全息照相在光學(xué)工程中的應(yīng)用

1、<p>　　全息照相在光學(xué)工程中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：全息照相是一種不用普通光學(xué)成像系統(tǒng)的錄像方法，是六十年代發(fā)展起來(lái)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(lái)，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(shí)踐和科學(xué)研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)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(xué)物理里一個(gè)重要的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，它利用干涉方法記錄物體抵達(dá)攝影底片時(shí)的光波的振幅與相位的全部信息，最終呈現(xiàn)出一個(gè)原物體的立體像。這是一門(mén)成熟且有著重大應(yīng)用前景的學(xué)科，必將對(duì)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生重要的意義?，F(xiàn)在全息照相的技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在生活中該技術(shù)可以用來(lái)信息儲(chǔ)存，圖像識(shí)別，從物體表面的研究

3、到振動(dòng)分析等等，還廣泛滲透到軍事以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)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(xué)變化這一原理。這化學(xué)變化的濃度隨入射光強(qiáng)度的增大而增大，因而沖洗過(guò)的底片上各處會(huì)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(xué)反應(yīng)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(shuō)

4、，記錄了入射光波的強(qiáng)度或振幅。全息照相不但記錄了入射光波的強(qiáng)度，而且還能記錄下入射光波的相位。之所以能如此，是因?yàn)槿⒄障嗬昧斯獾母缮娆F(xiàn)象[1]。</p><p>　　全息照相沒(méi)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(lái)自同一激光光源（波長(zhǎng)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(lái)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(shí)將發(fā)生干涉。所產(chǎn)生的干涉條紋既記錄了來(lái)自物體各處的光波的強(qiáng)度，也記錄了這些光波的相位。</p><p>　　干涉條紋記錄光波的強(qiáng)度的原理是容易理解的。因?yàn)樯涞降灼系膮⒖脊獾膹?qiáng)度是各處一樣的，但物光的強(qiáng)度則各處不同，其分布由物體上各處發(fā)來(lái)的光決定，這樣參考光和物光疊加干涉時(shí)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(qiáng)度，這一點(diǎn)是與普通照相類(lèi)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(qǐng)看圖 2，設(shè) O 為物體上某一發(fā)光點(diǎn)。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(diǎn)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(shí)際上也可以斜入射），所以到達(dá) 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(shuō)明</b></p><p>　　這一公式說(shuō)明，在底片上同一處，來(lái)自物體上不同發(fā)光點(diǎn)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(shí)際上反映了物體上各發(fā)光點(diǎn)的位置（前后、上下、左右）的不同。整個(gè)底片上形成的干涉條紋實(shí)際上是物體上各發(fā)光點(diǎn)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(lái)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(fù)雜的條紋圖像，而這些條紋正記錄了物體的光學(xué)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(shí)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(qiáng)的時(shí)間相干性和空間相干性。激光，作為一種相干性很強(qiáng)的強(qiáng)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(zhǎng)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(shí)，只需用拍攝該照片時(shí)所用的同一波長(zhǎng)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(shí)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(gè)窗口一樣。所以能有這樣的效果，是因?yàn)楣獾难苌涞木壒省Ｈ钥紤]兩相鄰的條紋 a

12、60;和 b，這時(shí)它們是兩條透光縫，照明光透過(guò)它們將發(fā)生衍射。沿原方向前進(jìn)的光波不產(chǎn)生成象效果，只是強(qiáng)度受到照片的調(diào)制而不再均勻。沒(méi)原來(lái)從物體上 O 點(diǎn)發(fā)來(lái)的物光的方向的那兩束衍射光，其光程差一定也就是波長(zhǎng)λ。這兩束光被人眼會(huì)聚將疊加形成 +1 級(jí)極大，這一極大正對(duì)應(yīng)于發(fā)光點(diǎn) O 。由發(fā)光點(diǎn) O 原來(lái)的底片上各處造成的透光條紋透過(guò)的光的衍射的總效果

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

14、;<p>　　圖3 全息照片虛像的形成</p><p>　　全息照片還有一個(gè)重要特征是通過(guò)其一部分，例如一塊殘片，也可以看到整個(gè)物體的立體象。這是因?yàn)榕臄z照片時(shí)，物體上任一發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的物光在整個(gè)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(diǎn)的記錄。取照片的一部分用照明光照射時(shí)，這一部分上的記錄就會(huì)顯示出該發(fā)光點(diǎn)的象。對(duì)物體上所有發(fā)光點(diǎn)都是這樣，所不同的只是觀察的“窗口”小了一點(diǎn)。這種點(diǎn)-

15、面對(duì)應(yīng)記錄的優(yōu)點(diǎn)是用透鏡拍攝普通照片時(shí)所不具有的。普通照片與物是點(diǎn)-點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shí)像</p><p>　　還可以指出的是，用照明光照射全息照片時(shí)，還可以得到一個(gè)原物的實(shí)象，如圖4 所示。從 a 和 b 兩條透光縫衍射的，沿著和原來(lái)物光對(duì)稱(chēng)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(diǎn)對(duì)于全息照片對(duì)

16、稱(chēng)的位置上相交干涉加強(qiáng)形成 -1 級(jí)極大。從照片上各處由 O 點(diǎn)發(fā)出的光形成的透光條紋所衍射的相應(yīng)方向的光將會(huì)聚于 O'' 點(diǎn)而成為 O 點(diǎn)的實(shí)象。整個(gè)照片上的所有條紋對(duì)照明光的衍射的 -1 級(jí)極大將形成原物的實(shí)象。但在此實(shí)象中，由于原物的“前邊”變成了“后邊”，“外邊”翻到了“里邊”，和人對(duì)原物觀察不相符合而成為一種“幻視象”，所以很少由實(shí)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(yīng)用</b></p><p>　　全息照相是一種不用普通光學(xué)成像象系統(tǒng)的錄像方法，是六十年代發(fā)展起來(lái)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(lái)，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(shí)踐和科學(xué)研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[5]。例如：全息電影和全息電視，全息儲(chǔ)存、全息顯示及全息防偽商標(biāo)等。除光學(xué)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(dá)只能探測(cè)到目標(biāo)方位、距離等，而全息照相則能給出目標(biāo)的立體形象，這對(duì)于及時(shí)識(shí)別飛機(jī)、艦艇等有很大作用。因

19、此，備受人們的重視。但是由于可見(jiàn)光在大氣或水中傳播時(shí)衰減很快，在不良的氣候下甚至于無(wú)法進(jìn)行工作。為克服這個(gè)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(jiàn)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(xué)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(yīng)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(yīng)用。如用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機(jī)機(jī)翼蜂窩結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢驗(yàn)等。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　全息照相是利用干涉的方法來(lái)記錄物體抵達(dá)攝影底片時(shí)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(yīng)用。</p

21、><p><b>　　參考文獻(xiàn):  </b></p><p>　　[1] 周泊松.理論力學(xué)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(xué)[M].第六版.第一冊(cè).北京：高等教育出版社，2006:7-9. </p>&