东
第22卷第3期
2002年9月北电力学院学报Vol.22,No.3Sep.,2002JournalOfNortheastChinaInstituteOfElectricPowerEngineering
文章编号:1005-2992(2002)03-0064-03
全息照相及其应用
曹凤耘,康伟芳
(东北电力学院数理科学系,吉林吉林132012)
摘 要:简述了激光全息照相的理论,总结出拍摄全息照片的条件,指出了全息照相的注意事项,并
给出了全息照相的应用前景。
关 键 词:全息照相;记录;再现;干涉;衍射
中图分类号:O436.1 文献标识码:A
1 全息照相的理论分析
由光波动理论知道,光波也是一种电磁波,其波的表达式为[1]:
2PriXi=Aicos(Xit+U-)i(1)
式中,Ai为振幅;Xi为频率;Ki为波长;U为初相位。
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波的迭加。
n2PriQ(r,t)=EAicos(Xit+U-)(2)ii=1
由上式可知,任何一定频率的光波都包含着两种信息,一种是振幅(A),另一种是相位(Xit+U-)。振
幅是表示光的强弱的,并且我们知道,光强与振幅的平方成正比。而相位是表示光的传播方向和传播先后的。
普通照相是根据透镜成象的原理,使物体成象在感光底片上,把物体的形象记
录下来。普通照相底片上记录的只是物体表面发光或反射光的强度,也就是说只
记录物光波的振幅信息,所以普通照相没有立体感。而全息照相是根据光的干涉
原理,采用物光和参考光进行干涉的方法,以干涉条纹的形式记录物光波的全部信
息的。
全息照相分两个过程:第一过程是摄制全息图,也叫波前记录。如图1所示,
相干光源(激光)照射物体,从物体表面反射的光波照射全息底片上,称为物光;光
源的另一部分直接照射到全息底片上,称为参考光。两束光在底片上进行迭加,产
图1 全息照相光路图生干涉条纹,这些干涉条纹记录下来就是全息图。第二过程为波前再现,当把全息
图放回原光路,用参考光照射时,全息图上明暗变化的干涉图样和光栅一样产生衍
射现象,在全息图后面会出现一系列衍射光波,其中保持原来参考光照射方向的是0级衍射光波,在0级衍射光波的两侧还有1级、2级以及更高级的衍射光波(当然高级衍光很快衰减)。1级衍射光波有两个,其中沿着原来物体光波方向传播的发散光波构成物体的虚象,称为+1级衍射光波,另一个会聚光波构成实象,成为-1级衍射光波,如图2所示。
收稿日期:2002-06-18
),
第3期曹风耘等:全息照相及其应用 65全息照相的记录过程是光的干涉过程,我们可以用数学公式来描
述这一过程。
设xoy为全息照相底片平面,底片上一点(x,y)处物光和参
考光的光场分布分别为:
O(x,y)=O0(x,y)eiU(x,y)0(3)
(4)(x,y)rR(x,y)=R0(x,y)eiU
两列光波在底片平面上干涉后的合振幅及光强分别为:
A(x,y)=O(x,y)+R(x,y)
I(x,y)=A(x,y)A*(x,y)
=(O+R)(O+R)*
=OO*+RR*+OR*+O*R图2 全息照相再现图
2iU-iUr=O2+O0e-iU0R0eiUr(6)0+R0+O0e0R0e
*为共轭光波的符号,(6)式是全息照相记录的数学公式。式中第一项反映了物光的光强,它在底片上不同处有不同的大小;第二项反映了参考光的光强,由于它是均匀分布的,所以它在底片上形成均匀背景;第三项和第四项反映了物光和参考光的相对相位关系,它包含了物光和参考光的相对相位关系,它包含了物光和参考光的全部信息(振幅分布和相位分布)。
曝光后的全息底片,经过冲洗后,全息片上各点振幅透射率与入射光强度在一定条件下有如下关系:
T(x,y)=T0+BI(x,y)(7)
式中,T0为底片的灰雾度,B是由全息底片性质决定的常数(对于负片B
再现时,我们用原参考光波R(x,y)=R0(x,y)er照射制备好的全息图,则从全息图透过光的复振幅为:
X(x,y)=T(x,y)R(x,y)
2-iUi2U=[T0+B(O2R2O0R2(8)0+R0)]R(x,y)+B0O(x,y)+B0e0er
(8)式说明全息图透射后的光包括三部分,第一部分是强度衰减的再现光的透射光;第二部分正比于物光O,它与原物光波波前具有同样的相位分布和振幅分布,所以它就是物光波的再现波,在原来的位置上有一个与原物体相同的虚象;第三部分是物光共轭的光波,即虚象相反的一侧会聚一个共轭的实象。iU(x,y)
2 全息照相的拍摄要求
为了拍出一张满意的全息照片,拍摄系统必须具备以下要求:
(1)光源必须是相干光源
通过前面分析知道,全息照相是根据光的干涉原理,所以要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现,为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性,实验中采用He-Ne激光器,用其拍摄较小的漫散物体,可获得良好的全息图。
(2)全息照相系统要具有稳定性
由于全息底片上记录的是干涉条纹,而且是又细又密的干涉条纹,所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊,甚至使干涉条纹无法记录。比如,拍摄过程中若底片位移一个微米,则条纹就分辨不清,为此,要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上。另外,气流通过光路,声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此,在曝光时应该禁止大声喧哗,不能随意走动,保证整个实验室绝对安静。我们的经验是,各组都调好光路后,同学们离开实验台,稳定一分钟后,再在同一时间内爆光,得到较好的效果。
