1、光學全息照相的分析以及評價王介寒（西安交通大學 理學院 材料物理系 710049） 摘要：介紹全息照相技術的起源與發展；簡要論述了光學全息照相的基本原理；將激光全息照相與普通照相進行對比；對激光全息照相的拍攝要求進行全面分析關鍵詞：全息技術，理論，記錄，再現，應用PACC：4240D，4240H，4240M1.引 言光是一種電磁波，它的全部信息包含：振幅(反映物體上各點發出的光的強弱，決定像的強度)，位相(反映物體上各點在空間的相對位置，決定像的形狀)和頻率(反映光的顏色)普通照相只記錄了振幅，得到的是二維平面像，而全息照相在記錄振幅信息的同時還記錄了位相信息，即記錄了光波的全部信息因而這種照

2、相稱為全息照相全息照相得到的是三維空間的立體像，它所依據的基本原理通常概括為“干涉記錄，衍射再現”全息攝影技術的應用十分廣泛，目前，已應用于精密測量、無損探傷、指紋識別、高速攝影、全息顯微術、信息處理和信息儲存等許多領域通訊聯系人 E-mail: 24299698982.全息照相的起源與發展早在1948年，全息照相的奧秘由Denis Gabor所發現，為了提高電子顯微鏡的分辨本領，他提出全息原理它通過光的衍射使圖象由平面變為立體因而獲得諾貝爾物理獎1960年以后出現了激光，為全息照相提供了一個高亮度高度相干的光源，從此以后全息照相技術進入一個嶄新的階段最近幾十多年全息技術發展非常迅速，相繼出現

3、了多種全息的方法全息照相精密計量、無損檢測、遙感測控、信息儲存和處理、生物醫藥等方面的應用日益廣泛另外還出現了微波全息、X光全息和超聲波全息等新技術，不斷開辟全息應用的新領域3.光學全息照相的基本原理 光學全息照相是利用光波的干涉現象，以干涉條紋的形式，把被攝物表面光波的振幅和相位信息記錄下來，它是記錄光波全部信息的一種有效手段3.1.全息照相的步驟 第一步 全息記錄激光器輸出的光束被分為兩束，一束投影到記錄介質上，稱為參考光束R；另一束投射到物體上，經過物體發射或透射以后產生物光束O，也到達記錄介質參考光束同物光束相干迭加，在記錄介質上形成干涉條紋，這就是一張全息圖如圖1.圖1 拍攝全息照片

4、的原理光路圖 第二步 波前重建 用一束同參考光束波長和傳播方向完全相同的光束照射全息圖，則用眼睛可以觀察到一幅立體的原物形象，懸空地再現在全息圖后面原物原來的位置如圖2.圖2 全息照片再現的原理光路圖圖3即為整個過程：圖3 全息照相全步驟3.2.全息照片的拍攝原理： 全息照相是利用光的干涉原理將光波的振幅和相位信息同時記錄在感光版上的過程相干光波可以是平面波也可以是球面波，現以平面波為例說明全息照片拍攝的原理如圖4所示，圖4 全息照相一列波函數為：振幅為a、頻率為v、波長為的平面單色光波作為參考光垂直入射到感光版上另外一列同頻率、波函數為：的相干平面單色光波從物體發出，稱為物光，以入射角同時入

5、射到感光板上，物光與參考光產生干涉，在感光板上形成的光強分布為：由此可見，在感光板上形成了明暗相間的干涉條紋，條紋間距為：可見，在感官底板上的光強分布和干涉條紋間距都受光波的振幅和相位所調制4.全息照相與普通照相的對比 全息照相與普通照相無論在原理上還是方法上都有本質上的差別普通照相是以幾何光學的折射定律為基礎，利用透鏡把物體成像在平面上，記錄各點的光強或振幅分布，物象之間各點一一對應，但卻是二維平面像上的點與三維物體各點之間的對應，因此并不完全逼真，即使一般所謂的“立體照相”也多是利用雙目視差的錯覺，而不是物體的真正三維圖象而全息照相是以光的干涉、衍射等物理光學的規律為基礎，借助于參考光波記

6、錄物光波的振幅與位相的全部信息，在記錄介質（如感光干版）上得到的不是物體的像，而只有在高倍顯微鏡下才能觀察得到的細密干涉條紋，稱之為全息圖如果擋住全息圖的一部分，只露出另一部分，這時再現的物體形象仍是完整的因此即使它碎了，只用其中一片，仍可再現整個物體 兩者各自特點總結如下：1 普通照相是以幾何光學的規律為基礎的全息照相過程分為記錄、再現兩步它以干涉、衍射等波動光學的規律為基礎的2 普通照相底片所記錄的僅是各點的光強，而全息照相所記錄的是各點的全部信息，包括振幅和相位3 普通照相過程中物象之間的關系式點點對應的關系，即一個物點對應像平面中的一個像點全息照相過程中物體和底片之間是點面對應的關系，

