全息照相 光学全息照相是六十年代发展起来的一门立体摄影和波阵面再现的新技术。由于全息照 相能够把物体表面上发出的光波的全部信息(即光波的振幅和位相)记录下来,并能完全再 现被摄物光波的全部信息,因此它在精密计量、无损检验、信息存贮和处理、遥感技术和生 物医学等方面有着广泛的应用 全息照相的基本原理是以波的干涉和衍射为基础的,对于其它波动过程,如红外、微波 Ⅹ光以及声波、超声波等也可适用,故有相应的微波全息,Ⅹ光全息、超声全息等,使全息 技术发展成为科学技术上的一个新领域 本实验将通过静态光学全息照片的拍摄和再现观察,了解光学全息照相的基本原理、主 要特征以及操作要领。 、实验目的 1.了解全息照相的基本原理。 2学习静物全息照相的拍摄方法。 3.了解再现全息物象的性质和方法 二、实验原理 普通照相只记录了物体各点的光强信息(反映在振幅上),丢掉了位像信息,得到的是 个二维平面图像,毫无立体感。全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理,借助于所谓 参考光波与原物光波的相互作用,记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹,这种干涉条纹 不仅保存了物光波(从物体反射的光波)的振幅信息,同时还保存了物光波的位相信息,它 只有在高倍显微镜下才能观察得到。记录了干涉条纹的全息照片可以看做是个复杂的衍射光 栅,当用与原参考光波相同的光再照射该光栅时,其衍射波能重现原来的物光波,在照片后 原物的位置就可以观察到原被照物的三维图像 1.全息照相记录过程 全息照相是利用光的干涉进行全息记录的。以拍摄全息照片的光路(图1)为例说明该 光路记录光波的强度信息和位相信息的原理 参考光 物 物光 记录板 x-y平面)
1 全息照相 光学全息照相是六十年代发展起来的一门立体摄影和波阵面再现的新技术。由于全息照 相能够把物体表面上发出的光波的全部信息（即光波的振幅和位相）记录下来，并能完全再 现被摄物光波的全部信息，因此它在精密计量、无损检验、信息存贮和处理、遥感技术和生 物医学等方面有着广泛的应用。 全息照相的基本原理是以波的干涉和衍射为基础的，对于其它波动过程，如红外、微波、 X 光以及声波、超声波等也可适用，故有相应的微波全息，X 光全息、超声全息等，使全息 技术发展成为科学技术上的一个新领域。 本实验将通过静态光学全息照片的拍摄和再现观察，了解光学全息照相的基本原理、主 要特征以及操作要领。 一、实验目的 1.了解全息照相的基本原理。 2.学习静物全息照相的拍摄方法。 3.了解再现全息物象的性质和方法。 二、实验原理 普通照相只记录了物体各点的光强信息（反映在振幅上），丢掉了位像信息，得到的是一 个二维平面图像，毫无立体感。全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助于所谓 参考光波与原物光波的相互作用，记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹，这种干涉条纹 不仅保存了物光波（从物体反射的光波）的振幅信息，同时还保存了物光波的位相信息，它 只有在高倍显微镜下才能观察得到。记录了干涉条纹的全息照片可以看做是个复杂的衍射光 栅，当用与原参考光波相同的光再照射该光栅时，其衍射波能重现原来的物光波，在照片后 原物的位置就可以观察到原被照物的三维图像。 1．全息照相记录过程 全息照相是利用光的干涉进行全息记录的。以拍摄全息照片的光路（图 1）为例说明该 光路记录光波的强度信息和位相信息的原理