(3)物光与参考光应满足
物光和参考光的光程差应尽量小,两束光的光程相等最好,最多不能超过2cm,调光路时用细绳量好;两速,,
66 东北电力学院学报第22卷材料分辨率的要求较低;两束光的光强比要适当,一般要求在1B1~1B10之间都可以,光强比用硅光电池测出。
(4)使用高分辨率的全息底片
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,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)全息照片的冲洗过程
冲洗过程也是很关键的。我们按照配方要求配药,配出显影液、停影液、定影液和漂白液。上述几种药方都要求用蒸馏水配制,但实验证明,用纯净的自来水配制,也获得成功。冲洗过程要在暗室进行,药液千万不能见光,保持在室温20e在右进行冲洗,配制一次药液保管得当可使用一个月左右。
3 全息照相的应用
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[2,3]。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。如图(3)。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。图3
参 考 文 献
[1] 杨俊才.大学物理实验教程[M].国防科技大学出版社.1994.
[2] 赵凯华.光学[M].北京大学出版社.1999.9
[3] 张三慧.波动与光学[M].清华大学出版社.2001.1
Hologramandit.sApplication
CAOFeng-yun,KANGWe-ifang
(DepartmentofMathematicsandPhysics,NortheastChinaInstituteofElectricPowerEngineering.JilinCity132012)Abstract:Thepaperdescribesabriefaccountofthetheoryoflaserhologram,summarizingtheconditionsoftakingaholographicpicturepointingoutthemattersneedingattentionandsupplyingtheapplicativeprospectsforholograph.
Keywords:Hologram;Record;Reapparition;Interference;Diffraction
东
第22卷第3期
2002年9月北电力学院学报Vol.22,No.3Sep.,2002JournalOfNortheastChinaInstituteOfElectricPowerEngineering
文章编号:1005-2992(2002)03-0064-03
全息照相及其应用
曹凤耘,康伟芳
(东北电力学院数理科学系,吉林吉林132012)
摘 要:简述了激光全息照相的理论,总结出拍摄全息照片的条件,指出了全息照相的注意事项,并
给出了全息照相的应用前景。
关 键 词:全息照相;记录;再现;干涉;衍射
中图分类号:O436.1 文献标识码:A
1 全息照相的理论分析
由光波动理论知道,光波也是一种电磁波,其波的表达式为[1]:
2PriXi=Aicos(Xit+U-)i(1)
式中,Ai为振幅;Xi为频率;Ki为波长;U为初相位。
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波的迭加。
n2PriQ(r,t)=EAicos(Xit+U-)(2)ii=1
由上式可知,任何一定频率的光波都包含着两种信息,一种是振幅(A),另一种是相位(Xit+U-)。振
幅是表示光的强弱的,并且我们知道,光强与振幅的平方成正比。而相位是表示光的传播方向和传播先后的。
普通照相是根据透镜成象的原理,使物体成象在感光底片上,把物体的形象记
录下来。普通照相底片上记录的只是物体表面发光或反射光的强度,也就是说只
记录物光波的振幅信息,所以普通照相没有立体感。而全息照相是根据光的干涉
原理,采用物光和参考光进行干涉的方法,以干涉条纹的形式记录物光波的全部信
息的。
全息照相分两个过程:第一过程是摄制全息图,也叫波前记录。如图1所示,
相干光源(激光)照射物体,从物体表面反射的光波照射全息底片上,称为物光;光
源的另一部分直接照射到全息底片上,称为参考光。两束光在底片上进行迭加,产
图1 全息照相光路图生干涉条纹,这些干涉条纹记录下来就是全息图。第二过程为波前再现,当把全息
图放回原光路,用参考光照射时,全息图上明暗变化的干涉图样和光栅一样产生衍
射现象,在全息图后面会出现一系列衍射光波,其中保持原来参考光照射方向的是0级衍射光波,在0级衍射光波的两侧还有1级、2级以及更高级的衍射光波(当然高级衍光很快衰减)。1级衍射光波有两个,其中沿着原来物体光波方向传播的发散光波构成物体的虚象,称为+1级衍射光波,另一个会聚光波构成实象,成为-1级衍射光波,如图2所示。
收稿日期:2002-06-18
),
第3期曹风耘等:全息照相及其应用 65全息照相的记录过程是光的干涉过程,我们可以用数学公式来描
述这一过程。
设xoy为全息照相底片平面,底片上一点(x,y)处物光和参
考光的光场分布分别为:
O(x,y)=O0(x,y)eiU(x,y)0(3)
