全息照相 2014.3

1、被摄物被摄物照相机照相机照片照片 普通照相普通照相只记录物光的振只记录物光的振幅信息幅信息，因此，所成的是物体，因此，所成的是物体的平面图象。的平面图象。数学模型数学模型 在全息干板在全息干板H H上设置上设置x x , , y y坐标，设物波和参考波的坐标，设物波和参考波的复振幅复振幅分别为分别为 O O ( ( x x , , y y ) = ) = O O 0 0 ( ( x x , , y y ) exp ) exp j jo o ( ( x x , , y y ) ) R R ( ( x x , , y y ) = ) = R R 0 0 ( ( x x , , y y ) exp

2、) exp jjr r ( ( x x , , y y ) ) 干涉场光振幅应是两者的相干叠加，干涉场光振幅应是两者的相干叠加，H H 上的总光场为干涉场光振幅应是两者的上的总光场为干涉场光振幅应是两者的相干叠加，相干叠加，H H 上的总光场为上的总光场为 U U ( ( x x , , y y ) =) = O O ( ( x x , , y y ) + ) + R R ( ( x x , , y y ) ) 干板记录的是干涉场的光强分布，曝光光强为干板记录的是干涉场的光强分布，曝光光强为 I I ( ( x x , , y y ) = ) = U U ( ( x x , , y y ) )

3、U U * * ( ( x x , , y y ) ) = =O O2 2 +R R2 2 + + O OR R* * + O + O* *R R经线性处理后，底片的透过率函数经线性处理后，底片的透过率函数t tH H 与曝光光强成正比，略去一个无关紧要的与曝光光强成正比，略去一个无关紧要的比例常数，上式可直接写成比例常数，上式可直接写成 t tH H ( ( x x , , y y ) =) =O O2 2 +R R2 2 + + O OR R* * + O + O* *R R 激光全息图的再现原理激光全息图的再现原理 将记录有物体全部信息的全息干板进行暗室处将记录有物体全部信息的全息干板进

4、行暗室处理后，再用一束激光束照射，激光经过干板上理后，再用一束激光束照射，激光经过干板上干涉条纹的干涉条纹的衍射衍射，人眼通过干板可以看到一个，人眼通过干板可以看到一个与原物体形状一样的像（虚像），同时在以干与原物体形状一样的像（虚像），同时在以干板为对称的地方还有一个与原物体完全相同的板为对称的地方还有一个与原物体完全相同的像（实像）。像（实像）。波前再现波前再现的的数学模型数学模型 设照明光波表示为设照明光波表示为 C C ( ( x x , , y y ) = ) = C C 0 0 ( ( x x , , y y ) exp ) exp jjc c ( ( x x , , y y )

5、) 透过透过H H后的光振幅后的光振幅U U( ( x x , , y y ) ) 为为式式 (5.7) (5.7) 称为全息学基本方程，其中方程右边各项的意义为称为全息学基本方程，其中方程右边各项的意义为第一、二项：第一、二项：与再现光相似与再现光相似，它具有与，它具有与其其相同的位相分布，只是振幅分布相同的位相分布，只是振幅分布不同，因而它将以与再现光不同，因而它将以与再现光C C ( ( x x , , y y ) )相同的方式传播。相同的方式传播。第三项：包含有物的位相信息。第三项：包含有物的位相信息。第四项：包含有物的共轭位相信息，可能形成共轭像。第四项：包含有物的共轭位相信息，可能

6、形成共轭像。 crcrcccjROCjROCyxjRCyxjOCROROROyxjyxCyxU00000000200200*220expexp,exp,exp,exp,波前再现的几个特例波前再现的几个特例（1 1）C C ( ( x x , , y y ) =) = R R ( ( x x , , y y ) )，即原参考光再现，即原参考光再现 U U( ( x x , , y y ) =) = R R 0 0（O O 0 0 2 2 + + R R 0 0 2 2）exp exp j jr r + + R R 0 0 2 2 O O 0 0 exp exp j j o o+ R R 0 0