图1全息片记录光路 设Xy平面为干涉场中照相底版所在平面物光波O和参考光波R均为平面波令 OC, Y)=Oo(X, Yexp/i pok, Y)/ R(X, Y)=Ro(X, Yexp/i pRA, Y/ 根据叠加原理底版上的总场为 U(, Y=O(, Y+R, Y) =Oexp[中o(X,7+Rexl中Ax,Y (3) 到达它们在底版上的光强是它们合振幅的平方,即 I(X,Y=U(r,Y U, Y =(O0+Ro)+ Oo Roexpli( t0-pR)+OoRoexpl-i( pr pR/ 式中O02,R2分别是物光波与参考光波各自独立照射底版时的光强度第三、四项为物光与参 考光之间的相干项。它们把物光的位相信息转化成不同光强的干涉条纹记录在干涉场中照相 底版上。 可见,底版记录下来的干涉条纹光强分布包含了物光波在底版上各点的振幅和位相,因 为底版上某点的光强是到达该点的参考光波与到达该点的整个物光波干涉的结果。物体上不 同点由不同方向射到该点的物光都对该点的光强有贡献,这一点与普通照相底版上的点与物 点一一对应不同。全息照片底版上的任何一小部分都记录着所有物点的信息,因此,通过全 息照片的一块碎片也能看到整个物体的像。 2.全息照相再现过程 曝光后的底版经过显影与定影后,得到透光率各处不同(由曝光时间及光强分布决定)的 全息片,考虑振幅透射率T(=透射光的复振幅/入射光的复振幅)是曝光量的函数,选择合适 的曝光量及冲洗条件,可以使得T与曝光时的光强之间为线性关系 70+KO0+R0)+ KOoRoexp[(中0-中)+ KOoRoexp/-(ψpp(5) 式中T为未曝光部分的透射率,K为小于1的比例系数,它们均为常量 当以原参考光为再现光入射全息照片时,透射光波应是 U(, Y=R(, yT,Y [To+k(002+Ro) Roexp(i pR)+KOoRo exp(i pol + KOoRo'exp/-i(中0-2中 上式表明,透射光包含三部分 第一项/+K1O02+R0) Roexp()是按一定比例重建的参考光,沿原来方向传播,即光 栅的零级衍射 第二项 KOoRo expψ与物光振动方程完全一样,只不过振幅乘了一个系数;这便是按 定比例重建的物光波,相当于一级衍射波。根据基尔霍夫衍射原理,这一场分布决定了全息 图后面的衍射空间有一个与原始物光波振幅和位相的相对分布完全相同的衍射波。正是这 光波形成了与物体完全逼真的三维立体图像,从不同的角度去观察,能看到原被遮住的侧面。 第三项 KOoRo exp-i(如-2中R)与物光波的共扼光波有关,它是因衍射而产生的另一个 级衍射波,称为孪生波,它在有些情况下会形成一个发生畸变的,并且在观察者看来物体 的前后关系与实物相反的实像。 全息照相具有多次记录性,用几束不同方向的参考光可以在同一张底版上分别记录几个 不同的物体,用相应方向的参考光可以分别再现各自独立、互不干涉的图像。如果一个物体 的形状随时间发生变化,那么若在同一张全息干版上相继进行两次重复曝光,再现时,前后 两个全息图同时再现,并且两个像的再现光之间会因干涉而形成干涉条纹。根据干涉条纹的
2 图 1 全息片记录光路 设 X-Y 平面为干涉场中照相底版所在平面,物光波 O 和参考光波 R 均为平面波,令: O(X,Y)= O0(X,Y)exp[iψ0(X,Y)] (1) R(X,Y)= R0(X,Y)exp[iψR(X,Y)] (2) 根据叠加原理,底版上的总场为: U(X,Y)= O(X,Y)+R(X,Y) = O0exp[iψ0(X,Y)]+ R0exp[iψR(X,Y)] (3) 到达它们在底版上的光强是它们合振幅的平方,即: I(X,Y)=U * (X,Y) U(X,Y) =( O0 2+R0 2 )+ O0R0exp[i(ψ0-ψR)]+ O0ROexp[-i(ψ0-ψR)] (4) 式中 O0 2 ,R0 2 分别是物光波与参考光波各自独立照射底版时的光强度;第三、四项为物光与参 考光之间的相干项。它们把物光的位相信息转化成不同光强的干涉条纹记录在干涉场中照相 底版上。 