全息照相在光學工程中的應用

1、<p>　　全息照相在光學工程中的應用</p><p>　　摘要：全息照相是一種不用普通光學成像系統(tǒng)的錄像方法，是六十年代發(fā)展起來的一種立體攝影和波陣面再現(xiàn)的新技術(shù)。由于全息照相能夠把物體表面發(fā)出的全部信息(即光波的振幅和相位)記錄下來，并能完全再現(xiàn)被攝物體光波的全部信息，因此，全息技術(shù)在生產(chǎn)實踐和科學研究領(lǐng)域中有著廣泛的應用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：全息照相；全息觀察&l

2、t;/p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　全息照相是大學物理里一個重要的光學實驗，它利用干涉方法記錄物體抵達攝影底片時的光波的振幅與相位的全部信息，最終呈現(xiàn)出一個原物體的立體像。這是一門成熟且有著重大應用前景的學科，必將對物理學的發(fā)展產(chǎn)生重要的意義。現(xiàn)在全息照相的技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應用，在生活中該技術(shù)可以用來信息儲存，圖像識別，從物體表面的研究

3、到振動分析等等，還廣泛滲透到軍事以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域?qū)ξ覀兊娜粘Ｉ钣兄匾挠绊憽?lt;/p><p>　　2 全息照片的拍攝原理</p><p>　　照相技術(shù)是利用了光能引起感光乳膠發(fā)生化學變化這一原理。這化學變化的濃度隨入射光強度的增大而增大，因而沖洗過的底片上各處會有明暗之分。普通照相使用透鏡成像原理，底片上各處乳劑化學反應的深度直接由物體各處的明暗決定，因而底片就記錄了明暗，或者說

4、，記錄了入射光波的強度或振幅。全息照相不但記錄了入射光波的強度，而且還能記錄下入射光波的相位。之所以能如此，是因為全息照相利用了光的干涉現(xiàn)象[1]。</p><p>　　全息照相沒有利用透鏡成像原理，拍攝全息照片的基本光路大致如圖 1 所示。來自同一激光光源（波長為λ）的光分成兩部分：一部分直接照到照相底片上，叫參考光：另一部分用來照明被拍攝物體，物體表面上各處散射的光也射到照相底片上，這部分光叫物光。參考光和物

5、光在底片上各處相遇時將發(fā)生干涉。所產(chǎn)生的干涉條紋既記錄了來自物體各處的光波的強度，也記錄了這些光波的相位。</p><p>　　干涉條紋記錄光波的強度的原理是容易理解的。因為射到底片上的參考光的強度是各處一樣的，但物光的強度則各處不同，其分布由物體上各處發(fā)來的光決定，這樣參考光和物光疊加干涉時形成的干涉條紋在底片上各處的濃淡也不同。這濃淡就反映物體上各處發(fā)光的強度，這一點是與普通照相類似的。</p>

6、<p>　　圖1 全息照片的拍攝</p><p>　　干涉條紋怎樣記錄相位的呢？請看圖 2，設(shè) O 為物體上某一發(fā)光點。它發(fā)的光和參考光在底片上形成干涉條紋。設(shè) a，b 為某相鄰兩條暗紋（底片沖洗后變?yōu)橥腹饪p）所在處，距 O 點的距離為 r 。要形成暗紋，在 a，b 兩處的物光和參考光必須都反

7、相。由于參考光在 a，b 兩處是相同的（如圖設(shè)參考光平行垂直入射，但實際上也可以斜入射），所以到達 a，b 兩處的物光的光程差必相差 λ。由圖示幾何關(guān)系可知 λ= sinθ dx 由此得  dx = λ / sinθ = λr / x &#

8、160;         （1） </p><p><b>　　圖2 相位記錄說明</b></p><p>　　這一公式說明，在底片上同一處，來自物體上不同發(fā)光點的光，由于它們的 θ 或  r 不同，與參考光形成的干涉條紋的間距就

9、不同，因此底片上各處干涉條紋的間距（以及條紋的方向）就反映了物光波相位的不同，這不同實際上反映了物體上各發(fā)光點的位置（前后、上下、左右）的不同。整個底片上形成的干涉條紋實際上是物體上各發(fā)光點發(fā)出的物光與參考光所形成的干涉條紋的疊加。這種把相位不同轉(zhuǎn)化為干涉條紋間距（或方向）不同從而被感光底片記錄下來的方法是普通照相方法中不曾有的。 </p><p>　　由上述可知，用全息照相方法獲得的底片并不直接顯示物

10、體的形象，而是一幅復雜的條紋圖像，而這些條紋正記錄了物體的光學全息。  </p><p>　　由于全息照片的拍攝利用光的干涉現(xiàn)象，它要求參考光和物光是彼此相干的[2]。實際上所用儀器設(shè)備以及被拍攝物體的尺寸都比較大，這就要求光源有很強的時間相干性和空間相干性。激光，作為一種相干性很強的強光源正好滿足了這些要求，而用普通光源則很難做到。這正是激光出現(xiàn)后全息技術(shù)才得到長足發(fā)展的原因。  </

11、p><p>　　3 全息圖像的觀察  </p><p>　　觀察一張全息照片所記錄的物體的形象時，只需用拍攝該照片時所用的同一波長的照明光沿原參考光的方向照射照片即可，如圖 3 所示。這時在照片的背面向照片看，就可看到在原位置處原物體的完整的立體形象，而照片就像一個窗口一樣。所以能有這樣的效果，是因為光的衍射的緣故。仍考慮兩相鄰的條紋 a

