全息照相原理解析
發(fā)布時(shí)間：2024-08-22 點(diǎn)擊：356
全息照相原理
通過(guò)大學(xué)物理學(xué)的學(xué)習(xí)，我們知道，一般情況下，當(dāng)兩束相干光的位相相同時(shí)，合成光源的振動(dòng)（相應(yīng)的光強(qiáng)）就增強(qiáng)，反之，光波的振動(dòng)就減弱。而光的位相是隨位置變化的，因此，光波的振動(dòng)增強(qiáng)和減弱也隨位置而變化。這樣，在兩束光的交疊處就產(chǎn)生強(qiáng)弱相間的干涉條紋。條紋的分布情況反映了合成光波的位相在不同位置的變化情況。因此，利用兩束光的干涉所產(chǎn)生的干涉條紋可以有效地把位相的變化情況記錄下來(lái)，全息攝影就是利用光的干涉把景物散射光波以干涉條紋的形式，即把光波的振幅和位相記錄在感光材料上，也就是說(shuō)，把物體的全部信息都記錄下來(lái)，因而具有獲得立體圖像的許多優(yōu)點(diǎn)。
全息照相分為兩步。第一步利用干涉法拍攝全息圖（全息照片），如圖1（a）所示。從激光器發(fā)出的相干光束，被分束鏡分成兩束光，一束光照明到被攝物體，從物體上反射或散射的物光射到感光膠片上。另一部分光束投射到反射鏡，被反射的光波直接照射到感光膠片上，這束光稱為參考光。物光與參考光在膠片上迭加干涉，產(chǎn)生的干涉圖樣即記錄了物體振幅和位相的全部信息。這張具有干涉圖樣的膠片經(jīng)過(guò)適當(dāng)曝光與沖洗處理后，就是一張全息圖（全息照片）。這一拍攝過(guò)程就是一個(gè)記錄或儲(chǔ)存信息（或波前）的過(guò)程。
第二步是利用衍射原理進(jìn)行物體的再現(xiàn)（重現(xiàn)）。由于全息照片記錄的是兩相干光相互干涉的結(jié)果，因此，與原來(lái)的被攝物體毫無(wú)相似之處。然而，當(dāng)把全息圖放回原處，用相干參考光（此時(shí)稱為再現(xiàn)光束）照明全息圖時(shí)，如圖1（b）所示，這張具有干涉圖樣的全息圖宛如一塊復(fù)雜的光柵將發(fā)生衍射，在這些衍射光波中包含著原來(lái)的物光波，觀察者迎著再現(xiàn)光波方向即可觀察到一個(gè)逼真的、立體感很強(qiáng)的物體再現(xiàn)像。這是一個(gè)物光波前再現(xiàn)亦即成像的過(guò)程。不過(guò)，如果再現(xiàn)光束和原來(lái)的參考光束同向，得到的物像是虛像。如果用原相干光反向照射全息圖，則得到的物像是實(shí)像。如果不用激光而用白光去照射，由于白光是由多種波長(zhǎng)的光混合而成的，全息照片上的干涉條紋，就要同時(shí)對(duì)各種波長(zhǎng)的光發(fā)生衍射。因而，全息照片上會(huì)出現(xiàn)很多重疊錯(cuò)位的像，使人無(wú)法看清楚。當(dāng)然，如果我們?cè)谌D的拍攝過(guò)程中采用諸如彩虹全息和反射式傅立葉變換全息等記錄技術(shù)，則可以獲得白光照明再現(xiàn)原物像的白光全息。
圖1 全息記錄與再現(xiàn)原理
（a）全息圖的記錄光路 （b）全息圖的再現(xiàn)光路與像
全息照相的分類
全息圖的類型可從不同觀點(diǎn)來(lái)分類，根據(jù)討論的需要下面僅從四個(gè)方面加以分類：
1．按照全息圖復(fù)振幅透過(guò)率系數(shù)（或反射系數(shù)）分類