可见，底版记录下来的干涉条纹光强分布包含了物光波在底版上各点的振幅和位相，因 为底版上某点的光强是到达该点的参考光波与到达该点的整个物光波干涉的结果。物体上不 同点由不同方向射到该点的物光都对该点的光强有贡献，这一点与普通照相底版上的点与物 点一一对应不同。全息照片底版上的任何一小部分都记录着所有物点的信息，因此，通过全 息照片的一块碎片也能看到整个物体的像。 2．全息照相再现过程 曝光后的底版经过显影与定影后，得到透光率各处不同(由曝光时间及光强分布决定)的 全息片，考虑振幅透射率 T(＝透射光的复振幅／入射光的复振幅)是曝光量的函数，选择合适 的曝光量及冲洗条件，可以使得 T 与曝光时的光强 I 之间为线性关系: T(X,Y)=T0+KI = T0+K(O0 2+R0 2 )+KO0ROexp[i(ψ0-ψR)]+KO0ROexp[-i(ψ0-ψR)] (5) 式中 T0 为未曝光部分的透射率，K 为小于 1 的比例系数，它们均为常量。 当以原参考光为再现光入射全息照片时，透射光波应是： U’(X,Y)=R(X,Y)T(X,Y) =[T0+K(O0 2+R0 2 )]ROexp(iψR)+KO0RO 2 exp(iψ0) + KO0RO 2 exp[-i(ψ0-2ψR)] (6) 上式表明，透射光包含三部分： 第一项[T0+K(O0 2+R0 2 )]R0exp(iψR)是按一定比例重建的参考光，沿原来方向传播，即光 栅的零级衍射。 第二项 KO0RO 2 exp(iψ0)与物光振动方程完全一样,只不过振幅乘了一个系数；这便是按一 定比例重建的物光波，相当于一级衍射波。根据基尔霍夫衍射原理，这一场分布决定了全息 图后面的衍射空间有一个与原始物光波振幅和位相的相对分布完全相同的衍射波。正是这一 光波形成了与物体完全逼真的三维立体图像，从不同的角度去观察，能看到原被遮住的侧面。 第三项 KO0RO 2 exp[-i(ψ0-2ψR）]与物光波的共扼光波有关，它是因衍射而产生的另一个 一级衍射波，称为孪生波，它在有些情况下会形成一个发生畸变的，并且在观察者看来物体 的前后关系与实物相反的实像。 全息照相具有多次记录性，用几束不同方向的参考光可以在同一张底版上分别记录几个 不同的物体，用相应方向的参考光可以分别再现各自独立、互不干涉的图像。如果一个物体 的形状随时间发生变化，那么若在同一张全息干版上相继进行两次重复曝光，再现时，前后 两个全息图同时再现，并且两个像的再现光之间会因干涉而形成干涉条纹。根据干涉条纹的
分布可以计算物体表面各点位移的大小和方向。在此基础上发展了一门新的测量物体微小 变化的全息干涉技术 三、实验装置 根据全息照相原理,只要将物光和参考光光路设计得能够发生干涉,那么实验一般就会 成功,因此说来光路不是唯一的。实验的具体装置如图2所示。 光源S:保证其相干性,全息照相只能使用激光光源。常用的激光器是He-Ne激光器波 长为6328nm,功率为330mW),由于激光谱线有一定宽度△A≈0.002nm,相应的相干长度 L=A2△A=20cm,为保证物光和参考光发生干涉,布置光路时必须使两条光束的光程差不 大于相干长度,一般常使两者光程大致相等。 分光镜T:它把光分成相干的两束,其中一束作为物光照射到被摄物体上另一束作为参 考光照射到记录介质上。 平面镜M:能根据需要改变光束方向。 扩束镜L:能扩大激光束的光斑 全息感光版P:常采用分辨率为3000条/mm的天津GS-I型全息干版。 漫射屏G:让物光束漫射后再照到物体上去,使照明更均匀,再现物象观察效果更好 s □0 (b) 图2拍摄全息照片的参考光路图(a)拍摄漫射物全息图的光路 (b)拍摄透射物全息图的光路 全息图片记录了参考光束和物光束之间的干涉条纹,极小的扰动都会使干涉条纹模糊不 清。为了成功地记录干涉条纹,光源、各光学元件、被摄物和感光版的底座应固定在一个防 震台上,使系统稳定。曝光期间应避免大声喧哗:走动、吹风等;还可以增大光源强度:缩 短曝光时间以降低对系统稳定性的要求。另外,在布置光路时要求物光束与参考光束之间的 夹角θ小些,这样条纹的间距就会大些,对防震措施要求就可以低一些 四、实验内容 1全息记录 I)按图2布置光路,根据被摄物体选择参考光路(a)或(b),并作如下调整: (1)使各元件等高;
