１ 引言
我们看到的世界是三维的、彩色的，这是因为每个物体发射的光被人眼接受时，光的强弱、射向和距离、颜色都不同。从波动光学的观点看，是由于各物体发射的特定的光波不同，光的特征主要取决于光波的振幅、相位、和波长。如果能看到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三维像，这就是全息术。全息术诞生到现在60年来取得了很大的进展，已经被广泛应用于近代科学研究和工业生产中。
1948年，丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法，随后用实验验证了这一想法，即全息术，并制成世界上第一张全息图。全息术在刚开始的十多年中进展缓慢，直到激光的出现使得全息术获得巨大进展。总结全息照相的发展，可以分为四个阶段：第一阶段是用水银灯记录同轴全息图，这时是全息照相的萌芽时期，主要原因是没有好的相干光源，再现像和共轭像不能分离；第二阶段是用激光记录、激光再现的全息照相，能够把原始像和共轭像分离；第三阶段是激光记录、白光再现的全息照相，主要有反射全息、象全息、彩虹全息及合全息；第四阶段是当前所致力的方向，就是白光记录全息图。[[1]]
2 全息照相的原理
全息照相是一种二步成像的照相技术，它利用物光和参考光在感光胶片上进行干涉叠加形成全息照片，在运用衍射原理使之再现，因此全息照相的过程包括全息记录和全息再现两个过程。
2.1 全息记录
2-1图 全息记录
如图1所示，激光器射出的激光束通过分束镜分成两束，一束光经扩束镜扩束后直接投摄到感光底片上，这束光称为参考光，另一束光经反射镜反射及扩束镜扩束后射到被摄物体上，在经过物体反射到感光板上，这束光称为物光。两束光将在感光板上产生干涉，形成干涉条纹。设
物光波：
参考光波：
式中
分别为物光波参考光波的振幅和初相位。当两束光波发生干涉，其合成光波为：
合成光强为：
式中各项物理意义：第一项是物光波产生的光强分布，第二项是参考光波的光强分布，第三项是干涉项它使光强在感光板上产生明暗相间的条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波的振幅分布，干涉条纹的几何特征记录了物光波的相位特征。[[2]]
2.2 全息再现
2-2图 全息再现
感光板记录的并不是物体的几何图形，而是物光波的振幅和相位的全部信息的不规则的干涉图样。必须用一个与参考光束相同的光波（即再现光）去照射全息图，才能看到所照射物体的全息像。再现过程如下：
设再现光复振幅分布为
，全息图的振幅透过率为
，则透过全息图的光场为：
由上式可知透过全息图片的光波由四项内容组成。[[3]]
第一项是被衰减的再现光，透过全息图形成背景光，是零级衍射波。
第二项是再现光方向上的透射光，但由于A0一般较AR小很多，因此此项可以忽略。
第三项是一级衍射波，是一衰减的和原物光波完全相同的波面，为光波的准确再现，逆着光波可以看到一逼真的立体图像，此像为虚像。
第三项是-1级衍射波所形成的与初像共轭的全息实像。
这样就可以看到衍射光形成的两个全息像，一实一虚。所看到的景物具有立体感，犹如现实中的物体一样。
3 全息图的特点
全息照相的原理决定了它有以下特点：
（1） 三维性。因为全息图记录的是光波的全部信息，既振幅与相位同时记录在全息片上，图像具有显著的视差特性，可以看到逼真的三维图像。而普通的图像只是记录了振幅，得到的是二维平面图像。
（2） 可分割性。全息照片被打碎后，它的任何一个碎片都能再现完整的被拍物体信息。因为全息照相过程中，物面和像面之间是点面对应的关系。形成的全息照片中每一个局部都包含了物体各点的信息。
（3） 信息容量大。可以转动底片角度拍摄多次。再现时作同样转动不同角度可以出现不同图像，也可以不转动底片而改变被拍物体的状态进行多次曝光，再现时可以互补干扰的出现不同的图像。
