全息照相论文

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1、 贵州民族大学 信息光学课程小论文 全息照相实验 学 院 计算机与信息工程学院 专 业 光信息科学与技术（1班） 年 级 2009级 姓 名 肖 松 学 号 200907040043 指导教师 葛一凡 2012.06.16全息照相实验设计肖松摘要：全息照相的基本原理是以光波的干涉和衍射为基础，全息图记录了物光波的全部信息 ,再现时可看到一个逼真的三维图象 ,立体感强。全息图上的每一点都携带有被摄物的全部信息 ,全息摄影图具有可分割性 ,分割后的每一小块干板都可再现完整的物体象。一张全息干板可重叠摄制多个全息图。 关键字：全息照相 衍射 干涉 摄影1.1 设计目的1.了解全息照相的发展过程及应用

2、，比较全息照相和普通照相的区别；2.掌握全息照相的原理和特点；3.学习全息照相的拍摄方法和观察再现全息图；1.2 设计仪器光学器件数量型号分 束 键1反 射 键2扩 束 键2被 摄 物1He-Ne激光器1ZHGB-11B曝光定时器1DSQ-2全 息 干 版1暗 室11.3 基本原理全息照相与普通照相无论是在远离上还是在方发生都有本质的区别。普通照相是用几何光学的方法记录物体上各点的发光强度分部，得到的是二维平面像，像上各点的照度与物体上的各点发光强度一一对应。而全息照相的记录对象是整个物体发出的光波（即物体上各点发出的光波的叠加），借助于参考光用干涉的方法记录这个物光波的振幅和位相（周相）分布

3、，即记录下物光波与参考光波相干后的全部信息。此时，记录信息底片上得到的不是物体的像，而是细密的干涉条纹，就好像一个复杂无比的衍射光栅，必须经过适当的再照明,从而再现物体的三维立体像。由于底片上任何一小部分都包含整个物体的信息，因此，只利用拍摄的全息底片的一小部分也能再现整个物像。全息记录全息照相的光路图如下图所示：感光底板物光波，O波 物体参考光波，R波用激光光源照射物体，物体因漫反射发出物光波。波场上没一点的振幅和相位都是空间坐标的函数。我们用O表示物光波没一点的复振幅与相位。用同一激光管员经分光板分出的另一部分光直接照射到地板上，这个光波称为参考光波，它的振幅和相位也是空间坐标的函数，其复

4、振幅和位相用R表示，草考光通常为平面或球面波。这样在记录信息的底板上的总光场是物光与参考光的叠加。叠加后的复振幅为O+R，如图从而底板上各点的发光强度分布为 （式1）式子中，O*与R*分别是O和R的共轭量；I。，IR分别为物光波和参考光波独立照射底版时的放光强度。物相再现底板经过曝光冲洗后，形成各处透光率不同的全息照片，它相当于一个复杂的光栅。一般来说，光透过这样的全息照片时，振幅以及位相都要发生变化。如果令t透过光的复振幅/入射光的复振幅 （式2）则复振幅透过率t一般为复数。但对于平面吸收型全息照片t为实数。如果曝光及冲洗合适，可使得 （式3）物象再现是用光照射已经摄制好的全息照片并观察透过

5、光。这个过程称为波前重现，通常再照光与拍摄全息照片的参考光束R相同，因此，透过的光波的复振幅与位相用W表示，则： （式4）第一项与参考波R成正比，是按一定比例重建的参考波，或者说是直接透过再找光相当于零级衍射波。第二项与原来的物光成正比，是按一定比例重建的物光波，相当于一级衍射波。这个光波根据惠更斯原理继续传播，与原来物体在原来位置发出的光波相同，仅仅是振幅按一定比例改变，位相改变180度。因此全息照片后面的观察者对这个光波方向观察时，可以看到原来物体的三维立体像。如图所示：全息照片人眼观察一级衍射波虚物物像再现照明光波，R光波第三项与物光波的公轭光波O*有关。它是因衍射而产生的另一个一级衍射

6、波，称为孪生波。这意味着在须向的相反一侧会聚称一个共轭的实像。1. 全息照相的物理思想 全息照相创造性的思想就是:把感光材料所不能“感受”的相位分布 ,利用光的干涉现象 ,使之转化为底片能记录的光强分布。具体地说 ,把来自物体的光波称为物光(O 光) ,再引入一束与之相干的参考光(R 光) ,让参考光和物光同时照在底片上。在底片上的各点处 ,R 光相位都相同 ,而 O 光的相位不相同 ,从而 O 光与 R 光在各处的相位差也不同 ,经干涉后各处的条纹亮暗程度就不同。这样底片就可以在记录下物光振幅分布的同时 ,也记录下了其相位分布 ,即记录下了物光的全部信息 ,这就是全息照相的重要物理思想。本实