3 分布可以计算物体表面各点位移的大小和方向。在此基础上发展了一门新的测量物体微小 变化的全息干涉技术。 三、实验装置 根据全息照相原理，只要将物光和参考光光路设计得能够发生干涉，那么实验一般就会 成功，因此说来光路不是唯一的。实验的具体装置如图 2 所示。 光源 S：保证其相干性，全息照相只能使用激光光源。常用的激光器是 He-Ne 激光器(波 长为 632.8nm，功率为 3~30mW)，由于激光谱线有一定宽度△λ≈0.002nm,相应的相干长度 L=λ2 /△λ=20cm，为保证物光和参考光发生干涉，布置光路时必须使两条光束的光程差不 大于相干长度，一般常使两者光程大致相等。 分光镜 T：它把光分成相干的两束，其中一束作为物光照射到被摄物体上,另一束作为参 考光照射到记录介质上。 平面镜 M：能根据需要改变光束方向。 扩束镜 L：能扩大激光束的光斑。 全息感光版 P：常采用分辨率为 3000 条／mm 的天津 GS-Ⅰ型全息干版。 漫射屏 G：让物光束漫射后再照到物体上去，使照明更均匀,再现物象观察效果更好。 图 2 拍摄全息照片的参考光路图（a）拍摄漫射物全息图的光路； (b) 拍摄透射物全息图的光路 全息图片记录了参考光束和物光束之间的干涉条纹，极小的扰动都会使干涉条纹模糊不 清。为了成功地记录干涉条纹，光源、各光学元件、被摄物和感光版的底座应固定在一个防 震台上，使系统稳定。曝光期间应避免大声喧哗：走动、吹风等；还可以增大光源强度：缩 短曝光时间以降低对系统稳定性的要求。另外，在布置光路时要求物光束与参考光束之间的 夹角θ小些，这样条纹的间距就会大些，对防震措施要求就可以低一些。 四、实验内容 1.全息记录 1) 按图 2 布置光路，根据被摄物体选择参考光路（a）或（b）,并作如下调整： (1) 使各元件等高；
(2)使物光和参考光的光程大致相等 (3)当参考光均匀照亮胶片夹上的白纸屏时使被摄物体各部分得到均匀照亮两光 束夹角小于30,使尽量多的物光射到屏上。 2)曝光拍摄。满足上述要求后,取下白纸屏 (1)确定曝光时间,约为2-20 (2)在暗室的暗绿灯下把全息干版夹在胶片夹上,感光药面朝着被摄物: (3)静等1—2min,待整个系统稳定后,打开光源进行曝光,曝光后取下干版, 放入暗盒。 2.全息照片的冲洗 在照相暗室中,可在暗绿灯下操作,整个过程不能用手摸药面。 (1)用D-19显影液显影2-3min,显影温度为20C,不断摇晃显影盆 (2)水洗后放在温度为1920的停显液中20-30s (3)在温度为1920C的F5定影液中定影5min,定影过程中不断摇晃定影盆 (4)用自来水冲洗1-2min,晾干 3.物像再现与观察 把制作好的全息片放回原来位置(药面仍对着光,遮住物光東,只让参考光照明全息片, 在全息片后面原物所在的方位可以观察到物的虚像。通常把激光束直接扩束,如图3所示。 (1)从不同方向反复观察,比较再现的像有何变化并记录观察结果 (2)用一张带有小孔的纸片贴近全息片,人眼通过小孔观察虚像:改变小孔在全息片 上的不同位置做同样观察,记录观察结果 (3)改变光的波长或再现光束的曲率,光察再现像的变化,记录观察结果 4)改变再现光的强度,再观察像的情况,记录观察结果。 五、注意事项 1.绝对不允许直视经过聚焦的或经镜面反射后再聚焦的激光光束,防止视网膜的损伤 当型光 现察方问 被物象 图3全息照片的再现观察方式