（4） 亮度可变性。全息图的亮度随再现光的亮度改变而改变。再现光愈强，象的亮度愈大，反之愈暗。
（5） 可放大或缩小。因为衍射角与波长有关，用不同波长的光照射全息图，再现象就会出现放大或者缩小。
4 全息照相应用
全息照相是一种不用普通光学成像系统的照相方法，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。由于全息照相能够把物体表面发出的全部信息记录下来，并能完全再现被摄物体的全部信息。因此，全息技术在科技、文化、工业、农业、医药、艺术、商业、及军事等领域有着广泛的应用。[[4]]
4.1 制作全息光学元件
4.1.1 全息光栅
最简单的全息图是两个平面光波相干叠加而得到的全息图，这种全息图是一组平行等间距的直条纹，它与刻划光栅可起相同的作用，故称全息光栅。条纹的疏密与两束光之间的夹角有关，只要改变夹角，就可以得到不同光栅常数的光栅。全息光栅制作方法简单、成本低；美誉周期性误差，杂散光少，对环境要求低。
4.1.2 全息滤波片
用夹角接近，且垂直于记录介质表面的两平面波相干叠加制得的全息图就是一张滤光片。当某复色光入射时，只有满足布喇格衍射条件的某波长的光才能再现出来，从而起到滤光作用，单波半宽度较干涉滤光片窄。
4.1.3 全息透镜
用两球面光波，或者一平面光波和一球面光波相干叠加所制得的全息图就是一个全息透镜。这种全息图的透镜作用，类似于菲涅耳波带片的作用。
4.1.4 全息扫描器
可以由照相得到，但大多数情况下有计算机产生。通常是把一记录介质分割成若干等分，每一部分都是按所需要的两束相干光叠加而得到全息图。再现时，用一束已知的光照射全息图，同时按一定规律移动这个全息图，就会在预定的位置得到再现光而且随着全息图的移动，再现光的方向不断改变着，所以把它叫作全息光偏析器。
4.2 全息存储
全息存储是利用全息照相的技术原理来实现数据记录的。这一概念是Dennis Gabor在1984年为提高电子显微镜的分辨率而提出的。他的最大优点是超高密度，不仅如此，全息存储还具有极大的提升潜力，只要控制芯片具有足够强的数据处理能力，全息存储技术甚至可以提供高达1000TB的容量。相比之下，目前硬盘的最大容量才2TB，这个容量只相当于全息存储的“立方体糖块”的一个小碎片所提供的存储能力。全息存储技术将可成为最有希望的新一代存储技术。原因是：（1）全息存储具有存储容量大的优势。[[5]]（2）全息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。（3）全息存储具有数据读取速率高和可并行读取的特点。近年来随着光电技术和器件的发展，全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟，但是全息图的寿命问题仍有待解决。
4.3 全息干涉测量
全息干涉测量是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全息干板上，然后利用全息术的空间波前再现原理，非接触的对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉测量广泛应用于结构无损检测、物体形变位移测量、应力应变分析、振动分析等领域。目前我国全息干涉测量设备方面主要发展有[[6]]：（1）用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪；（2）用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪；（3）包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉仪测试系统；（4）用于航空、航天、石油化工等部门常用的膜盒进行位移检测的激光全息光栅精密测试系统。
4.4 显示全息
