全息照相原理解析
發布時間：2024-08-22 點擊：438
全息照相原理
通過大學物理學的學習，我們知道，一般情況下，當兩束相干光的位相相同時，合成光源的振動（相應的光強）就增強，反之，光波的振動就減弱。而光的位相是隨位置變化的，因此，光波的振動增強和減弱也隨位置而變化。這樣，在兩束光的交疊處就產生強弱相間的干涉條紋。條紋的分布情況反映了合成光波的位相在不同位置的變化情況。因此，利用兩束光的干涉所產生的干涉條紋可以有效地把位相的變化情況記錄下來，全息攝影就是利用光的干涉把景物散射光波以干涉條紋的形式，即把光波的振幅和位相記錄在感光材料上，也就是說，把物體的全部信息都記錄下來，因而具有獲得立體圖像的許多優點。
全息照相分為兩步。第一步利用干涉法拍攝全息圖（全息照片），如圖1（a）所示。從激光器發出的相干光束，被分束鏡分成兩束光，一束光照明到被攝物體，從物體上反射或散射的物光射到感光膠片上。另一部分光束投射到反射鏡，被反射的光波直接照射到感光膠片上，這束光稱為參考光。物光與參考光在膠片上迭加干涉，產生的干涉圖樣即記錄了物體振幅和位相的全部信息。這張具有干涉圖樣的膠片經過適當曝光與沖洗處理后，就是一張全息圖（全息照片）。這一拍攝過程就是一個記錄或儲存信息（或波前）的過程。
第二步是利用衍射原理進行物體的再現（重現）。由于全息照片記錄的是兩相干光相互干涉的結果，因此，與原來的被攝物體毫無相似之處。然而，當把全息圖放回原處，用相干參考光（此時稱為再現光束）照明全息圖時，如圖1（b）所示，這張具有干涉圖樣的全息圖宛如一塊復雜的光柵將發生衍射，在這些衍射光波中包含著原來的物光波，觀察者迎著再現光波方向即可觀察到一個逼真的、立體感很強的物體再現像。這是一個物光波前再現亦即成像的過程。不過，如果再現光束和原來的參考光束同向，得到的物像是虛像。如果用原相干光反向照射全息圖，則得到的物像是實像。如果不用激光而用白光去照射，由于白光是由多種波長的光混合而成的，全息照片上的干涉條紋，就要同時對各種波長的光發生衍射。因而，全息照片上會出現很多重疊錯位的像，使人無法看清楚。當然，如果我們在全息圖的拍攝過程中采用諸如彩虹全息和反射式傅立葉變換全息等記錄技術，則可以獲得白光照明再現原物像的白光全息。
圖1 全息記錄與再現原理
（a）全息圖的記錄光路 （b）全息圖的再現光路與像
全息照相的分類
全息圖的類型可從不同觀點來分類，根據討論的需要下面僅從四個方面加以分類：
1．按照全息圖復振幅透過率系數（或反射系數）分類
如果全息圖的振幅透射系數是一個實函數，即 ，則稱這種全息圖為振幅型全息圖；如果全息圖的振幅透射系數是一個復數，即 ，則稱這種全息為混合全息；如果全息圖的振幅透射系數僅是位相因子 的函數，則稱其為位相全息圖。實際記錄材料有振幅型、位相型和混合型三種。位相型記錄材料又分為浮雕型和折射型。如果記錄介質在曝光和處理以后厚度改變，折射率不變，它被稱為浮雕型；反之，如記錄材料的厚度不變，折射率改變，則稱它為折射型。用全息干版制作的全息圖，在顯影處理以后是振幅全息圖；如果經過漂白處理以后則變為位相全息圖或混合型的全息圖。
2．按全息圖的結構分類
全息圖中干涉條紋的結構與參考光的方向和波形密切相關。以平面參考和物波為例，如圖2所示，物光波和參考波自記錄介質的同一側入射，這樣記錄的全息圖稱為透射全息圖，此時記錄介質中的條紋面接近垂直于表面。當物光波和參考光波自兩側入射到記錄介質上時，如圖2所示，在記錄介質中條紋面平行于表面，這樣記錄的全息圖稱為反射全息圖。反射全息圖需要用較厚的記錄介質才能記錄下多層條紋面。
圖2 透射全息的結構
3．按參考光波和物光波主光線的方向來分類
按照參、物光波主光線的方向分類，則又有同軸和離軸全息圖之分。同軸全息圖在記錄時物體中心和參考光源位于通過全息圖中心的同一條直線上[見圖3（a,b）]，以球面波型參、物波為例，設物體為一點光源，參考光波是球面波，其同軸全息圖的干涉條紋是一組同心圓環或橢圓。離軸透射全息圖在記錄時，物體和參考光與全息圖中心不在同一條直線上[見圖3(c)]，它的條紋形狀為回轉圓錐曲線的一部分。
圖3 三種全息圖的記錄光路
(a)同軸，光軸垂直于全息圖 (b)同軸，光軸不與全息圖垂直 (c)離軸全息
4．按物體與感光材料（膠片或干版）、傅立葉透鏡間的位置關系分類
