CN104656404B - 全息记录装置和全息记录方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全息记录装置和全息记录方法，所述全息记录装置包括光调制单元和物体成像单元，所述光调制单元用于产生入射光，并将所述入射光引导至所述物体成像单元，所述物体成像单元包括用于放置物体的空腔，所述空腔内部为反射面，所述空腔设置有用于使所述物体成像的成像孔、以及至少一个能够使所述入射光进入所述空腔的入光孔，以使得所述物体在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置成像。本发明中的物体成像单元不受制造工艺的限制和影响，能够有效降低像差，提高成像的质量，得到宽视角、失真小的全息图。此外，本发明特有的光路设计可以实现一步全息记录，使记录过程更加高效简便。

Description

全息记录装置和全息记录方法
技术领域
本发明涉及全息显示技术领域，尤其涉及一种全息记录装置和全息记录方法。
背景技术
在记录全息图时，如果物体靠近记录介质，则不便引入参考光，因此，通常采用成像的方式产生像光，然后再将像光与参考光进行干涉完成全息图的记录过程。像面全息图的记录方式通常有两种，一种方式是采用透镜成像的方法，另一种是采用两步记录的方法。
图1是透镜成像方法的示意图。透镜成像方法是利用透镜2对物体1成像产生像光，然后在全息干板3上记录像光和参考光的干涉条纹来实现像面全息图的记录过程。这种方法是一步全息记录方法，不需要复杂的光路，然而，由于透镜制造工艺和孔径的限制，这种方法记录的像面全息图可能会产生失真，并且视场角较小。
图2a-图2b是两步记录方法的示意图。两步记录法通常先对物体1记录一张菲涅尔全息图H1，然后用参考光的共轭光(图2b中所示的再现光)照明全息图H1，再现物像4，物像4的像光与参考光叠加，得到像面全息图H2。这种方法包括两次记录过程和一次再现过程，操作复杂，并且噪声较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全息记录装置和全息记录方法，以简单高效地实现像面全息图记录，并提高成像质量。
为解决上述技术问题，作为本发明的第一个方面，提供了一种全息记录装置，包括光调制单元和物体成像单元，所述光调制单元用于产生入射光，并将所述入射光引导至所述物体成像单元，所述物体成像单元包括用于放置物体的空腔，所述空腔内部为反射面，所述空腔设置有用于使所述物体成像的成像孔、以及至少一个能够使所述入射光进入所述空腔的入光孔，以使得所述物体在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置成像。
优选地，所述光调制单元能够利用所述入射光生成与所述入射光干涉的参考光，所述物体成像单元包括反射面相对设置的上抛物镜和下抛物镜，所述上抛物镜和所述下抛物镜共同形成所述空腔，所述入射光通过所述入光孔照射到所述物体上，所述物体成像时产生的像光能够与所述参考光在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置进行干涉。
优选地，所述成像孔位于所述上抛物镜的顶端。
优选地，所述入光孔中设置有扩束镜，所述扩束镜用于对照射到所述入光孔中的入射光进行扩束，以使得所述入射光充满所述空腔。
优选地，所述全息记录装置还包括记录单元，所述记录单元包括全息干板，所述全息干板设置在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置，所述像光和所述参考光在所述全息干板上进行干涉。
优选地，所述全息干板包括透明的基板以及设置在所述基板上的感光材料。
优选地，所述光调制单元包括激光器和第一分束镜，所述激光器发出的光通过所述第一分束镜后产生用于照射所述物体的入射光以及所述参考光。
优选地，所述光调制单元还包括第一反射镜，所述第一反射镜用于调整所述参考光的传播方向，以使得所述参考光能够与所述像光在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置进行干涉。
优选地，所述光调制单元还包括空间滤波器，所述空间滤波器设置在所述第一分束镜和所述第一反射镜之间，所述空间滤波器用于滤除所述参考光中的噪声。
优选地，所述物体成像单元中设置有两个所述入光孔，两个所述入光孔分别位于所述成像孔的两侧，所述光调制单元还包括第二分束镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第二分束镜用于将所述入射光分为两束光，所述第二反射镜和所述第三反射镜分别用于调整上述两束光的入射方向，以使得上述两束光分别照射到两个所述入光孔中。
