光学大作业全息照相

工程光学结课报告

全息照相

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全息照相

【摘要】全息照相的物理思想是英籍匈牙利科学家伽伯于1948年首先建立。全息照相的网基本原理是以波的干涉和衍射为基础的。因此它适用于微波、X射线波、电子波、光波和声波等一切波动过程，致使全息技术发展成为科学技术上一个崭新的领域，并在精密计量、无损检损、光学信息储存和处理、遥感技术等方面获得广泛的应用。近年来由于全息显示和全息图复制技术的发展，全息照相已经走出实验室，进入大众化、商品化的发展阶段。

【关键词】全息照相原理应用前景

【正文】

【引言】之所以会选择全息照相作为本次大作业的题目，主要是因为本学期开设了工程光学这门课，激发了我对光学的热爱，正好在大物实验的过程中进行了全息照相的实验，于是开始查资料，开始对全息照相这门技术进行学习。

一．全息照相的原理

物体上各点发出的光（或反射的光）是一种电磁波。借助于它们的频率、振幅和相位信息的不同，人们可以区分物体的颜色、明暗、形状和远近。普通照相用透镜将物体成像在感光底片平面上，曝光后，它记录了物体表面光强（光震动振幅的平方）的分布，却无法记录光震动的相位。因此，它得到的只是物体的一个平面像。所谓全息照相，它能够把光波的全部信息—振幅和相位，全部记录下来，并能完全再现被摄物光波的全部信息，从而再现物体的立体像。

实验室的全息照相实验仪器

1.全息照相的记录——光的干涉

全息记录过程是：把激光束分成两束；一束激光直接投射在感光底片上，称为参考光束；另一束激光投射在物体上，经物体反射或者透射，就携带有物体的有关信息，称为物光束.物光束经过处理也投射在感光底片的同一区域上.在感光底片上，物光束与参考光束发生相干叠加，形成干涉条纹，这就完成了一张全息图。

全息照相是利用光的干涉原理记录物光波的全部信息。下图是记录过程所用的实验原理光路图。氦—氖激光器HN射出的光束通过分光板S分成两束。一束经反射镜M2反射，再由扩束透镜L2使光束扩大后照射到被摄物体D上，经物体表面反射（或透镜）后照射到感光底片（全息干版）H上。这部分叫做物光（o 光）。另一束光经M1反射，L1扩束后直接投射到感光底片H上，这部分光叫做参考光（R光），两束光到达底片上的每一点都有确定的相位关系。由于激光的高度相干性，两束光早全息干板上叠加，形成稳定的干涉花样并被记录下来。

拍摄全息照片的原理光路图

如果把入射到底片上某一小区域上的物光和参考光化简为两束平行光的干涉，则形成的干涉条纹间距为d i=λ/（2*sin（θi/2））

式中λ——相干光波长

θi——物光与参考光之间的夹角

干涉图像中亮条纹和暗条纹之间亮暗程度的差异，取决于两束光波的强度（振幅的平方）之差等多种因素。

同一物点发出的物光在全息干板上不同的区域与参考光的夹角θi不相同，相应的干涉条纹的间距d i和走向也不相同。不同的物点发出的物光在全息干板上同一区域的光强以及与参考光的夹角也不相同，因此其干涉条纹的浓黑程度、疏密和走向也各不相同。

总的物光波可以看成由无数物点发出的光波的总和。因此在全息干板平面上形成的，是无数组浓黑程度、疏密、走向情况各不相同的干涉条纹的组合。曝光以后，经过显影和定影等处理过程，这张包含了物光波全部信息的干涉图样就被记录下来了。

2.全息照相的再现——光的衍射

全息再现的方法是：用一束激光照射全息图，这束激光的频率和传输方向应

该与参考光束完全一样，于是就可以再现物体的立体图象。人从不同角度看，可看到物体不同的侧面，就好像看到真实的物体一样，只是摸不到真实的物体。全息成像是尖端科技，全息照相和常规照相不同，在底片上记录的不是三维物体的平面图象，而是光场本身。常规照相只记录了反映被拍物体表面光强的变化，即只记录光的振幅，全息照相则记录光波的全部信息，除振幅外还记录了光波的图相。即把三维物体光波场的全部信息都贮存在记录介质中。

