全息照相及其应用

全息照相及其应用 摘  要：全息照相与普通照相不同，普通照相只记录了被摄物体表面反射光的强度                                                                                信息，形成的是二维平面图像，其像点与物点一一对应。而全息照相利用波的干涉，借助参考光记录物体光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质上得到的不是物体的像，而是只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密条纹。随着科技的发展，全息技术已经得到非常广泛的应用。本文首先回顾了全息照相的历史，其次通过对全息照相原理的介绍,肯定了全息照相的拍摄要求，最后介绍了全息照相的应用，并对全息术的应用前景进行了展望。      关键词：全息照相；全息应用；应用前景 Hologram and Its Application Abstract: Hologram is different from ordinary photograph which only records the light                                                                            intensity of the subject surface. Therefore, the image recorded by ordinary photograph is a two-dimensional image, and one point of the image is corresponding to the one point of the object. While hologram records the information of amplitude and phase of object waves by making use of interference of waves and through interference light. The image of the object can’t be gotten from the recording medium, but some fine stripes that are only observed in the high-power microscope. With the development of technology, holographic technology has been very widely used. This paper firstly reviews the history of hologram. Then the holographic principle is introduced and the recording requirements of hologram are affirmed. Finally, the paper gives an introduction about the application of hologram and has an outlook about the application prospect of hologram.    Key words: Hologram; Holographic applications; Application prospect 我们看到的世界是三维的、彩色的,这是因为每个物体发射的光被人眼接受时,光的强弱、射向和距离、颜色都不同。从波动光学的观点看,是由于各物体发射的特定的光波不同,光的特征主要取决于光波的振幅,位相和波长。如果能得到景物光波的完全特征,就能看到景物逼真的三维像,这就是全息术。全息照相利用波的干涉，记录被摄物体反射（或透射）光波中的信息（振幅、相位），我们把这种既记录振幅又记录相位的照相称为全息照相[1]。全息照相是以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，借助于参考光记录物体光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质上得到的不是物体的像，而是只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密条纹，这些条纹记录了光波的强度，之所以能够记录光波的强度，其原因是参考光照射到底片上的强度是各处一样的，但物光强度则各处不同，其分布由被摄物体上各处发来的光决定，这样参考光和物光叠加干涉时形成的干涉条纹在底片上各处的浓度也就不同。这种浓度反应物体上各处发光的强度，这一点与普通照相相类似。 全息照相经过半个多世纪的发展，目前在国内外已有较成熟的理论，在生产生活中也有越来越广泛的应用，其中，全息存储、显示全息、模压全息、全息干涉计量、计算全息已有广泛的应用，随着全息技术的不断发展，全息照相以其高端的实用性向经济、生活、国防、军事等领域逐步迈进，在不久的将来，全息照相的各种应用会进一步地提高和完善，并且，全息照相也将进入更加广泛的实用领域。 1 全息照相的历史 1948年,丹尼斯· 伽柏提出一种记录光波振幅和相位的方法,随后用实验证实这一想法,即全息术,并制成世界上第一张全息图[2]。伽柏本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想,虽然未能用电子波证实其原理,但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期,全息图制作具有以下共同特点:全息图都是用汞灯作为光源,而且是所谓同轴全息图,即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图,标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题,其一是再现的原始像和共轭像分不开,其二是光源的相干性太差。因此在这十多年中,全息术进展缓慢。1960年激光的出现,提供了一种高相干度光源,为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题,利思和乌帕特尼克斯(1962) 提出,将通信理论中的载频概念推广到空域中,用离轴的参考光与物光干涉形成全息图,再利用离轴的参考光照射全息图,使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量,其中一个复制出原始物光[3]。该方法被称为离轴全息术,这是第二代全息术。第二代全息术与第一代相比，解决了原始像和共轭像分不开和光源相干性差的问题,并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展,但是由于第二代全息术是用激光再现全息图像，这使全息图失去了色调信息。