全息照相原理及應(yīng)用

1、 引言我們看到的世界是三維的、彩色的，這是因為每個物體發(fā)射的光被人眼接受時，光的強弱、射向和距離、顏色都不同。從波動光學(xué)的觀點看，是由于各物體發(fā)射的特定的光波不同， 光的特征主要取決于光波的振幅、相位、 和波長。 如果能看到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三維像，這就是全息術(shù)。全息術(shù)誕生到現(xiàn)在60 年來取得了很大的進展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于近代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中。1948 年， 丹尼斯· 蓋伯提出一種記錄光波振幅和相位的方法，隨后用實驗驗證了這一想法，即全息術(shù)，并制成世界上第一張全息圖。全息術(shù)在剛開始的十多年中進展緩慢，直到激光的出現(xiàn)使得全息術(shù)獲得巨大進展?？偨Y(jié)全息照相的發(fā)展，可

2、以分為四個階段：第一階段是用水銀燈記錄同軸全息圖，這時是全息照相的萌芽時期，主要原因是沒有好的相干光源，再現(xiàn)像和共軛像不能分離；第二階段是用激光記錄、激光再現(xiàn)的全息照相，能夠把原始像和共軛像分離；第三階段是激光記錄、白光再現(xiàn)的全息照相，主要有反射全息、象全息、彩虹全息及合全息；第四階段是當(dāng)前所致力的方向，就是白光記錄全息圖。1河北大學(xué)2013 屆本科生學(xué)年論文（課程設(shè)計）全息照相的原理全息照相是一種二步成像的照相技術(shù)，它利用物光和參考光在感光膠片上進行干涉疊 加形成全息照片，在運用衍射原理使之再現(xiàn)，因此全息照相的過程包括全息記錄和全息再現(xiàn)兩個過程。2.1 全息記錄2-1 圖 全息記錄如圖 1

3、所示，激光器射出的激光束通過分束鏡分成兩束，一束光經(jīng)擴束鏡擴束后直接投攝到感光底片上，這束光稱為參考光，另一束光經(jīng)反射鏡反射及擴束鏡擴束后射到被攝物體上，在經(jīng)過物體反射到感光板上，這束光稱為物光。兩束光將在感光板上產(chǎn)生干涉，形成干涉條紋。設(shè)物光波：U 0 x,y =A 0 x, y e i 1 x,y參考光波：U R x, y =A R x, y e i 2 x,y式中A0,AR, 1, 2分別為物光波參考光波的振幅和初相位。當(dāng)兩束光波發(fā)生干涉，其合成光波為：U x,y =U0 x, y +UR x, y*合成光強為：I x, y =U x, y U x, yU 0 x, y U R x,y

4、U 0x, y U R x, y522i12i12A0x, yARx, y+A0x, yARx, y e+ A0x, yARx, y e22= A 0 x, y AR x, y 2A0 x, y A R x, y cos 12式中各項物理意義：第一項是物光波產(chǎn)生的光強分布，第二項是參考光波的光強分布，第三項是干涉項它使光強在感光板上產(chǎn)生明暗相間的條紋。干涉條紋的反襯度記錄了物光波的振幅分布，干涉條紋的幾何特征記錄了物光波的相位特征。22.2 全息再現(xiàn)感光板記錄的并不是物體的幾何圖形，而是物光波的振幅和相位的全部信息的不規(guī)則的干涉圖樣。必須用一個與參考光束相同的光波（即再現(xiàn)光）去照射全息圖，才能

5、看到所照射物體的全息像。再現(xiàn)過程如下：設(shè)再現(xiàn)光復(fù)振幅分布為U R x, y ，全息圖的振幅透過率為t x, y =t0 TI x, y ，則透過全息圖的光場為：U x,y UR x,y t x,yt0TAR2 ARe i 2+ TARA02e1TAR2A0e i 1TAR2A0e i2 2 1由上式可知透過全息圖片的光波由四項內(nèi)容組成。3第一項是被衰減的再現(xiàn)光，透過全息圖形成背景光，是零級衍射波。第二項是再現(xiàn)光方向上的透射光，但由于A0一般較AR小很多，因此此項可以忽略。第三項是一級衍射波，是一衰減的和原物光波完全相同的波面，為光波的準(zhǔn)確再現(xiàn)，逆著光波可以看到一逼真的立體圖像，此像為虛像。第三