全息圖可以分為夫瑯和費全息圖和菲涅耳全息圖。設物面上的坐標為 ，物面與全息圖的距離滿足條件： 的則為夫瑯和費全息。
而如果滿足條件為： 的則為菲涅耳全息，如圖1所示。此外根據有無透鏡及物體與感光材料（膠片或干版）、傅立葉透鏡的位置關系等還可分為傅立葉變換全息圖、無透鏡傅立葉全息圖、像面全息圖、二維全息圖、三維全息圖、二維／三維全息圖等。
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全息照相分為兩步。第一步利用干涉法拍攝全息圖（全息照片），如圖1（a）所示。從激光器發出的相干光束，被分束鏡分成兩束光，一束光照明到被攝物體，從物體上反射或散射的物光射到感光膠片上。另一部分光束投射到反射鏡，被反射的光波直接照射到感光膠片上，這束光稱為參考光。物光與參考光在膠片上迭加干涉，產生的干涉圖樣即記錄了物體振幅和位相的全部信息。這張具有干涉圖樣的膠片經過適當曝光與沖洗處理后，就是一張全息圖（全息照片）。這一拍攝過程就是一個記錄或儲存信息（或波前）的過程。
第二步是利用衍射原理進行物體的再現（重現）。由于全息照片記錄的是兩相干光相互干涉的結果，因此，與原來的被攝物體毫無相似之處。然而，當把全息圖放回原處，用相干參考光（此時稱為再現光束）照明全息圖時，如圖1（b）所示，這張具有干涉圖樣的全息圖宛如一塊復雜的光柵將發生衍射，在這些衍射光波中包含著原來的物光波，觀察者迎著再現光波方向即可觀察到一個逼真的、立體感很強的物體再現像。這是一個物光波前再現亦即成像的過程。不過，如果再現光束和原來的參考光束同向，得到的物像是虛像。如果用原相干光反向照射全息圖，則得到的物像是實像。如果不用激光而用白光去照射，由于白光是由多種波長的光混合而成的，全息照片上的干涉條紋，就要同時對各種波長的光發生衍射。因而，全息照片上會出現很多重疊錯位的像，使人無法看清楚。當然，如果我們在全息圖的拍攝過程中采用諸如彩虹全息和反射式傅立葉變換全息等記錄技術，則可以獲得白光照明再現原物像的白光全息。
圖1 全息記錄與再現原理
（a）全息圖的記錄光路 （b）全息圖的再現光路與像
全息照相的分類
全息圖的類型可從不同觀點來分類，根據討論的需要下面僅從四個方面加以分類：
1．按照全息圖復振幅透過率系數（或反射系數）分類
如果全息圖的振幅透射系數是一個實函數，即 ，則稱這種全息圖為振幅型全息圖；如果全息圖的振幅透射系數是一個復數，即 ，則稱這種全息為混合全息；如果全息圖的振幅透射系數僅是位相因子 的函數，則稱其為位相全息圖。實際記錄材料有振幅型、位相型和混合型三種。位相型記錄材料又分為浮雕型和折射型。如果記錄介質在曝光和處理以后厚度改變，折射率不變，它被稱為浮雕型；反之，如記錄材料的厚度不變，折射率改變，則稱它為折射型。用全息干版制作的全息圖，在顯影處理以后是振幅全息圖；如果經過漂白處理以后則變為位相全息圖或混合型的全息圖。
2．按全息圖的結構分類
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圖2 透射全息的結構
3．按參考光波和物光波主光線的方向來分類
按照參、物光波主光線的方向分類，則又有同軸和離軸全息圖之分。同軸全息圖在記錄時物體中心和參考光源位于通過全息圖中心的同一條直線上[見圖3（a,b）]，以球面波型參、物波為例，設物體為一點光源，參考光波是球面波，其同軸全息圖的干涉條紋是一組同心圓環或橢圓。離軸透射全息圖在記錄時，物體和參考光與全息圖中心不在同一條直線上[見圖3(c)]，它的條紋形狀為回轉圓錐曲線的一部分。
圖3 三種全息圖的記錄光路
(a)同軸，光軸垂直于全息圖 (b)同軸，光軸不與全息圖垂直 (c)離軸全息
4．按物體與感光材料（膠片或干版）、傅立葉透鏡間的位置關系分類
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而如果滿足條件為： 的則為菲涅耳全息，如圖1所示。此外根據有無透鏡及物體與感光材料（膠片或干版）、傅立葉透鏡的位置關系等還可分為傅立葉變換全息圖、無透鏡傅立葉全息圖、像面全息圖、二維全息圖、三維全息圖、二維／三維全息圖等。
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