激光全息摄影技术及其应用

2009年 第 5期 影 豫 选 激光全息摄影技术及其应用 马中洲 ，张凤晶，王晓娟 (空军航空大学特种专业系，长春 130022) 摘 要：激光全息摄影是一种能够记录景物反射光的振幅和相位信息的立体摄影技术。本文介绍了全息摄影 的概念、基本原理、特点及其应用，阐述了其与普通摄影的区别，并对激光全息摄影技术的发展进行了展望。 关键词 ：激光；全息摄影；摄影；振幅；相位 中图分类号 ：TB877 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001-0270(2009)05—0031-03 Laser Holography Technology and its Applications MA Zhong—zhou，ZHANG Feng~ing，WANG Xiao~uan (Special Information Department，Air Force Aviation University，Changchun 130022) Abstract：Laser holography is a kind of three·dimensional photographic technique to record the scene reflected light amplitude and phase inform ation．This paper introduces the concept．the basic principles，characteristics and applications of holography，expounds its distinction versus ordinary photography and the development prospect． Key W ords：laser；holography；photography；amplitude；phase 1 引言 在摄影中，照相机拍摄的景物只记录了景物的 反射光的强弱，也就是反射光的振幅信息(灰度)，而 不能记录景物的立体信息。而全息摄影技术能够记 录景物反射光的振幅和相位，是一种立体摄影技术。 为了获得清晰的全息图，要求光源性能特别好，只有 激光才能达到。所以，在激光出现之后，全息摄影技 术才迅速发展起来并获得了广泛的应用。 2 全息摄影技术概述 2．1 全息摄影的含义 英国物理学家丹尼斯·伽柏(Gabor)于1948年研 究怎样改善电子显微镜的分辨本领时，提出了全息摄 影原理，并因此获得了1970年诺贝尔奖金。“全息”的 意思为“全部信息”，即相对于只记录物体的 暗变化 的普通摄影来说，激光全息摄影还能记录物体的空间 变化。全息摄影是利用光的干涉把物光波的振幅和相 位同时记录下来，再利用光的衍射使之在一定条件下 再现，从而可以获得与物体十分逼真的三维图像。 2．2 全息摄影的基本原理及特点 全息摄影是一种“无透镜”的成像法，其过程可 分为两步：记录和再现。 (1)记录——光的干涉 拍摄全息照片的光路如图1所示，相干性极好的 氦氖激光器发出激光束，经分束镜被分成两束光，透 射的一束光经反射镜2和扩束镜射向被摄物体上，再 经物体表面漫反射后到达全息干板上，这束光称为 物光；反射的一束光经反射镜6和扩束镜直接均匀地 射向全息干版上，这束光称为参考光。参考光和物光 在全息干板上叠加便产生了干涉现象，在这种干涉 场中的全息干板经曝光、显影和定影等处理，就将被 摄物体的全部信息——振幅和相位的分布状况以干 涉条纹的形式全部记录下来。所得到的全息图显然 是一组复杂而不规则的干涉图样。 (2)再现——光的衍射 收稿 日期 ：2009一Ol一19 作者简介：马中洲(1960一)，男，副教授，主要从事摄影技术研究。 31 ^ ÷ l i 0 彝 畦羲鼻峨 影 像 技 术 图 1 全息摄影光路图 由于全息干板上记录的并不是物体的几何图 样，因而直接观察只能看到许多明暗不同的条纹、小 环和斑点等干涉图样，要看到原来物体的像，必须使 全息图再现原来物体发出的光波，这个过程就称全 息图的再现过程，它利用的是光栅衍射原理。 再现过程的观察光路如图2所示，一束从特定方 向或与原来参考光方向相同的激光束照射全息图，全 息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅。按光 栅衍射原理，再现光将发生衍射，其+1级衍射光是发 散光，与物体在原来位置时发出的光波完全一样，将 形成一个虚像，与原物体完全相同，称为真像；-1级衍 射光是会聚光，将形成一个共轭实像，称为赝像。当沿 着衍射方向透过全息图朝原来的被摄物的方位观察 时，就可以看到那个逼真的三维立体图像(虚像)。 在目前的技术条件下，尽管制作全息照片比普 通照片要复杂的多，但由于激光全息技术的独特优 点，因此受到了人们的普遍重视。其显著的特点和优 2009年 第 5期 势有如下几点： 1)由于全息照相记录了物体光波的全部信息， 其再现的物像就和原来的一模一样，是一个十分逼 真的立体像，这种立体像还具有视觉遮挡效果。 2)激光全息照片的每一微小部分都能再现原物 体的整个图像，所以全息照片即使有缺损，仍能再现 被拍摄物体的全部影像。 3)在同一张底片上适当地选择参考光波的入射 角，可多次曝光记录多个物体的信息，再现时每个物 像将不受其它物像的干扰，被单独地显示出来。 