示术，故激光器出现之前，全息术进展一直缓慢。到1960年，休斯研究
所的Maiman研制成功激光器，1961年贝尔实验室的Leith和Upatnieks发表了
激光器作为光源的激光全息照相术，从而使全患照相术重放光彩。从此全息术迅
猛发展，许多科学工作者开始了它们自己的研究以探讨全息术的应用潜力及应用领域，如：全息干涉计量术，全息信息处理，全息光学元件，全息显示技术，全息存储，光纤全息，计算全息等等。全息显示作为全息技术应用的一个重要方面，经历了二个发展时期，第一个时期，只能在单色光下再现的全息图。第二个时期，是可在白光下再现的全息图，它主要包括两大类型，第一类是1962年由前苏联人 Y．N．Denisyuk发明的白光反射全息图，这种全息图由于它的层状结构，不能形成浮雕蘩纹，难以快速复制，故目前主要用于装饰品。另～类全息图是1969 年由美国人S．A．Beton提出二步彩虹全息图术。1，彩虹全息术由于用白光再现的全息像具有明亮且颜色丰富、衍射效率高、制作过程简单、特别是能够形成浮雕状条纹等优点，而得到快速发展，并日益向实用化方向发展，使全息图最终走出实验室，进入人们社会生活的方方面面，被应用于商业广告、艺术摄影、音像制品、全息立体电影、以及药品、食品、化妆品的包装防伪等多种领域，可见S．A．Beton 的彩虹全息术是确定光全息术产业化的奠基石。下面对各种全息图的制作方法、全息记录材料的发展状况作简要介绍。
1．1合成狭缝全息图和预置狭缝全息图
1978年ahen和Vu?1对Beton提出的二步法作了改进；提出了一步彩虹全息术，此法不需要事先制备母全息图，使拍摄过程大为简化。无论是一步法还是二步法
都有一个致命的缺陷就是由于狭缝的存在导致光能利用率很低。针对这一现象，
全息工作者已在提高彩虹全息图光能利用率方面作了许多工作。如：为了克服记
录H：时曝光时间太长的缺点提出了利用像面全息技术?11、像散彩虹全息术??，
零程差彩虹全息术??合成狭缝彩虹全息技术?’1 、以及预置狭缝彩虹全息技术
???，目的是去掉摄制H。时所放置的狭缝。
合成狭缝彩虹全息术的特点是在记录H。的过程中移动照明H．的光束，使得在H。平面处的物光场形成一个Sinc函数的分布。由于Sinc函数的分布有一个中央极
大值，按Sine函数分布就意味着能量的84％集中在中央部分，这样形成的亮带可
以取代狭缝的作用，此?狭缝?称之为合成狭缝。由于记录系统中没有实际狭缝，
理论上提高了记录Hz时激光能量的利用率。但是，文献。?认为合成狭缝彩虹全息
图的衍射效率随合成狭缝宽度减小而减小，其分辨本领和单色性较～般彩虹全息
图差。
预置狭缝彩虹全息术的特点是：记录主全息图H，时，在物体O与记录干板H1之
间恰当位置预先放置一狭缝S，H。实际上记录了物体0与狭缝S的信息。这样，当
记录H2时，用与参考光R。共轭的光照明H，，就可在H1与地之间再现出预置狭缝S 的实像S’。该像S’就取代了常规二步法中记录H：时所必须放置的真实狭缝。该
方法的本质是将记录比时所需要的真实狭缝S转移到记录H，的光路中。由于记录
H。时的记录材料是银盐干板，灵敏度很高，故加入预置狭缝后，虽然引起落在H。
上的物光能量的减弱，但并不影响H．的记录。而此举却使记录H。时光路中不存
在真实狭缝，故可将记录H2时激光能量的利用率提高数十倍。有研究者认为瞰3：
预置狭缝法是制作光刻胶彩虹全息图的有较好实用价值的方法，值得进一步研究。1．2大视角彩虹全患图及周视彩虹全息图
