全息照相原理及应用

1、引言我们看到的世界是三维的、彩色的，这是因为每个物体发射的光被人眼接受时，光的 强弱、射向和距离、颜色都不同。从波动光学的观点看，是由于各物体发射的特定的光波 不同，光的特征主要取决于光波的振幅、 相位、和波长。如果能看到景物光波的完全特征， 就能看到景物逼真的三维像，这就是全息术。全息术诞生到现在60年来取得了很大的进展，已经被广泛应用于近代科学研究和工业生产中。1948年，丹尼斯盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法， 随后用实验验证了这一 想法，即全息术，并制成世界上第一张全息图。全息术在刚开始的十多年中进展缓慢，直 到激光的出现使得全息术获得巨大进展。总结全息照相的发展，可以分为四个阶段：第一 阶段是用水银灯记录同轴全息图，这时是全息照相的萌芽时期，主要原因是没有好的相干 光源，再现像和共轭像不能分离；第二阶段是用激光记录、激光再现的全息照相，能够把 原始像和共轭像分离；第三阶段是激光记录、白光再现的全息照相，主要有反射全息、象 全息、彩虹全息及合全息；第四阶段是当前所致力的方向，就是白光记录全息图。12 全息照相的原理全息照相是一种二步成像的照相技术，它利用物光和参考光在感光胶

2、片上进行干涉叠 加形成全息照片，在运用衍射原理使之再现，因此全息照相的过程包括全息记录和全息再 现两个过程。2.1 全息记录如图1所示，激光器射出的激光束通过分束镜分成两束，一束光经扩束镜扩束后直接 投摄到感光底片上，这束光称为参考光，另一束光经反射镜反射及扩束镜扩束后射到被摄 物体上，在经过物体反射到感光板上，这束光称为物光。两束光将在感光板上产生干涉， 形成干涉条纹。设物光波:U% x,y =Ao x, yi i x,y e参考光波：U% x, y =Ar x, yi 2 x，y e1, 2分别为物光波参考光波的振幅和初相位。 当两束光波发生干涉，其合成光波为:U%x,y =U% x, y +U%R x, y合成光强为：I x, y =U% x, y U%x, yU0 x,y*Ur x,y1% x,y U% x, yA 2Ao x, y2iiArx, y+Aox, yArx, yei1 2 +Aox, yArx, y e i 1 2A 2=Ao x,y2Ar x, y 2Ao x,y Ar x, y cos 12式中各项物理意义：第一项是物光波产生的光强分布，第二项是参考光波的光强

3、分布, 第三项是干涉项它使光强在感光板上产生明暗相间的条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光 波的振幅分布，干涉条纹的几何特征记录了物光波的相位特征。22.2 全息再现眼睹感光板记录的并不是物体的几何图形，而是物光波的振幅和相位的全部信息的不规则 的干涉图样。必须用一个与参考光束相同的光波（即再现光）去照射全息图，才能看到所 照射物体的全息像。再现过程如下：设再现光复振幅分布为 Ur x, y，全息图的振幅透过率为t x, y =t0TI x,y，则透过全息图的光场为：U%x,y U% x,y t x,yt。TAr2Ape i2+TApAo2e1TA2Aoei 1TAAoe 23由上式可知透过全息图片的光波由四项内容组成第一项是被衰减的再现光，透过全息图形成背景光，是零级衍射波。第二项是再现光方向上的透射光，但由于 A 般较Ar小很多，因此此项可以忽略 第三项是一级衍射波，是一衰减的和原物光波完全相同的波面，为光波的准确再现， 逆着光波可以看到一逼真的立体图像，此像为虚像。第三项是-1级衍射波所形成的与初像共轭的全息实像。这样就可以看到衍射光形成的两个全息像，一实一虚。所看到的景物具有立体感

4、，犹 如现实中的物体一样。3 全息图的特点全息照相的原理决定了它有以下特点：(1) 三维性。因为全息图记录的是光波的全部信息，既振幅与相位同时记录在全息片 上，图像具有显著的视差特性，可以看到逼真的三维图像。而普通的图像只是记 录了振幅，得到的是二维平面图像。(2) 可分割性。全息照片被打碎后，它的任何一个碎片都能再现完整的被拍物体信息 因为全息照相过程中，物面和像面之间是点面对应的关系。形成的全息照片中每 一个局部都包含了物体各点的信息。(3) 信息容量大。可以转动底片角度拍摄多次。再现时作同样转动不同角度可以出现 不同图像，也可以不转动底片而改变被拍物体的状态进行多次曝光，再现时可以 互补干扰的出现不同的图像。(4) 亮度可变性。全息图的亮度随再现光的亮度改变而改变。再现光愈强，象的亮度 愈大，反之愈暗。(5) 可放大或缩小。因为衍射角与波长有关，用不同波长的光照射全息图，再现象就 会出现放大或者缩小。4 全息照相应用全息照相是一种不用普通光学成像系统的照相方法，是20世纪60年代发展起来的一种立体摄影和波阵面再现的新技术。由于全息照相能够把物体表面发出的全部信息记录下 来，并能完

