試驗三十四全息照相

1、全息照相全息照相術(shù)是一種新的信息記錄和顯示方法，與傳統(tǒng)的照相術(shù)有著完全不同的概念。傳統(tǒng) 的照相術(shù)是以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)，采用光學(xué)透鏡把物體的像成像于底片上。物與像有著一一對應(yīng) 的關(guān)系。全息照相則以物理光學(xué)理論為基礎(chǔ)，無需光學(xué)透鏡，而使物體發(fā)出的光波直接照射到 全息底片上，應(yīng)用光波干涉原理，將物體光波的全部信息記錄在全息底片上，制成全息圖。它 所記錄的不是物體的像，而是記錄了反映物體光波特性的振幅和位相。因而在全息圖上看不到 物體的像，看到的只是物體光波和參考光波干涉所形成的條紋。為了再現(xiàn)原來物體的光波，還 需要用與參考光相似的相干光束照射全息圖，通過全息圖上干涉條紋的衍射作用，能再現(xiàn)出與 原始物體

2、光波相同的光波，透過全息圖可看到原來物體的像。全息相照除了具有三維成像特點外，還可在一張底片上重復(fù)記錄若干不同物體的信息而不 會使再現(xiàn)像互相重疊，因此用途很廣。目前在精密干涉計量、光測應(yīng)力分析、全息無損檢驗、 光學(xué)信息處理、信息存儲、顯微光學(xué)、集成光學(xué)等各個方面都得到廣泛應(yīng)用。 實驗?zāi)康? 了解全息照相的基本原理。2 學(xué)會調(diào)節(jié)光路，并攝制全息照片。實驗原理全息照相以光波干涉原理為基礎(chǔ)。其基本思想是要把待測物體的漫反射光波的全部信息(振幅和位相)記錄在感光乳膠上。但現(xiàn)有的記錄介質(zhì)僅對光強(qiáng)有響應(yīng)。這就需要把位相信息轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)的變化。用干涉法可做到這點，即把振幅和位相已知的相干波和未知的相干波一起照

3、射到 全息底片上，使兩個波的波前疊加，產(chǎn)生干涉，如圖1(a)所示。因此，照射到全息底片上的總?cè)⒌灼D觀察牙向圖1全息照相原理(a)記錄(b)再現(xiàn)光強(qiáng)取決于未知相干波前的振幅和位相。這樣就達(dá)到了記錄被測物體的全部信息的目的。下面 以平面波為參考光波和照明光波的情況作具體討論。(a)(b)1 記錄過程如圖1 (a),設(shè)參考光波為(1)(2)R = R(x,y)d R(x,y)物光光波為O =Oo(x,y)ei0(x，y)式中Ro(x,y)和O(x, y)分別為參考光和物光波的振幅，r(x, y)和o(x,y)分別代表它們的位相分布。假若參考光和物光同時照射全息底片，則在干版上參考光和物光的合

4、光場分布為H =Ro(x,y)eik(x,y) +O(x,y)e血以y)(3)合光場作用在干版上，而感光乳膠只對光強(qiáng)有反應(yīng)，干版上的光強(qiáng)為光振幅的平方，其為2I(X, y) = H = H H(4)式中H*為H的共軛復(fù)數(shù)，即H* = R* O* = Ro(x,y)edR(x,y)Oo(x,y)e。(x,y)(5)所以有2 * *O + R O +O R|(x,y) =(R+O) (R + O) = R將式(1)( 2 )、( 5)代入(6 )式，則有l(wèi)(x,y) =R；(x,y) O；(x,y) Ro(x, y)Oo(x, y)ei R(x,yo(x,y) 1+ Ro(x, y)Oo(x, y

5、” 恥“杯y)】由上式可見，物光波的振幅O0 (x, y)及相位o (x, y)已經(jīng)以光強(qiáng)的形式被記錄下來。所接受的曝光量等于光強(qiáng)l(x,y)與曝光時間t的乘積，即E = l(x,y)t(7)(6)全息底片(8)該干版經(jīng)顯影、定影處理后，便制成為一張全息圖。因曝光時間t對全息干版而言，它不是坐標(biāo) x, y的函數(shù)，而是一個常量，只對全息干版產(chǎn)生均勻感光，故全息底片上記錄的明、暗條紋 就代表了合光場的分布。2 .再現(xiàn)過程由式(6)所決定的全息圖具有一定的振幅透射率，即全息圖的透明區(qū)允許光通過的成分多一些，而陰暗區(qū)允許光通過的成分少一些。把透射光的振幅與照射光的振幅之比定義為振幅透射 率T。顯然，振

