1.      全息照相实验拍出的全息底片中，黑白反差代表什么含义？干涉花样又代表什么含义？

2.      全息照相与普通的照相的区别？

3.      全息照相有哪些特点及应用？

答案

1. 黑白反差代表物体的振幅信息。干涉花样代表物体的位相信息。

2. 全息照相与普通照相的区别：

3.全息照相的特点：

（1）能贮存物体光波全部信息，得到物体的立体像，如果从不同角度去观察再现的全息图，就可以看到物体不同的侧面。

（2）全息照相不怕擦伤、沾污、破碎，剩下一小片全息片仍然保留着物体光波的全部信息，

这是因为拍摄漫反射全息片时，不用透镜，物体上每一点的光波信息都分布在整片底板上。反过来说，底片上每一小部分都完整地贮存着整个物体光波，所以剩下的一小片碎片就可整个的再现立体像(当然，亮度减弱、清晰度下降，因为信息减少了)

（3）同一张底片上可贮存许多波面，即可多次曝光，照许多幅像。这个可用两种方式进行:一种是照射光波方向不变，在同一底片上重叠多次曝光，再现时，这多个波面同时再现出来，形成反映物体位相或形状特点的干涉条纹，这是构成全息干涉计量的理论基础。另一种方式是改变照射光角度，拍多幅像，再现时，可转动底片，观察原来被拍摄的各物体。

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。