全息照相技术

全息照相技术建电131徐芳勤02内容摘要：全息照相是应用光的干涉来实现的，它用激光作光源，通过全息记录和再现过程实现，全息照相较之普通照相有许多优点，它既记录光波的振幅，又记录位相的全部信息，是一种利用波的干涉记录被摄物体反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术。全息摄影是通过一束参考光和被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干涉条纹而成。全息摄影不仅记录被摄物体反射光波的振幅（强度），而且还记录反射光波的相对相位。为了满足产生光的干涉条件，通常要用相干性好的激光作光源，而且光和照射物体的光是从同一束激光分离出来的。感光片显影后成为全息图。所以全息照相技术有重要的实际应用。关键词：全息照相，波的干涉，全息照片，全息摄影引言：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、相位、和波长。如果能看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。全息术诞生到现在60年来取得了很大的进展，已经被广泛应用于近代科学研究和工业生产中。1947年匈牙利出生的英国物理学家D.伽柏（D.Gabor）最先提出全息术的设想，意图提高电子显微镜的分辨本领。方法是完全撇开电子显微物镜，用胶片纪录经物体衍射的末聚焦的电子波，得到全息图。1962年苏前联科学家U.丹尼苏克（Denisyuk)提出了反射全息图的方法，第一次用普通的白织灯照明全息图观察到全息像。1965年，R.L.鲍威尔，K.A.斯泰特森提出全息干涉术。物体在施加应力前后经过两次全息曝光，再现的全息像上的等高线显示物体变形的状况。1968年，S.A.本顿发明彩虹全息术，由于可用白光观察全息图，看到记录物体的彩虹像，成为显示全息术的重要进展。它使后来通过模压技术批量生产全息图成为现实。从此全息术才真正的走出实验室，在生产实践和科学研究领域中成为了重要角色，以全息电影和全息电视，全息储存、全息显示及全息防伪商标等各种形式存在。全息照相原理：全息照相分为两步。第一步利用干涉法拍摄全息图（全息照片），如图1（a）所示。从激光器发出的相干光束，被分束镜分成两束光，一束光照明到被摄物体，从物体上反射或散射的物光射到感光胶片上。另一部分光束投射到反射镜，被反射的光波直接照射到感光胶片上，这束光称为参考光。物光与参考光在胶片上迭加干涉，产生的干涉图样即记录了物体振幅和位相的全部信息。这张具有干涉图样的胶片经过适当曝光与冲洗处理后，就是一张全息图（全息照片）。这一拍摄过程就是一个记录或储存信息（或波前）的过程。第二步是利用衍射原理进行物体的再现（重现）。由于全息照片记录的是两相干光相互干涉的结果，因此，与原来的被摄物体毫无相似之处。然而，当把全息图放回原处，用相干参考光（此时称为再现光束）照明全息图时，如图1（b）所示，这张具有干涉图样的全息图宛如一块复杂的光栅将发生衍射，在这些衍射光波中包含着原来的物光波，观察者迎着再现光波方向即可观察到一个逼真的、立体感很强的物体再现像。这是一个物光波前再现亦即成像的过程。不过，如果再现光束和原来的参考光束同向，得到的物像是虚像。如果用原相干光反向照射全息图，则得到的物像是实像。如果不用激光而用白光去照射，由于白光是由多种波长的光混合而成的，全息照片上的干涉条纹，就要同时对各种波长的光发生衍射。因而，全息照片上会出现很多重叠错位的像，使人无法看清楚。当然，如果我们在全息图的拍摄过程中采用诸如彩虹全息和反射式傅立叶变换全息等记录技术，则可以获得白光照明再现原物像的白光全息。图1全息记录与再现原理（a）全息图的记录光路（b）全息图的再现光路与像根据记录光路的不同，全息照相又分为透射式全息和反射式全息。现在我来就投射式全息照相重点讨论。投射式全息照相投射式全息照相是指重现时所观察的全息图透射光的成像。下面对平面全息图的情况作具体的数学描述。1.