4 (2) 使物光和参考光的光程大致相等； (3) 当参考光均匀照亮胶片夹上的白纸屏时,使被摄物体各部分得到均匀照亮,两光 束夹角小于 300 ,使尽量多的物光射到屏上。 2) 曝光拍摄。满足上述要求后，取下白纸屏 (1) 确定曝光时间，约为 2-20s； (2) 在暗室的暗绿灯下把全息干版夹在胶片夹上，感光药面朝着被摄物； (3) 静等 1—2min，待整个系统稳定后，打开光源进行曝光,曝光后取下干版， 放入暗盒。 2. 全息照片的冲洗 在照相暗室中,可在暗绿灯下操作, 整个过程不能用手摸药面。 (1)用 D—19 显影液显影 2—3min，显影温度为 200C，不断摇晃显影盆； (2)水洗后放在温度为 19—200C 的停显液中 20-30s； (3)在温度为 19-200C 的 F-5 定影液中定影 5min,定影过程中不断摇晃定影盆； (4)用自来水冲洗 1—2min，晾干。 3. 物像再现与观察 把制作好的全息片放回原来位置(药面仍对着光), 遮住物光束，只让参考光照明全息片， 在全息片后面原物所在的方位可以观察到物的虚像。通常把激光束直接扩束，如图 3 所示。 (1)从不同方向反复观察，比较再现的像有何变化并记录观察结果； (2)用一张带有小孔的纸片贴近全息片，人眼通过小孔观察虚像；改变小孔在全息片 上的不同位置做同样观察，记录观察结果。 (3)改变光的波长或再现光束的曲率，光察再现像的变化，记录观察结果。 (4)改变再现光的强度，再观察像的情况，记录观察结果。 五、注意事项 1．绝对不允许直视经过聚焦的或经镜面反射后再聚焦的激光光束，防止视网膜的损伤。 图 3 全息照片的再现观察方式
2、不用手触摸实验仪器的光学元件的镜面。 3、在拍摄全息照片时,要保持室内安静,一定不要触及防震平台 4、本实验中暴光时间、显影时间以及光路都不是唯一的,需要根据实际情况调整到最佳 六、思考题 简述全息照相的基本原理? 、光学全息实验的条件主要是哪些? 3、根据理论和实验观察写出全息照相和通普照相的异同 4、全息物像再现有什么特点? 5、全息物像再现有什么要求? 6、绘制“三维漫射物”拍摄的全息光路图。 7、绘制“三维透射物”拍摄的全息光路图 8、如果一张拍好的全息片打碎了或部分污染了,用其中一部分再现,看到的是部分物像? 还是整个物像?为什么? 9、观察全息图再现像放大、缩小、等大的条件是什么? 10、全息实验中为什么要求物光程和参考光光程尽量相等? ll、在观察全息照片(虚像)时,你能否尝试用手去触及再物像?而当你的手移近或远离 再现物像时,能否据此来判断像的位置,大小及深度? 1.全息照相术的发展 般全息照相中,再现光与参考光的波长是相同的。也可用不同波长的光,若再现光的 波长比参考光长,则再现像比原物大,这就是全息放大。同波长的全息再现与全息放大以后 发展为全息显微技术 用不同波长的再现光所得到的像的大小和位置不同。如用白光再现,则在不同位置将出 现不同颜色的再现像,这些像相互重叠会使整个图像模糊不清。如果记录全息照片时在适当 位置加入狭缝,由于图中也包含狭缝的信息,再现时,除了物像之外还得到狭缝的像。用白 光再现时,得到按波长次序排列的不同颜色的物像和狭缝像,观察者对准某一狭缝像只能看 到某一颜色的物像。随观察位置不同,将陆续看到和彩虹颜色一样排列的不同单色物像。这 种全息称彩虹全息;、 十世纪六十年代以来,全息技术的应用不断发展。1966年 Jeong的报告制作了360 视场全息图。可以在3600视场不同方向看到景物主体再现像的全息图,已在科学、教育、医 学、艺术、商业及建筑学形象化等方面有许多应用。 