优选地，所述第一分束镜和所述第二分束镜为可变分束镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜为准直反射镜。
作为本发明的第二个方面，还提供了一种利用上述全息记录装置的全息记录方法，所述全息记录方法用于像面全息图的记录，所述全息记录方法包括以下步骤：
将待成像的物体置于所述物体成像单元的空腔中；
利用所述光调制单元提供入射光，使所述入射光通过所述入光孔照射到所述物体上；
照射到所述物体上的入射光经过所述空腔内部的反射面反射后在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置形成物像。
优选地，所述全息记录方法还包括：
利用所述光调制单元生成与所述入射光干涉的参考光；
在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置设置全息干板；
使所述物体成像过程中产生的像光与所述参考光在所述全息干板上进行干涉，记录干涉条纹。
本发明中的物体成像单元不受制造工艺的限制和影响，能够有效降低像差，提高成像的质量，得到宽视角、失真小的全息图。此外，本发明特有的光路设计可以实现一步全息记录，使记录过程更加高效简便。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1是透镜成像方法的示意图；
图2a-图2b是两步记录方法的示意图；
图3是本发明实施例所提供的全息记录装置的示意图；
图4a-图4b是双抛物镜面成像原理示意图。
在附图中，1-物体；2-透镜；3-全息干板；4-物像；5-上抛物镜；6-下抛物镜；7-成像孔；8-入光孔；9-扩束镜；10-激光器；11-第一分束镜；12-第一反射镜；13-空间滤波器；14-第二分束镜；15-第二反射镜；16-第三反射镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明首先提供了一种全息记录装置，所述全息记录装置包括光调制单元和物体成像单元，所述光调制单元用于产生入射光，并将所述入射光引导至所述物体成像单元。所述物体成像单元包括用于放置物体的空腔，所述空腔内部为反射面，所述空腔设置有用于使所述物体成像的成像孔、以及至少一个能够使所述入射光进入所述空腔的入光孔，以使得所述物体在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置成像。
本发明中的物体成像单元是指能够使物体在光线照射下成像的单元，并且，成像过程中产生的像光能够与参考光干涉，完成像面全息图的记录。
本发明中的物体成像单元不受制造工艺的限制和影响，能够有效降低像差，提高成像的质量，得到宽视角、失真小的全息图。此外，本发明特有的光路设计可以实现一步全息记录，使记录过程更加高效简便。
进一步地，所述光调制单元能够利用所述入射光生成与所述入射光干涉的参考光。作为本发明的一种实施方式，如图3所示，所述物体成像单元包括反射面相对设置的上抛物镜5和下抛物镜6，其中，上抛物镜5和下抛物镜6的内凹的表面为镜面，上抛物镜5和下抛物镜6共同形成所述空腔。
成像孔7和入光孔8既可以设置在上抛物镜5上，也可以设置在下抛物镜6上，或者，成像孔7和入光孔8可以分别设置在不同的抛物镜上，只要满足使物体1成像的条件即可。所述入射光通过入光孔8照射到物体1上，物体1成像时产生的像光能够与所述参考光在所述空腔外部对应于成像孔7的位置进行干涉。
图4a-图4b是双抛物镜面成像原理示意图。将物体1放入下抛物镜6的底部，盖上上抛物镜5，在入射光的照射下，物体1上的一个点反射出的多条光线，经过上下抛物镜的多次反射作用后汇聚在所述空腔外部对应于成像孔7的位置，形成像点，物体1上的物点都能实现此成像过程，并最终在所述空腔外部对应于成像孔7的位置形成物像4。
本发明中的双抛物镜结构不会受到制造工艺的限制和影响，与采用透镜成像相比，能够有效降低像差，提高成像的质量，得到宽视角、失真小的全息图。此外，本发明特有的光路设计可以实现一步全息记录，避免了现有技术中采用两步记录法的繁琐步骤，使记录过程更加高效简便。
优选地，成像孔7设置在上抛物镜5的顶端。当物体1位于上抛物镜5和下抛物镜6所形成的空腔内时，物体1通常位于下抛物镜6的底部中央，相应地，将成像孔7设置在上抛物镜5的顶端能够使小孔成像的效果更加均匀。