6、項是 -1 級衍射波所形成的與初像共軛的全息實像。這樣就可以看到衍射光形成的兩個全息像，一實一虛。所看到的景物具有立體感，猶如現(xiàn)實中的物體一樣。河北大學(xué)2013 屆本科生學(xué)年論文(課程設(shè)計)3 全息圖的特點全息照相的原理決定了它有以下特點：1) 三維性。因為全息圖記錄的是光波的全部信息，既振幅與相位同時記錄在全息片上，圖像具有顯著的視差特性，可以看到逼真的三維圖像。而普通的圖像只是記錄了振幅，得到的是二維平面圖像。2) 可分割性。全息照片被打碎后，它的任何一個碎片都能再現(xiàn)完整的被拍物體信息。因為全息照相過程中，物面和像面之間是點面對應(yīng)的關(guān)系。形成的全息照片中每一個局部都包含了物體各點的信息。3

7、) 信息容量大?？梢赞D(zhuǎn)動底片角度拍攝多次。再現(xiàn)時作同樣轉(zhuǎn)動不同角度可以出現(xiàn)不同圖像，也可以不轉(zhuǎn)動底片而改變被拍物體的狀態(tài)進行多次曝光，再現(xiàn)時可以互補干擾的出現(xiàn)不同的圖像。4) 亮度可變性。全息圖的亮度隨再現(xiàn)光的亮度改變而改變。再現(xiàn)光愈強，象的亮度愈大，反之愈暗。5) 可放大或縮小。因為衍射角與波長有關(guān)，用不同波長的光照射全息圖，再現(xiàn)象就會出現(xiàn)放大或者縮小。#河北大學(xué)2013 屆本科生學(xué)年論文（課程設(shè)計）4 全息照相應(yīng)用全息照相是一種不用普通光學(xué)成像系統(tǒng)的照相方法，是20 世紀(jì) 60 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)出的全部信息記錄下來，并能完全再現(xiàn)被

8、攝物體的全部信息。因此，全息技術(shù)在科技、文化、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、藝術(shù)、商業(yè)、及軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。44.1 制作全息光學(xué)元件4.1.1 全息光柵最簡單的全息圖是兩個平面光波相干疊加而得到的全息圖，這種全息圖是一組平行等間距的直條紋，它與刻劃光柵可起相同的作用，故稱全息光柵。條紋的疏密與兩束光之間的夾角有關(guān)，只要改變夾角，就可以得到不同光柵常數(shù)的光柵。全息光柵制作方法簡單、成本低；美譽周期性誤差，雜散光少，對環(huán)境要求低。4.1.2 全息濾波片用夾角接近，且垂直于記錄介質(zhì)表面的兩平面波相干疊加制得的全息圖就是一張濾光片。當(dāng)某復(fù)色光入射時，只有滿足布喇格衍射條件的某波長的光才能再現(xiàn)出來，從而起

9、到濾光作用，單波半寬度較干涉濾光片窄。4.1.3 全息透鏡用兩球面光波，或者一平面光波和一球面光波相干疊加所制得的全息圖就是一個全息透鏡。這種全息圖的透鏡作用，類似于菲涅耳波帶片的作用。4.1.4 全息掃描器可以由照相得到，但大多數(shù)情況下有計算機產(chǎn)生。通常是把一記錄介質(zhì)分割成若干等分，每一部分都是按所需要的兩束相干光疊加而得到全息圖。再現(xiàn)時，用一束已知的光照射全息圖，同時按一定規(guī)律移動這個全息圖，就會在預(yù)定的位置得到再現(xiàn)光而且隨著全息圖的移動，再現(xiàn)光的方向不斷改變著，所以把它叫作全息光偏析器。4.2 全息存儲全息存儲是利用全息照相的技術(shù)原理來實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的。這一概念是Dennis Gabor在

