實(shí)驗(yàn)4.14 全息照相

全息照相【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】全息照相是60年代發(fā)展起來的一門立體攝影和波前再現(xiàn)技術(shù)。與普通照相相比具有更多的特點(diǎn)，故在攝影藝術(shù)、精密計(jì)量、無損檢測(cè)、信息處理、遙感圖像分析，生物醫(yī)學(xué)和國(guó)防科研中具有廣泛的應(yīng)用。全息照相是將物體表面漫射光波的振幅和位相以干涉條紋（全息圖）的形式記錄下來。當(dāng)光波按一定方向照射全息圖時(shí)，通過全息圖的衍射，能夠再現(xiàn)物光波前，使我們看到被攝物體的立體像。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．了解全息照相的基本原理、特點(diǎn)。2．學(xué)習(xí)全息照片的拍攝、觀察方法?！绢A(yù)習(xí)思考題】1．要獲得一張合格的全息照片，應(yīng)注意滿足哪些實(shí)驗(yàn)條件？2．如何觀察全息照片，得到原物無畸變的像？【實(shí)驗(yàn)儀器】防振平臺(tái)、激光器、分束鏡、反射鏡、擴(kuò)束鏡、拍攝物、全息底片、磁性座、洗相設(shè)備?！緦?shí)驗(yàn)原理】1．全息照相技術(shù)光是電磁波，任一物體發(fā)出或反射的光，可以看成由許多不同頻率的單色光的迭加式中為振幅，為圓頻率，為波長(zhǎng)，為初相位。光在傳播過程中，借助于它們的頻率、振幅和相位來區(qū)別物體的顏色、明暗、形狀和遠(yuǎn)近。 普通照相通過成像系統(tǒng)將物體成像在感光材料上，材料上的感光強(qiáng)度只與物體表面光強(qiáng)分布有關(guān)，由于光強(qiáng)與振幅平方成正比，所以它只記錄了物光的振幅信息，沒有記錄物光的相位差別。因此普通照相記錄的是物體的二維平面像，缺乏立體感。 全息照相不僅記錄了物體發(fā)出或反射的光的振幅信息，而且把光的相位信息也記錄下來，所以全息照相所記錄的不是物體的像，而是物光波本身。它記錄了物光波的全部信息（振幅與相位），并且在一定條件下，能將所記錄的全部信息完全再現(xiàn)出來，因而再現(xiàn)的物像是一個(gè)逼真的三維立體像。 全息照相包括兩個(gè)過程：記錄（拍攝）過程——把物光波的全部信息記錄在感光材料上；再現(xiàn)過程——照明已被記錄下全部信息的感光材料使其再現(xiàn)物光波。2．全息照相的基本過程2.1全息照相記錄過程——光的干涉圖4.14.1是記錄過程中的光路。從激光器S發(fā)出的光經(jīng)分束鏡N分為兩束，一束經(jīng)反射鏡M1反射并經(jīng)擴(kuò)束鏡Ｌ1擴(kuò)束后照射到物體O上，物體的漫反射光（即物光）照射到感光板H上；另一束作為參考光，經(jīng)反射鏡M2反射并經(jīng)擴(kuò)束鏡Ｌ2擴(kuò)束后直接照射到H上。這兩束光光程近似相等，且符合相干條件，故在H平面相遇時(shí)產(chǎn)生一組穩(wěn)定的干涉條紋。干涉條紋的形狀、間距等幾何特征反映了物光的位相分布，而條紋的可見度反映了物光波的振幅分布。所以即使是對(duì)同一參考光波，不同的物光波將產(chǎn)生不同的干涉圖樣。感光板經(jīng)曝光和暗室處理后所記錄的干涉圖樣，稱為全息圖。圖4.14.2．2全息照相再現(xiàn)過程—光的衍射 我們知道人之所以看到物體，是因?yàn)閺奈矬w發(fā)出或反射的光波被眼睛所接收。所以，想要從全息圖上看到原物體的像，必須使全息圖再現(xiàn)原物體發(fā)出的光波，這個(gè)過程就稱為全息圖的再現(xiàn)過程，它所利用的是光柵衍射原理。 再現(xiàn)過程的觀察光路如圖4.14.2所示。用一束與原參考光完全相同（即波長(zhǎng)和方向相同）的再現(xiàn)光照射全息圖。全息圖上每一組干涉條紋相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的光柵，它使再現(xiàn)光產(chǎn)生衍射。