进一步地，入光孔8中设置有扩束镜9，扩束镜9用于对照射到入光孔8中的入射光进行扩束，以使得所述入射光充满所述空腔，分散后的入射光照射到物体1上产生漫反射，漫反射光经过上下抛物镜的反射作用，在所述空腔外部对应于成像孔7的位置成像。
进一步地，所述全息记录装置还包括记录单元，所述记录单元包括全息干板3，全息干板3设置在所述空腔外部对应于成像孔7的位置，所述像光和所述参考光在全息干板3上进行干涉，由全息干板3记录两者的干涉条纹。干涉条纹被记录后，只要使用相干光再次照射全息干板3，即可重现物像。
在本发明中，优选地，全息干板3为透射式全息干板，像光从全息干板3的一侧照射在全息干板3上，参考光从全息干板3的另一侧照射在全息干板3上。全息干板3通常包括透明的基板以及设置在所述基板上的感光材料。优选地，透明的基板可以由塑料或玻璃制成，所述感光材料可以是光刻胶、卤化银等，所述感光材料可以设置在所述基板的一侧，也可以设置在所述基板的两侧。需要说明的是，采用全息干板3来记录干涉条纹仅是较为常见和优选的实施方式，所述记录单元也可以采用其它形式的介质来记录干涉条纹，本发明对于记录干涉条纹的介质不做限定，只要能够实现本发明即可。
优选地，如图3所示，本发明中的光调制单元包括激光器10和第一分束镜11，激光器10发出的光通过第一分束镜11后产生用于照射物体1的入射光以及参考光，所述入射光用来产生与所述参考光进行干涉的像光。激光具有单色性好、方向性好和亮度高的优点，由激光分束的光线具有良好的相干性，非常适合应用于记录全息图的装置中。
所述光调制单元还包括第一反射镜12，第一反射镜12用于调整所述参考光的传播方向，以使得所述参考光能够与所述像光在所述空腔外部对应于成像孔7的位置进行干涉。例如在图3中，第一反射镜12将所述参考光反射至全息干板3的一侧，像光照射至全息干板3的另一侧，通过透射干涉的方式记录像面全息图。
优选地，所述光调制单元还包括空间滤波器13，空间滤波器13设置在第一分束镜11和第一反射镜12之间，空间滤波器13用于滤除所述参考光中的噪声。
作为一种具体的实施方式，如图3所示，所述物体成像单元中设置有两个入光孔8，为了使成像质量更好，两个入光孔8分别位于成像孔7的两侧，由于物体1放置在下抛物镜6的底部，因此两个入光孔8优选设置在上抛物镜5上。
所述光调制单元还包括第二分束镜14、第二反射镜15和第三反射镜16，其中，第二分束镜14用于将所述入射光分为两束光，第二反射镜15和第三反射镜16的反射面分别朝向相应地入光孔8，用于调整上述两束光的入射方向，以使得上述两束光分别照射到两侧的两个入光孔8中，光线经过两个扩束镜9后分散照射到物体1上产生漫反射，漫反射光经过上下抛物镜的反射作用，在所述空腔外部对应于成像孔7的位置成像。
本发明中的第一分束镜11和第二分束镜14均可以采用可变分束镜，以使得透射光束与反射光束之间的比例可调。同时，第一反射镜12、第二反射镜15和第三反射镜16可以采用准直反射镜，以进一步提高光线的准直特性，从而更好地维持像光与参考光的相干性。
本发明还提供了一种全息记录方法，所述全息记录方法用于像面全息图的记录，所述全息记录方法包括以下步骤：
将待成像的物体置于所述物体成像单元的空腔中；
利用所述光调制单元提供入射光，使所述入射光通过所述入光孔照射到所述物体上；
照射到所述物体上的入射光经过所述空腔内部的反射面反射后在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置形成物像。
优选地，所述全息记录方法还包括：
利用所述光调制单元生成与所述入射光干涉的参考光；
在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置设置全息干板；
使所述物体成像过程中产生的像光与所述参考光在所述全息干板上进行干涉，记录干涉条纹。
本发明一方面降低了物体成像单元对全息记录的影响，降低了像差，提高了成像质量，另一方面实现了对全息图的一步记录，使记录过程更加高效简便。
以图3为例，像面全息图的具体记录步骤如下：
激光器10发出激光，激光经过第一分束镜11后被分成两束光，其中一束光用于产生参考光，另一束光用于产生像光；
用于产生参考光的那束光经过空间滤波器13滤除噪声之后，由第一反射镜12反射到全息干板3上；
用于产生像光的那束光经过第二分束镜14后分成两束光，两束光分别由第二反光镜15和第三反射镜16反射到上抛物镜5上的两个入光孔8处；
