论文——激光全息照相的分析以及评价

1、光学全息照相的分析以及评价王介寒（西安交通大学 理学院 材料物理系 710049） 摘要：介绍全息照相技术的起源与发展；简要论述了光学全息照相的基本原理；将激光全息照相与普通照相进行对比；对激光全息照相的拍摄要求进行全面分析关键词：全息技术，理论，记录，再现，应用PACC：4240D，4240H，4240M1.引 言光是一种电磁波，它的全部信息包含：振幅(反映物体上各点发出的光的强弱，决定像的强度)，位相(反映物体上各点在空间的相对位置，决定像的形状)和频率(反映光的颜色)普通照相只记录了振幅，得到的是二维平面像，而全息照相在记录振幅信息的同时还记录了位相信息，即记录了光波的全部信息因而这种照

2、相称为全息照相全息照相得到的是三维空间的立体像，它所依据的基本原理通常概括为“干涉记录，衍射再现”全息摄影技术的应用十分广泛，目前，已应用于精密测量、无损探伤、指纹识别、高速摄影、全息显微术、信息处理和信息储存等许多领域通讯联系人 E-mail: 24299698982.全息照相的起源与发展早在1948年，全息照相的奥秘由Denis Gabor所发现，为了提高电子显微镜的分辨本领，他提出全息原理它通过光的衍射使图象由平面变为立体因而获得诺贝尔物理奖1960年以后出现了激光，为全息照相提供了一个高亮度高度相干的光源，从此以后全息照相技术进入一个崭新的阶段最近几十多年全息技术发展非常迅速，相继出现

3、了多种全息的方法全息照相精密计量、无损检测、遥感测控、信息储存和处理、生物医药等方面的应用日益广泛另外还出现了微波全息、X光全息和超声波全息等新技术，不断开辟全息应用的新领域3.光学全息照相的基本原理 光学全息照相是利用光波的干涉现象，以干涉条纹的形式，把被摄物表面光波的振幅和相位信息记录下来，它是记录光波全部信息的一种有效手段3.1.全息照相的步骤 第一步 全息记录激光器输出的光束被分为两束，一束投影到记录介质上，称为参考光束R；另一束投射到物体上，经过物体发射或透射以后产生物光束O，也到达记录介质参考光束同物光束相干迭加，在记录介质上形成干涉条纹，这就是一张全息图如图1.图1 拍摄全息照片

4、的原理光路图 第二步 波前重建 用一束同参考光束波长和传播方向完全相同的光束照射全息图，则用眼睛可以观察到一幅立体的原物形象，悬空地再现在全息图后面原物原来的位置如图2.图2 全息照片再现的原理光路图图3即为整个过程：图3 全息照相全步骤3.2.全息照片的拍摄原理： 全息照相是利用光的干涉原理将光波的振幅和相位信息同时记录在感光版上的过程相干光波可以是平面波也可以是球面波，现以平面波为例说明全息照片拍摄的原理如图4所示，图4 全息照相一列波函数为：振幅为a、频率为v、波长为的平面单色光波作为参考光垂直入射到感光版上另外一列同频率、波函数为：的相干平面单色光波从物体发出，称为物光，以入射角同时入

5、射到感光板上，物光与参考光产生干涉，在感光板上形成的光强分布为：由此可见，在感光板上形成了明暗相间的干涉条纹，条纹间距为：可见，在感官底板上的光强分布和干涉条纹间距都受光波的振幅和相位所调制4.全息照相与普通照相的对比 全息照相与普通照相无论在原理上还是方法上都有本质上的差别普通照相是以几何光学的折射定律为基础，利用透镜把物体成像在平面上，记录各点的光强或振幅分布，物象之间各点一一对应，但却是二维平面像上的点与三维物体各点之间的对应，因此并不完全逼真，即使一般所谓的“立体照相”也多是利用双目视差的错觉，而不是物体的真正三维图象而全息照相是以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，借助于参考光波记

6、录物光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质（如感光干版）上得到的不是物体的像，而只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密干涉条纹，称之为全息图如果挡住全息图的一部分，只露出另一部分，这时再现的物体形象仍是完整的因此即使它碎了，只用其中一片，仍可再现整个物体 两者各自特点总结如下：1 普通照相是以几何光学的规律为基础的全息照相过程分为记录、再现两步它以干涉、衍射等波动光学的规律为基础的2 普通照相底片所记录的仅是各点的光强，而全息照相所记录的是各点的全部信息，包括振幅和相位3 普通照相过程中物象之间的关系式点点对应的关系，即一个物点对应像平面中的一个像点全息照相过程中物体和底片之间是点面对应的关系，