7、2 2 O O 0 0 exp exp - - j j ( (o o - 2- 2r r ) ) 第一、二项合并为一项，保留了参考光的信息第一、二项合并为一项，保留了参考光的信息第三项与原物光波只增加了一个常数因子，第三项与原物光波只增加了一个常数因子，再现了物光波再现了物光波，所成的，所成的像称为原始像（虚象）像称为原始像（虚象）第四项为共轭项，它除了第四项为共轭项，它除了与物波共轭外，还附加了与物波共轭外，还附加了一个位相因子，因而这一一个位相因子，因而这一项成为畸变了的共轭像，项成为畸变了的共轭像，是实像是实像 激光全息图的记录原理激光全息图的记录原理 将同一个激光器发出的激光用将同一个

8、激光器发出的激光用分光器分光器分分为两束，一束照射被摄物体，一束直接为两束，一束照射被摄物体，一束直接照射全息干板（参考光），由物体反射照射全息干板（参考光），由物体反射的光（物光）与参考光在空间相遇形成的光（物光）与参考光在空间相遇形成干涉条纹，全息干板将干涉条纹，全息干板将干涉条纹干涉条纹记录下记录下来，这些条纹里包含了来自物体的来，这些条纹里包含了来自物体的全部全部信息（强度信息和位相位相信息）信息（强度信息和位相位相信息）。分光镜分光镜全反镜全反镜He-NeHe-Ne激光器激光器全反镜全反镜扩束镜扩束镜扩束镜扩束镜物物 体体全息干板全息干板参考光参考光物光物光扩束镜扩束镜全息干板全息干

9、板实实 像像虚虚 象象观察者观察者三、实验步骤三、实验步骤1 在全息台上调整光路在全息台上调整光路2 测量光强比测量光强比3 拍摄全息图拍摄全息图4 将干板进行暗室处理并凉干将干板进行暗室处理并凉干5 在激光下观察再现像在激光下观察再现像氦氖激光器氦氖激光器分分光光镜镜全全反反镜镜全全反反镜镜扩扩束束镜镜扩扩束束镜镜被被摄摄物物白白板板激光器电源激光器电源拍摄好的拍摄好的全息干板全息干板放震台放震台调节架调节架1、全息记录、全息记录（1）将个光学元件调至等高）将个光学元件调至等高He-NeHe-Ne激光器激光器分光镜分光镜全反镜全反镜全反镜全反镜扩束镜扩束镜扩束镜扩束镜物物 体体全息干板全息干

10、板（2）调整光路）调整光路He-NeHe-Ne激光器激光器分光镜分光镜全反镜全反镜全反镜全反镜扩束镜扩束镜扩束镜扩束镜物物 体体全息干板全息干板参考光参考光物光物光光程差光程差=物光程物光程参考光程参考光程移动全反镜移动全反镜（3）使物光和参考光的）使物光和参考光的光程大致相等光程大致相等 光的非单色性1、理想的单色光 、2、准单色光、谱线宽度谱线宽度：准单色光：在某个中心波长（频率）附近有一定波长 （频率）范围的光。 00II0谱线宽度20I光源的非单色性对干涉条纹的影响合成光强)2)(1()2(maxMMjj设能分辨的干涉明纹最大级次为jM ，则应有：Mj - (/2) + (/2)123

11、456012345x0I 为谱线的宽度设： 为光源的波长扬氏干涉drjy0零级条纹重合j 级条纹宽度drjy0当 的第 j 级条纹和 的第j+1 级条纹重合时，条纹不可分辨。2/2/Mj 级的条纹可见度为零Mj1Mj与 对应的光程差Mj)2)(1()2)(1(Mj)2()2(Mjmax22max相干长度（coherent length） ，由光源的单色性决定的产生可见度不为零的干涉条纹的最大光程差2MMk也可定义两列波能发生干涉的最大波程差叫相干长度。 ：中心波长相干长度（4 4）调节物体位置，使物光和参考光的）调节物体位置，使物光和参考光的夹夹角小于等于角小于等于3030度度。移动物体移动物