12、60;和 b，這時它們是兩條透光縫，照明光透過它們將發(fā)生衍射。沿原方向前進的光波不產(chǎn)生成象效果，只是強度受到照片的調(diào)制而不再均勻。沒原來從物體上 O 點發(fā)來的物光的方向的那兩束衍射光，其光程差一定也就是波長λ。這兩束光被人眼會聚將疊加形成 +1 級極大，這一極大正對應于發(fā)光點 O 。由發(fā)光點 O 原來的底片上各處造成的透光條紋透過的光的衍射的總效果

13、就會使人眼感到在原來 O 所在處有一發(fā)光點 O'。發(fā)光體上4  所有發(fā)光點在照片上產(chǎn)生的透光條紋對入射照明光的衍射，就會使人眼看到一個在原來位置處的一個原物的完整的立體虛象[3]。注意，這個立體虛象真正是立體的，其突出特征是：當人眼換一個位置時，可以看到物體的側(cè)面象，原來被擋住的地方這時也顯露出來了。普通的照片不可能做到這一點。人們看普通照片時也會有立體的感覺，那是因為人</p>

14、;<p>　　圖3 全息照片虛像的形成</p><p>　　全息照片還有一個重要特征是通過其一部分，例如一塊殘片，也可以看到整個物體的立體象。這是因為拍攝照片時，物體上任一發(fā)光點發(fā)出的物光在整個底片上各處都與參考光發(fā)生干涉，因而在底片上各處都有該發(fā)光點的記錄。取照片的一部分用照明光照射時，這一部分上的記錄就會顯示出該發(fā)光點的象。對物體上所有發(fā)光點都是這樣，所不同的只是觀察的“窗口”小了一點。這種點-

15、面對應記錄的優(yōu)點是用透鏡拍攝普通照片時所不具有的。普通照片與物是點-點對應的，撕去一部分，這一部分就看不到了[4]</p><p>　　圖4 全息照片的實像</p><p>　　還可以指出的是，用照明光照射全息照片時，還可以得到一個原物的實象，如圖4 所示。從 a 和 b 兩條透光縫衍射的，沿著和原來物光對稱的方向的那兩束光，其光程差也正好相差λ。它們將在和 O' 點對于全息照片對

16、稱的位置上相交干涉加強形成 -1 級極大。從照片上各處由 O 點發(fā)出的光形成的透光條紋所衍射的相應方向的光將會聚于 O'' 點而成為 O 點的實象。整個照片上的所有條紋對照明光的衍射的 -1 級極大將形成原物的實象。但在此實象中，由于原物的“前邊”變成了“后邊”，“外邊”翻到了“里邊”，和人對原物觀察不相符合而成為一種“幻視象”，所以很少由實際用處。</p><p>　　以上所述是平面全息的原理，

17、在這里照相底片上乳膠層厚度比干涉條紋間距小很多，因而干涉條紋是兩維的。如果乳膠層厚度比干涉條紋間距大，則物光和參考光有可能在乳膠層深處發(fā)生干涉而形成三維干涉圖樣。這種光信息記錄是所謂體全息。</p><p><b>　　4 全息的應用</b></p><p>　　全息照相是一種不用普通光學成像象系統(tǒng)的錄像方法，是六十年代發(fā)展起來的一種立體攝影和波陣面再現(xiàn)的新技術(shù)。由于

18、全息照相能夠把物體表面發(fā)出的全部信息(即光波的振幅和相位)記錄下來，并能完全再現(xiàn)被攝物體光波的全部信息，因此，全息技術(shù)在生產(chǎn)實踐和科學研究領(lǐng)域中有著廣泛的應用[5]。例如：全息電影和全息電視，全息儲存、全息顯示及全息防偽商標等。除光學全息外，還發(fā)展了紅外、微波和超聲全息技術(shù)，這些全息技術(shù)在軍事偵察和監(jiān)視上有重要意義。我們知道，一般的雷達只能探測到目標方位、距離等，而全息照相則能給出目標的立體形象，這對于及時識別飛機、艦艇等有很大作用。因

19、此，備受人們的重視。但是由于可見光在大氣或水中傳播時衰減很快，在不良的氣候下甚至于無法進行工作。為克服這個困難發(fā)展出紅外、微波及超聲全息技術(shù)，即用相干的紅外光、微波及超聲波拍攝全息照片，然后用可見光再現(xiàn)物象，這種全息技術(shù)與普通全息技術(shù)的原理相同。技術(shù)的關(guān)鍵是尋找靈敏記錄的介質(zhì)及合適的再現(xiàn)方法。</p><p>　　全息照相的方法從光學領(lǐng)域推廣到其他領(lǐng)域。如微波全息、聲全息等得到很大發(fā)展，成功地應用在工業(yè)醫(yī)療等方面

20、。地震波、電子波、X射線等方面的全息也正在深入研究中。全息圖有極其廣泛的應用。如用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機機翼蜂窩結(jié)構(gòu)的無損檢驗等。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　全息照相是利用干涉的方法來記錄物體抵達攝影底片時的光波的振幅與相位的全部信息，最終可以得到原物體的立體像。而今全息照相的原理在生活中各方面都有廣泛的應用。</p

21、><p><b>　　參考文獻:  </b></p><p>　　[1] 周泊松.理論力學教程[M].第三版.北京：高等教育出版社，2009:3.  </p><p>　　[2] 程守洙.普通物理學[M].第六版.第一冊.北京：高等教育出版社，2006:7-9. </p>&