7、验就是从实践上实现这一物理思想的。1.3.3 全息照相的实验过程 全息照相包含两个过程：光的干涉和衍射。（1）设计光路系统如下图，打开激光光源预热，激光器的电流指示为67mA，光路系统应该满足下列条件：反射镜分光镜激光器电动快门扩束键物体感光底板扩束键反射镜物光束和参考光束由分光板至感光版之间的光程大致相等用透镜将物光束扩展到保证整个被摄物都能受到光照，参考光束也应扩展使感光板有均匀光照照在感光板上的物光束和参考光束之间的夹角在之间为宜参考光束应强于物光束，在放感光板的地方她们的强度比约为3：至5：1（2）关闭室内照明灯，用光电池测量放感光板处参考光束和物光光束的强度，以检验发光强度比是否符合

8、要求。曝光时间应该控制在2060s之间。（3）上快门，调好曝光定时器的曝光时间，装感光板。使乳胶面向着入射光，静置几分钟使防震台不振动后曝光。（4）显影和定影。显影液用D-19显影液，显影时间为2min。取出感光板后用自来水冲洗。然后放在定影液中再水洗23min即可观察物象再现。1.3.4 全息照相的再现光的衍射由于全息干版上记录的并不是物体的几何图样，因而直接观察只能看到许多明暗不同的条纹、小环和斑点等干涉图样，要看到原来物体的像，必须使全息图再现原来物体发出的光波，这个过程就称全息图的再现过程，它所利用的是光栅衍射原理。图2 全息图的再现再现过程的观察光路如图2所示，一束从特定方向或与原来

9、参考光方向相同的激光束(通常称为再现光)照射全息图，全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅，按光栅衍射原理，再现光将发生衍射，其+1级衍射光是发散光，与物体在原来位置时发出的光波完全一样，将形成一个虚像，与原物体完全相同，称为真像；-1级衍射光是会聚光，将形成一个共轭实像；称为膺像。当沿着衍射方向透过全息图朝原来被摄物的方位观察时，就可以看到那个逼真的三维立体图像(虚像)。实验前的准备 （1）选择远离振源、振动较小的房间为实验室,以砖石水泥做一个实验台,并放上防振材料和全息台面。其后,用迈克尔逊干涉仪检查台面稳定性,以干涉图样稳定为合格。 （2）全息照相包括拍摄全息图和再现物象两个过程。要

10、成功地拍摄一张精细条纹的全息照片,要求有相干性较好的 H e- N e 激光器作光源,视拍摄物的大小以及拍摄爆光时间的长短来选择激光光源功率大小。 （3）一般全息图的记录介质是采用感光乳胶,它通过受光乳胶的黑度来记录光强的强弱 , 故要采用性能良好的感光材料作记录介质,其分辨率 1000 条mm或1600条mm的银酸锂单晶感光材料作记录介质。 （4）设备比较完善的冲洗像暗房。（5）根据课程要求确定实验内容,除实验室的特殊要求外,一般基本实验内容是利用反射全息照相拍摄实物的全息图片和观察全息图的再现象。 1.4.2 拍摄全息图片步骤 1. 选择合适的光路图。按全息图的结构和观察方式分类,可以分为

11、透射全息图和反射全息图。透射全息图是指拍摄时物光与参考光从全息片的同一侧射来(如图1) ;而反射全息图是指在拍摄时物光与参考光分别从全息图两侧射来。当被照明再现时,对透射全息图,观察者与照明光源分别在全息图的两边;而对反射全息图,观察者与照明光源则在同一侧。因此在确定光路系统时,要根据被摄物是透明或不透明的具体情形,来选择透射全息图或反射全息图。2. 布置光路系统。选择好光路图后,并按图布置光路系统。在安排光路时应考虑以下几点 : ：尽量减少物光和参考光的光程差。一般将光程控制在几个厘米以内或接近于零。 ：参考光和物光的光强比一般选取范围为 1:1010:1。为此需挑选反射率合适的分光板和衰减

12、片为满足此要求。：投射于感光板上的参考光和物光的夹角 ,一般选取范围为 45-90。：为减少光损失及干扰，选用的光学元件数越少越好。：需特别注意将光学元件(包括感光干板)装夹牢固。因为光路中光学元件之间任何一种微小的移动或振动,对产生干涉的影响很大,甚至破坏全息图,使拍摄失败。3. 首先牢固装夹各光学元件,然后,在底片夹上放上一块黑色板(代感光片),开启光源观察被摄物及黑色板是否被均匀照明 , 再调整物光和参考光和光程差和光强度,使其在要求范围里,最后消除杂散光的干扰。在达到所有的要求后,关闭其它灯,开启安全灯,拿下黑色板,放上感光片,感光片乳胶要面向物体。 4. 选择爆光时间。具体爆光时间由

