实验27全息拍照技术一、实验目的1、学习和把握全息拍照的基本原理；2、掌握全息拍照的实验技术；3、了解全息图的基本性质、观察并总结全息拍照的特性。４、学会制做彩虹全息图和反射全息图；５、掌握制做原理，并感受它们在拍摄与重现方式上与通常全息拍照的同异点。二、仪器及用品光学平台、白光全息实验仪三、实验原理1．全息拍照原理普通拍照是把从物体表面上各点发出的光（反射光或散射光）的强弱变化经拍照目镜成像，并记录在感光底片上，这只记录了物光波的光强（振幅）信息，而丧失了描述光波的另一个重要诱因——位相信息，于是在拍照底片上能显示的只是物体的二维平面像。全息拍照则除了可以把物光波的硬度分布信息记录在感光底片上，并且可以把物波光的位相分布信息记录出来，即把物体的全部光学信息完全地记录出来（如图1），之后通过一定方式再现原始物光波既重现三维物体的原像。这就是全息拍照的基本原则，由三维物体所构成的全息图才能重现三维物体的原像。全息拍照的基本原理是借助相干性好的参考光束R和物光束O的干涉，将物光波的振幅和位相信息记录在感光底片上，即以干涉白色的方式记录出来。在底片上所记录的干涉图样的微观细节与发自物体上各点的光束对应，不同的物光束（物体）将形成不同的干涉图样。
因而全息图上只有密密妈妈的干涉白色，相当于一块复杂的光栅，当用与记录时的参考光完全相同的光以同样的角度照射全息图时，能够在这块“光栅”的衍射光波中得到原先的物光波，被记录在全息片的物光波能够重现，通过全息图片能够看到一个逼真的实像在原先放置物体的地方（尽管原物体已不存在），这就是全息图的物光波前重现。全息拍照的基本条件是：(1)参考光束和物光束必须是相干光(因而需用激光来作为拍照光源，且通常使物光程与参考光程相当)。(2)记录介质（底片的感光乳胶）要有足够的帧率和对所使用的激光波长有足够的感光灵敏度。记录介质的帧率一般以每毫米能区分疏密相间的横条数来表示。假如全息底片对于物光和参考光的照射方向是对称放置，则干涉白色的宽度公式为：（1）式中θ为物光和参考光之间的倾角，可见倾角θ越大，干涉白色的宽度越小，白色越密，这就要求底片具有较高的帧率(一般全息记录介质的帧率>/mm)。(3)光学系统必须有足够的机械稳定性，因为全息底片上记录的是精细的干涉白色，在记录过程中若遭到某种干扰（如地面的振动，光学零件支架的自振和变型，以及空气的湍流等）则将导致干涉白色的混乱和迭加，致使全息重现时像色温增长，甚至完全看不到像。
为此，在爆光时间内干涉白色的联通不得超过白色宽度的1/4，须要把整个拍摄系统安装在有效的防震台上。另外，在全息底片的波谱灵敏范围内应设法降低激光的输出功率，便于减短爆光时间，以减低外界诱因的影响。我们采用的是记录离轴的全息图光路，这时记录介质坐落物光波的漫反射区。注意到拍好全息图的基本条件，要使物光程近似等于参考光程，所拍摄的物体应有均匀的激光照明，且有较高的漫反射率，在全息干板处物光强与参考光强之比可控制在1:3~1:5。拍摄全息图的另一个重要诱因是物光束与参考光束的几何排列，这影响到全息图的空间帧率。为此，入射到记录底片上的两束光之间的倾角θ应取在20o~50o之间，如图2所示。2．白光全息原理(1)．二步彩虹全息图二步彩虹全息图是S.A.于1969年提出的，这是因为他遭到全息图的碎片能重现物体完整像的特点启示而发觉的。二步彩虹全息图的实现是首先对欲记录的物体O1拍摄一张离轴全息图H1——称为主全息图或掩模，再用与其参考共轭的光束R1*照明主全息图H1[如图３所示]。使其重现赝虚像I1，在紧靠H1处放置一个长度为a的狭缝S来限制衍射光束，即以窄条光束构成赝虚像。