该技术在激光透射全息图片的基础上制作各种类型的全息图片，如白光透射、反射全息图片等，这些图片可用于投影、室内装修、舞台布景、建筑等；[[7]]再如以动态显示的全息术、层面X照相术、3DCAD技术、3D动画片等充分展示了全息术的创造性魅力和艺术美。
4.5 模压全息
把全息图片压印到一定的材料上，用白光再现时，可以得到色彩艳丽而逼真的三维图像。模压全息的制作过程分为三个阶段:激光摄制原片全息图；电成型制金属模板；模压复制。[[8]]模压图片技术含量高，并带有保密性，可以防止复制，将全息防伪标志记录、存储或转移到护照、信用卡、及化妆品、酒类、家电等产品上可以起到防伪作用。
5 结论
本文介绍了全息照相的原理及其应用，随着科技的进步，全息照相在不断向前发展。在不久的将来，全息照相能为人们的生活带来更加丰富的体验。把全息干涉计量术与计算机图像处理技术相结合，借助光电图像传感器、大孔径面阵CCD器件和小型化的脉冲固体激光器等先进设备的出现，发展系统化、智能化、小型化的全息干涉计量装置将是未来全息干涉计量术的发展方向。[[9]]相信全息术会走向一个越来越成熟的阶段，使我们的生活色彩斑斓。
参考文献
[1] 吕广娟、张孝林、段新超.白光再现全息照相[J].大学物理实验，2006，19（1）
[2] 赵凯华、钟锡华.光学：下册[M].北京：北京大学出版社，1994
[3] 张三慧.波动与光学[M].北京：清华大学出版社，2001
[4] 于美文.全息光学及其应用[M].北京：北京理工大学出版社，1996
[5] 陶世荃等.光全息存储[M].北京：北京工业大学出版社，1998
[6] 李明.激光全息技术的发展及应用趋势研究[J].激光杂志，2005，26（6）：13~15
[7] 陈勇、刘东辉.全息照相及其应用[J].塔里木农垦大学学报，2004，16（3）
[8] 王贤锋.全息术的历史和发展[J].现代商贸工业，2007，19（5）：181~182
[9] 杨帆、杨宁.激光全息照相技术及其应用前景[J].中州大学学报，2008，25（2）：107~108
第二篇：实验4.14 全息照相
全息照相
【实验简介】
全息照相是 60 年代发展起来的一门立体摄影和波前再现技术。与普通照相相比具有更多的特点，故在摄影艺术、精密计量、无损检测、信息处理、遥感图像分析，生物医学和国防科研中具有广泛的应用。
全息照相是将物体表面漫射光波的振幅和位相以干涉条纹（全息图）的形式记录下来。当光波按一定方向照射全息图时，通过全息图的衍射，能够再现物光波前，使我们看到被摄物体的立体像。
【实验目的】
1．了解全息照相的基本原理、特点。
2．学习全息照片的拍摄、观察方法。
【预习思考题】
1．要获得一张合格的全息照片，应注意满足哪些实验条件？
2．如何观察全息照片，得到原物无畸变的像？
【实验仪器】
防振平台、
激光器、分束镜、反射镜、扩束镜、拍摄物、全息底片、磁性座、洗相设备。
【实验原理】
1．全息照相技术
光是电磁波，任一物体发出或反射的光，可以看成由许多不同频率的单色光的迭加
式中
为振幅，
为圆频率，
为波长，
为初相位。光在传播过程中，借助于它们的频率、振幅和相位来区别物体的颜色、明暗、形状和远近。
普通照相通过成像系统将物体成像在感光材料上，材料上的感光强度只与物体表面光强分布有关，由于光强与振幅平方成正比，所以它只记录了物光的振幅信息，没有记录物光的相位差别。因此普通照相记录的是物体的二维平面像，缺乏立体感。
全息照相不仅记录了物体发出或反射的光的振幅信息，而且把光的相位信息也记录下来，所以全息照相所记录的不是物体的像，而是物光波本身。它记录了物光波的全部信息（振幅与相位），并且在一定条件下，能将所记录的全部信息完全再现出来，因而再现的物像是一个逼真的三维立体像。
全息照相包括两个过程：记录（拍摄）过程——把物光波的全部信息记录在感光材料上；再现过程——照明已被记录下全部信息的感光材料使其再现物光波。
2．全息照相的基本过程
2.1全息照相记录过程——光的干涉