透過全息圖沿著光衍射的方向向原來被攝物的方位觀察，可以看到一個(gè)完全逼真的三維立體圖像。如圖4.14.2所示，按光柵衍射原理，再現(xiàn)光發(fā)生衍射，其+1級(jí)衍射光是發(fā)散光，與物體在原來位置時(shí)發(fā)出的光波完全一樣，形成一個(gè)虛像，稱為真像。－1級(jí)衍射光是會(huì)聚光，將形成一個(gè)共軛實(shí)像，稱為膺像。圖4.14.3．反射全息照相記錄全息圖時(shí)，使相干的物光和參考光從記錄介質(zhì)H的兩邊入射，如圖4.14.3所示，就可獲得用非相干白光照明再現(xiàn)的全息像。由于像的再現(xiàn)過程是通過記錄的全息圖的反射，故稱為反射全息照相。圖4.14.3是用一束光記錄反射全息圖的光路圖，擴(kuò)束后的激光束從感光板H的背面入射，作為參考光，透過感光板的光束照射到被攝物體上，由物體漫射回來的光作為物光照射到H上。物光、參考光之間的夾角近似為，兩光波的相干疊加形成的干涉條紋是一些近似平行于乳膠層表面的蜂值強(qiáng)度面，經(jīng)顯影處理后，在峰值強(qiáng)度面上形成高密度的銀層，其作用相當(dāng)于一些反射平面，各反射平面的間距約為(為記錄光波波長(zhǎng))。圖4.14.3反射全息的反射全息主要利用了布拉格衍射效應(yīng)和照相底片的厚乳膠。用厚乳劑制成的反射全息圖，相當(dāng)于三維光柵。如圖4.14.4所示。若再現(xiàn)光波以與銀層成角方向照明全息圖，則一部分光被銀層散射，一部分光透過，各峰值強(qiáng)度面層所散射的光相干疊加形成衍射極大值。同一面層的散射光，滿足反射定律時(shí)是同相相加的；對(duì)于不同面層之間的散射光，則須滿足布拉格方程，即這就是反射全息圖再現(xiàn)的條件。圖4.14.4反射全息的如果用白光照明全息圖，則只有滿足布拉格條件所要求的那種波長(zhǎng)的光有衍射極大值。因而，再現(xiàn)的像是單色的。白光再現(xiàn)反射全息的觀察光路如圖4.14.5圖4.14.5反射全息的再現(xiàn)光路4．全息照相的特點(diǎn)4.1立體感強(qiáng)。由于全息照片記錄了物光波的全部信息，所以再現(xiàn)像是逼真的三維物體像，和眼睛看到的實(shí)際景物一樣。4.2全息照片具有分割性。這是因?yàn)槲矬w上每一點(diǎn)的光波都分布在整個(gè)底片上。反過來說，底片上每一部分都完整地貯存著整個(gè)物光波，都能再現(xiàn)被攝物的完整圖像。即使H打碎了，每塊碎片也能再現(xiàn)完整的圖像，當(dāng)然，碎片越小，像的分辨率越低。4.3一張全息干板可以多次曝光。對(duì)同一物體，用不同角度的參考光束拍攝，則相應(yīng)物體的再現(xiàn)像就出現(xiàn)在不同的衍射方向上，各個(gè)再現(xiàn)像可以互不干擾的獨(dú)立再現(xiàn)。 由于全息照相具有上述獨(dú)特的特點(diǎn)。所以，在各個(gè)領(lǐng)域中已得到較廣泛的應(yīng)用。如利用全息圖的立體視覺特性，可作三維顯示、立體廣告、立體電影等。利用全息圖的可分割性和多重記錄特性，可作信息存儲(chǔ)、全息干涉計(jì)量、振動(dòng)頻譜分析、無損檢測(cè)和測(cè)量位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。5．拍攝系統(tǒng)的技術(shù)要求為了成功拍攝一張全息圖，必須具備以下幾個(gè)基本條件：5.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性高。由于全息底片記錄的干涉條紋很細(xì)密，相當(dāng)于波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，在曝光過程中極小的震動(dòng)干擾都會(huì)引起干涉條紋模糊，甚至使干涉條紋無法記錄。