(4)(x,y)rR(x,y)=R0(x,y)eiU
两列光波在底片平面上干涉后的合振幅及光强分别为:
A(x,y)=O(x,y)+R(x,y)
I(x,y)=A(x,y)A*(x,y)
=(O+R)(O+R)*
=OO*+RR*+OR*+O*R图2 全息照相再现图
2iU-iUr=O2+O0e-iU0R0eiUr(6)0+R0+O0e0R0e
*为共轭光波的符号,(6)式是全息照相记录的数学公式。式中第一项反映了物光的光强,它在底片上不同处有不同的大小;第二项反映了参考光的光强,由于它是均匀分布的,所以它在底片上形成均匀背景;第三项和第四项反映了物光和参考光的相对相位关系,它包含了物光和参考光的相对相位关系,它包含了物光和参考光的全部信息(振幅分布和相位分布)。
曝光后的全息底片,经过冲洗后,全息片上各点振幅透射率与入射光强度在一定条件下有如下关系:
T(x,y)=T0+BI(x,y)(7)
式中,T0为底片的灰雾度,B是由全息底片性质决定的常数(对于负片B
再现时,我们用原参考光波R(x,y)=R0(x,y)er照射制备好的全息图,则从全息图透过光的复振幅为:
X(x,y)=T(x,y)R(x,y)
2-iUi2U=[T0+B(O2R2O0R2(8)0+R0)]R(x,y)+B0O(x,y)+B0e0er
(8)式说明全息图透射后的光包括三部分,第一部分是强度衰减的再现光的透射光;第二部分正比于物光O,它与原物光波波前具有同样的相位分布和振幅分布,所以它就是物光波的再现波,在原来的位置上有一个与原物体相同的虚象;第三部分是物光共轭的光波,即虚象相反的一侧会聚一个共轭的实象。iU(x,y)
2 全息照相的拍摄要求
为了拍出一张满意的全息照片,拍摄系统必须具备以下要求:
(1)光源必须是相干光源
通过前面分析知道,全息照相是根据光的干涉原理,所以要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现,为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性,实验中采用He-Ne激光器,用其拍摄较小的漫散物体,可获得良好的全息图。
(2)全息照相系统要具有稳定性
由于全息底片上记录的是干涉条纹,而且是又细又密的干涉条纹,所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊,甚至使干涉条纹无法记录。比如,拍摄过程中若底片位移一个微米,则条纹就分辨不清,为此,要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上。另外,气流通过光路,声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此,在曝光时应该禁止大声喧哗,不能随意走动,保证整个实验室绝对安静。我们的经验是,各组都调好光路后,同学们离开实验台,稳定一分钟后,再在同一时间内爆光,得到较好的效果。
(3)物光与参考光应满足
物光和参考光的光程差应尽量小,两束光的光程相等最好,最多不能超过2cm,调光路时用细绳量好;两速,,
66 东北电力学院学报第22卷材料分辨率的要求较低;两束光的光强比要适当,一般要求在1B1~1B10之间都可以,光强比用硅光电池测出。
(4)使用高分辨率的全息底片
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,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)全息照片的冲洗过程
冲洗过程也是很关键的。我们按照配方要求配药,配出显影液、停影液、定影液和漂白液。上述几种药方都要求用蒸馏水配制,但实验证明,用纯净的自来水配制,也获得成功。冲洗过程要在暗室进行,药液千万不能见光,保持在室温20e在右进行冲洗,配制一次药液保管得当可使用一个月左右。
3 全息照相的应用
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[2,3]。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。如图(3)。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。图3
参 考 文 献
[1] 杨俊才.大学物理实验教程[M].国防科技大学出版社.1994.
[2] 赵凯华.光学[M].北京大学出版社.1999.9
[3] 张三慧.波动与光学[M].清华大学出版社.2001.1
Hologramandit.sApplication
CAOFeng-yun,KANGWe-ifang
(DepartmentofMathematicsandPhysics,NortheastChinaInstituteofElectricPowerEngineering.JilinCity132012)Abstract:Thepaperdescribesabriefaccountofthetheoryoflaserhologram,summarizingtheconditionsoftakingaholographicpicturepointingoutthemattersneedingattentionandsupplyingtheapplicativeprospectsforholograph.
Keywords:Hologram;Record;Reapparition;Interference;Diffraction