3 全息摄影与普通摄影的区别 普通摄影是根据几何光学原理，利用透镜光学 系统成像，在底片上只能显示出物体的平面图像。而 全息摄影是利用光的干涉记录和衍射再现的方法获 得与物体十分逼真的三维图像。全息摄影与普通摄 影的区别见表1。 表 1 全息摄影与普通摄影区别 类 别 全息摄影 普通摄影 记录方式 物光束与参考光束 光学镜头成像(物光束) 记录内容 物体散射光的强度及相位信息 景物本身或反射光强度 成像介质 记录后称全息片 感光胶片 影像观察方式 一般借助激光还原观看 眼睛直接观看 色彩表现 彩色干涉条纹图像 彩色物体图像 三度空间立体感的景物， 影像特点 平面物体图像 只有散射光线并无实物 由表1可以看出，全息摄影与普通摄影的成像的 方式、方法以及影像的特点都有很大的区别，而且全 32 ， 息摄影的成像过程要比普通摄影复杂得多。但是全 息摄影能够记录物光波的全部信息，原物具有三维 2009年 第 5期 影 像 技 术 ：t 2 翁 零 赣 舞 身研 结构时，再现像也有三维特性。因此，全息摄影比普 通摄影有很广泛的应用前景。 4 激光全息摄影技术的应用 4．1 全息显微术 全息摄影最初就是为了改进电子显微技术提出 来的。由于波前再现这一方法的特点，使得它更适宜 显微技术。因为用显微镜观察微小物体时，显微镜只 能聚焦在一定视场上 ，即只能看清被聚焦的那一部 分；而用全息摄影技术可以获得微小物体很清楚的立 体图像。全息显微技术的放大是借助于记录与重现过 程间光波波长改变及曲率半径改变而实现的。全息显 微镜最大优点是扩大了显微镜的景深。一般显微镜放 大倍数越大，景深越小。但在同样放大倍数下，全息显 微镜的景深可比一般显微镜扩大5倍。 4．2 全息存储技术 激光全息存储技术是一种利用激光干涉原理将 图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技 术。目前，这项信息存储技术是通过将缩微胶片上的 影像转变为光信息，然后制出存储密度更大的全息图 的方法实现的。激光全息存储技术具有以下特点：(1) 信息存储容量大。其信息存储密度比普通缩微影像的 存储密度高几十倍。(2)记录速度快。(3)记录信息不易 丢失。由于全息图中的每个细部都包含有被记录信息 的全部内容，因此，当全息图的局部被破坏时，其记录 的内容也不会丢失。㈤便于长期保存。记录在全息银 盐感光介质上的全息图具有能够长期保存的特点。试 验表明，银盐记录载体的保存寿命可达数百年以上。 (5)便于拷贝复制。利用全息拷贝机，通过接触拷贝、曝 光成像的方法，可方便地复制出多部全息拷贝片。 43 加密全息图像防伪技术 加密全息图像是指采用诸如激光阅读、光学微 缩、低频光刻、随机干涉条纹、莫尔条纹等等光学图像 编码加密技术，对防伪图像进行加密而得到的不可见 或变成一些散斑的加密图像。加密全息图像因其不可 见或只显现一片噪光，如没有密钥很难破译，所以具 有一定的防伪功能。 4．4 全息干涉测量技术 全息干涉计量能实现高精度非接触无损测量，对 任意形状、任意粗糙表面的物体均可测量，利用全息 图的三维性可从不同的视角去考察一个形状复杂的 物体，一个干涉计量全息图相当于一般干涉计量进行 多次观察的结果。另外，该计量术可对物体在不同时 刻的形状进行对比，探测其一般时间内的改变，由于 全息干涉计量技术的独特优点，目前该技术已应用于 无损检测、振动 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、微应力应变测量等领域。 45 全息技术在海洋学和军事中的应用 在海洋学中，用激光全息技术进行水下观察，比 直接用光学观察以及声纳那样的常规搜索和监视技 术优越得多。直接观察距离近，而常规的声纳不能提 供一个可辨认的像来对目标进行精确的辨认和分类。 但是，激光全息却可以在较大的视野内获得水下物体 的清晰的像。采用激光全息技术对于探测海中失落物 体、海底地形测绘、港岸码头水下建筑测量、海洋资源 考察、救生工作以及舰船导航和操纵潜艇在狭窄海峡 内航行等都是十分有价值的。 在军事学中，除光学全息外，还发展了红外、微波 和超声全息技术，这些全息技术在军事侦察和监视上 有重要意义。我们知道 ，一般的雷达只能探测到目标 方位、距离等，而全息照相则能给出目标的立体形象， 这对于及时识别飞机、舰艇等有很大作用。 5 结束语 激光全息摄像术是一种二步成像的摄像技术，获 得的信息是三维立体信息。随着因特网、宽带综合业 务数字网以及多媒体通信的迅速发展，对光通信系统 传输速率和宽带的要求越来越高，波分复用(WDM)、 光码分多址(OCDMA)和全光交换等新技术和新概念 应运而生，对光电子器件提出了越来越高的要求。全 息技术由于自身的特点，正在为光通信器件的研发提 出了新的思路和方法，逐渐引起人们的重视。因此，激 光全息技术的发展能够开拓巨大的应用市场，应不断 拓宽激光全息技术的应用领域 ，促进激光全息技术 和应用的进一步发展。 参考文献： [1]姚启均．光学教程(第二版)[M] E京：高等教育出版社，1989． [2]杨茂华．浅谈全息摄影技术[J]．宿州学院学报，2005，20(5)． [3]刘兴 良，刘飞虹．激光全息摄影技术[EB]．http：／／w~．pep． com ．C n． [4]于美文．光学全息及其应用 [M]．北 京：北京理工大学 出版 社 ，1996． [5]张瑛．全息照相实验的新思路[J]．大学物理，2002． ；j