10、 1984 年為提高電子顯微鏡的分辨率而提出的。他的最大優(yōu)點是超高密度，不僅如此，全息存儲還具有極大的提升潛力，只要控制芯片具有足夠強的數(shù)據(jù)處理能力，全息存儲技術(shù)甚至可以提供高達1000TB的容量。相比之下，目前硬盤的最大容量才2TB，這個容量只相當(dāng)于全息存儲的“立方體糖塊”的一個小碎片所提供的存儲能力。全息存儲技術(shù)將可成為最有希望的新一代存儲技術(shù)。原因是：（ 1）全息存儲具有存儲容量大的優(yōu)勢。5（ 2）全息存儲具有極大的冗余性，存儲介質(zhì)的局部缺陷和損傷不會引起信息丟失。（ 3）全息存儲具有數(shù)據(jù)讀取速率高和可并行讀取的特點。近年來隨著光電技術(shù)和器件的發(fā)展，全息存儲的理論和方法的發(fā)展使這項技術(shù)日

11、趨成熟，但是全息圖的壽命問題仍有待解決。4.3 全息干涉測量全息干涉測量是將不同物光，在不同的時間記錄在同一張全息干板上，然后利用全息術(shù)的空間波前再現(xiàn)原理，非接觸的對物體表面進行三維測量而獲得信息。全息干涉測量廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)無損檢測、物體形變位移測量、應(yīng)力應(yīng)變分析、振動分析等領(lǐng)域。目前我國全息干涉測量設(shè)備方面主要發(fā)展有6 ： （ 1）用于測試火箭發(fā)動機噴霧化特性的YSCI 型離子瞬態(tài)激光全息測試儀；（ 2）用于激光熱核聚變稠密等離子體電子密度測量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外線激光全息探測儀；（ 3）包括記錄、再現(xiàn)、圖像處理三部分的瞬態(tài)激光全息干涉儀測試系統(tǒng)；（ 4）用于航空、航天、石油化工等部

12、門常用的膜盒進行位移檢測的激光全息光柵精密測試系統(tǒng)。4.4 顯示全息該技術(shù)在激光透射全息圖片的基礎(chǔ)上制作各種類型的全息圖片，如白光透射、反射全息圖片等，這些圖片可用于投影、室內(nèi)裝修、舞臺布景、建筑等；7 再如以動態(tài)顯示的全息術(shù)、 層面X照相術(shù)、3DCAD技術(shù)、3D動畫片等充分展示了全息術(shù)的創(chuàng)造性魅力和藝術(shù)美。4.5 模壓全息把全息圖片壓印到一定的材料上，用白光再現(xiàn)時，可以得到色彩艷麗而逼真的三維圖像。模壓全息的制作過程分為三個階段: 激光攝制原片全息圖；電成型制金屬模板；模壓復(fù)制。 8模壓圖片技術(shù)含量高，并帶有保密性，可以防止復(fù)制，將全息防偽標(biāo)志記錄、存儲或轉(zhuǎn)移到護照、信用卡、及化妝品、酒類、

13、家電等產(chǎn)品上可以起到防偽作用。11結(jié)論本文介紹了全息照相的原理及其應(yīng)用，隨著科技的進步，全息照相在不斷向前發(fā)展。在不久的將來，全息照相能為人們的生活帶來更加豐富的體驗。把全息干涉計量術(shù)與計算機圖像處理技術(shù)相結(jié)合，借助光電圖像傳感器、大孔徑面陣CCD器件和小型化的脈沖固體激光器等先進設(shè)備的出現(xiàn)，發(fā)展系統(tǒng)化、智能化、小型化的全息干涉計量裝置將是未來全息干涉計量術(shù)的發(fā)展方向。9 相信全息術(shù)會走向一個越來越成熟的階段，使我們的生活色彩斑斕。參考文獻1 呂廣娟、張孝林、段新超. 白光再現(xiàn)全息照相J. 大學(xué)物理實驗，2006， 19（ 1）2 趙凱華、鐘錫華. 光學(xué)：下冊M. 北京：北京大學(xué)出版社，19943 張三慧 . 波動與光學(xué)M. 北京：清華大學(xué)出版社，20014 于美文 . 全息光學(xué)及其應(yīng)用M. 北京：北京理工大學(xué)出版社，19965 陶世荃等. 光全息存儲M. 北京：