6、幅透射率是全息圖曝光量E的函數(shù)T = f(E)f(E)的函數(shù)形式與全息底片乳膠特性有關(guān)。曝光量E與振幅透射率T之間的關(guān)系曲線如圖 2所示。從曲線可以看出，它是非線性函數(shù)，但曲線中間部分卻似近地成線性關(guān)系。當(dāng)全息底片 在曝光時位于TE曲線的線性部分時，則透射率就與曝光量成線性關(guān)系，即(9)6)式代入上式可得(10)光波完T (x, y)二 mE 其中m為常數(shù)。將(T(x, y) =mtl(x, y)二:I (x, y) 式中 mt。如果再現(xiàn)時用的再現(xiàn)光波與記錄時的完全一樣，也就是用Rc = R = Ro(x,y)e心(x,y)光量與振幅透過率 照射全息圖，則全息圖透射的光波場為：It 二T(x,

7、y) & 二 1 lR02(x,y) Oo(x, y) Ro(x,y)ei R(x,y)(11)+ B R2(x,y)ei2E)Oo(x,y)eM(x,y)+0R：(x,y)Oo(x,y)egy)2上式表示再現(xiàn)時的光波場。如果用于再現(xiàn)的光波充分均勻，則Ro (x, y)在整個全息圖上近似為常數(shù)，而方程的第三項正好是Ro(x,y)乘上物光波Oo(x,y)e ，再現(xiàn)時，它表示一個與物體光波相同的透射波，具有原物體光波的一切性質(zhì)。如果迎著這列光波觀察，就會看 到一個與原物體一樣的像。再現(xiàn)物體光波就像是從這個“像”發(fā)出的。所以這個透射光波被稱 之為原始物體的波前再現(xiàn)，再現(xiàn)時，實際物體并不存在。再現(xiàn)像是

8、由全息圖上干涉條紋衍射光 線的反向延長線所構(gòu)成。這個再現(xiàn)像稱為原始物體的虛像，如圖1(b)所示。(11)式中的第二項也包含物體光波的振幅和位相信息，但它與原始物體光波的前進(jìn)方向不同，這一點可以從位相相中看出。o(x,y)前的負(fù)號表示再現(xiàn)光波相對原始物光波來說，在位相上是共軛的。從物理意義上來講，如果原物體光波是發(fā)散的，則該項衍射光波將是會聚的，在全息圖后邊某處形 成物體的一個實像。(11)式中第一項表示衍射光在照明光束方向傳播的光波，它通過全息圖后，光軸不偏移，形成一種均勻的背景光。3全息照相應(yīng)考慮的問題：要拍攝到像質(zhì)很好的全息照片，要注意以下問題：3.1全息照相對光源的要求全息照相的記錄和再

9、現(xiàn)是利用光的干涉和衍射效應(yīng)。在全息圖的記錄中，為了在記錄介質(zhì) 上得到清晰的干涉條紋圖樣，物光束和參考光束必須來自同一光源，并要求光源具有良好的時 間相干性，即相干長度一定要大于物光束和參考光束的最大光程差。同時，全息照相記錄的物 體都是有漫反射表面的三維物體，記錄物體上每一點的漫反射光波都要與參考光波中任一點的 光波進(jìn)行干涉。這實際上是光束截面內(nèi)不同空間點的光場的干涉問題，故，要求光源具有良好 的空間相干性被攝物體橫向截面越大，空間相干性要求越高。一般來說，光源的時間相干性 決定了能夠記錄的物體最大景深，而空間相干性則決定了能夠記錄物體最大橫向截面積。激光 光源的時間相干性和空間相干性以及功率

10、輸出都能滿足全息照相對光源的要求，是一種理想的 光源。3.2 隔振裝置全息照相一般是在銀鹽全息干版上記錄物光和參考光相干涉形成的干涉條紋，條紋密度為 數(shù)百條到數(shù)千條，條紋間距為波數(shù)。因此，要攝制一張良好的全息圖不僅要求激光光源有足夠 的相干長度、時間相干性和空間相干性，還要求物體在曝光期間內(nèi)因環(huán)境振動引起的移動量應(yīng) 充分小，使條紋移動量小于 / 4,才能得到可分辨的干涉圖形。當(dāng)用功率較低的連續(xù)波激光光源作靜態(tài)全息照相時，由于曝光時間較長(幾秒到幾分)，故必須用隔振性能良好的全息工作臺來保證條紋的穩(wěn)定。采用質(zhì)量較大的鋼板和彈性較好的軟海 綿組成的隔振系統(tǒng)，具有較好的隔振性，能滿足全息記錄對環(huán)境隔

