论文-全息照相在光学工程中的应用

目录摘要.............................................................1Abstract............................................................11引言.............................................................12全息照片的拍摄原理...............................................13全息图象的观察...................................................34全息的应用.......................................................55结论.............................................................6参考文献...........................................................61全息照相在光学工程中的应用摘要：全息照相是一种不用普通光学成象系统的录象方法，是六十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(即光波的振幅和相位)记录下来，并能完全再现被摄物体光波的全部信息，因此，全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用。关键词：全息照相；全息观察；全息应用HolographicapplicationinopticalengineeringAbstract:Hologramisakindofnotordinaryvideorecordingmethodofopticalimagingsystem,isdevelopedakindofstereoscopicphotographyand60swavefrontofnewtechnology.Becausethehologramtotheobjectsurfacesendoutalltheinformation(i.e.,lightwaveamplitudeandphase),andcanfullyrepresentthesubjectobjectwavesarealltheinformation,therefore,theholographictechnologyintheproductionpracticeandscientificresearchhasbeenwidelyusedinthefieldofapplication.Keywords:Holographic；Holographicobservation;Holographicapplication1引言全息照相是大学物理里一个重要的光学实验，它利用干涉方法记录物体抵达摄影底片时的光波的振幅与相位的全部信息，最终呈现出一个原物体的立体像。这是门成熟且有着重大应用前景的学科，必将对物理学的发展产生重要的意义。现在全息照相的技术已经得到了广泛的应用，在生活中该技术可以用来信息储存，图像识别，从物体表面的研究到振动分析等等，还广泛渗透到军事以及农业生产的各个领域对我们的日常生活有着重要的影响。2全息照片的拍摄原理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2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[1]。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。图1全息照片的拍摄干涉条纹怎样记录相位的呢？请看图2，设O为物体上某一发光点。它发的光和参考光在底片上形成干涉条纹。设a，b为某相邻两条暗纹（底片冲洗后变为透光缝）所在处，距O点的距离为r。要形成暗纹，在a，b两处的物光和参考光必须都反相。由于参考光在a，b两处是相同的（如图设参考光平行垂直入射，但实际上也可以斜入射），所以到达a，b两处的物光的光程差必相差λ。由图示几何关系可知λ=sinθdx由此得dx=λ/sinθ=λr/x（1）3图2相位记录说明这一公式说明，在底片上同一处，来自物体上不同发光点的光，由于它们的θ或r不同，与参考光形成的干涉条纹的间距就不同，因此底片上各处干涉条纹的间距（以及条纹的方向）就反映了物光波相位的不同，这不同实际上反映了物体上各发光点的位置（前后、上下、左右）的不同。整个底片上形成的干涉条纹实际上是物体上各发光点发出的物光与参考光所形成的干涉条纹的叠加。这种把相位不同转化为干涉条纹间距（或方向）不同从而被感光底片记录下来的方法是普通照相方法中不曾有的。由上述可知，用全息照相方法获得的底片并不直接显示物体的形象，而是一幅复杂的条纹图象，而这些条纹正记录了物体的光学全息。由于全息照片的拍摄利用光的干涉现象，它要求参考光和物光是彼此相干的[2]。实际上所用仪器设备以及被拍摄物体的尺寸都比较大，这就要求光源有很强的时间相干性和空间相干性。激光，作为一种相干性很强的强光源正好满足了这些要求，而用普通光源则很难做到。这正是激光出现后全息技术才得到长足发展的原因。3全息图象的观察观察一张全息照片所记录的物体的形象时，只需用拍摄该照片时所用的同一波长的照明光沿原参考光的方向照射照片即可，如图3所示。这时在照片的背面向照片看，就可看到在原位置处原物体的完整的立体形象，而照片就像一个窗口一样。所以能有这样的效果，是因为光的衍射的缘故。仍考虑两相邻的条纹a和b，这时它们是两条透光缝，照明光透过它们将发生衍射。