信息光学理论与应用彩虹全息图

彩虹全息（Rainbow Hologram）是像全息与狭缝技术相结合的产物，其又分为一步彩虹全息图（One-Step Rainbow Hologram）和二步彩虹全息图或本顿全息图。

本顿（S.Benton，1941—2003年）于1969年首先用二步法制成了彩虹全息图，1978年美籍华裔学者陈选和杨正寰提出了一步彩虹全息术，使彩虹全息图制作程序大大简化，且降低了噪声，但视场和景深较小。此后，又有不少学者做了改进，提出了多种彩虹全息技术，并使彩虹全息图获得日益广泛的应用。这里仅对一步法和二步法彩虹全息的基本原理做简要介绍。

1.一步法彩虹全息

记录光路之一如图5.6.4所示，物体A和一个宽度适当的狭缝S被置于透镜焦点之外，它们在透镜的另一侧成实像分别为A′、S′，将全息干板放在两个实像之间。对于干板而言，A′为实物，S′为虚物，经曝光记录和显影、定影、漂白等处理后，用原参考光重现，得到物的原始像是虚像，狭缝的像是实像。当观察者把眼睛放在狭缝开口处时，便可看到物的整个虚像，其颜色与重现光颜色相同；当观察者的眼睛离开狭缝开口位置时，由于狭缝的像“挡住”了物的重现光，因而看不到物的像或者只能看见一部分像。

图5.6.4　一步彩虹全息图的一种记录和重现方式

当用白光重现此全息图时，为简明起见，选取红、绿、蓝3个颜色来说明问题。由于3种颜色的波长不等，故用它们来照明全息图将得到3个相应颜色的像，其位置随波长变化，使它们稍有错开。但由于记录时物离全息干板非常近，所以3个波长的重现像的位错并不十分明显，而狭缝的位错却比较大，如图5.6.5所示。当眼睛处于某一波长狭缝的开口位置时，便能看到同波长的像。当眼睛从上向下移动时，可看到像的颜色依次由红变绿，再变蓝。当观察者向后移动到图中所示位置时，可同时透过3个缝看到像的3个不同部分，它们从上至下分别为红、绿、蓝色。当用白光照明时，则从上至下呈彩虹色，故称为彩虹全息图。由上面的讨论可见，狭缝是彩虹全息图的一个关键元件，其目的是为了能在白光照明下重现准单色像。普通全息图片若用白光照明重现，不同波长的光同时进入人眼时，将观察到不同颜色相互错位的重现像，造成重现像的模糊（即色模糊）；在彩虹全息照相中，狭缝起了分色作用，重现时不同波长的光对应不同的水平狭缝位置，通过某一狭缝位置只能看到某一准单色的像，从而避免了色模糊。总之，狭缝在观察者的眼前起到了一个单色滤光镜的作用，它使重现像的色彩更加鲜艳。

图5.6.5　用白光重现彩虹全息图

图5.6.6是一步彩虹全息图的另一种记录光路。狭缝S置于透镜焦点以内，在透镜同侧得到其放大的正立虚像S′；将物体A置于焦点以外，则其像成于透镜另一侧。重现时，用参考光的共轭光R*照明，形成狭缝的实像和物体的虚像，眼睛位于狭缝像处可以观察到重现的物体虚像A′，它是一个赝视像。当用白光来照明此全息图时，则每一种波长的光都形成一个狭缝的实像和一个物体的虚像，它们的位置随波长变化。

图5.6.6　一步彩虹全息图的另一种记录和重现方式(www.xing528.com)

一步彩虹术的优点是制作过程简单，噪声小；缺点是视场受透镜孔径限制较大。

2.二步法彩虹全息

二步彩虹包括两次全息记录，如图5.6.7所示。首先对物体记录一张菲涅耳离轴全息图H1，称为主全息图（Master Hologram），如图5.6.7（a）所示；然后将该全息图H1作为母片，用共轭参考光R*1照明产生物体的赝视像，将干板H2置于实像前，并在H1的后面放置一狭缝。这样，干板H2上得到的物光仅是从狭缝S透过的光波，如图5.6.7（b）所示；用会聚的参考光R2记录H2〔这是为了便于重现，见图5.6.7（c）〕，便得到一张二步彩虹全息图。重现时，用R2的共轭光照明H2，则产生第二次赝视像，由于H2记录的是原物的赝视像，故重现的第二次赝视像对于原物来说就是一个正常的像。与原物的重现像一起出现的是狭缝的重现像，它起一个光阑的作用，与图5.6.4中的狭缝类似。

图5.6.7　二步彩虹全息图的记录与重现

如果希望重现像能够呈现出更丰富的色彩，可以利用上述彩虹全息像的假彩色混合方法，用不同波长的激光对被拍摄物体进行多次曝光，这样获得的彩虹全息图其重现像呈现出新的混合色彩，称为彩色彩虹全息图。实际上也可采用多缝技术（将单个缝变为多个缝）。

二步彩虹全息术的优点是视场大、立体感强；缺点是二步记录工艺较为复杂，且由于经过了两次记录过程而带进较大的散斑噪声。

最后还必须指出几点：

（1）由于记录彩虹全息时用了一个狭缝，光能损失很大，因而狭缝的宽度应选择适当，缝太宽，重现时会产生“混频”现象，色彩不鲜艳；缝太窄，则通光量过小，影响效率。经验表明狭缝的宽度以5～8 mm为宜。

（2）在记录彩虹全息图时，由于成像光束受到了狭缝的限制，物体确定点的信息只记录在全息图沿缝方向上很狭小的区域内，故彩虹全息图在垂直于缝的方向上失去了立体感，其碎片已无法重现完整的物体像。

（3）从记录光路所示的情况看，当物竖直放置、狭缝水平放置时，参考光必须从斜上方自上而下入射，这给实际的光路调节造成困难。因此在记录时要将物体水平横卧，将狭缝竖直放置，使参考光平行于全息台台面斜入射即可。观察重现像时，全息图片要在面内旋转90°，以便双眼上下移动观察，选择不同颜色的准单色像。