全息照相的光路选择

全息照相的光路选择陈飞（湖州师范学院工学院，浙江湖州313000）摘要：理论上只要将物光和参考光的光路设计得能够发生干涉，就可以拍摄出全息照片，因此拍摄全息照片的光路不是唯一的。不同光路拍出的全息照片的效果有所不同，可以根据不同的被摄物体，选择不同的光路，以达到最佳的拍摄效果。关键词：全息原理,物光,参考光,安排光路ChoiceofHolographyLightPathChenYajun(CollegeofEngineering,HuzhouUniversity,Huzhou,ZhejiangProvince,China)Abstract:Thelightpathtotakephotosofhologramisnotunique,wecantakeaholographicpictureaslongastheobjectlightpathandthereferencelightpatharetheoreticallydesignedtomakeopticalinterferenceoccur.Differentpathsofraylayoutdifferenteffectsofopticalholographicpictures.Wemaychoosedifferentpathsofrayaccordingtodifferentobjectsinordertoachievethebestphotographyeffect.Keywords:principleofholography,Lightreflectionobject,referencedlight,arrangelightpath前言：全息照相是近代物理实验中的一个，它与普通照相的原理完全不同，后者仅仅是在感光底片上将物体发出的或它散射的光波强度（即振幅）分布记录下来，而把光波的位相分布这个重要的信息丢失了。因此，在所得到的照片中，物体的三维特征消失了。全息技术同时记录下物光的强度分布和位相分布，即全部信息。全息照相在记录光的相位和强度分布时，利用了光的干涉。在全息照相中就是引进一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，并将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来[1]。通过信息再现，就可以观察到物体的三维立体图像。根据全息照相原理，理论上只要将物光和参考光光路设计得能够发生干涉，就可以拍摄出全息照片，因此说来光路不是唯一的。下面介绍全息照相的光路选择方法。全息原理单物光束反射、透射全息照相光路实验装置如图１、图２所示[2]，从激光器Ｓ发出的光波被分束镜Ｔ分成2束，一束经Ｍ1反射和凸透镜扩束后照射在被摄物体上，经物体反射（图1）或透射（图2）的光再照射到全息干板Ｐ上，这束光为物光波。另一束经Ｍ２反射和扩束后直接照射在全息干板Ｐ上，这束光为参考光波。由于这2束光是相干的，所以在全息干板上就形成明暗相间的干涉条纹并被记录。条纹的形状和疏密反映了物光的位相分布情况，而条纹明暗的反差反映了物光的振幅。感光底片上将物光的信息都记录下来，经过显影、定影处理后，便形成与光栅相似结构的全息图，即全息照片[3]。图1反射全息图实验装置图2透射全息图实验装置物光与参考光应满足（1）参考光和物光的光程差的影响:参考光和物光的光程差不能太大,不能大于所用激光的相干长度,否则两者不能相干,无法在全息干板上获得干涉条纹。两束光的光程相等最好,最多不能超过2cm,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,干涉条纹就稀疏,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1：1~1：10之间都可以,光强比用硅光电池测出[4]。(2)参考光和物光的夹角的影响:假如全息干板上干涉条纹间的间距为d,光源波长为K,d与参考光和物光之间的夹角H有关(d=K/2sinH2),而干板分辨率G与d有关(G=1d=2sinH2/K),可以看出H角愈大,所记录的干涉条纹就越细,对干板的分辨率要求越高,故夹角H不能太大[5]。而夹角H对全息图再现象时的观察窗(视角)有影响,夹角大,可在较大范围内从不同角度观察物象,反之,观察窗则小,因此夹角H也不能太小[2]。(3)参考光和物光的光强比的影响:全息照相是物光与参考光的双光束干涉.对于一般双光束干涉来说,如果I1=I2,干涉条纹可得到最大的对比度,即条纹最低强度为零,同位相时最大强度为4I,这对一般线性接受元件是合适的[6]。而对全息照相的记录介质来说,曝光量和振幅透过率的特性曲线是非线性的,在曲线两端发生奇变(如图3所示),产生较高阶的衍射光,使衍射效率降低。另一方面,当物光比参考光强,斑纹比较显著,产生较大量的晕轮光围绕零级衍射光,降低了成象的光通量,致使效率降低[7]。图3干板的曝光特性安排和调整光路(1)光路摆放。按图1所示光路将,各元件大致摆放到各自的相应位置上,调整各元件,使各光束都与台面平行且与各元件中心重合,开始时不要加扩束镜。(2)测量光程。测量物光与参考光的光程,从分束镜开始,沿着光束的前进方向量至全息干板为止,按等光程按排光路为好,光程差不得大于1cm。(3)夹角选择。根据上面的分析,本实验中选择参考光和物光的夹角取20°~30°[8]为宜。(4)调节光强比。由上所述可知,要达到较好的效果,应使参考光增强,以避开非线性区,减少斑纹效应。但尽管用一束强光做物光,物光照到物体上经物体吸收后再反射到干板上的光已比参考光弱得多了,对于功率只有5mW的激光器,参考光和物光的光强比太大,会造成对比度差、象不清楚,所以又必须使物光增强。多次实验研究表明:被摄物如果是瓷器,应与全息干板距离较近(3~5cm),若拍摄硬币可与全息干板距离远一些(可达10cm)。放入扩束镜后,调节物体方位,使物体漫反射光的最强部分均匀地落在全息干板上,参考光应均匀照明并覆盖整个全息干板,两光光强比为3°~5°较为合适。综上所述，不同光路拍出的全息照片的效果有所不同。单物光束反射、透射全息照相光路，照射到物体上的光较强，容易控制物光和参考光的光比，再现照片反差大，轮廓分明，一般的全息照相实验大多选用该光路。但该方法拍摄的照片清晰度不高，层次较差[9]。一个好的光路，既要使物光和参考光能够发生干涉，还要保证干涉条纹间隔清晰，反差合适。所以要首先调整好物光和参考光的光程，以保证干涉能够发生，然后再调整物光与参考光束之间的夹角及物光和参考光的光强比，保证全息照片的清晰度和反差[10]。参考文献：[1]贾有权.材料力学实验[M].2版.北京:高等教育出版社,1984.[2]同济大学基础力学教研室.材料力学教学实验[M].2版.上海:同济大学出版社,2002.[3]金保森,卢智先.材料力学实验[M].北京:机械工业出版社,2003.[4]CherquiD,HussonE,HammoudR.Laparoscopicliverresections:afeasibilitystudyin30patients.AnnSurg,2000,232:753-76[5]单槟.全息照相实验条件的探讨[J].大学物理实验,1996(03)[6]刘白鸽,何真.全息照相实验的改进[J].物理实验,2002(09)[7]谭佐军,桂容.对全息照相实验的研究与改进[J].大学物理实验,2007(02)[8]孙萍.菲涅尔区域波片扫描全息照相技术译码图像噪声消除[J].北京理工大学学报,2005,14(3).[9]曹跃祖,赵英必.大学物理实验[M].北京:北京印刷工业出版社,1998.[10][美]CoulfieldHJ.光全息手册[M].北京:科学出版社,1988