如果全息圖的振幅透射系數(shù)是一個(gè)實(shí)函數(shù)，即 ，則稱這種全息圖為振幅型全息圖；如果全息圖的振幅透射系數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)，即 ，則稱這種全息為混合全息；如果全息圖的振幅透射系數(shù)僅是位相因子 的函數(shù)，則稱其為位相全息圖。實(shí)際記錄材料有振幅型、位相型和混合型三種。位相型記錄材料又分為浮雕型和折射型。如果記錄介質(zhì)在曝光和處理以后厚度改變，折射率不變，它被稱為浮雕型；反之，如記錄材料的厚度不變，折射率改變，則稱它為折射型。用全息干版制作的全息圖，在顯影處理以后是振幅全息圖；如果經(jīng)過(guò)漂白處理以后則變?yōu)槲幌嗳D或混合型的全息圖。
2．按全息圖的結(jié)構(gòu)分類
全息圖中干涉條紋的結(jié)構(gòu)與參考光的方向和波形密切相關(guān)。以平面參考和物波為例，如圖2所示，物光波和參考波自記錄介質(zhì)的同一側(cè)入射，這樣記錄的全息圖稱為透射全息圖，此時(shí)記錄介質(zhì)中的條紋面接近垂直于表面。當(dāng)物光波和參考光波自兩側(cè)入射到記錄介質(zhì)上時(shí)，如圖2所示，在記錄介質(zhì)中條紋面平行于表面，這樣記錄的全息圖稱為反射全息圖。反射全息圖需要用較厚的記錄介質(zhì)才能記錄下多層條紋面。
圖2 透射全息的結(jié)構(gòu)
3．按參考光波和物光波主光線的方向來(lái)分類
按照參、物光波主光線的方向分類，則又有同軸和離軸全息圖之分。同軸全息圖在記錄時(shí)物體中心和參考光源位于通過(guò)全息圖中心的同一條直線上[見(jiàn)圖3（a,b）]，以球面波型參、物波為例，設(shè)物體為一點(diǎn)光源，參考光波是球面波，其同軸全息圖的干涉條紋是一組同心圓環(huán)或橢圓。離軸透射全息圖在記錄時(shí)，物體和參考光與全息圖中心不在同一條直線上[見(jiàn)圖3(c)]，它的條紋形狀為回轉(zhuǎn)圓錐曲線的一部分。
圖3 三種全息圖的記錄光路
(a)同軸，光軸垂直于全息圖 (b)同軸，光軸不與全息圖垂直 (c)離軸全息
4．按物體與感光材料（膠片或干版）、傅立葉透鏡間的位置關(guān)系分類
全息圖可以分為夫瑯和費(fèi)全息圖和菲涅耳全息圖。設(shè)物面上的坐標(biāo)為 ，物面與全息圖的距離滿足條件： 的則為夫瑯和費(fèi)全息。
而如果滿足條件為： 的則為菲涅耳全息，如圖1所示。此外根據(jù)有無(wú)透鏡及物體與感光材料（膠片或干版）、傅立葉透鏡的位置關(guān)系等還可分為傅立葉變換全息圖、無(wú)透鏡傅立葉全息圖、像面全息圖、二維全息圖、三維全息圖、二維／三維全息圖等。
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通過(guò)大學(xué)物理學(xué)的學(xué)習(xí)，我們知道，一般情況下，當(dāng)兩束相干光的位相相同時(shí)，合成光源的振動(dòng)（相應(yīng)的光強(qiáng)）就增強(qiáng)，反之，光波的振動(dòng)就減弱。而光的位相是隨位置變化的，因此，光波的振動(dòng)增強(qiáng)和減弱也隨位置而變化。這樣，在兩束光的交疊處就產(chǎn)生強(qiáng)弱相間的干涉條紋。條紋的分布情況反映了合成光波的位相在不同位置的變化情況。因此，利用兩束光的干涉所產(chǎn)生的干涉條紋可以有效地把位相的變化情況記錄下來(lái)，全息攝影就是利用光的干涉把景物散射光波以干涉條紋的形式，即把光波的振幅和位相記錄在感光材料上，也就是說(shuō)，把物體的全部信息都記錄下來(lái)，因而具有獲得立體圖像的許多優(yōu)點(diǎn)。