2几种典型的全息干涉方法 (1)单次曝光法(实时干涉法):拍摄某一物体的全息照片,显影、定影后使之精确复位 这时稍微变一下原物的状态,如加上或解除应力、压缩或膨胀等等,使之产生一定形变,则 新的物光束与原物的重建光束之间由于物上各点的位移而产生光程差,使肉眼根本看不出的 物体形态变化在全息图上产生干涉条纹;据此可研究物体形变或微小位移及其与受力的关系。 “单次”是指拍摄全息片时只经过一次曝光 在单次曝光法中,全息片的复位要求精确,比较难以做到,乳胶的畸变也有一定影响, 但只拍摄一张全息片就可以多次或连续观察物体的变化 (2)两次曝光法:在同一张底片上拍摄物体在不同时刻的两张全息照片,如果这两个时刻 物体有形变,那么再现时,得到两个重建的物光束,它们由于彼此相干而且存在光程差而产 生干涉花样。干涉条纹的分布直接与物体的始末状态有关,可用来分析物体状态的变化。两 次曝光法不能观察物体连续变化的情况,但对底片的安放及对再现光的要求不那么严格,易 5
5 2、不用手触摸实验仪器的光学元件的镜面。 3、在拍摄全息照片时，要保持室内安静，一定不要触及防震平台 。 4、本实验中暴光时间、显影时间以及光路都不是唯一的，需要根据实际情况调整到最佳。 六、思考题 1、简述全息照相的基本原理? 2、光学全息实验的条件主要是哪些? 3、根据理论和实验观察写出全息照相和通普照相的异同? 4、全息物像再现有什么特点? 5、全息物像再现有什么要求? 6、绘制“三维漫射物”拍摄的全息光路图。 7、绘制“三维透射物”拍摄的全息光路图。 8、如果一张拍好的全息片打碎了或部分污染了，用其中一部分再现，看到的是部分物像? 还是整个物像? 为什么？ 9、观察全息图再现像放大、缩小、等大的条件是什么? 10、全息实验中为什么要求物光程和参考光光程尽量相等？ 11、在观察全息照片（虚像）时，你能否尝试用手去触及再物像？而当你的手移近或远离 再现物像时，能否据此来判断像的位置，大小及深度？ 1．全息照相术的发展 一般全息照相中，再现光与参考光的波长是相同的。也可用不同波长的光，若再现光的 波长比参考光长，则再现像比原物大，这就是全息放大。同波长的全息再现与全息放大以后 发展为全息显微技术 用不同波长的再现光所得到的像的大小和位置不同。如用白光再现，则在不同位置将出 现不同颜色的再现像，这些像相互重叠会使整个图像模糊不清。如果记录全息照片时在适当 位置加入狭缝，由于图中也包含狭缝的信息，再现时，除了物像之外还得到狭缝的像。用白 光再现时，得到按波长次序排列的不同颜色的物像和狭缝像，观察者对准某一狭缝像只能看 到某一颜色的物像。随观察位置不同，将陆续看到和彩虹颜色一样排列的不同单色物像。这 种全息称彩虹全息；、 二十世纪六十年代以来，全息技术的应用不断发展。1966 年 Jeong 的报告制作了 360 0 视场全息图。可以在 3600 视场不同方向看到景物主体再现像的全息图，已在科学、教育、医 学、艺术、商业及建筑学形象化等方面有许多应用。 2.几种典型的全息干涉方法 (1)单次曝光法(实时干涉法)：拍摄某—物体的全息照片，显影、定影后使之精确复位， 这时稍微变—下原物的状态，如加上或解除应力、压缩或膨胀等等，使之产生一定形变，则 新的物光束与原物的重建光束之间由于物上各点的位移而产生光程差，使肉眼根本看不出的 物体形态变化在全息图上产生干涉条纹；据此可研究物体形变或微小位移及其与受力的关系。 “单次”是指拍摄全息片时只经过一次曝光。 在单次曝光法中，全息片的复位要求精确，比较难以做到，乳胶的畸变也有一定影响， 但只拍摄一张全息片就可以多次或连续观察物体的变化。 (2)两次曝光法：在同一张底片上拍摄物体在不同时刻的两张全息照片，如果这两个时刻 物体有形变，那么再现时，得到两个重建的物光束，它们由于彼此相干而且存在光程差而产 生干涉花样。干涉条纹的分布直接与物体的始末状态有关，可用来分析物体状态的变化。两 次曝光法不能观察物体连续变化的情况，但对底片的安放及对再现光的要求不那么严格，易