20全息照相实验.doc

全息照相 全息照相的基本原理是以波的干涉和衍射为基础的。它的物理思想早在1948年就由盖伯（D·Gabor）首先创立，但由于当时缺乏相干性好的光源，因而几乎没有引起人们的注意。直到1960年激光器问世后，才使全息照相技术得到迅速发展，成为科学技术上一个崭新的领域。由于全息照相比普通照相具有更多的特点，所以在干涉计量、无损检测、信息存贮与处理、遥感技术、生物医学和国防科研中获得了极其广泛的应用。 一．实验目的与要求 了解光学全息照相的基本原理和它的主要特点。 学习静态全息照相的拍摄方法和有关技术。 掌握全息照相再现物像的性质和观察方法。 二．实验原理 1．全息照相与全息照相技术 照相是将物体上各点发出或反射的光记录在感光材料上。 由光的波动理论知道，光波是电磁波。一列单色波可表示为： 式中，A为振幅，ω为圆频率，λ为波长，为波源的初相值。 一个实际物体发射或反射的光波比较复杂，但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光波的叠加： 因此，任何一定频率的光波都包含着振幅（A）和位相两大信息。光在传播过程中，借助于它们的频率、振幅和位相来区别物体的颜色（频率）、明暗（振幅平方）、形状和远近（位相）。 普通照相是通过成象系统（照相机镜头）使物体成象在感光材料上，材料上的感光强度只与物体表面光强分布有关，所以它只记录了光波的振幅信息，因为光强与振幅平方成正比。无法记录物体光波的位相差别。因此，普通照相记录的只能是物体的一个二维平面像，失去了立体感。 全息照相不仅记录了物体发出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的位相信息也记录下来，所以全息照相技术所记录的并不是普通几何光学方法形成的物体像，而是物光光波本身，它记录了光波的全部信息，并且在一定条件下，能将所记录的全部信息再现出来，因而再现的物像是一个逼真的三维立体象。 全息照相包含两个过程，第一，把物体光波的全部信息记录在感光材料上，称为记录（拍摄）过程，第二，照明已被记录下来的全部信息的感光材料，使其再现原始物体的光波，称为再现过程。 全息照相的基本原理是以波的干涉为基础的。所以，除光波外，对其他的波动过程如声波、超声波等也都适用。 2．全息照相的基本过程——记录和再现。 （1）全息照相记录过程原理——光的干涉。 怎样才能把物光的全部信息同时记录下来呢？由物理光学可知，利用干涉的方法，以干涉条纹的形式就可以记录物光的全部信息。图9-1是记录过程中所使用的光路。相干性极好的He—Ne激光器发出激光束，通过分束镜M分成两束。其中一束光经反射镜反射，再由扩束镜将光束扩大后均匀地照射到被摄物体D上，经物体表面反射（或透射）后再照射到感光材料（实验中用全息感光胶片）H上，一般称这束光为物光；另一束光经反射镜反射、扩束后，直接均匀地照射到H上，一般称这束光为参考光。这两束光在胶片H上叠加干涉，出现了许多明暗不同的花纹、小环和斑点等干涉图样，被胶片H记录下来，再经过摄影、定影等处理。成了一张有干涉条纹的“全息照片”（或称全息图）。干涉图样的形状反映了物光和参考光间的位相关系，干涉条纹明暗对比程度（称为反差）反映了光的强度关系，干涉条纹的疏密则反映了物光和参考光的夹角。 （2）全息照相再现过程的原理——光的衍射 我们知道，人之所以能看到物体，是因为从物体发出或反射的光波被人的眼睛所接收。所以 如果要想从全息照相的“照片”上看到原来物体的象，直接观察“照片”是看不到的，而只能看到复杂的干涉条纹。如果要看到原来物体的象，则必须使“照片”能再现原来物体发出的光波，这个过程就被称为全息照片的再现过程。 这一过程所利用的是光栅衍射原理。 再现过程的观察光路如图9-2所示。一束从特定方向或与原来参考光方向相同的激光束照明全息照片。“照片”上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅，它使再现光发生衍射。我们沿衍射方向透过“照片”朝原来被摄物的方向观察时，就可以看到一个完全逼真的三维立体图象。为讨论方便起见，取全息照片某一小区域ab为例，同时把再现光看成是一束平行光，且垂直照射于“照片”上，如图9-3所示。按光栅衍射原理，再现光将发生衍射，其+1级衍射光是发散光，与物体在原 来位置时发出的光波完全一样，将形成一个虚象，与原物体完全相应，称为真象；-1级衍射光是会聚光，将形成一个共轭实象，称为膺像。 3．全息照相的主要特点和应用 （1）全息照相的体视特性。全息照片再现的被摄物体是一幅完全逼真的三维立体图象。因此，当我们移动眼睛从不同的角度去观察时，就好象面对原物体一样，可看到原被遮住的侧面，图9-4就是从不同的角度去观察同一张全息照片时的全面的视差特性。 （2）全息照相的可分割性。全息照片上的任一小区域都分别记录了从同一物点发出的不同倾角的物光信息。因此，通过全息照片的任一碎片仍能再现出完整的图象。 （3）全息照片的多