图4.14.1是记录过程中的光路。从激光器S发出的光经分束镜N分为两束，一束经反射镜M1反射并经扩束镜Ｌ1扩束后照射到物体O上，物体的漫反射光（即物光）照射到感光板H上；另一束作为参考光，经反射镜M2反射并经扩束镜Ｌ2扩束后直接照射到H上。这两束光光程近似相等，且符合相干条件，故在H平面相遇时产生一组稳定的干涉条纹。干涉条纹的形状、间距等几何特征反映了物光的位相分布，而条纹的可见度反映了物光波的振幅分布。所以即使是对同一参考光波，不同的物光波将产生不同的干涉图样。感光板经曝光和暗室处理后所记录的干涉图样，称为全息图。
图4.14.1 全息照片的拍摄光路
2．2 全息照相再现过程—光的衍射
我们知道人之所以看到物体，是因为从物体发出或反射的光波被眼睛所接收。所以，想要从全息图上看到原物体的像，必须使全息图再现原物体发出的光波，这个过程就称为全息图的再现过程，它所利用的是光栅衍射原理。
再现过程的观察光路如图4.14.2所示。用一束与原参考光完全相同（即波长和方向相同）的再现光照射全息图。全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅，它使再现光产生衍射。透过全息图沿着光衍射的方向向原来被摄物的方位观察，可以看到一个完全逼真的三维立体图像。如图4.14.2所示，按光栅衍射原理，再现光发生衍射，其+1级衍射光是发散光，与物体在原来位置时发出的光波完全一样，形成一个虚像，称为真像。－1级衍射光是会聚光，将形成一个共轭实像，称为膺像。
图4.14.2 全息照片的再现光路
3．反射全息照相
记录全息图时，使相干的物光和参考光从记录介质H的两边入射，如图4.14.3所示，就可获得用非相干白光照明再现的全息像。由于像的再现过程是通过记录的全息图的反射，故称为反射全息照相。
图4.14.3是用一束光记录反射全息图的光路图，扩束后的激光束从感光板H的背面入射，作为参考光，透过感光板的光束照射到被摄物体上，由物体漫射回来的光作为物光照射到H上。物光、参考光之间的夹角近似为
，两光波的相干叠加形成的干涉条纹是一些近似平行于乳胶层表面的蜂值强度面，经显影处理后，在峰值强度面上形成高密度的银层，其作用相当于一些反射平面，各反射平面的间距
约为
(
为记录光波波长)。
图4.14.3 反射全息的拍摄光路
反射全息主要利用了布拉格衍射效应和照相底片的厚乳胶。用厚乳剂制成的反射全息图，相当于三维光栅。如图4.14.4所示。若再现光波以与银层成
角方向照明全息图，则一部分光被银层散射，一部分光透过，各峰值强度面层所散射的光相干叠加形成衍射极大值。同一面层的散射光，满足反射定律时是同相相加的；对于不同面层之间的散射光，则须满足布拉格方程，即
这就是反射全息图再现的条件。
图4.14.4 反射全息的再现原理
如果用白光照明全息图，则只有满足布拉格条件所要求的那种波长的光有衍射极大值。因而，再现的像是单色的。白光再现反射全息的观察光路如图4.14.5所示。
图4.14.5 反射全息的再现光路
4．全息照相的特点
4.1立体感强。由于全息照片记录了物光波的全部信息，所以再现像是逼真的三维物体像，和眼睛看到的实际景物一样。
4.2全息照片具有分割性。这是因为物体上每一点的光波都分布在整个底片上。反过来说，底片上每一部分都完整地贮存着整个物光波，都能再现被摄物的完整图像。即使H打碎了，每块碎片也能再现完整的图像，当然，碎片越小，像的分辨率越低。
4.3 一张全息干板可以多次曝光。对同一物体，用不同角度的参考光束拍摄，则相应物体的再现像就出现在不同的衍射方向上，各个再现像可以互不干扰的独立再现。
由于全息照相具有上述独特的特点。所以，在各个领域中已得到较广泛的应用。如利用全息图的立体视觉特性，可作三维显示、立体广告、立体电影等。利用全息图的可分割性和多重记录特性，可作信息存储、全息干涉计量、振动频谱分析、无损检测和测量位移、应力、应变等。