H是第二次记录的全息干板，为了得到较好的彩虹全息像，H应置于H1的赝虚像平面附近，用会聚光作为参考光R可较便捷地实现用共轭的光束（点光源）照明得到好的重现像。这样在H上实际记录的是许多窄块状的全息图（它们是相应每位物点所构成的）其长度为△H，亦称为线全息图，当用单色点光源逆参考光方向照明重现时，每一个线全图的衍射光产生一个像点，同时在原狭缝位置上重现一个亮狭缝虚像S’[如图４所示]，这时将人眼放在狭缝虚像的位置即可见到完整的重现像。因为实狭缝像是会聚重现，故人们听到的是个较亮的全息像。当用白光点光源代替单色点光源照明重现，物体和狭缝的重现像将因波长不同而变化。图５说明了红、绿、兰三种颜色波长光的重现物体像和狭缝像位置变化（记录是用632.8nm的绿光），这样不同波长狭缝像的位置就听到不同颜色的像，这就是能用白光照明重现单色像的诱因。假如耳朵所在的位置能使几种颜色的光同时步入瞳孔，耳朵都会看见物体连续变化的颜色像，如同雪后天空中的彩虹通常，因此叫彩虹全息图。由图（2）知，在彩虹全息图上每一物点对应一个线全息图△H，由几何关系容易看出线全息图在y方向的长度。(1)(这是在θ很小的情况下求△H，而)，式中a是狭缝的间距，这样因为在y方向全息图的大小遭到限制，重现像在垂直方向便丧失了视差效应。
所以彩虹全息图能用白光照明重现，是以牺牲垂直方向的视差为代价的，但它保留了全部的水平视差，因为人的眼睛是坐落水平位置，所以并不大影响人们对三维像的观察。2、一步彩虹全息图一步彩虹全息是相对于提出的二步彩虹全息而言。二步彩虹全息的优点是视场大（水平方向），但程序比较复杂，又用了两次激光爆光全息照相实验视频，散斑噪声大，帧率小。1978年陈选、杨振寰等研究成功一步彩虹全息术。它使制做程序简单，相干散斑噪声较小，帧率较高，但视场受透镜孔径大小的限制。从本质上讲，一步彩虹和二步彩虹毫无区别，彩虹全息图的实质是要在观察者眼与物体的重现像之间产生一狭缝像，使观察者通过狭缝来看物体像，即采用狭缝等方式来调制物光的方向（空间频度），来降低色散，以实现白光重现准单色像。一步彩虹全息图的精典记录光路是在三维全息拍照光路中，于记录干板与物体之间插入一个成像透镜和一个水平狭缝，把物体和狭缝的像一次记录出来。因而它属于像面全息图也是一种离轴的透射式全息图。因为狭缝放置的位置不同，一步彩虹全息的记录光路有两种：（1）赝像记录。在这些光路中，狭缝放在成像透镜的焦点以内（前、后焦点均可以），成像透镜只对物体成虚像，而对狭缝不成像（或成实像），用会聚光作参考光，如图６所示。
重现光路如图７所示。用逆参考光的点光源照明重现，产生狭缝的虚像和物体的实像，耳朵放在狭缝的虚像处，观察到物体的实像这是个赝像，即重现像的凹凸与物体恰好相反，因此这一光路只适合用于二维平面物体的记录。（2）“真”像记录。在这些光路中狭缝应置于透镜焦点以外，坐落物体和透镜之间，成像透镜对物体和狭缝均成虚像，两者的像均在透镜的另左侧，物体的虚像和狭缝的虚像分别成在记录干板的后面和前面，物体虚像离全息干板近一些，如图８所示。重现时采用与原参考光方向相同的发散光源照明，就可在全息图与观察者之间产生狭缝的虚像，当眼睛坐落狭缝虚像处观察可见到物体的像，但这重现像不是赝像，因此适宜于三维物体记录，因为狭缝的效应在用白光源重现，就可以看见彩虹全息像。一步彩虹全息图的视场小，这是由于遭到成像透镜相对孔径有限的限制（透镜的孔径不够大，焦距又太长），现已有几种方式可以补救，第一，使用大相对孔径（F数小）的拍照镜头作为成像透镜。第二，把两个拍照镜头串联使用以使成像系统相对孔径减小。第三，在全息干板H之前加一个场镜，这样可使物光会聚，又将狭缝的虚像成在像方。3、反射式全息反射全息图是1962年由南斯拉夫人提出的，它的原理是基于的串扰法彩色拍照，因此常称全息图。
它借助厚层拍照波尔多液的作用来记录“干涉白色层”以实现全息记录，在全息图衍射重现时，因为衍射效应作用即多层结构的全息图对衍射光波长有极高的选择性（混频或波长灵敏性），因而反射全息图可以用激光记录，白光照明重现单色像。反射全息是指重现时拿来成像（虚像或实像）的光是照明光的反射光。制做反射全息图时是让参考光束和物光束由相反的一侧步入记录介质。它们的倾角接近180°，这两束光发生干涉，在记录介质中产生稳定的串扰图样。