漫反射全息照相

漫反射全息照相引言全息照相，就是利用干涉方法將自物體發(fā)出光的振幅和位相信息同時(shí)完全地記錄在感光材料上，所得的光干涉圖樣在經(jīng)光化學(xué)處理后就成為全息圖，當(dāng)按照所需要的光照明此全息圖，能使原先記錄的物體光波的波前重現(xiàn)。這是六十年代發(fā)展起來(lái)的一種新的照相技術(shù)，是激光的一種重要的應(yīng)用。全息照相是伽博（D.Gabor）于1948年研究成功的（他由此獲得1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)），由于當(dāng)時(shí)還沒有相干性好的光源，所以全息照相在那以后的十年間沒有什么大發(fā)展。到了六十年代初，由于激光的發(fā)明，在大量新型相干性極好的激光光源的幫助和一些技術(shù)進(jìn)展的擴(kuò)充下，全息照相不久便成為一門得到廣泛研究并有遠(yuǎn)大前景的課題，這次復(fù)興發(fā)源于美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室，是以利思（E.N.Leith）和烏帕特（J.Upatnieks）的工作為標(biāo)志。他們于1962年發(fā)表了劃時(shí)代的全息術(shù)研究成果，他們成功地得到了物體的立體重現(xiàn)像。全息圖最驚人的特征、同時(shí)也必定是它最引人興趣的地方就在于它產(chǎn)生極為逼真的三維幻覺的本領(lǐng)。這種完全逼真的性質(zhì)無(wú)疑大大地推動(dòng)了全息術(shù)的發(fā)展。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)習(xí)和掌握全息照相的基本原理；2．掌握全息照相的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；3．了解全息圖的基本性質(zhì)、觀察并總結(jié)全息照相的特點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)原理普通照相是把從物體表面上各點(diǎn)發(fā)出的光（反射光或散射光）的強(qiáng)弱變化經(jīng)照相物鏡成像，并記錄在感光底片上，這只記錄了物光波的光強(qiáng)（振幅）信息，而失去了描述光波的另一個(gè)重要因素——位相信息，于是在照相底片上能顯示的只是物體的二維平面像。全息照相則不僅可以把物光波的強(qiáng)度分布信息記錄在感光底片上，而且可以把物波光的位相分布信息記錄下來(lái)，即把物體的全部光學(xué)信息完全地記錄下來(lái)，然后通過(guò)一定方法重現(xiàn)原始物光波既再現(xiàn)三維物體的原像。這就是全息照相的基本原則，由三維物體所構(gòu)成的全息圖能夠再現(xiàn)三維物體的原像。Fig.1全息圖記錄Fig.2全息圖虛像的觀察全息照相的基本原理是利用相干性好的參考光束R和物光束O的干涉和衍射，將物光波的振幅和位相信息“凍結(jié)”在感光底片上，即以干涉條紋的形式記錄下來(lái)，如圖1。在底片上所記錄的干涉圖樣的微觀細(xì)節(jié)與發(fā)自物體上各點(diǎn)的光束對(duì)應(yīng)，不同的物光束（物體）將產(chǎn)生不同的干涉圖樣。因此全息圖上只有密密麻麻的干涉條紋，相當(dāng)于一塊復(fù)雜的光柵，當(dāng)用與記錄時(shí)的參考光完全相同的光以同樣的角度照射全息圖時(shí)，就能在這“光柵”的衍射光波中得到原來(lái)的物光波，被“凍結(jié)”在全息片的物光波就能“復(fù)活”，通過(guò)全息圖片就能看見一個(gè)逼真的虛像在原來(lái)放置物體的地方（盡管原物體已不存在），這就是全息圖的物光波前再現(xiàn)，如圖2。全息照相分兩步，第一步是波前記錄。