采用多種光路實現(xiàn)高級全息攝影

鄭文禮 武珂名 王德佳 趙 鑫 王晨蕾

（河北民族師范學(xué)院物理與電子工程系 河北承德 067000）

全息照相是六十年代發(fā)展起來的一門立體攝影和波陣面再現(xiàn)的新技術(shù)。它是通過相干光在空間中疊加而發(fā)生干涉的原理制作全息圖。在近代物理實驗教學(xué)中，全息照相作為一項實驗內(nèi)容對本科生開設(shè)，要求學(xué)生了解全息照相的基本原理、學(xué)習(xí)靜物全息照相的拍攝方法、了解再現(xiàn)全息物象的性質(zhì)和方法。由于全息照相能夠把物體表面上發(fā)出的光波的全部信息（即光波的振幅和位相）記錄下來，并能完全再現(xiàn)被攝物光波的全部信息，因此，它在精密計量、無損檢驗、信息存貯和處理、遙感技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等方面有著廣泛的應(yīng)用[1]。本實驗在原始全息照相光路的基礎(chǔ)上采用“漫射照明制作全息圖”和“多光源照明制作全息圖”，通過運用K9玻璃、毛玻璃片及在光路中增加一條物光光路等操作，將被攝物體面積增大、亮度增強，從而獲得拍攝范圍更廣、亮度更加清晰的全息片。我們將“使用漫射照明制作全息圖”和“使用多光源照明制作全息圖”作為全息照相的拓展實驗，既能加深學(xué)生對光的干涉、衍射的理解，也能使學(xué)生更加深入地了解全息攝影技術(shù)。

一、全息照相實驗原理

全息照相是利用相干光疊加而發(fā)生干涉的原理，借助于參考光波與物光波的相互作用，記錄下兩種光波在記錄介質(zhì)上的干涉條紋。這種干涉條紋同時保存了物光波（從物體反射的光波及位相信息，記錄了干涉條紋的全息照片可以看作復(fù)雜的衍射光柵。當(dāng)用于原參考光波相同的光再照射該光柵時，其衍射波能重現(xiàn)原來的物光波，在照片后原物的位置就可以觀察到原被攝物的三維圖像。

二、設(shè)計實驗

在圖1原始全息照相實驗光路中，激光束經(jīng)分光鏡后分成兩束相干光束。其中一束相干光經(jīng)反射鏡反射后均勻地照射在被攝物體上，再從物體表面反射到全息干板上的感光底板上，這束光稱為物光。另一束相干光通過反射鏡反射后直接投射到全息干板的感光底板上，這束光稱為參考光。物光與參考光在全息干板感光底板上疊加發(fā)生干涉后將形成許多明暗不同、疏密不同的條紋。感光底板經(jīng)過曝光將這種圖像記錄下來，再經(jīng)過顯影、定影、漂白處理后，我們就可以得到一張全息片。

圖1 原始全息照相光路圖

（一）漫射照明制作全息圖

圖2 漫射照明制作全息圖實驗光路圖

漫射照明制作全息圖是在原始全息照相光路的基礎(chǔ)上進行如下改進的：

1.用K9玻璃代替半透半反透鏡。使用半透半反透鏡得到的透射光（物光）與反射光（參考光）光強比為1∶1，使用K9玻璃得到的透射光（物光）與反射光（參考光）光強比為9∶1，因此，我們在實驗中使用K9玻璃可以增強物光，從而使全息圖更加清晰。

2.使參考光依次經(jīng)過擴束鏡、反射鏡、磨砂玻璃后到達物體上。磨砂玻璃能夠使物光更加分散[2]，得到的全息圖攝影范圍將更大，進行全息再現(xiàn)時便于觀察。

在圖2漫射照明制作全息圖實驗光路中，我們要根據(jù)實際需要來選擇擴束鏡的焦距。我們選用了凸透鏡作為擴束鏡，其中擴束鏡L1的焦距為45mm、擴束鏡L2的焦距為4.5mm。

（二）多光源照射制作全息圖

圖3 多光源照明制作全息圖實驗光路圖

我們在多光源照明制作全息圖的光路中仍使用K9玻璃，此外在原始光路基礎(chǔ)上增加了一條物光光路[2]，從而使被攝物的每一部分都有物光均勻照射，拍攝出不僅范圍大而且更加清晰的全息圖。

