全息照相原理与应用

１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。

1948年，丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法，随后用实验验证了这一想法，即全息术，并制成世界上第一全息图。全息术在刚开始的十多年中进展缓慢，直到激光的出现使得全息术获得巨大进展。总结全息照相的发展，可以分为四个阶段：第一阶段是用水银灯记录同轴全息图，这时是全息照相的萌芽时期，主要原因是没有好的相干光源，再现像和共轭像不能分离；第二阶段是用激光记录、激光再现的全息照相，能够把原始像和共轭像分离；第三阶段是激光记录、白光再现的全息照相，主要有反射全息、象全息、彩虹全息及合全息；第四阶段是当前所致力的方向，就是白光记录全息图。[1]

2 全息照相的原理

全息照相是一种二步成像的照相技术，它利用物光和参考光在感光胶片上进行干涉叠加形成全息照片，在运用衍射原理使之再现，因此全息照相的过程包括全息记录和全息再现两个过程。

2.1 全息记录

2-1图 全息记录

如图1所示，激光器射出的激光束通过分束镜分成两束，一束光经扩束镜扩束后直接投摄到感光底片上，这束光称为参考光，另一束光经反射镜反射及扩束镜扩束后射到被摄物体上，在经过物体反射到感光板上，这束光称为物光。两束光将在感光板上产生干涉，形成干涉条纹。设

物光波：()()()1,00,=A ,i x y U x y x y e ϕ-⋅% 参考光波：()()()2,,=A ,i x y R R

U x y x y e ϕ-⋅%

式中012,,,R A A ϕϕ分别为物光波参考光波的振幅和初相位。当两束光波发生干涉，其合成光波为：

()()()0,,+,R

U x y U x y U x y %%%= 合成光强为：()()()*

,,,I x y U x y U x y ⋅%%=

()()()()*00,,,,R R U x y U x y U x y U x y ⎡⎤⎡⎤=++⎣⎦⎣⎦

%%%% ()()()()()()()()12122

2

000,,+,,+ ,,i i R R R A x y A x y A x y A x y e A x y A x y e ϕϕϕϕ---=+

()()()()()22

0012= A , A ,2A ,A ,cos R R x y x y x y x y ϕϕ++-

式中各项物理意义：第一项是物光波产生的光强分布，第二项是参考光波的光强分布，第三项是干涉项它使光强在感光板上产生明暗相间的条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波的振幅分布，干涉条纹的几何特征记录了物光波的相位特征。[2]

2.2 全息再现

2-2图 全息再现

感光板记录的并不是物体的几何图形，而是物光波的振幅和相位的全部信息的不规则的干涉图样。必须用一个与参考光束相同的光波（即再现光）去照射全息图，才能看到所照射物体的全息像。再现过程如下：

设再现光复振幅分布为()U ,R x y %，全息图的振幅透过率为()()0

,=t ,t x y TI x y β+，则透过全息图的光场为：

()()()()()21211222220000

,,,+i i i R R R R R R U x y U x y t x y t TA A e TA A e TA A e TA A e ϕϕϕϕϕββββ----==+++%% 由上式可知透过全息图片的光波由四项容组成。[3]

第一项是被衰减的再现光，透过全息图形成背景光，是零级衍射波。

第二项是再现光方向上的透射光，但由于A 0一般较A R 小很多，因此此项可以忽略。 第三项是一级衍射波，是一衰减的和原物光波完全相同的波面，为光波的准确再现，逆着光波可以看到一逼真的立体图像，此像为虚像。

第三项是-1级衍射波所形成的与初像共轭的全息实像。

这样就可以看到衍射光形成的两个全息像，一实一虚。所看到的景物具有立体感，犹如现实中的物体一样。

3 全息图的特点

全息照相的原理决定了它有以下特点：

（1）三维性。因为全息图记录的是光波的全部信息，既振幅与相位同时记录在全息片上，图像具有显著的视差特性，可以看到逼真的三维图像。而普通的图像只是记录了振幅，得到的是二维平面图像。

（2）可分割性。全息照片被打碎后，它的任何一个碎片都能再现完整的被拍物体信息。

因为全息照相过程中，物面和像面之间是点面对应的关系。形成的全息照片中每一个局部都包含了物体各点的信息。

（3）信息容量大。可以转动底片角度拍摄多次。再现时作同样转动不同角度可以出现不同图像，也可以不转动底片而改变被拍物体的状态进行多次曝光，再现时可以互补干扰的出现不同的图像。

（4）亮度可变性。全息图的亮度随再现光的亮度改变而改变。再现光愈强，象的亮度愈大，反之愈暗。

（5）可放大或缩小。因为衍射角与波长有关，用不同波长的光照射全息图，再现象就会出现放大或者缩小。

4 全息照相应用

全息照相是一种不用普通光学成像系统的照相方法，是20世纪60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记录下来，并能完全再现被摄物体的全部信息。因此，全息技术在科技、文化、工业、农业、医药、艺术、商业、及军事等领域有着广泛的应用。[4]

4.1 制作全息光学元件

4.1.1 全息光栅

最简单的全息图是两个平面光波相干叠加而得到的全息图，这种全息图是一组平行等间距的直条纹，它与刻划光栅可起相同的作用，故称全息光栅。条纹的疏密与两束光之间的夹角有关，只要改变夹角，就可以得到不同光栅常数的光栅。全息光栅制作方法简单、成本低；美誉周期性误差，杂散光少，对环境要求低。