設(shè)x-y平面為全息干板記錄平面，底片上一點(diǎn)（x,y）處物光束O和參考光束R的復(fù)振幅分布分別為Oo(x,y)和Ro(x,y)：（1）由于它們系相干光束，所以物光和參考光在底片上相干迭加后的光強(qiáng)分布為：(2)若全息干板的曝光和沖洗都控制在振幅透過(guò)率t隨曝光量E[E=（光強(qiáng)）×（曝光時(shí)間）]變化曲線的線性部分，則全息干板的透射系數(shù)t(x,y)與光強(qiáng)I(x,y)呈線性關(guān)系，即t(x,y)=to+βI(x,y)(3)Fig.3全息圖實(shí)像的觀察其中to為底片的灰霧度，β為比例常數(shù)，對(duì)于負(fù)片β＜0，這就是全息圖的記錄過(guò)程。Fig.3全息圖實(shí)像的觀察第二步波前再現(xiàn)。若用光波P照明全息圖，在全息圖（x,y）點(diǎn)處該光波的復(fù)振幅為Po(x,y)，于是該光波用下式表示：(4)則透過(guò)全息圖的光波在x-y平面上的復(fù)振幅分布為：(5)這式中第一、二項(xiàng)代表的是強(qiáng)度衰減了的照明光P的直接透射光，亦稱零級(jí)衍射光。第三項(xiàng)中，當(dāng)取照明光和參考光相同時(shí)，即P(x,y)=R(x,y)，則再現(xiàn)光波為：(6)。因此這一項(xiàng)正比于O(x,y)，即除振幅大小改變外，具有原始物光波的一切特性，波前發(fā)射形成物體（在原來(lái)位置上）的虛像，如用眼睛接收到這樣的光波，就會(huì)看到原來(lái)的“物”——原始像。當(dāng)照明光與參考光的共軛相同時(shí)，即P(x,y)=R*(x,y)，第四項(xiàng)有與原始物共軛的位相，(7)這意味著這一項(xiàng)代表一個(gè)實(shí)像，它不在原來(lái)的方向上而是有偏移，稱之為“共軛實(shí)像”。通常把原始像的衍射光波稱為+1級(jí)衍射波，把形成其共軛像的光波稱為-1級(jí)衍射波（如圖2,3所示）。全息照相的基本條件是：一、參考光束和物光束必須是相干光(因此需用激光來(lái)作為照相光源，且一般使物光程與參考光程相當(dāng))。二、記錄介質(zhì)（底片的感光乳膠）要有足夠的分辨率和對(duì)所使用的激光波長(zhǎng)有足夠的感光靈敏度。記錄介質(zhì)的分辨率通常以每毫米能分辨明暗相間的條紋數(shù)來(lái)表示。如果全息底片對(duì)于物光和參考光的照射方向是對(duì)稱放置，則干涉條紋的間距公式為：（8）式中θ為物光和參考光之間的夾角，可見夾角θ越大，干涉條紋的間距越小，條紋越密，這就要求底片具有較高的分辨率(通常全息記錄介質(zhì)的分辨率>1000cy/mm)。三、光學(xué)系統(tǒng)必須有足夠的機(jī)械穩(wěn)定性，由于全息底片上記錄的是精細(xì)的干涉條紋，在記錄過(guò)程中若受到某種干擾（如地面的震動(dòng)，光學(xué)零件支架的自振和變形，以及空氣的紊流等）則將引起干涉條紋的混亂和迭加，導(dǎo)致衍射像亮度下降，甚至完全看不到像。因此，在曝光時(shí)間內(nèi)干涉條紋的移動(dòng)不得超過(guò)條紋間距的1/4，需要把整個(gè)拍攝系統(tǒng)安裝在有效的防震臺(tái)上。另外，在全息底片的光譜靈敏范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)法增加激光的輸出功率，以便縮短曝光時(shí)間，以減少外界因素的影響。Fig.4Fresnel全息圖拍攝實(shí)驗(yàn)光路全息照相的基本方法是把從激光器發(fā)出單束相干光分為兩束，一束照明物體，另一束作為參考光束，并將光束進(jìn)行擴(kuò)展到具有一定的截面。參考光束一般為未受調(diào)制的球面波或平面波，參考光束的取向應(yīng)使它能與物體反射（或散射）的物光束相交，在兩束光重迭的區(qū)域內(nèi)形成由干涉圖樣構(gòu)成的光強(qiáng)分布，當(dāng)感光介質(zhì)放在重迭區(qū)域內(nèi)，就會(huì)由于曝光產(chǎn)生光化學(xué)變化，經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗蟀堰@些變化轉(zhuǎn)變?yōu)榻橘|(zhì)的光透射率的變化，即成了全息圖。Fig.4Fresnel全息圖拍攝實(shí)驗(yàn)光路三、實(shí)驗(yàn)裝置1．