11、振的要求。3.3 全息照相技術(shù)要獲得一張反差良好，圖像清晰的全息照片，在照相技術(shù)方面必須注意以下幾點：(1) 參考光和物光之間的夾角不宜過大；條紋間距d= / 2sin(二/ 2),曝光期間條紋移動量不應(yīng)超過半個條紋寬度，否則就不能形成全息圖。(2) 光程選擇全息照相時，物光和參考光的光程差必須小于光源的相干長度。為了采用相干長度較小的 激光光源攝取景深較大的物體的全息圖，光路布置時應(yīng)盡量采用等光程布置，即要求物光光程 和參考光光程大致相等。(3) 光強(qiáng)比的選擇當(dāng)全息干涉光路中的兩束激光的光強(qiáng)分別為11和I 2時，干涉后合成的光強(qiáng)分布為 2 二I 汀 12 2l2 cos( ) Z式中匚為兩束

12、光的光程差。若丨1=丨2，則可獲得最大的對比度，即條紋的最小強(qiáng)度為零，當(dāng)位相差為零時 最大光強(qiáng)為41，這對一般線性接收光學(xué)元件來說是合適的。對于全息照相用的全息底片來說，由于乳膠的曝光量E和振幅透射率(或光密度D)之間的特性曲線是非線性的，見圖2。由圖可以看出，在兩端出現(xiàn)突變，產(chǎn)生高階衍射光，這將使衍射率降低，形成像的畸變。另一方面，當(dāng)物光與參考光光強(qiáng)比比值接近1時，散斑效應(yīng)較明顯，在零級衍射光周圍會產(chǎn)生較大的暈輪光，使衍射效率降低，從而降低了再現(xiàn)像的質(zhì)量。因此要獲 得清晰的全息圖， 應(yīng)使參考光比物光強(qiáng)得多，以便避開TE曲線的非線性部分， 同時又可減少散斑效應(yīng)。一般選擇參考光與物光之比在4:

13、1到10 : 1范圍內(nèi)。，(4) 信噪比的考慮全息圖的清晰程度取決于圖像信號與噪音信號之間的關(guān)系，即信噪比。全息圖的噪聲一般 有兩種：表面噪聲和體積噪聲，在全息圖上往往由于光學(xué)元件上的塵埃小點產(chǎn)生衍射而形成噪 聲信號?？刹捎眯】诪V波器來減小這種噪音信號，即在透鏡的焦點處置一小孔。對于用40倍的物鏡做的擴(kuò)束鏡，小孔直徑為4.5 -5.5丄m左右。一般情況下不用。實驗儀器JQS-1 型數(shù)字全息實驗儀：擴(kuò)束鏡調(diào)節(jié)器2個，反射鏡調(diào)節(jié)器2個，透反鏡鏡調(diào)節(jié)器1個, 成像透鏡調(diào)節(jié)器1個，干版架1個，氦氖激光器1個，載物臺1個，被攝物體1個，模 擬干版1塊，全息干版和沖洗設(shè)備等。實驗內(nèi)容1 一般全息圖的拍攝(

14、1)按圖3布置光路。開啟光閘，將透反鏡置于透射端a，在激光束的照射下，調(diào)整光路。(a) 調(diào)節(jié)參考光與物光的光程，使兩者基本相等。(b) 調(diào)節(jié)物光和參考光與底片中心線的夾角，約為30左右。(c )通過調(diào)整，使參考光與物光光強(qiáng)比為4: 110: 1。具體做法：將一塊涂白鋁板夾在干版架上，開啟光閘，使物光和參考光同時照射鋁板，將一細(xì)桿置于涂白鋁板之前，則可在鋁板上看到兩個黑影：一是參考光的，一是物光的，使兩個黑影的黑度之比約為 4: 110： 1。注：通過移動擴(kuò)束鏡的前后位置，可改變參考光的光強(qiáng)。(d )通過調(diào)節(jié)，使物光束均勻照亮被攝物體，參考光均勻照射到全息干版。OUT0透反心疔b光閘K-金息底片