12、体=30o2sin2d 为参考光束与物光束射到干板时两者的夹角， 为光波波长。（5）调节参考光与物光在全息干）调节参考光与物光在全息干版上照度比为版上照度比为3:17:1。全息干板照度比物光光强参考光光强全息干板上的光强调节扩束镜位置可调节光强二.曝 光取全息干板遮光取下白板安装全息干板注意正面对物体稳定一分钟曝光3、全息干版的冲洗、全息干版的冲洗 在照相暗室中，可在在照相暗室中，可在暗绿灯暗绿灯下操下操作，整个过程不能用手触摸全息干版作，整个过程不能用手触摸全息干版的表面。的表面。D19D19显影液显影液2 2到到3 3分钟分钟清清 水水半分钟半分钟定影液定影液4-54-5分钟分钟最后在清水

13、中冲洗干净，凉干后再将干版放回光路最后在清水中冲洗干净，凉干后再将干版放回光路中观察。中观察。 干板上记录的是干板上记录的是干涉条纹干涉条纹，而而不是物体的像不是物体的像。因此，全息图。因此，全息图在普通光源下看到的外观仅为干在普通光源下看到的外观仅为干涉条纹。涉条纹。全息照片外观全息照片外观4 4 物像的再现与观察物像的再现与观察（1 1）再现虚象的观察）再现虚象的观察扩束镜扩束镜全息干板全息干板实实 像像虚虚 象象观察者观察者再现光路图再现光路图再现虚象再现虚象细激光束细激光束全息干板全息干板观察屏观察屏实象实象（3 3）用人眼观察虚像，改变眼睛的位置做同样观察，）用人眼观察虚像，改变眼睛

14、的位置做同样观察，可观察到再现像的不同部位。可观察到再现像的不同部位。（2 2）观察的实象情况）观察的实象情况 1 1、全息照片再现像是、全息照片再现像是真实物体的三维立真实物体的三维立体图象体图象，并且可同时再现一虚一实两个相。，并且可同时再现一虚一实两个相。 2 2、全息照片具有、全息照片具有可分割特性可分割特性，如果全如果全息照片打碎了，它的息照片打碎了，它的每一块碎片都可以再现每一块碎片都可以再现原物体的像，即可以一斑而知全豹原物体的像，即可以一斑而知全豹。 3 3、同一张全息感光板可进行、同一张全息感光板可进行多次重复曝光多次重复曝光记录记录。 如：一朵玫瑰的全息相片被割成两半，用如

15、：一朵玫瑰的全息相片被割成两半，用激光照射，会发现每一半都有整个玫瑰的影像，激光照射，会发现每一半都有整个玫瑰的影像，即使再分下去，即使再分下去，每一小块底片中都会包含着一每一小块底片中都会包含着一个完整的原来玫瑰的影像个完整的原来玫瑰的影像。 激光全息摄影激光全息摄影展示展示 一张平面照片一张平面照片,从正前方看是正面像从正前方看是正面像 从左边可看见左面的脸从左边可看见左面的脸 从右边可看见右面的脸从右边可看见右面的脸这就是激光全息摄影的神奇这就是激光全息摄影的神奇看得见全摸不到的香蕉看得见全摸不到的香蕉全息技术参与美国大选全息技术参与美国大选 在在2008年美国总统大选的新闻报道现场，年

16、美国总统大选的新闻报道现场，美国有线电视新闻网美国有线电视新闻网(CNN) 运用运用全息投全息投影技术影技术，将身处异地的，将身处异地的CNN女主持女主持Jessica Yellin的的“全息影像全息影像”出现在直播出现在直播间里，与著名主持人间里，与著名主持人Wolf Blitzer面对面面对面交谈，而实际上她本人远在芝加哥。令交谈，而实际上她本人远在芝加哥。令人称奇。人称奇。 在这一技术中，总共动用了在这一技术中，总共动用了35部高清摄部高清摄像机，像好莱坞大片一样从各不同角度像机，像好莱坞大片一样从各不同角度对主持人进行拍摄，图像素材进而被输对主持人进行拍摄，图像素材进而被输送到送到20台电脑中进行处理合成，形成的台电脑中进行处理合成，形成的影像通过影像通过37英寸等离子电视预览后即传英寸等离子电视预览后即传输到演播现场，由高清投影机实现人像输到演播现场，由高清投影机实现人像再现过程。再现过程。 要注意安全，要注意安全，防止视网膜损伤防止视网膜损伤。 不要用手触摸实验仪器的光学元件的镜面。不要用