實(shí)驗(yàn)光路我們采用的是記錄離軸的Fresnel全息圖光路，這時(shí)記錄介質(zhì)位于物光波的Fresnel衍射區(qū)。注意到拍好全息圖的基本條件，要使物光程近似等于參考光程，所拍攝的物體應(yīng)有均勻的激光照明，且有較高的漫反射率，在全息干板處物光強(qiáng)與參考光強(qiáng)之比可控制在1:3~1:5。拍攝全息圖的另一個(gè)重要因素是物光束與參考光束的幾何排列，這影響到全息圖的空間分辨率。因此，入射到記錄底片上的兩束光之間的夾角θ應(yīng)取在20o~50o之間[如圖（4）所示]。2．光路元件（1）Laser——HN-T3氦氖激光器[全息I型（氦、氖激光）632.8nm波長(zhǎng)]；（2）Sh——Shutter光快門；（3）BS——Beamsplitter光束分束器（4）M1,M2,M3——Mirrors反射鏡組；（5）BE1,BE2——Beamexpanders光束擴(kuò)束器組；（6）O——Object物體；（7）H——Hologram全息干板。附有防振平臺(tái)、三維可調(diào)鏡座、卷尺、沖洗系統(tǒng)、底片架。四、實(shí)驗(yàn)步驟1．布置好光路[參考圖（4）]，使得物光束和參考光束的夾角在45o左右，光強(qiáng)比在1:4或1:5，光程相等，并注意抑制物體的鏡面反射，以提高拍攝全息圖質(zhì)量。2．將全息干板放置在底片架上，乳膠面應(yīng)朝向被拍攝物體，待整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定（即在所有元件就緒后，一般需要3~5分鐘的“靜臺(tái)”）后再進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間由物光的強(qiáng)弱而定。3．全息干板按常規(guī)感光底片顯影定影沖洗處理，為了增加衍射效率，提高再現(xiàn)像亮度，通常把定影后的全息圖進(jìn)行漂白處理，使之變成為位相全息圖。4．全息圖的重現(xiàn)。將拍攝好的全息圖放回原先的底片架上，遮住物光和被攝物體，用參考光束照明全息圖（其乳膠面仍須朝向原物體），通過(guò)全息圖就可看到一個(gè)虛像，像即呈現(xiàn)在原物所在的位置上，就如通過(guò)一扇窗來(lái)觀察外面的物體，不論從窗（全息圖）的那個(gè)角落往外看都能看到整個(gè)物體，隨著觀察位置的改變，再現(xiàn)像的透視面也隨著變化，景物上遠(yuǎn)近物體的視差是明顯的[如圖（2）所示]。由于全息圖的每一部分都含有原物體所有的信息，所以當(dāng)用激光束照明全息圖的不同部分（或破碎全息圖的任一小部分）都仍然可以看到完整的再現(xiàn)像。不過(guò)，全息圖的每一部分將再現(xiàn)出物體的稍微不同的透視圖，隨著所用全息圖面積的減少，像的分辨率就下降，因?yàn)榉直姹绢I(lǐng)與成像系統(tǒng)的孔徑大小有關(guān)。前后移動(dòng)全息圖（即選用不同曲率半徑的球面波照明）可觀察到虛像的放大和縮小的變化。將全息圖面反轉(zhuǎn)180o（繞垂直軸）并將照明光變成與參考光共軛的會(huì)聚球面光波的同頻率激光，則在原來(lái)的物體的方位上得到物體的實(shí)像[如圖（3）所示]。由于光是向著實(shí)像會(huì)聚，所以可用毛玻璃來(lái)接收觀察，也可直接用感光底片或光探測(cè)器檢測(cè)。五、報(bào)告要求1．畫出您在實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)并用于實(shí)際拍攝的光路（按比例畫）并簡(jiǎn)要說(shuō)明其特點(diǎn)。2．簡(jiǎn)述全息照相的特點(diǎn)，比較全息照相與普通照相的同異點(diǎn)。3．您認(rèn)為全息照相的基本條件是什么？您做本實(shí)驗(yàn)時(shí)使之成功的關(guān)鍵是什么？4．假如用物光束照明全息圖，則您將通過(guò)全息圖觀察到什么？5．觀察并討論用擴(kuò)束的激光照明全息圖，如光束擴(kuò)束的大?。ㄌ貏e是不加擴(kuò)束），照明方位改變時(shí)，對(duì)再現(xiàn)像的影響？六、參考文