在圖3多光源照明制作全息圖實驗光路中，擴束鏡L1、擴束鏡L2、擴束鏡L3的焦距分為45mm、4.5mm、6.2mm。

三、實驗結(jié)果與討論

（一）漫射照明制作全息圖

1.實驗數(shù)據(jù)

（1）時間

曝光80s；顯影2.5min；

定影5min；漂白視情況而定即可。

（2）光程

①物光束光程：13+20+15+13+14+15=90cm

圖4 漫射照明制作全息圖實驗圖

②參考光束光程：

13+38+16+21=88cm

（3）物光束與參考光束夾角：

θ=arccos[(152+（21+16）2-272)]/(2×15×*37)≈38°

2.實驗結(jié)果

我們通過大量的實驗，對光路不斷調(diào)整，最終得到了如圖5清晰的全息圖。

圖5 漫射照明全息圖

（二）多光源照明制作全息圖

1.實驗數(shù)據(jù)

（1）時間

曝光t=20s；顯影2.5min；

定影5min；漂白視情況而定即可。

（2）光程

①物光束光程：

物光1：17+15+20+13+18+11=94cm

物光2：17+15+29+33=94cm

②參考光束光程：17+43+33=94cm

圖6 多光源照明制作全息圖實驗圖

（3）物光束與參考光束夾角：θ=arccos[(112+332-252)/(2×11×33]≈35°

2.實驗結(jié)果

我們通過大量實驗，得到了運用多光源照明下制作出的全息圖，如圖7。由此可以清晰地看出，運用多光源照明拍攝出的全息圖清晰度及拍攝范圍大大提高。

圖7 多光源照明全息圖

四、實驗影響因素

全息照相實驗的實驗步驟較為復(fù)雜，環(huán)節(jié)繁多，這也意味著該實驗對實驗環(huán)境和實驗條件要求嚴格。因此，要想使實驗獲得成功就必須滿足諸多條件，下面將影響該實驗實現(xiàn)的因素歸納如下：

1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性：保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性是完成該實驗的一個首要條件。實驗要在全息防震臺上進行，學(xué)生在實驗過程中避免說話、走動等，保證安靜的實驗環(huán)境。

2.物光與參考光的光程差：全息照相常用的激光器是He-Ne激光器(波長為632.8nm)，由于激光譜線有一定寬度Δλ≈0.002nm，相應(yīng)的相干長度L=λ2/Δλ=20cm。為保證物光和參考光發(fā)生干涉，我們在布置光路時必須使兩條光束的光程差不大于相干長度，一般常使兩者光程大致相等。

3.物光與參考光的夾角：干涉條紋間的間距d= λ/2sin(θ/2)，因此，物光與參考光的夾角越大，則條紋間距越小，對干板的分辨率要求就越高，受環(huán)境振動干擾影響越大。此外，夾角θ也決定著物像再現(xiàn)時的觀察窗視角的大小，如果θ太小則不易進行物像的再現(xiàn)和觀察，因此物光和參考光的夾角不能過大也不能過小[3]。

4.物光與參考光的光強比： 如果兩光的光強相等，受全息照相的記錄介質(zhì)的影響，會使干板衍射效率降低；若物光比參考光的光強大，條紋會比較顯著，產(chǎn)生暈輪光，使光通量降低，實驗也難以實現(xiàn)。一般二者光強比約為1∶2 ～1∶5。

5.曝光、顯影時間：曝光、顯影時間的長短影響著全息干板的圖像質(zhì)量。時間太短，則干涉條紋不明顯，得不到衍射光柵；時間太長，干板會變成黑色，無法使光發(fā)生透射。

五、結(jié)束語

本實驗的完成使全息照相的實驗內(nèi)容得到了拓展。實驗內(nèi)容的豐富及實驗方法的多樣性能夠增強學(xué)生實踐和探求知識的能力。在實際教學(xué)中，該方案可以提升實驗教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過設(shè)計實驗，探求多種實驗方法得到拍攝全息圖的實驗光路，從而加深學(xué)生對全息照相實驗原理的理解，更好地掌握靜物全息照相的拍攝以及再現(xiàn)全息物象和方法。