科学家们开始致力于研究第三代全息图，这是用激光记录,而用白光再现的全息图。白光再现全息照相要求全息底片感光乳胶层较厚, 约15μm-20μm左右, 而且分辨率要达到6000线/mm以上, 这样才能产生高密度的干涉条纹[4]。第三代全息术已经在很多领域得到了应用,例如:像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。激光的高度相干性,要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变,这也给全息技术的实际应用带来了种种不便。于是,科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性，它是第四代全息图,它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室,进入更加广泛的实用领域。 2 全息照相基本原理 2.1基本原理 麦克斯韦理论告诉我们,光是某一波段的电磁波,振幅、频率 (波长)和相位表示了光的全部信息。从被摄物体上各点反射出来的光不仅强度不同,而且位相也不同。普通照相是利用透镜成像原理,在感光胶片上只记录被摄物体表面反射光的强度 (振幅)变化---形成二维平面像,而对于反射光的位相信息却没有记录，这样，普通照相底片上的像点与物点便成一一对应的关系，这种平面像毫无立体感。而全息照相则是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助于所谓参考光波与原物光波的相互作用，记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹，这种干涉条纹不仅保存了物光波（从物体反射的光波）的振幅信息，同时还保存了物光波的位相信息，如图1所示。 图1 全息照相原理图 将一束相干光( 激光) 垂直照射在两条平行狭缝S1和S2上,通过S1和S2发出的两束光,在屏幕D上迭加成干涉条纹。如果把狭缝S2看作物体, S1作为参考光束, 则屏幕D上的干涉条纹就是物体S2的全息图,用照相底片将它记录下来就得到一张狭缝S2的全息照片。如果狭缝S2用其他实物替代,则可拍到实物三维空间的立体全息照片。这种记录了干涉条纹的全息照片可以看作是个复杂的衍射光栅，当用与原参考光波相同的光再照射该光栅时，其衍射波能重现原来的物光波，在照片后就可以观察到原被照物的三维图像。 2.2 全息照相记录过程[5] 普通照相只记录了物体各点的光强信息（反映在振幅上），丢掉了位像信息，得到的是一个二维平面图像，毫无立体感。而全息照相既记录了物体各点的光强信息，又记录了物体各点的位相信息，得到的是三维空间的立体像。 全息照相是利用光的干涉进行全息记录的，如图2所示。 图 2　全息照相记录光路 设照相底片所在平面为X-Y平面,物光波O和参考光波R均为平面波,令: (1)                                   (2) 据叠加原理,底片上的总场为: (3) 到达底片上的光强是它们合振幅的平方,即: (4) 式中O02 ,R02分别是物光波与参考光波各自独立照射底片时的光强度；第三、四项为物光与参考光之间的相干项。它们把物光的位相信息转化成不同光强的干涉条纹记录在干涉场中照相底片上。 可见，全息底片记录下来的干涉条纹光强分布包含了物光波在底片上各点的振幅和位相，因为底片上某点的光强是到达该点的参考光波与到达该点的整个物光波干涉的结果。物体上不同点由不同方向射到该点的物光都对该点的光强有贡献，这一点与普通照相底片上的像点与物点一一对应不同。全息照片底片上的任何一小部分都记录着所有物点的信息，因此，通过全息照片的一块碎片也能看到整个物体的像。 2.3 全息照相再现过程 曝光后的底片经过显影与定影后，得到透光率各处不同(由曝光时间及光强分布决定)的全息片，考虑振幅透射率T(＝透射光的复振幅／入射光的复振幅)是曝光量的 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 ，选择合适的曝光量及冲洗条件，可以使得T与曝光时的光强I之间为线性关系: (5) 式中T0为未曝光部分的透射率，K为小于1的比例系数，它们均为常量。 当以原参考光为再现光入射全息照片时，透射光波应是： （6） 上式表明，透射光包含三部分： 第一项 是 按一定比例重建的参考光，沿原来方向传播，即光栅的零级衍射。 第二项 与物光振动方程 一样,只是振幅多乘了一个系数KR02；这便是按一定比例重建的物光波，相当于一级衍射波。根据基尔霍夫衍射原理，这一场分布决定了全息图后面的衍射空间有一个与原始物光波振幅和位相的相对分布完全相同的衍射波。正是这一光波形成了与物体完全逼真的三维立体图像，从不同的角度去观察，能看到原被遮住的侧面。 第三项 与物光波的共轭光波有关，它是因衍射而产生的另一个一级衍射波，称为孪生波，它在有些情况下会形成一个发生畸变的，并且在观察者看来物体的前后关系与实物相反的实像。 全息照相还具有多次记录性，用几束不同方向的参考光可以在同一张底片上分别记录几个不同的物体，用相应方向的参考光可以分别再现各自独立、互不干涉的图像。如果一个物体的形状随时间发生变化，那么若在同一张全息底片上相继进行两次重复曝光，再现时，前后两个全息图同时再现，并且两个像的再现光之间会因干涉而形成干涉条纹。根据干涉条纹的分布可以计算物体表面各点位移的大小和方向。在此基础上发展了一门新的测量物体微小变化的全息干涉技术。 3 全息照相拍摄要求及特点 3.1 全息照片拍摄系统必须具备的条件[6,7] (1) 光源必须是相干光源 通过前面分析知道，全息照相是根据光的干涉原理，所以要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现，为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性，实验中采用He-Ne激光器，用其拍摄较小的物体，可获得良好的全息图。 (2) 全息照相系统要具有稳定性 由于全息底片上记录的是干涉条纹，而且是又细又密的干涉条纹，如卤化银全息干板分辨率可达每毫米3000条，所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，甚至使干涉条纹无法记录。比如，拍摄过程中若底片位移一个微米，则条纹就分辨不清，为此，要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上。另外，气流通过光路，声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此，在曝光时应该禁止大声喧哗，不能随意走动，保证整个实验室绝对安静。 (3) 物光与参考光应满足的条件 物光和参考光的光程差应尽可能相等，满足等光程原则，调光路时用细绳量好；两束光之间的夹角要在30°～60°之间，最好在45°左右，因为夹角小，干涉条纹就稀，这样对系统的稳定性和感光材料分辨率的要求较低；两束光的光强比要适当，一般要求在1∶3～1∶5之间都可以，光强比用硅光电池测出。