若取物光波和参考光波均为平面波（即对于基元全息图的情况），串扰的硬度峰值面接近平面，经光物理处理后，乳胶中的银粒子密度比列于串扰图样的硬度分布，即在乳胶中产生一些局部反射平面，称为平面，它们几乎与乳胶面平行，相邻高银粒面的面宽度d为：（2）如图９所示。图中φo、φR为物光和参考光的入射角，θO、θR为它们相应的折射角，在对称记录的情况下，有│θO—θR│=180°。因而这时感光乳胶中干涉层面的面宽度为介质中光波长的一半。觉得这种平面等效于一个半波堆叠的干涉混频器，所以重现过程可用白光来完成。其白光重现过程的机理可由定理来描述，即因为在厚乳胶中产生多层膜结构，这些结构对散射（反射）光具有方向选择性和波长选择性，对任意照明光（任意波长，任意入射角）只有入射角φC和波长满足定理，（折射角）(3)的这部份光才有反射极大。
因而反射全息图在用白光照明时，全息图只选择与记录光波（λ和θC）相同的光束来反射，其他光均无反射极大（被透射或吸收），这种反射极大的光产生一个重建三维像，且这像仍与记录光颜色相同，图１０为反射基元全息的重现原理图。四、实验内容１．全息拍照（1）布置好光路，参考图2，致使物光束和参考光束的倾角在30o左右，光强比在1:4或1:5，光程相等，并注意抑制物体的镜面反射，以提升拍摄全息图质量。（2）将全息干板放置在底片架上，乳胶面应朝向被拍摄物体，待整个系统稳定后，即在所有器件就绪后，通常须要3~5分钟的时间来等待系统去除震动，再进行爆光，爆光时间由物光的强弱而定。（3）全息干板按常规感光底片定影显影冲洗处理，使之弄成为位相全息图。（4）全息图的再现。将拍摄好的全息图放回原来的底片架上，挡住物光和被摄物体，用参考光束照明全息图（其乳胶面仍须朝向原物体），通过全息图就可见到一个实像，像即呈现在原物所在的位置上，就如通过一扇窗来观察外边的物体，不论从窗（全息图）的那种角落往外看都能看见整个物体，随着观察位置的改变，重现像的透视面也随着变化，景物上远近物体的视差是显著的。因为全息图的每一部份都富含原物体所有的信息，所以当用激光束照明全息图的不同部份（或破碎全息图的任一小部份）都依然可以见到完整的重现像。
不过，全息图的每一部份将重现出物体的不同观察角的透视图，随着所用全息图面积的降低，像的帧率就升高，由于区分本领与成像系统的孔径大小有关。前后联通全息图（即选用不同曲率直径的球面波照明）可观察到实像的放大和缩小的变化。将全息图面反转180o（绕垂直轴）并将照明光弄成与参考光共轭的会聚球面光波的同频度激光，则在原先的物体的方位上得到物体的虚像。因为光是奔向虚像会聚，所以可用毛玻璃来接收观察，也可直接用感光底片或光侦测器测量。２*、一步彩虹全息（1）按图８布置光路，逐条调整各光学器件，以达到充分借助光能和拍摄系统具有牢靠的稳定；检测光程全息照相实验视频，使物光与参考光等光程，且光强比在1：3~1：5之间，倾角在45°左右；调整狭缝，使之所成的虚像距全息干板在25~40cm之间，狭缝宽约4mm。（2）在暗室条件下置放全息干板，注意乳胶面朝向物体。（3）在系统稳定后（通常须要“静台”3分钟）爆光，爆光时间由激光功率强弱而定。（4）常规底片冲洗，漂白。（5）清洗吹干后按重现光路观察。３、反射全息拍照（1）将所要拍摄的物体固定在防震台上（物体应具有较高的漫反射率）。（2）按图11调整光路，致使激光能均匀照射整个物体，悉心调节针眼混频器以得到高质量的光斑。
（3）在暗室条件下于紧靠物体前方放置全息干板，注意使乳胶面朝向物体。（4）在一切仪器（整个系统）都稳定后，通常须要“静台”5分钟后进行爆光，爆光时间由激光输出功率而定。（5）进行常规底片冲洗处理（用D-76稀释定影，F-5显影）。（6）清洗，脱水吹干后，用白光反射重现。五、回答问题1、画出实验中所设计并用于实际拍摄的光路（按比列画）并简略说明其特性。2、简述全息拍照的特性，比较全息拍照与普通拍照的同异点。3、全息拍照的基本条件是哪些？做本实验时使之成功的关键是哪些？4、假如用物光束照明全息图，则将通过全息图观察到哪些？5、观察并讨论用扩束的激光照明全息图，如光束扩束的大小（非常是不加扩束），照明方位改变时，对重现像的影响？