15、反射魏圖3全息照相記錄光路反射貌圖4像面全息記錄光路(2) 全息圖的記錄(a )關(guān)閉光閘，擋去激光，在干版架上卸下白鋁板，夾上一張干版。(b )開啟光閘，使干版曝光，曝光時間為1分鐘左右。注：曝光期間嚴(yán)禁任何振動，以免影響光路。(c)全息干版曝光完畢后，即可進(jìn)行顯影、定影處理并晾干。顯影定影處理方法詳見附錄。(3) 全息圖的再現(xiàn)(a )將沖洗好晾干的全息圖重新置于干版架上。(b )將透反鏡從透射端移到反射端，使物光光強(qiáng)全部轉(zhuǎn)換成再現(xiàn)參考光光強(qiáng)， 照射全息圖，對全息圖進(jìn)行再現(xiàn)。(c)透過全息圖觀察其再現(xiàn)像 -三維立體像。2 像面全息圖的記錄(1) 按圖4布置光路布置要點基本與一般全息相同。開啟光

16、閘，在激光通過光路系統(tǒng)的條件下，調(diào)整光路。(a) 將成像透鏡放在被攝物體和干版架之間，在干版架上置一塊涂白鋁板，調(diào) 節(jié)透鏡的位置，使物體的像清晰地成在全息底片上。(b) 在干版上引入?yún)⒖脊?，使其與干版的夾角約為30(c) 調(diào)節(jié)光程差，使兩束光的光程基本相等。(d) 調(diào)節(jié)光強(qiáng)比為 4:110:1.(2)像面全息圖的拍攝拍攝沖洗方法與一般全息相同。曝光時間：1分左右。全息底片進(jìn)行常規(guī)處理后，需進(jìn)行漂白處理，以增強(qiáng)衍射效率。(3) 像面全息圖的再現(xiàn)像面全息圖可用白光再現(xiàn)。再現(xiàn)像所占有的位置隨波長而變化。像面全息圖 的像(或物)位于全息圖平面上，再現(xiàn)像也位于全息圖上，只是看起來顏色有 變化。因此，在白

17、光照射下，會因觀察角度不同而再現(xiàn)出不同的顏色。思考題：1. 在制作全息圖的過程中，激光器為什么要放在隔振全息工作臺上？2. 全息照相與普通照相有哪些相同及不同之處？附錄1 全息I型干版暗室常規(guī)處理的方法安全燈為綠燈。在暗綠燈下直接觀察沖洗情況。 顯影干版在D-19顯影液中進(jìn)行顯影，待底片與樣片黑度一樣時，即可停顯。(2) 停影把顯影過的干版放在停影液中，停止顯影。(3) 定影用F5堅膜式定影液進(jìn)行定影，定影時間為4分鐘左右。(4) 水洗將定影過的干版放在清水中沖洗 5分鐘，注意藥膜面不能直接對著水龍頭沖，以免沖壞藥膜面。2 全息干版使說明全息干版是用極細(xì)顆粒鹵化銀明膠乳劑涂布在玻璃片上制成。它

18、具有極高的反差和解像力。使 用各種型號的全息干版時，應(yīng)注意在規(guī)定的安全燈下操作，并注意正確曝光和沖洗加工、開封 及在整個使用過程都應(yīng)在最清潔的條件下進(jìn)行。否則影響使用效果。沖洗加工方法1顯影：推薦用 D19顯影液，顯影溫度為 20二0. 5 C.顯影時間不超過3 分, 在顯影過程中不斷地攪動顯影液。D-19顯影液配方:米吐爾 2無水亞硫酸鈉90對苯二酚 無水碳酸鈉48溴化鉀加蒸餾水至1000毫升2. 停顯：從顯影液中取出干版后應(yīng)用自來水沖洗，將顯影液沖洗干凈后放入停影 液中進(jìn)行停顯2030秒。定顯溫度：19-20 C停顯液配方:蒸餾水1000毫升冰醋酸13.5毫升3. 定影干版經(jīng)停顯后，即可放到定影液中進(jìn)行定影。定影液溫度為1920C,定影時間24分，定影過程中應(yīng)不斷地攪動定影液。F5 定影液配方：蒸餾水 800 毫升硫化硫酸鈉 240 克 無水亞硫酸鈉 15 克 冰醋酸 13.5毫升硼酸 （結(jié)晶 ） 7.5 克 鉀