13、感光材料的性能、激光光源的功率、被摄物的大小和系统的反射性能决定。 5. 进行爆光。选择无外界其它干扰和要求室内人员暂时静止不动的时候进行正常爆光。6. 爆光后进行显影、定影等化学处理。 处理过程和普通感光片的处理基本相同。 其后进行漂清、漂白、晒,即得全息图片。1.4.3 观察全息图片的再现象 得到全息图片后,利用全息图片可重新获得原始现象,原始物象包括实象和虚象如（图3）。图3(a) 相片再现图 3(b):相片再现1. 判别所给全息照片的乳胶面（即感光药膜面),仔细观察其上所记录的干涉图样, 或利用10 10倍以上的显微镜,观察已漂白的全息照片全息图的显微形式。注意在全息感光板的不同部位上

14、这些干涉条纹的格调(条纹分布、黑度和疏密)。2. 观察再现的虚象。如图3(a)所示的光路,将全息照片放到光束截面被放大的激光束中,或放到原参考光下,注意感光膜面应向着再现光束,再现光束的位置和方向最好与拍摄时一致。因为存在视差现象,观察者可不断改变他的观察方位和距离,找到最佳观察位置。3. 观察再现实象。如图3(b)所示的光路,用未扩束的激光直射到全息照片的玻璃片基面(反面)上,选取适当的夹角,再用毛玻璃漫射观察屏来接收再现实象。注意:再现入射光束的入射点不同时,再现实象的视差效应也不同。只有象质最佳的位置才是实象位置。4. 反射全息图也可以用白光再现,当用白光照明再现时,全息图沿着光线方向的

15、反射就可观察到再现的单色像。5. 观察到的全息再现象效果最佳时,可和原物大小一样,是细节精美、形态逼真的三维像,整个画面层次清楚,可做到超景深,是普通照相术不可比拟的。1.5 实验总结(1) 参考光和物光的光程差的影响。参考光和物光的光程差 1 不能太大, 不能大于所用激光的相干长度, 否则两者不能相干, 无法在全息干板上获得干涉条纹。(2) 参考光和物光的夹角的影响。假如全息干板上干涉条纹的间距为d, 光源波长为。根据干涉原理, d 与参考光和物光之间的夹角有关, 而干板分辨率 与d 有关。可以看出, 角愈大, 所记录的干涉条纹就越细, 对干板的分辨率要求越高,故夹角不能太大。而夹角对全息图

16、再现象时的观察窗(视角) 有影响, 夹角大, 可在较大范围内从不同角度观察物象, 反之, 观察窗则小, 因此夹角也不能太小。(3) 参考光和物光的光强比的影响。全息照相是物光与参考光的双光束干涉. 对于一般双光束干涉来说, 如果2束光的光强相同, 干涉条纹可得到最大的对比度, 这对一般线性接受元件是合适的。而对全息照相的记录介质来说, 曝光量( T) 和振幅(H) 透过率的特性曲线是非线性的, 在曲线两端发生奇变, 如图3所示, 产生较高阶的衍射光,使衍射效率降低。干板的曝光特性 另一方面, 当物光比参考光强, 斑纹比较显著, 产生较大量的晕轮光围绕零级衍射光, 降低了成象的光通量, 致使效率

17、降低。(4) 全息干板固定不牢或夹持位置偏差大, 以及把有药面的一面与玻璃面放反, 都会造成实验的失败。2. 另外，能否成功拍摄好全息照片，不仅要根据需求选择光路，而且光路的调整也是至关重要的。一个好的光路，既要使物光和参考光能够发生干涉，还要保证干涉条纹间隔清晰，反差合适。所以要首先调整好物光和参考光的光程，以保证干涉能够发生，然后再调整物光与参考光束之间的夹角及物光和参考光的光强比，保证全息照片的清晰度和反差。1.6 实验心得 信息光学 在老师的精心辅导下和自己努力学习的基础下完成了本次实验，让我对全息照相有了更深一步的了解以及对课本的理论知识和实践紧密相关。本次实验使我对全息照相的原理及

18、应用的了解,如全息显示、全息干涉计量、全息光学元件、全息信息存贮等都已发展到具有广泛前景的实用阶段。全息照相术不仅应用开发方面取得了很大进展,而且已发展成为现代光学中一门新兴学科- 全息学,进入到高科技领域。此领域的科研方面的课题也很多,学生在做好基本实验的前提下可开展一些有关科研方面的探讨,从而可以增长广泛的知识、获取相关的新技术,相应也可提高学生的动手能力、科研能力、创新能力和技术素质。本实验在指导老师葛一凡老师的悉心指导下完成的，葛老师在学术上严格要求，在生活上给予关怀，葛老师的教诲和鼓励，让我受益匪浅，在此向葛老师表示衷心的感谢和敬意！参考文献：1.陈家璧，等.激光原理及应用M.北京.电子工业出版社.2.