因此，所有的光學(xué)元件和支架在曝光時(shí)都要使用磁性座牢固地吸在全息防震臺(tái)上，使整個(gè)系統(tǒng)組成一個(gè)穩(wěn)定的剛體。此外，氣流通過光路、聲波干擾以及溫度變化引起空氣密度的變化，都會(huì)導(dǎo)致光路不穩(wěn)定，所以曝光時(shí)應(yīng)避免大聲喧嘩、吹風(fēng)等。5.2良好的相干光源。全息拍攝是干涉記錄，光源的相干性直接影響物光和參考光的干涉效果，所以全息拍攝要用好的相干光源，實(shí)驗(yàn)中采用He—Ne激光器作光源。5.3合理的光路5.3．1受光源的相干長(zhǎng)度限制，光路中應(yīng)盡量減小物光和參考光的光程差，將光程差控制在光源的相干長(zhǎng)度之內(nèi)，最好是等光程。5.3.2物光和參考光投射到干板上的夾角要適當(dāng)，一般取～為宜。物光與參考光夾角太大，條紋的間距就小，曝光過程中受到的限制就大；物光與參考光夾角太小，條紋間距就5.3.3物光和參考光的光強(qiáng)比合適。一般以1：4到15.4高分辨率的記錄介質(zhì)。全息圖的干涉條紋間距很細(xì)密，故必須用高分辨率的記錄介質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)中使用的I型全息干板，分辨率可達(dá)3000條/mm．?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1.全息圖的拍攝1.1按圖4.14（1）以激光器出光孔高度為準(zhǔn)，使各光學(xué)元件光軸處于與防震臺(tái)面平行的平面內(nèi)。（2）物光與參考光的光程分別從分束鏡算起到全息干板處，要盡可能相等。（3）物光束與參考光束的夾角在不影響觀察的情況下盡可能小些。（4）全息干板平面上物光束與參考光束的強(qiáng)度比要適當(dāng)，一般取1：4到1：6均可取得良好效果。（5）用一白屏代替干板固定在干板夾上，使參考光束照在白屏中間，再插入擴(kuò)束鏡，擴(kuò)束光束中心也照射在白屏中間。擋住參考光束，首先使物光束均勻照明所拍攝的物體，再使物光束散射光也照射在白屏中間。使參考光與物體散射光在白屏上重合。1.2曝光擋住光源，將全息干版固定在干板夾上，要求乳膠面對(duì)著物光和參考光的方向，等待2～3分鐘讓全息臺(tái)穩(wěn)定下來，再進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間一般取10～30s。1.3沖洗將已曝過光的全息干版依次放在顯影液（D-19），清水和定影液（F-5）中進(jìn)行沖洗。顯影時(shí)與旁邊放置的灰度適中的對(duì)比片進(jìn)行比較，顯影時(shí)間以對(duì)比度片的灰度為準(zhǔn)，記錄顯影時(shí)間。定影為3分鐘。定影后經(jīng)水洗并晾干即得到一張全息照片。2.全息圖的再現(xiàn)2.1再現(xiàn)虛像的觀察（1）將拍攝好的全息照片放回原干板夾上，擋住物光束，移走被攝物體，用原參考光照明，像即呈現(xiàn)在原物所在位置上。并使眼睛左右、前后慢慢移動(dòng)，觀察像的變化。（2）改變?nèi)D到擴(kuò)束鏡之間的距離，觀察再現(xiàn)虛像的位置和大小的變化。（3）用紙片部分遮蓋全息照片，觀察像的變化，注意有無放大、縮小、缺陷或其它變化。2.2再現(xiàn)實(shí)像的觀察（選做）將全息圖繞垂直軸旋轉(zhuǎn)1800，使乳膠面向著觀察者，移去參考光路中的擴(kuò)束鏡，用未經(jīng)擴(kuò)束的激光束照射全息照片的玻璃基面，在觀察者一側(cè)用白屏接收并觀察再現(xiàn)像。分別改變?nèi)肷涔馐娜肷潼c(diǎn)及白屏到全息照片的距離，觀察并記錄屏上所獲得像的變化，找出像質(zhì)最佳位置，即為實(shí)像位置，比較它與虛像位置之間的關(guān)系。2.3記錄以上觀察結(jié)果，并做出合理解釋。3.反射全息圖的拍攝與觀察（選做）