全息照相光路的选择与调整

全息照相光路的选择与调整
作者：栗苹张明轩
来源：《中国教育技术装备》2009年第04期
摘要根据全息照相原理，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。

首先介绍几种常见全息照相的光路，对它们的优点和不足进行分析，进一步提出用多个物光束拍摄全息照片的新方法，并对光路的快速调整方法进行系统的探讨。

关键词全息照相；光路；物光；参考光
中图分类号：O438.1 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）04-0084-03
Choice and Adjustment of Holography Light Path//Li Ping, Zhang Mingxuan
Abstract The light path to take photos of hologram is not unique, because according to the principle of holography, we can take a holographic picture as long as the object light path and the reference light path are theoretically designed to make optical interference occur. Different paths of ray lay out different effects of optical holographic pictures. We may choose different paths of ray according to different objects in order to achieve the best photography effect. This paper introduces several kinds of common holographic optical paths, analyze their merits and weaknesses, further puts forward a number of new methods to take pictures of hologram using many object beams, and carries on a system discussion on the quick-adjusting method of light path.
Key words holography；light path；object light；reference light
Author’s address
1 College of Physics, Hebei Normal University, Shijiazhuang050016
2 Shijiazhuang College, Shijiazhuang050035
1 引言
光学全息照相是20世纪60年代发展起来的一门立体摄影和波阵面再现的新技术。

由于全息照相能够把物体表面上发出的光波的全部信息（即光波的振幅和位相）记录下来，并能完全
再现被摄物光波的全部信息，因此它在精密计量、无损检验、信息存贮和处理、遥感技术和生物医学等方面有着广泛的应用。

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。

从光的干涉原理可知：当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，产生的干涉图样，不仅依赖于每一束光各自的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差。

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。

下面介绍几种全息照相的光路及其调整方法。

2 光路的选择
2.1 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。

优点：实验装置简单，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。

缺点：由于被摄物体不是平面物体，而光又是沿线传播的，所以物体不能被全部照亮，干板上记录的影像信息只是物光束能照射到的部分，其他部分的像是暗的，照片层次较差。

2.2 双物光束漫反射全息照相光路为了克服单物光束拍摄全息照片的缺点，可以用2束光照射物体，照亮原单束光照不到的地方[3]，并在想突出表现的部位打上较强的光，从而使全息片层次更丰富，表现力更强。

从全息照相的原理考虑，物光束和参考光束必须是相干光，因此，它们必须来自同一光源，从同一光束中分离出来。

在单光束光路中又增加一个分束器T1，将原来的物光束一分为二，再经过反射镜、从2个不同方向照射到被摄物体。

光路如图3所示，其中T1为50%的分束器，和为新增加的反射镜，为第二束光的扩束器。

优点：克服了单光束光路在光线不能到达的地方产生暗区的缺点，使全息照片影像更清晰，层次更丰富。

缺点：实验装置较复杂，光路调整耗时较多。

2.3 多物光束漫反射全息照相光路用普通照相机拍摄物体时，为了使照片层次丰富，或为突出表现某种特殊效果时，摄影师往往用多束光来照射被摄物体。

全息照相也可以借鉴该方法，例如用透射全息照相光路，给物体一个背景光，光路如图4所示，使全息照片出现很强的立体感。

优点：全息照片影像层次更加丰富，并有很强的立体感。

缺点：实验装置更为复杂，光路和每个光束的光比调整较为困难。

3 光路的调整
3.1调整物光和参考光的光程，使二者尽量相等根据干涉原理，为了保证物光和参考光发生干涉，必须保证这2条光束的光程差不大于相干长度。

因为相干长度为，氦氖激光波长为632.8 nm，相应的Δλ≈0.002 nm，则可得I=20 cm。

布置光路时，在单物光束全息照相光路中，通常用合尺直接测量物光光路和参考光光路的几何长度，使二者尽量相等。

在双物光束全息照相光路中，应使两物光束和参考光的几何距离基本相等[4]，从而使物光和参考光的光程近似相等，以免宝贵的相干性由于光路布置上的粗心而得不到充分利用。

3.2调整物光与参考光束之间的夹角θ，使其在30º～45º之间根据干涉原理，如果在曝光过程中有λ/2的光程变化（λ=632.8 nm），则底片上原来干涉极大处变为极小，原来干涉极小处变为极大，结果引起干涉条纹的“混送”，最后底片上得到的只是一片均匀暴光，没有任何干涉条纹。

然而要求所有的摄制装置完全保持不动是不可能的（如地面的震动，光学零件支架的自振，以及空气的紊流等），试验表明，在曝光过程中有1/10的条纹间距移动是允许的[5]。

下面估计一下“条纹”的宽度。

假设参考光束垂直入射于底片上，而物光束以θ角入射，则根据d=λ/sinθ，当θ=30°，λ=632.8 nm时，可算出条纹宽度d=2λ≈103 nm，显然，在曝光时由于装置的不稳定而产生的“条纹”移动不应大于103 nm 的数量级。

从以上分析可以看出，夹角θ越大，干涉条纹的间距越小，条纹越密。

所以，在布置光路时总是要求2束光之间的夹角θ尽量小些，这样“条纹”的间距就会大些，对系统的防震措施和感光材料分辨率的要求就可以低些。

但考虑到图像再现时，使衍射光和零级衍射分得开一些，使实像和虚像不受其他分量的干扰，θ角要大于30°，通常θ应取在30º～45º之间比较合适[6]。

3.3调整物光和参考光的光强比，以1:4到1:10为宜全息照相的波前记录：设x-y平面为全息干板记录平面，底片上一点（x,y）处物光束O和参考光束R的复振幅分布分别为Oo(x,y)和Ro(x,y)：
)]
)] （1）
由于它们是相干光束，所以物光和参考光在底片上相干迭加后的光强分布为：
（2）
由于干涉条纹的反差记录的是物光振幅信息，所以物光的强度应大于参考光的强度[7]。

而且，二者比例一定要合适，否则将影响像的清晰度。

一般以1:4到1:10为宜[8]。

拍摄前，用测光表或硅光电池分别测每束光到达底片处的光强值，如参考光太强，可以移动L使光斑变大，衰减光强；也可以在该光路中加一衰减器（分束镜）。

另外，物光束和参考光束的大小可以通过调整凸透镜的位置实现，一定要使物光照亮整个被摄物体。

所拍摄的物体应有均匀的激光照明，且有较高的漫反射率。

物体的反射光和参考光在底片上重合，从而产生干涉。

调整物体的反射光和参考光，使其都能很好地照到底片架的中部即可[9]。

4 结论
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。

双物光束漫反射和多物光束漫反射2种全息照相光路，尽管整个光路和每个光束的光比调整过程较为复杂，但拍摄的全息照片影像层次更加丰富，并有很强的立体感。

因此，它在信息存贮和处理、
遥感技术和生物医学等方面有着广泛的应用。

应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[10]。

另外，能否成功拍摄好全息照片，不仅要根据需求选择光路，而且光路的调整也是至关重要的。

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。

参考文献
[1]吴思诚.近代物理实验[M].北京:北京大学出版社,1989
[2]王永昭.光学全息[M].北京:机械工业出版社,1981
[3]杨庆余,拾景忠.伽柏与全息术的诞生[J].物理实验,2002(09)
[4]秦颖,唐福深.快速调节全息照相光路的几个技巧[J].物理与工程,1996(02)
[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]唐福深.大学物理实验[M].大连:大连理工大学出版社,1993
[9]于美文,张静方.全息显示技术[M].北京:科学出版社,1989
[10][美]Coulfield H J.光全息手册[M].北京:科学出版社,1988。