设来自物体的单设光波在全息干板平面上的复振幅分布O(x,y)=(,)]o(,)exp[oxyxyiA(1)称为物光波。同一波长的参考光波在于平板平面上的复振幅分布为：R(x,y)=(,)exp[(,)]RRAxyixy(2)称为参考光波。平板上的总复振幅分布为：U(x,y)=O(x,y)+R(x,y)(3)干板上的光强分布为：I(x,y)U(x,y)U*(x,y)(4)将（1），（2），（3）式代入（4）式中，得出：I(x,y)=2200000(,)exp[()]exp[()]RRRRRAAAAxyiAAi(5)适当控制曝光量和冲洗条件，可以是全息图的振幅透过率t(x,y)与曝光量E（与光强I成正比）成线性αβ关系，即t(x,y)(,)Ixy设t(x,y)=(,)xy(6)α,β为常数。这就是全息图的记录过程。由上面的描述可知，底片上干涉条纹的反衬度为：β=maxminmaxminIIII其实maxI=|A0+20min2||,|RRAAIA干涉条纹的间距则决定于（ψ)0R随位子变化的缓慢。对一定的ψR,AR来说，干涉条纹的明暗对比反映了物光波的振幅大小，及强度因子，干涉条纹的形状间隔反映了物光波的相位分布。因此底片记录了干涉条纹，也就记录了物光波前的全部信息--振幅和相位。2.波前重视用于参考光完全相同的光束照射全息图，透过光的复振幅分布是：Ut(x,y)=R(x,y)t(x,y)(7)将（2），（3）式代入上式，整理得出：2222000000(,)[()exp()exp()exp[(2(8))]tRRRRRUxyAAAiAAiAAi（8）式中的第一项，具有再现光的特性，是衰减了的再现光，这是0级衍射。（8）式的第二项，是原来的物光波乘—系数，它具有原来物光波的特性。如果用眼睛接收到这个光波，就会看到原来的“物”。这个再现像就是虚像，称为原始像。（8）中的第三项，具有与原物光波共轭的相位：exp（-i0),说明它代表一束会聚光，应形成一个实像。因为有一位相因子exp(2i0)存在，这个实像不在原来的方向上。这个像叫共轭像。通常把形成原始像的衍射光称为+1级衍射，把形成共轭像的衍射光称为级衍射。3.体全息图以上推导中假设乳胶层无限薄，全息图具有平面结构，但这仅在参考光与物光夹角很小（10度左右）时是成立的。当物光和参考光夹角较大时，相近条纹的间距（为乳胶层厚度），这样的全息图具有立体结构，就是所谓的“体积全息图”，其重现是三维衍射过程，衍射极大值应满足布拉格条件，重现时照明光必须以特定的角度入射，才能看到较亮的重现像。同时级衍射不会同时出现，因而不能同时看到虚像和实像。结论：由上面所论述的可得到全息照相理解：物体上的每个物点发射一个球面波，当这个球面波到达全息图时，它將和物体的强背景射出平面波相干涉（注意，前面已提到了可能的物体集有着很强的背景），球面波和平面波的干涉得到了干涉图样。在再现时，每个干涉图样的作用好似透镜一样（但光是由衍射而不是由折射引起偏折的），把一部分入射光聚焦成一个点，这个点就是产生特定的干涉图样的那个物点的像。“全息照相”就是一种利用波的干涉记录被摄物体反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术。全息摄影是通过一束参考光和被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干涉条纹而成。总结：随着科技的进步，全息照相在不断发展。在不久的将来，全息照相能为人们的生活带来更加丰富的体验。把全息干涉计量术与计算机图像处理技术相结合，借助光电图像传感器、大孔径面阵CCD器件和小型化的脉冲固体激光器等先进设备的出现，发展系统化、智能化、小型化的全息干涉计量装置将是未来全息干涉计量术的发展方向。[i]相信全息术会走向一个越来越成熟的阶段，使我们的生活色彩斑斓。参考文献：[1]苏显渝李继陶编著《信息光学》北京科学出版社出版1999年9月第一版[2]A.W.罗曼著虞祖良金国藩译《光学信息处理》清华大学出版社1987.7[3]李俊昌熊秉衡等编著《信息光学理论与计算》北京科学出版社2009