大物结题论文

全息照相原理及应用

摘要：本文介绍了全息照相的原理和全系照片再现的原理，以及全息照相

技术目前的应用现状。

关键词：激光全息照相、衍射、干涉、再现、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。从1948年伽柏首次提出全息照相的思想，到1971年伽柏因全息技术获得诺贝尔物理学奖，再到如今的白光记录全息技术，短短六十年，全息技术被广泛运用到工业、医学、生物、军事等多个领域，并体现出其强大的优势。

2 全息照相的原理

全息照片的拍摄：

照相技术是利用了光能引起感光乳胶发生化学变化这一原理。这化学变化的浓度随入射光强度的增大而增大，因而冲洗过的底片上各处会有明暗之分。普通照相使用透镜成象原理，底片上各处乳剂化学反应的深度直接由物体各处的明暗决定，因而底片就记录了明暗，或者说，记录了入射光波的强度或振幅。全息照相不但记录了入射光波的强度，而且还能记录下入射光波的相位。之所以能如此，是因为全息照相利用了光的干涉现象。

全息照相没有利用透镜成象原理，拍摄全息照片的基本光路大致如图 1 所示。来自同一激光光源（波长为 λ）的光分成两部分：一部分直接照到照相底片上，叫参考光：另一部分用来照明被拍摄物体，物体表面上各处散射的光也射到照相底片上，这部分光叫物光。参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉。所产生的干涉条纹既记录了来自物体各处的光波的强度，也记录了这些光波的相位。

干涉条纹记录光波的强度的原理是容易理解的。因为射到底片上的参考光的强度是各处一样的，但物光的强度则各处不同，其分布由物体上各处发来的光决定，这样参考光和物光叠加干涉时形成的干涉条纹在底片上各处的浓淡也不同。这浓淡就反映物体上各处发光的强度，这一点是与普通照相类似的。

由于乳胶胶片具有一定厚度，但是它是透明的，故在其内部也存在着物光与参考光的相互干涉，干涉条纹也被记录下来，经过处理后得到三维全息图，相当

于三维衍射光栅

2.1 全息记录

2-1图 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。

光波的三角函数表达式：

P表示空间中的某个位置（x,y,z）, 表示振幅的空间位置分布情况，

表示相位的空间位置分布。但是由于在实际运算中，指数函数比三角函数要运算方便，所以这里用光波的复数指数式来表示，

式子中包含了时间变量和空间变量，且两部分分离独立，又因为对于单色光，时

间因子是相同的，所以光波的复振幅表达式可以写作： 设

物光的复振幅：

参考光的复振幅：

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：

合成光强满足干涉条件为：

=

上面的式子表示的是一组明暗相间的干涉条纹，不是确切的物象。

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，以参考光的相位

为标准，将

物光的相位 以光强分布的形式记录下来。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。

2.2 全息再现

2-2图 全息再现

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

，全息图的振幅透过率为

，则透过全息图的光场为：

= + +

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，是零级衍射光。

第二项是+1级衍射光，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，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 全息成像的底片

激光全息照的底片，可以是特种玻璃，也可以是乳胶、晶体或热塑等。一块小小的特种玻璃，可以把一个大型图书馆的上百万册藏书内容全部存储进去。

如果留心一下报纸上的照片，就能发现它们是由一个个小点子组成的。每一个小点子叫做一个像素，它的密度大约是每平方毫米内有几个点。而全息照相用的特种玻璃膜层厚约10微米，像点密度每平方毫米内在2000个点以上。在这种底片上，每平方毫米的地方内，可以装下一张310平方厘米的大照片。在一小块5毫米见方的薄膜上就能装下一本200页厚的图书。

光材料。普通照相用的感光底片由于银化物的颗粒较粗，每毫米只能记录50～100个条纹，因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹，所以需要高分辨率的感天津感光胶片厂生产的I型全息干板，其分辨率可达每毫米3000条，能满足全息照相的要求。

5 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。

4.1 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。（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：（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；再如以动态显示的全息术、层面X照相术、3DCAD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 全息技术在军事上的应用

全息技术在军事、侦查和监视上也有重要应用。一般的雷达系统只能探测到目标的距离、方位和速度等，而全系技术能提供目标的立体形象，这对于及时识别飞机、导弹和舰艇等目标具有重要意义。超声波全息照相能再现水下物体的三维图像，可以用来水下监视和侦查。

参考文献

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