视角是表征彩虹全息图三维表现能力的一个莺要指标。普通模压彩虹全息图存在着视角不大(小于30度)的缺点。这是由于采用普通两步法记录光刻胶彩虹全息图时，其视角受到主全息图长度的限制。因此，扩大彩虹全息图的视角成为全息工作者致力探讨的问题。文献?6。??提出了不少扩大视角的方法，其中文献惜1 分析了全息图视角受限制的主要原因是再现衍射光方向受到限制。针对这原因，提出了同步旋转参考光、物体和干板，采用分时记录物体的信息，使全息图再现时形成多方向的衍射光波，从而达到扩大视角之目的。位相共轭法。?理论上可将视角扩大到接近180度，但该方法存在着复位困难等缺点。文献啪3提出的?孔径合成二步大视角彩虹全息术?，较好地解决了在光刻胶板上记录大视角彩虹全息图这一难题，能在光刻胶板上记录视角达110度的彩虹全息图。
由于在拍摄彩虹全息图时，狭缝像的长度、形状等决定了彩虹全息像再现时
的视角。再现狭缝越长，则再现时的视角越大，若再现狭缝是环状的，则可从360
度的?环形窗口?观察再现像，即所谓?周视?嘲彩虹全息图。早在1983年就有研究者提出了制作具有360度观察角(郎?周视?)的彩虹全息图的方法。由于这种圆筒状周视彩虹全息术不适用制作模压全息母版，因无实用价值而没被推广。 1990年，文献。33首次提出了一种平板状周视彩虹全息图的方法，由于平板状周视彩虹全息图可以模压，引起了全息工作者的兴趣，使?周视彩虹全息图成为扩大彩虹全息图视角的另一研究热点，先后提出了多种制作平板状周视彩虹全息图的方法?+?1。其中，文献??提出的?预胃狭缝法制周视彩虹全息图?因能大幅度提高
制H：时的激光能量利用率，并可在光刻胶板上制出周视半径达1米以上的周视彩
虹全息图，预计在全息工业中，有一定的实用价值。
1．3加密全息图
人类生活的许多领域，均需要防伪标识。随着全息技术的普及，普通模压全
息图已不难被同行所仿制。为了满足社会的需求，研究高质量，高性能的加密全息图，自90年代初就成为全息工作者研究的热点 1?。国内外目前已发表了各神制作隐型加密全息图的方案?21 。厦门大学刘守??等人于1999年提出的利用光学莫尔技术对全息图进行加密具有保密性高、制作简单、检测容易的特点。该方法的要点是：首先用计算机技术生成一对能产生莫尔条纹的图像，然后将其中一幅写入光刻胶彩虹全息图并制成模压全息图，将另～幅制成?密钥?，根据光学中莫尔技术原理，只有用此密钥观察按该方法制成的模压全息图，才能识读出模压全息图中的隐型密码。四』JlJc学黄奇忠等利用计算全息术制作隐型加密全息图?8’亦获初步成功。该方法是利用计算全息对信息进行随机相干分解，分别记录在两张计算全息图上，当两张全息图对准合在一起照明再现时，从两张全息图衍射光波的干涉图样中可以再现出原来的信息。只有同时拥有这两张配对的全息图方可解出原来的信息。这种方法设计灵活，防伪功能强，具有很高的实用价值。西安应用光学研究所章培琨等??提出的环形相位解密法具有压缩密匙数据量的作用。该方法的要点是：用混沌序列构造相位值并采用环形相位分布起到压缩数据量的作用并使加密图像具有中心旋转不变性，避免解密中对加密图像方向自由度的要求，同时能使解密过程具有一定高通滤波作用，实现滤除噪声或边缘增强。四川大学
郭永康5?教授利用分数傅立叶变换技术制作隐型加密全息图亦获得较好效果。分数傅立叶变换是信息光学领域新出现的研究课题，虽然该课题的研究时间不长，但已取得不少成果。
1．4光栅型全息图和数字全息图
在人类各项科学和技术的发展和沉积中，特别是：计算机技术的日新月异以
及CCD技术、图像处理方面的软硬件、激光打印机和扫描仪的飞速发展。传统的
光学全息术与计算机技术及其它技术的相结合越来越受到关注。国外近年来兴起
的光栅全息图?2?1就是光学、计算机技术、自动控制技术等多学科知识相结合的
产物。
由于目前设各及技术水平限制，模压光栅全息图?像素?还不够小，故制出的
全息图细看起来比普通模压全息图的分辨率要低一些。目前国内尚无三维物体的
模压光栅全息图作为商品出现。但光栅全息图衍射效率高，色彩丰富，图像有动
态效果，观赏性强，能让人欣赏到精美的物体细节和逼真的立体视觉，带给人以