5、全再现被摄物体的全部信息。因此，全息技术在科技、文化、工业、农业、医 药、艺术、商业、及军事等领域有着广泛的应用。44.1制作全息光学元件4.1.1 全息光栅最简单的全息图是两个平面光波相干叠加而得到的全息图，这种全息图是一组平行等 间距的直条纹，它与刻划光栅可起相同的作用，故称全息光栅。条纹的疏密与两束光之间 的夹角有关，只要改变夹角，就可以得到不同光栅常数的光栅。全息光栅制作方法简单、 成本低；美誉周期性误差，杂散光少，对环境要求低。4.1.2 全息滤波片用夹角接近，且垂直于记录介质表面的两平面波相干叠加制得的全息图就是一张滤光 片。当某复色光入射时，只有满足布喇格衍射条件的某波长的光才能再现出来，从而起到 滤光作用，单波半宽度较干涉滤光片窄。4.1.3 全息透镜用两球面光波，或者一平面光波和一球面光波相干叠加所制得的全息图就是一个全息 透镜。这种全息图的透镜作用，类似于菲涅耳波带片的作用。4.1.4 全息扫描器可以由照相得到，但大多数情况下有计算机产生。通常是把一记录介质分割成若干等 分，每一部分都是按所需要的两束相干光叠加而得到全息图。再现时，用一束已知的光照 射全息图，同时按

6、一定规律移动这个全息图，就会在预定的位置得到再现光而且随着全息 图的移动，再现光的方向不断改变着，所以把它叫作全息光偏析器。4.2 全息存储全息存储是利用全息照相的技术原理来实现数据记录的。这一概念是Dennis Gabor在1984年为提高电子显微镜的分辨率而提出的。他的最大优点是超高密度，不仅如此， 全息存储还具有极大的提升潜力，只要控制芯片具有足够强的数据处理能力，全息存储技 术甚至可以提供高达1000TB的容量。相比之下，目前硬盘的最大容量才 2TB,这个容量只 相当于全息存储的“立方体糖块”的一个小碎片所提供的存储能力。全息存储技术将可成 为最有希望的新一代存储技术。原因是：（1）全息存储具有存储容量大的优势。5（ 2）全 息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。（3）全息存储 具有数据读取速率高和可并行读取的特点。近年来随着光电技术和器件的发展，全息存储 的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟，但是全息图的寿命问题仍有待解决。4.3 全息干涉测量全息干涉测量是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全息干板上，然后利用全息 术的空间波前再现原理，非接触的

7、对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉测量广 泛应用于结构无损检测、物体形变位移测量、应力应变分析、振动分析等领域。目前我国 全息干涉测量设备方面主要发展有问：（1）用于测试火箭发动机喷雾化特性的 YSCI型离子 瞬态激光全息测试仪；（2）用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的 SPQ-1型四分 幅皮秒紫外线激光全息探测仪；（3）包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干 涉仪测试系统；（4）用于航空、航天、石油化工等部门常用的膜盒进行位移检测的激光全 息光栅精密测试系统。4.4 显示全息该技术在激光透射全息图片的基础上制作各种类型的全息图片，如白光透射、反射全 息图片等，这些图片可用于投影、室内装修、舞台布景、建筑等；7再如以动态显示的全息术、层面X照相术、3DCA技术、3D动画片等充分展示了全息术的创造性魅力和艺术美。4.5 模压全息把全息图片压印到一定的材料上，用白光再现时，可以得到色彩艳丽而逼真的三维图 像。模压全息的制作过程分为三个阶段：激光摄制原片全息图；电成型制金属模板；模压 复制。问模压图片技术含量高，并带有保密性，可以防止复制，将全息防伪标志记录、存 储或

8、转移到护照、信用卡、及化妆品、酒类、家电等产品上可以起到防伪作用。5 结论本文介绍了全息照相的原理及其应用，随着科技的进步，全息照相在不断向前发展。 在不久的将来，全息照相能为人们的生活带来更加丰富的体验。把全息干涉计量术与计算 机图像处理技术相结合，借助光电图像传感器、大孔径面阵CCDS件和小型化的脉冲固体激光器等先进设备的出现，发展系统化、智能化、小型化的全息干涉计量装置将是未来全 息干涉计量术的发展方向。9相信全息术会走向一个越来越成熟的阶段，使我们的生活色 彩斑斓。参考文献1 吕广娟、张孝林、段新超白光再现全息照相J.大学物理实验，2006 ,19 （ 1）2 赵凯华、钟锡华光学：下册M.北京：北京大学出版社，19943 张三慧波动与光学M.北京：清华大学出版社，20014 于美文全息光学及其应用M.北京：北京理工大学出版社，1996陶世荃等光全息存储M.北京：北京工业大学出版社，1998 李明激光全息技术的发展及应用趋势研究J激光杂志，2005，26（ 6）： 13157 陈勇、刘东辉全息照相及其应用J塔里木农垦大学学报，2004，16（ 3）8 王贤锋全息术的历史和发展J现代商贸工业，2007，19（ 5）： 1811821071089 杨帆、杨宁激光全息照相技术及其应用前景J中州大学学报，2008，25（ 2）：

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