全息照相分為兩步。第一步利用干涉法拍攝全息圖（全息照片），如圖1（a）所示。從激光器發(fā)出的相干光束，被分束鏡分成兩束光，一束光照明到被攝物體，從物體上反射或散射的物光射到感光膠片上。另一部分光束投射到反射鏡，被反射的光波直接照射到感光膠片上，這束光稱為參考光。物光與參考光在膠片上迭加干涉，產(chǎn)生的干涉圖樣即記錄了物體振幅和位相的全部信息。這張具有干涉圖樣的膠片經(jīng)過(guò)適當(dāng)曝光與沖洗處理后，就是一張全息圖（全息照片）。這一拍攝過(guò)程就是一個(gè)記錄或儲(chǔ)存信息（或波前）的過(guò)程。
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圖1 全息記錄與再現(xiàn)原理
（a）全息圖的記錄光路 （b）全息圖的再現(xiàn)光路與像
全息照相的分類
全息圖的類型可從不同觀點(diǎn)來(lái)分類，根據(jù)討論的需要下面僅從四個(gè)方面加以分類：
1．按照全息圖復(fù)振幅透過(guò)率系數(shù)（或反射系數(shù)）分類
如果全息圖的振幅透射系數(shù)是一個(gè)實(shí)函數(shù)，即 ，則稱這種全息圖為振幅型全息圖；如果全息圖的振幅透射系數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)，即 ，則稱這種全息為混合全息；如果全息圖的振幅透射系數(shù)僅是位相因子 的函數(shù)，則稱其為位相全息圖。實(shí)際記錄材料有振幅型、位相型和混合型三種。位相型記錄材料又分為浮雕型和折射型。如果記錄介質(zhì)在曝光和處理以后厚度改變，折射率不變，它被稱為浮雕型；反之，如記錄材料的厚度不變，折射率改變，則稱它為折射型。用全息干版制作的全息圖，在顯影處理以后是振幅全息圖；如果經(jīng)過(guò)漂白處理以后則變?yōu)槲幌嗳D或混合型的全息圖。
2．按全息圖的結(jié)構(gòu)分類
全息圖中干涉條紋的結(jié)構(gòu)與參考光的方向和波形密切相關(guān)。以平面參考和物波為例，如圖2所示，物光波和參考波自記錄介質(zhì)的同一側(cè)入射，這樣記錄的全息圖稱為透射全息圖，此時(shí)記錄介質(zhì)中的條紋面接近垂直于表面。當(dāng)物光波和參考光波自兩側(cè)入射到記錄介質(zhì)上時(shí)，如圖2所示，在記錄介質(zhì)中條紋面平行于表面，這樣記錄的全息圖稱為反射全息圖。反射全息圖需要用較厚的記錄介質(zhì)才能記錄下多層條紋面。
圖2 透射全息的結(jié)構(gòu)
3．按參考光波和物光波主光線的方向來(lái)分類
按照參、物光波主光線的方向分類，則又有同軸和離軸全息圖之分。同軸全息圖在記錄時(shí)物體中心和參考光源位于通過(guò)全息圖中心的同一條直線上[見(jiàn)圖3（a,b）]，以球面波型參、物波為例，設(shè)物體為一點(diǎn)光源，參考光波是球面波，其同軸全息圖的干涉條紋是一組同心圓環(huán)或橢圓。離軸透射全息圖在記錄時(shí)，物體和參考光與全息圖中心不在同一條直線上[見(jiàn)圖3(c)]，它的條紋形狀為回轉(zhuǎn)圓錐曲線的一部分。
圖3 三種全息圖的記錄光路
(a)同軸，光軸垂直于全息圖 (b)同軸，光軸不與全息圖垂直 (c)離軸全息
4．按物體與感光材料（膠片或干版）、傅立葉透鏡間的位置關(guān)系分類
全息圖可以分為夫瑯和費(fèi)全息圖和菲涅耳全息圖。設(shè)物面上的坐標(biāo)為 ，物面與全息圖的距離滿足條件： 的則為夫瑯和費(fèi)全息。
而如果滿足條件為： 的則為菲涅耳全息，如圖1所示。此外根據(jù)有無(wú)透鏡及物體與感光材料（膠片或干版）、傅立葉透鏡的位置關(guān)系等還可分為傅立葉變換全息圖、無(wú)透鏡傅立葉全息圖、像面全息圖、二維全息圖、三維全息圖、二維／三維全息圖等。
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