遐想和灵感。而且图像的各个像素的颜色及被观察到的角度范围由组成该像素的
多个微小光栅的频率及方向决定，故容易制成大视角、真彩色的光栅全息图。特
别是：曝光过程是在光刻胶上用两束相干细光束逐点记录，彻底克服了光刻胶板
灵敏度低所带来的困难。因此，制作光栅全息图展现出诱人的前景，将成为全息
研究工作的热点。
数字全息图是与光栅全息图类似的另一类全息图，这类全息图是以LCD屏做为掩模拍摄的合成动态全息图，以及用电子束刻蚀的全息图嘲‘?。目前比较成功的有英国的Spatial Imaging Ltd。公司创立的数字输入—全息图像输出系统，
Dimensional Arts
Inc。公司的数字全息打印机，日本的LCTV全息打印机。其他一些有关
数字全息技术的报道?1也不断涌现，数字全息技术能够实现商品化批量生产，并且摆脱了过去全息图的许多苛刻限制。例如，以前用于拍摄全息图的物体只能是从自然界中抽取的一些标本和尺寸较小的物体或模型，自然界中的许多真实物体的形象和颜色不能再现出来。另外，传统全息图的防伪性能也有限，一般只能在某些方向看到全息图像。利用计算机实现数字化，不仅能够实现图像加密，还能对全息图的颜色和图像的点型加密。即使是拥有同一种或同～台计算机全息数字打印机的用户，只要密码不同，图像的颜色和点型就不相同，增强了全息图的防伪功能，并且拥有这种打印机的用户根据需要重新设置密码也非常方便，使全息图的防伪性能大大提高。由于这种全息图具有动态、全方位可视，集多种高技术于一体，技术含量高，防伪性能强等特点，可广泛应用于装璜、包装、安全印刷、广告等方面，尤其将会被安全部门作为防伪的有效手段，大量应用于钞票、各种有效证件等方面，数字全息图已显示出很大的发展潜力。
1。5真彩色彩虹全息图
目前各种全息标识普遍使用把多个彩虹全息图组合成一幅假彩色全息图。因
此，普通模压全息图的再现像虽然色彩很丰富，但却不是原物的真实颜色。真彩
色全息图具有更加美观的艺术魅力、更强的防伪能力、更广阔的实用前景。所以，
实现真彩色全息显示一直是全息研究者追求的目标。
制作真彩色彩虹全息图的基本思想是i通过精心设计光路，使得当用自光再
现真彩色彩虹全息图时，能在空间某一预定位置产生红、绿、蓝三个重叠的狭缝
实像。人眼通过这一位置，即可看到原物的真彩色像。1。
二维物体真彩色彩虹全息图的制作己取得了较大的进展??，人们早已提出
采用类似假彩色彩虹全息术?。?的组合方法来制作二维真彩色全息图，其中以单
色激光制作二维真彩色全息图的讨论较多03。7??3，曾有研究人员用分色片拍摄主
全息图继而拍摄第二张全息图，后来又提出TN用分色片和编码片实现彩色透明
片的多色再现”“7”。为了拍摄真彩色全息图。人们常常采用三种波长激光拍摄主
全息图，再现仍须用相应波长的激光，不易推广，限制了它的应用范围，也有人
用三种波长的激光拍摄主全息图，然后用单波长激光再现拍摄第二张全息图，由
于再现激光波长与记录时激光波长不同，易产生噪声，对图像质量的影响较大。
利用三基色原理实现高质量的多波长三维真彩色全息图制作已是成熟的技术
””7 ，几十年来对它的研究主要是在反射全息图方面，制作方法是用红、绿、蓝
三原色波长，对同一三维物体分别在不同的全息材料上进行记录，观察时将几张
全息图紧密重叠在一起。但只有利用单波长记录，才能获得物体的光刻胶版全息
图。原因是模压全息应用的光刻胶版都是蓝敏的，要得到可模压的真彩色全息图，
需要使用单波长的激光进行记录。
1991年文献”“首先提出了一种用单波长激光在光刻胶板上记录三维物体真彩
色彩虹全息图的新方法。该方法为制做真彩色模压彩虹全息图，创出了一条新路。
但是此方法中制H：时激光能量利用率低，使得实际在光刻胶板上记录真彩色彩虹
全息图时曝光时间很长，又需要人工将物体的三原色主全息图在单波长再现时进