7、即每個物點所發射的光束都直接落在記錄介質整個平面上，即全息圖中每一局部都包含了物體各點的光信息4 普通照相只能得到二維的平面圖像，而全息圖能完全再現原物波前，因此能觀察到一幅非常逼真的立體圖像5 兩者對光源的要求不同普通照相只是強度記錄，不要求光源的相干性，普通光源即可；全息照相是干涉記錄，光源的相干長度越長、波前上的相干區越大，就能越有效地實現全息照相激光，作為一種有很高相干性的強光光源，十分理想的滿足這些要求5.全息照相的拍攝要求以及應用5.1.拍攝要求： 1 相干性好的光源：全息照相拍攝時最基本的就是利用光的干涉性，因此光源的相干性必須好對于一般較小的漫射物體，實驗一般用He-Ne激光器

8、作為相干光源，因為激光有很好的時間相干性和空間相干性這種激光器工作穩定，相干性也好，能獲得較好的全息圖像 2 合理的光路：選擇合適的光路是獲得優質全息圖的關鍵之一氦氖激光器相干長度一般不小于激光器腔長的1/4-1/2對光路的要求：盡可能減少物光與參考光的光程差，一般控制在2cm以內；參考光與物光的光強比一般選在2:1-10:1范圍，為此需要選取合適的分束鏡，或在光路中加入衰減鏡來控制投射在感光底板上的參考光與物光之間的夾角一般選取在15°-45°之間，這樣可以使干涉條紋間距大些從而降低對感光底板分辨率和系統防震的要求，并避免再現像與零級衍射重合而影響對再現像的觀察為了減少光

9、的損失和提高抗干擾能力，在設計光路系統時使用的光學元件應越少越好 3 高分辨率的記錄介質：因為全息照相底片上記錄的是又細又密的干涉條紋，所以需要采用分辨率、靈敏度等性能良好的感光底版 4 良好的防震裝置：拍攝全息照片必須在防震性能良好的全息臺上進行，以保證光學系統各元件有良好的機械穩定性拍攝時每一光學元件都不能有任何微小移動或震動輕微的震動或氣流擾動只要使光程發生波長數量級的變化，條紋即會模糊不清，再現像的亮度和再現視場范圍的大小會受到影響所以被攝物體、各光學元件及全息底版必須嚴格固定5.2.應用：全息照相應用廣泛，主要體現在精密測量、無損探傷、指紋識別、高速攝影、全息顯微術、信息處理和信息儲

10、存等許多領域下面根據其性質介紹三種應用： 1 全息照相既能記錄物體間對光振幅反射或透射的亮度分布情況，又能記錄物體間對光位相反射或透射的亮度分布情況，能有力地揭露肉眼觀察不到的由位相差變化而顯示的犯罪細節 2 指紋識別全息照相是快速、準確識別指紋特征的最有效的方法它利用相關匹配濾波片把指紋信息轉換成光強變化被檢指紋若與指紋庫中某一指紋完全一致，則產生最大光強；若不一致，則擋去一部分光而減弱光強 3 常規照相底片如果破損（如撕破、斷開），就無法進行補救，而全息底板即使破損，分開的底板仍包含全部信息發布通輯令，就可以將已照好的全息底板分成多塊，在各地同時發出，縮短寄送時間，加快通輯令的迅速傳播6.

11、結 論本文通過介紹全息照相技術的起源與發展、論述光學全息照相的基本原理、將激光全息照相與普通照相進行對比以及對激光全息照相的拍攝要求進行全面分析，得出以下結論： 1 全息照相是一種不用普通光學成像系統的錄像方法，是20世紀60年代發展起來的一種立體攝影和波陣面再現的新技術 2 全息照相得到的是三維空間的立體像，它所依據的基本原理通常概括為“干涉記錄，衍射再現” 3 全息照相相比于普通照相的優點體現在拍攝效果立體逼真、記錄的信息量大但是，全息照相也有缺點，比如成本高、拍攝要求遠高于普通照相等1 Zhang C M 2012 Optics(Xian JiaoTong University Pres

12、s)張淳民 2012 光學(西安交大出版社)第204頁2 Wang Hong Li，Huang Li Qing 2009 Experiments Of University Physics(Science and Technology Press Of ShanXi Province)王紅理、黃麗清 2009 大學物理實驗(陜西科學技術出版社)第246頁3 Yang Fan，Yang Ning 2008 JOURNAL OF ZHONGZHOU UNIVERSITY 25 106(Zhengzhou: Zhongzhou University, Henan Institute of Educa

13、tion)楊帆、楊寧2008 中州大學學報 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