入光孔8中设置的扩束镜9对反射后的光线进行扩束，使其充满上下抛物镜的内部空腔，并照射到物体1上产生漫反射，漫反射光经过上下抛物镜的多次反射作用，在成像孔7的上方形成物像4，成像过程中的像光也照射到全息干板3上；
参考光和像光在全息干板3上进行干涉，完成像面全息图的记录过程。
本发明提供的全息记录装置和全息记录方法能够有效改善成像质量，提高记录效率，并且所得全息图视角宽、再现效果好。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种全息记录装置，其特征在于，包括光调制单元和物体成像单元，所述光调制单元用于产生入射光，并将所述入射光引导至所述物体成像单元，所述物体成像单元包括用于放置物体的空腔，所述空腔内部为反射面，所述空腔设置有用于使所述物体成像的成像孔、以及至少一个能够使所述入射光进入所述空腔的入光孔，以使得所述物体在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置成像，所述光调制单元能够利用所述入射光生成与所述入射光干涉的参考光，所述物体成像单元包括反射面相对设置的上抛物镜和下抛物镜，所述上抛物镜和所述下抛物镜共同形成所述空腔，所述入射光通过所述入光孔照射到所述物体上，所述物体成像时产生的像光能够与所述参考光在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置进行干涉，所述光调制单元包括激光器和第一分束镜，所述激光器发出的光通过所述第一分束镜后产生用于照射所述物体的入射光以及所述参考光，所述光调制单元还包括第一反射镜，所述第一反射镜用于调整所述参考光的传播方向，以使得所述参考光能够与所述像光在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置进行干涉，所述物体成像单元中设置有两个所述入光孔，两个所述入光孔分别位于所述成像孔的两侧，所述光调制单元还包括第二分束镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第二分束镜用于将所述入射光分为两束光，所述第二反射镜和所述第三反射镜分别用于调整上述两束光的入射方向，以使得上述两束光分别照射到两个所述入光孔中。
2.根据权利要求1所述的全息记录装置，其特征在于，所述成像孔位于所述上抛物镜的顶端。
3.根据权利要求1所述的全息记录装置，其特征在于，所述入光孔中设置有扩束镜，所述扩束镜用于对照射到所述入光孔中的入射光进行扩束，以使得所述入射光充满所述空腔。
4.根据权利要求1所述的全息记录装置，其特征在于，所述全息记录装置还包括记录单元，所述记录单元包括全息干板，所述全息干板设置在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置，所述像光和所述参考光在所述全息干板上进行干涉。
5.根据权利要求4所述的全息记录装置，其特征在于，所述全息干板包括透明的基板以及设置在所述基板上的感光材料。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的全息记录装置，其特征在于，所述光调制单元还包括空间滤波器，所述空间滤波器设置在所述第一分束镜和所述第一反射镜之间，所述空间滤波器用于滤除所述参考光中的噪声。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的全息记录装置，其特征在于，所述第一分束镜和所述第二分束镜为可变分束镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜为准直反射镜。
8.一种利用权利要求1至7中任意一项所述的全息记录装置的全息记录方法，所述全息记录方法用于像面全息图的记录，其特征在于，所述全息记录方法包括以下步骤：
将待成像的物体置于所述物体成像单元的空腔中；
利用所述光调制单元提供入射光，使所述入射光通过所述入光孔照射到所述物体上；
照射到所述物体上的入射光经过所述空腔内部的反射面反射后在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置形成物像。
9.根据权利要求8所述的全息记录方法，其特征在于，所述全息记录方法还包括：
利用所述光调制单元生成与所述入射光干涉的参考光；
在所述空腔外部对应于所述成像孔的位置设置全息干板；
使所述物体成像过程中产生的像光与所述参考光在所述全息干板上进行干涉，记录干涉条纹。
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