行精确对位，引起制作上的困难。以此方法为基础，相继有研究者在光刻胶板上
记录了三维物体的真彩色彩虹全息图。其中文献m1提出的技术勿需三原色像严格对准，但在光路中需要使用大口径的消色差透镜，同时三色狭缝像长度、物体的像差和全息图的视场角等也将受透镜口径的限制。文献 1提出将合成狭缝技术与文献””的方法结合起来，理论上可使记录H。时激光能量利用率大幅提高。文献””利用了光路可逆性，解决了三原色主全息图再现像的对位问题，也避免了狭缝像、视场角等所受透镜口径的限制，但制作过程复杂。
尽管有如此多的研究者孜孜以求改进，真彩色全息技术的实用化还是不尽如
人意。主要原因在于制作模压彩虹全息母版必须用光刻胶板做记录材料，由于光
刻胶所记录的全息干涉条纹是浮雕型相位光栅。所以它被用来作为模压全息的母
版拍摄。就材料本身来讲，它的灵敏度很低，例如，对于^=488nm的激光，其灵
敏度大约只是银盐千板灵敏度的2．5万分之一㈣，分辨率也不高，而且用稀碱溶
液显影的过程仅仅只是一种刻蚀作用，曝光的地方比没有曝过光的地方，腐蚀得
更利害一些罢了。这里没有银盐版显影时的那种通过化学反应加速银粒子还原的
作用。若用银盐记录材料的术语来说，它是一种对比度低，而灰雾度高的材料删。
正是由于这些特点，使拍摄带来大量困难，为了克服这一困难，人们一直在寻找
一种高灵敏度、高分辨率的光刻胶，但目前还未找到其它更好的浮雕型相位记录材料来替代。
重庆大学硕士论文1绪论
1．6全息记录材料
全息术通过全息记录介质来记录和输出信息，这一事实决定了全息记录介质
在全息术中起着重要的作用。全息摄影是以物理光学为基础，利用光的干涉和衍射特性，将被摄体的反射光波波面(包括振幅和位相)以干涉条纹的形态记录下来，其记录材料要求有较高的衍射效率。目前可应用于全息摄影的记录材料种类很多，除试验室常用的卤化银全息干板外，有使用价值的还有以下几类。：
1．光聚台类：包括丙烯酸酯类，丙烯酸胺类，聚酯类，光聚合多聚合单体混合类等．
2．光交联类：包括重铬酸盐明胶，金属离子与聚合物混合体；聚甲基丙烯；
聚乙烯咔唑等
3．聚合物混合类：包括聚合物与染料混合体；聚合物与光致变色染料混合体：聚合物的侧链结合体，噬菌体混合聚合物质。
4．其它有光导热塑材料；光折变材料；无机光致变色材料：液晶材料，炭族化合物材料等
上述各类材料有许多正处于研究发展阶段，或因感光度过低，衍射效率差而应用
较少，下面只就常用的银盐感光乳胶和重铬酸盐明胶，以及近年来迅速发展的光
全息存储材料，作简要介绍。卤化银全息干板感光度高，银盐感光乳胶(SHG)以其宽的光谱响应范围和高
的感光灵敏度、便于制备和保存等优点，在全息记录材料中使用最为普遍。大量文献研究了SHG的乳胶特性、全息记录和处理方法、空间频率(SF)响应等。??。使银盐全息图(SHGH)的衍射效率(DE)有很大提高。但SHGH经漂白后形成的是一种以折射率调制为主与浮雕调制相结合的混合型位相全息图，因此不适于模压复制技术。即使是超微粒SHG也不能形成较深的浮雕，因此对SHG的浮雕特性研究近年来已很少见报道。
重铬酸盐明胶是一种优良的相位型记录材料，虽然存在着曝光时所需的光能
量密度大和影像易消退等缺点，但因其成像质量好，感光度高，因此有不少研究
工作者从事此项开发研究，取得不少显著成果，其中，重铬酸盐一三醋酸纤维索酯(DC—TAT)具有分辨本领高、抗潮能力强、实时衍射效率高等许多优良特性。’ ，而且此种材料具有正性光刻蚀特性??。?1使之有可能成为重要的微光学加工材做得很厚，因而可用于高密度体全息存储??‘ 。其中展有希望的是光折变材料，光折变材料具有光折交效应，即当受到非均匀的光强度的照射时，局部的折射率变化与入射光强成正比。光折变晶体材料通常可做成几inm厚甚至cm量级，记录的全息图的选择角可以仅有百分之几度，因而可以在同一体积中记录大量的全恩图而观察不到显著的串象噪音??1?3。由于光折变材料中存储的信息可以用光学方法擦