5．拍摄系统的技术要求
为了成功拍摄一张全息图，必须具备以下几个基本条件：
5.1实验系统的稳定性高。由于全息底片记录的干涉条纹很细密，相当于波长数量级，在曝光过程中极小的震动干扰都会引起干涉条纹模糊，甚至使干涉条纹无法记录。因此，所有的光学元件和支架在曝光时都要使用磁性座牢固地吸在全息防震台上，使整个系统组成一个稳定的刚体。此外，气流通过光路、声波干扰以及温度变化引起空气密度的变化，都会导致光路不稳定，所以曝光时应避免大声喧哗、吹风等。
5.2 良好的相干光源。全息拍摄是干涉记录，光源的相干性直接影响物光和参考光的干涉效果，所以全息拍摄要用好的相干光源，实验中采用He—Ne激光器作光源。
5.3 合理的光路
5.3．1 受光源的相干长度限制，光路中应尽量减小物光和参考光的光程差，将光程差控制在光源的相干长度之内，最好是等光程。
5.3.2 物光和参考光投射到干板上的夹角要适当，一般取
～
为宜。物光与参考光夹角太大，条纹的间距就小，曝光过程中受到的限制就大；物光与参考光夹角太小，条纹间距就大，衍射角就小，各级衍射光分不开，观察时不方便。
5.3.3 物光和参考光的光强比合适。一般以1：4到1：6为宜。
5.4 高分辨率的记录介质。全息图的干涉条纹间距很细密，故必须用高分辨率的记录介质。本实验中使用的I型全息干板，分辨率可达3000条/mm．。
【实验内容与步骤】
1. 全息图的拍摄
1.1 按图4.14.1布置光路
（1）以激光器出光孔高度为准，使各光学元件光轴处于与防震台面平行的平面内。
（2）物光与参考光的光程分别从分束镜算起到全息干板处，要尽可能相等。
（3）物光束与参考光束的夹角在不影响观察的情况下尽可能小些。
（4）全息干板平面上物光束与参考光束的强度比要适当，一般取1：4到1：6均可取得良好效果。
（5）用一白屏代替干板固定在干板夹上，使参考光束照在白屏中间，再插入扩束镜，扩束光束中心也照射在白屏中间。挡住参考光束，首先使物光束均匀照明所拍摄的物体，再使物光束散射光也照射在白屏中间。使参考光与物体散射光在白屏上重合。
1.2 曝光
挡住光源，将全息干版固定在干板夹上，要求乳胶面对着物光和参考光的方向，等待2～3分钟让全息台稳定下来，再进行曝光，曝光时间一般取10～30s。
1.3 冲洗
将已曝过光的全息干版依次放在显影液（D-19），清水和定影液（F-5）中进行冲洗。显影时与旁边放置的灰度适中的对比片进行比较，显影时间以对比度片的灰度为准，记录显影时间。定影为3分钟。定影后经水洗并晾干即得到一张全息照片。
2. 全息图的再现
2.1 再现虚像的观察
（1）将拍摄好的全息照片放回原干板夹上，挡住物光束，移走被摄物体，用原参考光照明，像即呈现在原物所在位置上。并使眼睛左右、前后慢慢移动，观察像的变化。
（2）改变全息图到扩束镜之间的距离，观察再现虚像的位置和大小的变化。
（3）用纸片部分遮盖全息照片，观察像的变化，注意有无放大、缩小、缺陷或其它变化。
2.2 再现实像的观察（选做）
将全息图绕垂直轴旋转1800，使乳胶面向着观察者，移去参考光路中的扩束镜，用未经扩束的激光束照射全息照片的玻璃基面，在观察者一侧用白屏接收并观察再现像。分别改变入射光束的入射点及白屏到全息照片的距离，观察并记录屏上所获得像的变化，找出像质最佳位置，即为实像位置，比较它与虚像位置之间的关系。
2.3 记录以上观察结果，并做出合理解释。
3. 反射全息图的拍摄与观察（选做）
【注意事项】
1．眼睛不能直视未扩束的激光束。
2．应保持光学元件清洁，若光学面有灰尘，应及时请指导教师处理，切勿用手或纸片
揩拭。
3．全息拍摄曝光过程中，切勿触及全息防振台，人员也不要走动，喧哗，以免造成不
必要的振动干扰，影响全息图的拍摄质量。
4．照相暗室中显影、水洗、定影的条件和顺序应严格按规定进行，及时记录各实验参
数。冲洗结束后应整理实验环境，并将药液倒回原瓶。
【思考题】
试列表总结全息照相与一般照相的区别。