7、即每个物点所发射的光束都直接落在记录介质整个平面上，即全息图中每一局部都包含了物体各点的光信息4 普通照相只能得到二维的平面图像，而全息图能完全再现原物波前，因此能观察到一幅非常逼真的立体图像5 两者对光源的要求不同普通照相只是强度记录，不要求光源的相干性，普通光源即可；全息照相是干涉记录，光源的相干长度越长、波前上的相干区越大，就能越有效地实现全息照相激光，作为一种有很高相干性的强光光源，十分理想的满足这些要求5.全息照相的拍摄要求以及应用5.1.拍摄要求： 1 相干性好的光源：全息照相拍摄时最基本的就是利用光的干涉性，因此光源的相干性必须好对于一般较小的漫射物体，实验一般用He-Ne激光器

8、作为相干光源，因为激光有很好的时间相干性和空间相干性这种激光器工作稳定，相干性也好，能获得较好的全息图像 2 合理的光路：选择合适的光路是获得优质全息图的关键之一氦氖激光器相干长度一般不小于激光器腔长的1/4-1/2对光路的要求：尽可能减少物光与参考光的光程差，一般控制在2cm以内；参考光与物光的光强比一般选在2:1-10:1范围，为此需要选取合适的分束镜，或在光路中加入衰减镜来控制投射在感光底板上的参考光与物光之间的夹角一般选取在15°-45°之间，这样可以使干涉条纹间距大些从而降低对感光底板分辨率和系统防震的要求，并避免再现像与零级衍射重合而影响对再现像的观察为了减少光

9、的损失和提高抗干扰能力，在设计光路系统时使用的光学元件应越少越好 3 高分辨率的记录介质：因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹，所以需要采用分辨率、灵敏度等性能良好的感光底版 4 良好的防震装置：拍摄全息照片必须在防震性能良好的全息台上进行，以保证光学系统各元件有良好的机械稳定性拍摄时每一光学元件都不能有任何微小移动或震动轻微的震动或气流扰动只要使光程发生波长数量级的变化，条纹即会模糊不清，再现像的亮度和再现视场范围的大小会受到影响所以被摄物体、各光学元件及全息底版必须严格固定5.2.应用：全息照相应用广泛，主要体现在精密测量、无损探伤、指纹识别、高速摄影、全息显微术、信息处理和信息储

10、存等许多领域下面根据其性质介绍三种应用： 1 全息照相既能记录物体间对光振幅反射或透射的亮度分布情况，又能记录物体间对光位相反射或透射的亮度分布情况，能有力地揭露肉眼观察不到的由位相差变化而显示的犯罪细节 2 指纹识别全息照相是快速、准确识别指纹特征的最有效的方法它利用相关匹配滤波片把指纹信息转换成光强变化被检指纹若与指纹库中某一指纹完全一致，则产生最大光强；若不一致，则挡去一部分光而减弱光强 3 常规照相底片如果破损（如撕破、断开），就无法进行补救，而全息底板即使破损，分开的底板仍包含全部信息发布通辑令，就可以将已照好的全息底板分成多块，在各地同时发出，缩短寄送时间，加快通辑令的迅速传播6.

11、结 论本文通过介绍全息照相技术的起源与发展、论述光学全息照相的基本原理、将激光全息照相与普通照相进行对比以及对激光全息照相的拍摄要求进行全面分析，得出以下结论： 1 全息照相是一种不用普通光学成像系统的录像方法，是20世纪60年代发展起来的一种立体摄影和波阵面再现的新技术 2 全息照相得到的是三维空间的立体像，它所依据的基本原理通常概括为“干涉记录，衍射再现” 3 全息照相相比于普通照相的优点体现在拍摄效果立体逼真、记录的信息量大但是，全息照相也有缺点，比如成本高、拍摄要求远高于普通照相等1 Zhang C M 2012 Optics(Xian JiaoTong University Pres

12、s)张淳民 2012 光学(西安交大出版社)第204页2 Wang Hong Li，Huang Li Qing 2009 Experiments Of University Physics(Science and Technology Press Of ShanXi Province)王红理、黄丽清 2009 大学物理实验(陕西科学技术出版社)第246页3 Yang Fan，Yang Ning 2008 JOURNAL OF ZHONGZHOU UNIVERSITY 25 106(Zhengzhou: Zhongzhou University, Henan Institute of Educa

13、tion)杨帆、杨宁2008 中州大学学报 25 106Analysis of Hologram and its assessmentWang jie han1) (Department of Materials Physics,College of Science, Xi'an Jiao Tong University,China)AbstractThe origin and development of the holography; briefly discusses the basicprinciple of optical holography; comparing laser holography and ordinary camera; the laser hologram photography request to conduc