1绪论
重庆大学硕士论文
除，在多重存储过程中，每一次全息记录对于前面已经记录下来的全息图也有擦
除效应??1，存储的全息图数目越多，每个全息图的衍射效率就越低。所以，材料
的存储容量不仅取决于晶体的厚度，还取决于材料所能提供的最大折射率改变
(即动态范围)，以及所希望获得的衍射效率。最常用的材料是铌酸锂
?1’??(LiNbO。)，它的动态范围大，存储持久性长，并且可以固定(定影)，在微细加工方面有可能用它直接作模压母板，因它经热压塑之后很少变形? 。另外，无
明胶重铬酸盐全息记录材料NGD。7??’??也是一种性能优良的新型全息材料，具有全息图像稳定，抗潮湿，保存期长，制备工艺简单、经济、衍射效率高，用其制
作的全息光栅空间分辨率高等优点。
1．7本文的研究工作
本文主要是研究设计两种新的制作真彩色全息图的方法。首先发展利用分离
缝与物的两步制作二维物彩色彩虹全息图的思想，通过设置编码板制作参数及采
用白光分色编码的办法，设计一种制作真彩色全息图的方法，我们的研究表明，
把记录菲涅尔全息术分区记录三基色信息改成白光记录，消除狭缝衍射产生的激
光斑纹影响和全息记录中相干噪声的影响，可以获得高质量的彩色全息图。其次，
研究了用平面波物光和散射参考光记录和再现彩虹全息图的可行性，并设计了一
种能够保留下细微结构和亮度层次变法的制作真彩色全息图的方法。该方法能消
除产生景物图象全息记录的散斑噪声的影响，清除产生信噪比低的障碍。而且能
充分利用激光能量，在制作大尺寸彩色全息像方面有良好的应用前景。同对，分
析了在全息复制中出现的黑色粗干涉条纹的原因，并提出解决办法。
重庆大学硕士论文
2．彩虹全息原理
2彩虹全息原理
我们制作的彩色全息图是根据三基色原理，利用彩虹全息术来制作，本章对
三基色原理、彩虹全息原理、彩虹全息图的摄制、彩虹全息像的模糊进行讨论。 2。1三基色原理
自然界或人工制造的各种彩色是不同波长光波互相混合的结果。任何彩色摄 影和再现都基于彩色景物的颜色分解和颜 色综合，一般的彩色图像是通过光谱吸收 (如染料的光谱吸收)，通过基色染料的颜
色相减显示彩色的，而彩色全息图是通过
光栅衍射色光的相加显示彩色的。但都是
按三基色匹配进行彩色分解和再现的。
G 斗B
三基色原理??的主要内容是：(1)在
图2．1相加混色的圆圈
自然界中的大多数颜色，都可以用三基色
Fig ．2．I
circular chart
ofmixed color
按一定比例混合得到，同样绝大多数色光也可以分解为三基色。(2)三基色必须 是相互独立的颜色，即其中任意一种基色都不能由其它两种基色混合产生。(3)
y
三基色之间的比例，
0 g
决定了混合色的色调
严弋；如
D ，8
和饱和度。(4)混合色
0 1
湖[G 王＼
so
的亮度等于三基色的 0，6
二Ⅵj 陡∞
亮度之和。原则上，三
基色的选择不是唯一
疗．5
的，由于人眼对红、 O
4
绿、蓝三种色光最为敏
0 3
感，而且由这三种颜色 0 2
相配所得的彩色范围
也最广，所以～般以红 O ，l
(760nm-630nm)，绿
0 10，20．3 0‘0 50．6D．7口8 x
(570nm一500nm)，蓝
圉2．2 1931
CIE色品图(450nm一430 nm)作为
193l CIE chart of chroma
一∞
三基色。不同比例红、绿、蓝三基色进行相加混色可以得至q许多种不同的颜色(二次色)，相加混色的
圆图如图2．1所示，要得到某一彩色，可以根据上面的相加混合的圆图来决定采
重庆大学硕士论文2．彩虹全息原理
用哪几种基色，一般选取三基色的标准是：由它们混和的色品图范围大，亮度透