沿原方向前进的光波不产生成象效果，只是强度受到照片的调制而不再均匀。没原来从物体上O点发来的物光的方向的那两束衍射光，其光程差一定也就是波长λ。这两束光被人眼会聚将叠加形成+1级极大，这一极大正对应于发光点O。由发光点O原来的底片上各处造成的透光条纹透过的光的衍射的总效果就会使人眼感到在原来O所在处有一发光点O'。发光体上4所有发光点在照片上产生的透光条纹对入射照明光的衍射，就会使人眼看到一个在原来位置处的一个原物的完整的立体虚象[3]。注意，这个立体虚象真正是立体的，其突出特征是：当人眼换一个位置时，可以看到物体的侧面象，原来被挡住的地方这时也显露出来了。普通的照片不可能做到这一点。人们看普通照片时也会有立体的感觉，那是因为人脑对视角的习惯感受，如远小近大等。在普通照片上无论如何也不能看到物体上原来被挡住的那一部分。图3全息照片虚像的形成全息照片还有一个重要特征是通过其一部分，例如一块残片，也可以看到整个物体的立体象。这是因为拍摄照片时，物体上任一发光点发出的物光在整个底片上各处都与参考光发生干涉，因而在底片上各处都有该发光点的记录。取照片的一部分用照明光照射时，这一部分上的记录就会显示出该发光点的象。对物体上所有发光点都是这样，所不同的只是观察的“窗口”小了一点。这种点-面对应记录的优点是用透镜拍摄普通照片时所不具有的。普通照片与物是点-点对应的，撕去一部分，这一部分就看不到了[4]。图4全息照片的实像还可以指出的是，用照明光照射全息照片时，还可以得到一个原物的实象，如图54所示。从a和b两条透光缝衍射的，沿着和原来物光对称的方向的那两束光，其光程差也正好相差λ。它们将在和O'点对于全息照片对称的位置上相交干涉加强形成-1级极大。从照片上各处由O点发出的光形成的透光条纹所衍射的相应方向的光将会聚于O''点而成为O点的实象。整个照片上的所有条纹对照明光的衍射的-1级极大将形成原物的实象。但在此实象中，由于原物的“前边”变成了“后边”，“外边”翻到了“里边”，和人对原物观察不相符合而成为一种“幻视象”，所以很少由实际用处。以上所述是平面全息的原理，在这里照相底片上乳胶层厚度比干涉条纹间距小很多，因而干涉条纹是两维的。如果乳胶层厚度比干涉条纹间距大，则物光和参考光有可能在乳胶层深处发生干涉而形成三维干涉图样。这种光信息记录是所谓体全息。4全息的应用在我们的生活中，当然也常常能看到全息摄影技术的运用。比如，在一些信用卡和纸币上，就有运用了俄国物理学家尤里•丹尼苏克(YuriDenisyuk)在20世纪60年代发明的全彩全息图象技术制作出的聚酯软胶片上的“彩虹”全息图象。但这些全息图象更多只是作为一种复杂的印刷技术来实现防伪目的，它们的感光度低，色彩也不够逼真，远不到乱真的境界。研究人员还试着使用重铬酸盐胶作为感光乳剂，用来制作全息识别设备。在一些战斗机上配备有此种设备，它们可以使驾驶员将注意力集中在敌人身上。把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来，展出时可以真实地立体再现文物，供参观者欣赏，而原物妥善保存，防失窃，大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照。小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰，它可再现人们喜爱的动物，多彩的花朵与蝴蝶。迅猛发展的模压彩虹全息图，既可成为生动的卡通片、贺卡、立体邮票，也可以作为防伪标识出现在商标、证件卡、银行信用卡，甚至钞票上。装饰在书籍中的全息立体照片，以及礼品包装上闪耀的全息彩虹，使人们体会到21世纪印刷技术与包装技术的新飞跃。模压全息标识由于它的三维层次感，并随观察角度而变化的彩虹效应，以及千变万化的防伪标记，再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合，把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌顶点。综上所述，全息照相是一种不用普通光学成象系统的录象方法，是六十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(即光波的振幅和相位)记录下来，并能完全再现被摄物体光波的全部信息，因6此，全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用[5]。例如：全息电影和全息电视，全息储存、全息显示及全息防伪商标等。除光学全息外，还发展了红外、微波和超声全息技术，这些全息技术在军事侦察和监视上有重要意义。我们知道，一般的雷达只能探测到目标方位、距离等，而全息照相则能给出目标的立体形象，这对于及时识别飞机、舰艇等有很大作用。因此，备受人们的重视。但是由于可见光在大气或水中传播时衰减很快，在不良的气候下甚至于无法进行工作。为克服这个困难发展出红外、微波及超声全息技术，即用相干的红外光、微波及超声波拍摄全息照片，然后用可见光再现物象，这种全息技术与普通全息技术的原理相同。技术的关键是寻找灵敏记录的介质及合适的再现方法。超声全息照相能再现潜伏于水下物体的三维图样，因此可用来进行水下侦察和监视。由于对可见光不透明的物体，往往对超声波透明，因此超声全息可用于水下的军事行动，也可用于医疗透视以及工业无损检测测等。除用光波产生全息图外，已发展到可用计算机产生全息图。全息图用途很广，可作成各种薄膜型光学元件，如各种透镜、光栅、滤波器等，可在空间重叠，十分紧凑、轻巧，适合于宇宙飞行使用。使用全息图贮存资料，具有容量大、易提取、抗污损等优点。全息照相的方法从光学领域推广到其他领域。如微波全息、声全息等得到很大发展，成功地应用在工业医疗等方面。地震波、电子波、X射线等方面