全息照相在全息干板上记录的不是被摄物体的直观形象，而是无数组干涉条纹复杂的组合。其中每一组干涉条纹有如一组复杂的光栅。因此我们观察全息照相时，必须采用一定的再现手段，即用拍摄时相同的激光照明光（再现光），并使它与全息干板的夹角与拍摄时参考光和全息干板的夹角相同。再现观察时所用光路如下图所示。在再现光照照射下，全息照片相当于一块透过率不均匀的障碍物。再现光照射在这样一幅复杂而又极不规则的光栅的集合体就产生了衍射图像。其中+1级衍射光形成一个虚像，与原物完全对应；-1级衍射光形成一个实像；0级光仍按再现光原方向传播。迎着+1级衍射光去观察，在原先拍摄时放置物体的位置上，就能看见与原物形象完全一样的立体想像。

全息照片的再现光路图。

全息照片的再现光路

二．全息照相的特点

第一，它再现出来的像是跟原来物体一模一样逼真的立体像，跟直接观察实物感觉完全一样。

全息照片所再现的被摄物体物体形象是一个三维立体像。当人们移动眼睛从不同角度观察时，就好像面对原像一样，可看到它的不同侧面。在某个角度被物遮住的另一物体，也可以在另一角度看到它。

第二，把全息照片分成若干小块，每一小块都可以完整地再现原来物体的像，所以全息照片既使有缺损，也不会使像失真。

第三，在同一张感光片上可以重迭记录许多像，这些像能够互不干扰地单独显示出来。在某次全息拍摄曝光后，只要稍稍改变全息干板的方位（如转动一个小角度），或改变参考光束的入射方向，就可在同一干板上重叠记录，并能互不

干扰的地再现各自的图像。如果全息记录过程光路各部分部件都严格保持不变，只使被摄物体在外力作用下发生微笑的位移或者形变，并在变形前后重复使全息干板曝光，则再现时物体变性前后、后两次记录的物光波同时再现，并形成反映物体形态变化特征的干涉条纹。这就是全息干涉计量的基础。

第四，全息照片很易复制。

第五，若用不同波长的激光束全息照相，再现像可以得到放大或缩小。再现光的波长大于原参考光时，像被放大；反之缩小。

第六，全息照相再现出物光波是再现光束的一部分。因此，再现光束越强，再现出的物光就越亮。实验指出，亮暗的调节可达到103倍。

三．全息照相的应用

在我们的生活中，当然也常常能看到全息摄影技术的运用。比如，在一些信用卡和纸币上，就有运用了俄国物理学家尤里·丹尼苏克(Yuri Denisyuk）在20世纪60年代发明的全彩全息图象技术制作出的聚酯软胶片上的“彩虹”全息图象。但这些全息图象更多只是作为一种复杂的印刷技术来实现防伪目的，它们的感光度低，色彩也不够逼真，远不到乱真的境界。研究人员还试着使用重铬酸盐胶作为感光乳剂，用来制作全息识别设备。在一些战斗机上配备有此种设备，它们可以使驾驶员将注意力集中在敌人身上。

把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来，展出时可以真实地立体再现文物，供参观者欣赏，而原物妥善保存，防失窃，大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照。小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰，它可再现人们喜爱的动物，多彩的花朵与蝴蝶。迅猛发展的模压彩虹全息图，既可成为生动的卡通片、贺卡、立体邮票，也可以作为防伪标识出现在商标、证件卡、银行信用卡，甚至钞票上。装饰在书籍中的全息立体照片，以及礼品包装上闪耀的全息彩虹，使人们体会到21世纪印刷技术与包装技术的新飞跃。

模压全息标识由于它的三维层次感，并随观察角度而变化的彩虹效应，以及千变万化的防伪标记，再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合，把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌顶点。

综上所述，全息照相是一种不用普通光学成象系统的录象方法，是六十年代发展起来的一种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发出的全部信息（即光波的振幅和相位）记录下来，并能完全再现被摄物体光波的全部信息，因此，全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用。例如：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。

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。因此，备受人们的重视。但是由于可见光在大气或水中传播时衰减很快，在不良的气候下甚至于无法进行工作。为克服这个困难发展出红外、微波及超声全息技术，即用相干的红外光、微波及超声波拍摄全息照片，然后用可见光再现物象，这种全息技术与普通全息技术的原理相同。技术的关键是寻找灵敏记录的介质及合适的再现方法。

超声全息照相能再现潜伏于水下物体的三维图样，因此可用来进行水下侦察和监视。由于对可见光不透明的物体，往往对超声波透明，因此超声全息可用于