射或反射率大。色品图如图2．2所示，Y值代表了该彩色的相对亮度。色品图是
进行色度分析与合成的平面图。所有实际的彩色在色品图中都有相应的坐标点与
之对应，其色度可以用坐标来表示，也可以用它的色调波长和饱和度来表示。要
得到某种颜色，可以在色品图中找出其色品坐标(X，Y)，从而可求出三基色的亮度
和波长。
三基色原理是研究彩色应用的最基本原理，采用三基色表示彩色，就使彩色
影像的摄录、传送和复现成为可能。表示一幅含有千差万别彩色的图像，只用三
幅单色图像就可以了。
2．2彩虹全息原理
早期全息图是单色光显示的，尽管我们看到的是立体形状，但它只有一种颜
色，也就是再现时激光的颜色。可见，用激光再现全息像虽保存了物光的振幅和
位相信息，但丢失了色调信息。全息图是物光和参光的干涉条纹图，因此，只能
利用高度相干的单色激光来记录。但全息显示可以用白光来代替激光，其原理如
下：
全息图是干涉条纹图，当一束平行光照射时，由于衍射作用，将形成沿不同
方向传播的衍射子波，衍射子波是图像信息的载体，图像越复杂，衍射予波就越
丰富，这些衍射子波的重薪组合形成再现像，光栅是一种最简单的干涉条纹图。
为方便起见，用其在原理上来说明。用一束白光平行照射到空间周期为x的光栅
上，根据光栅方程，一级衍射光波与直射光波的夹角0满足条件：
sin口：—A—(2．1) X
式中^是光波的波长，假设白光由红、绿、蓝三基色构成，由于三色光的波长不同，因此衍射光波将发生色散现象：一级衍射光波中，红光(R)的波长最长，夹角8。最大，绿光e。次之，蓝光的夹角e。最小．直接透射光波的各色光是混合在一起的。若在适当的地方放一光阑，只让某一单色光分量通过就能得到单色光的一级衍射波。如果我们让衍射光束是一束会聚成一狭缝形状的光柬(这由记录全息图时物光束形状决定)，则不同波长的再现物光将会聚成不同颜色的狭缝像在空间分离开，入眼在不同位置将看到不同颜色的单色像。
彩虹全息正是利用这一原理，它是用激光记录、用白光照明再现单色像的一
种全息术。它的基本特点是在记录系统中的适当位置上加入一个狭缝，其作用是
限制再现光波，以降低像的色模糊，从而实行自光再现单色像。在彩虹全息术中，由于在记录系统中加入狭缝，其狭缝像将在空间沿竖直方向色散成彩虹色，人
眼正是通过这一色散观察窗来观察全息像的，当人眼在竖直方向移动时，将依次
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2．彩虹全息原理
观察到颜色按彩虹色序变化的单色像。
2．3彩虹全息图摄制
彩虹全息分为二步彩虹全息和一步彩虹全息下面介绍二者的摄制方法
1．二步彩虹全息图的摄制：
所谓二步彩虹全息，就是通过两次制作全息图，
来得到彩虹全息图。首先，用通常的离轴全息Hl
法，制作一张普通的全息图H。，光源可用氦氖
激光器，使用银盐干板(例如，天滓全息干板I
，一．一扩
虚像
图2．4全息圈的再现图2．5全息图H2的记录
Fig．2．4 reconstructing hologram
Fig．2．5 recording
of the
hologram H2
虹全息图H：，当用白光在R+的共轭方向照射H2时，由不同波长再现产生的狭缝像在空间色散成彩虹色，人眼通过不同颜色的狭缝像看到不同颜色的物体像。
2．一步彩虹全息摄制：
从二步彩虹全息图的记录和再现过程可知，彩虹全息图的本质是要在观察者
和物体再现像之间形成一个狭缝像，使观察者通过狭缝看物体，以实现自光再现，根据这一原理，可用一个透镜对物体分别成像，使全息干板透镜与像之间的适当位置，如图2．6(a)所
示，狭缝位于透镜的焦
点以内，在狭缝同侧得隧
到其放大正立虚像，若
j、。一}蝴体的像在透镜另一侧，
物体在焦点以外，则物
(a)
这时的光路结构，本质图2．6一步彩虹全息记录和再现示意图
and
reconstructing 上与二步彩虹全息图Fig．2．6 one—step reconding
rainbow
hologram
2．彩虹全息原理
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中第二次记录时相同，再现时用参考光的共轭光照明，形成狭缝的实像和物体的
虚像，眼睛位于狭缝实像处可观察到再现物体的虚像，再现光路如图2．6(b)。
一步彩虹全息图记录时也可以把物体和狭缝放在透镜焦点以外，使它们在透镜的
另一侧成像，记录时仍将全息干板置于物体像和狭缝像之间。
2．4彩虹全息像的模糊
出于彩虹全息图在拍摄时加入了限制狭缝，因而使得其可以在白光下再现
单色像。但在白光或空间扩展光源下，这种再现像也会变得模糊‘12?，下面从像的单色性出发讨论其模糊量的来源及大小。
1．像的单色性
彩虹全息图可以用白光再现单色像，这种单色像和激光再现的单色像是不
同的，它包含一个小的
波长范围△^。设在某
一固定位置所观察到的
单色像的波长是从x到
0：△A／x
口^7=^+△九，贝
称为像的单色性。根据
物象关系式知道，象点
的位置与波长有关，在
△^的波段范
图2．7像的单色性示意图围内，一个物点不是对
Fig．2．7homochromati sm of image
应一个象点，而是一个
线段△I。由于一个物点不是对应一个像点，而是一个线段△I，也可以称一个
物点的全息图是一个线全息图，其宽度为△H，这个线全息图在Y方向空间频率很高，而在x方向(与狭缝平行的方向)的空间频率很低。所以只讨论Y方向的单色性。如图2．7所示，用白光照明全息图，经△H的衍射后对于不同波长的光形成的像点的位置不同。假定人眼位于E处观察，人眼与全息图的距离为z。，瞳孔的直径为D．这样人眼所能观察到的两个极端波长^和^’所对应的像点位于I。和I。，，对于^和^7这两种波长形成的狭缝像，位于S。和S。，处，由此可见，波长^的光是自
△H和S。开口的下端进入人眼瞳孔的上端：波长^7的光是自△H的上端，经S x．开口进入人跟瞳孔的下端，由图2．7可见，△H对这两种波长所产生的色散角为△0。并有△0 I=(D+a)／z。，设△H在y方向空间频率为‘，则由光栅方程可知：sin口，一s访口R=弘(2．2)
重庆大学硕士论文2．彩虹全息原理
cos8，·AO，=弘五(2．3) 两式相除得
一
竺：!!堕：垒旦(2tL．．‘}，4) 五sinO， sinO。
由于物点靠Z轴很近，e。很小，可令COS o，=1，sin o。=O，上式简化为
l掣J。盟：旦(2．5)
。丑’sin0月。￡sin0^
在彩虹全息中，△^越小越好，这就要求狭缝窄(a小)，观察距离远(Z。
大)，参考光本束的倾斜角度大，也就是说全息图的空间频率高，像的单色性就
好。
2．再现光源光谱扩展造成的像模糊
彩虹全息图记录及再
现过程如图2．8所示，其中
0(X¨y。，Z。)为物点；H为
全息片平面，它位于(x，y，Z)
坐标系中(x，y)平面；SL 为狭
缝平面，它离全息片
的距离为d；I(x． Y Z；)为
再现像点；R(x Y，z，)和
C(X。，y Z)分别为会聚的
参考光和再现光。设记录时的光波波长为^。，则在波长为x的光波再现时，图2，8彩虹全息记录和再现物点与像点的关系
Fig．2．8
the
relationship
between recorded
object point
and reconstructed
image point
由点源全息图的物像关系可知其像点和物点之间的关系为：
土：三三一三!+一1 (2．6)
zi
k 2口扎z，z c
II 一+ (2．7) 咒一≈z一厶蜘一％
五一九”一。
儿一乙
兰：互鱼一互立+兰(2．8)
=f 九zo ^z，
：。
2