混合型雙光束干涉全息照相的設計與探究

林澤蕓　葉沛林　余俊龍　鄭曉璇　盧志豪　彭軍

關鍵詞 全息照相;雙光束干涉;混合型雙光路;成像效果

1 基本原理與設計目的

由物體發出的光攜帶有物體空間結構和顏色信息，在其傳播過程中形成了所謂“波前”，只要把這個波前記錄下來，并設法讓其重現，就可以進行三維顯示，這就是基于波前再現的三維顯示，全息照相技術正是運用了該原理進行成像的[1]。全息照相利用參考光與物光產生干涉，以干涉條紋的形式把物光的全部信息記錄下來，包括振幅和相位。當用原參考光照射全息圖時，透過全息圖能在原放置物體的位置看到與原物體一樣的三維立體像[2]。

在單束物光與參考光干涉的基礎上，為了使全息圖承載更豐富更完整的光信息，可以用兩束物光與一束參考光進行干涉，成像效果更清晰立體[3]。大多數雙光束干涉光路采用兩束透射物光或者兩束反射物光，這樣的光路只能用于拍攝可透光物體或者不可透光物體。若想要拍攝既有可透光部分又有不可透光部分的物體時，例如：因受損變質導致部分不可透光的透明歷史文物，上述的雙光束干涉光路都不適用。因此，本文設計了一種反射透射混合型雙光束干涉光路來拍攝全息圖，實現同時拍攝反射與透射的全息照相，記錄更全面的物體信息。

3 光路設計與探究

3.1 光路設計

設計光路時，需要考慮的因素包括：

（1） 對于混合型的被攝物，不能采用一般單光束干涉的光路來拍攝全息圖;

（2） 為了保證照明的質量，設計光路時應盡量避免大角度反射;

（3） 考慮到干涉條件，物光和參考光的夾角、光強比、光程差應符合相干條件及干板記錄條件[6];

（4） 光路設計不應過于緊湊，同時考慮擴束器的位置，避免過多遮擋光源，影響拍攝成像效果。

3.2 探究方案

在設計的反射透射混合型雙光束干涉光路上，使其中的透射光主要經過被攝物的可透光部分，反射光以較小入射角照亮被攝物的不可透光部分表面，實現雙光束干涉，完整記錄下被攝物的所有信息，經過曝光、顯影、定影、烘干等一系列操作，得到全息圖，用原參考光再現觀察物像。另外，設計對照實驗一：在原設計的光路的基礎上，擋住透射光，使只有一束反射物光與參考光進行干涉疊加，拍攝全息圖，方法同上，各參數保持一致;設計對照實驗二：在原設計的光路的基礎上，擋住反射光，使只有一束透射物光與參考光進行干涉疊加，拍攝全息圖，方法同上，各參數保持一致。對比分析三個光路所拍攝的全息圖的成像效果。

在初步對比分析的基礎上，通過控制變量，改變其他影響因素，如曝光時間、光強比、物光與參考光的夾角等[7]，多次拍攝全息圖，根據成像效果找到最佳拍攝條件組合。

3.3 反射透射混合型雙光路

考慮上述因素，初步設計出反射透射混合型雙光路，并通過實驗，不斷調整、優化光路，最終得出如圖1所示光路：（注：圖中未畫出三個擴束器所在的位置）

4 實驗結果

4.1 混合型雙光路拍攝與對照實驗的比較

如圖2所示，圖（a）為被攝物體，選用帶有花紋的硬幣及可透光的浮雕花朵組合作為拍攝物，這兩部分物體的材質不同，分別對應被攝物的不可透光與可透光部分。

圖（b）反映對照實驗一，在只有反射物光作用的光路中，被攝物只有不可透光的硬幣可以看到清晰物像。對可透光的浮雕花朵，大部分照明光透射過去，只有極少部分光經過反射到達干板，成像效果差。圖（c）反映對照實驗二，在只有透射物光作用的光路中，被攝物只有可透光的浮雕花朵可以看到物像，而不可透光的硬幣看不到物像，丟失了硬幣的信息。

圖（d）為本實驗設計的反射透射混合型雙光路拍攝的全息圖，可以清晰看到整個被攝物的像，無論是可透光部分還是不可透光部分，其輪廓和圖案都比只有單光路拍攝的效果更清晰、更立體，層次感更強，保留更多細節。

綜合上述分析，對于拍攝可透光與不可透光混合型物體的全息圖，用單光束干涉的光路拍攝的全息圖物體信息記錄不全面，成像不完整;而用反射透射混合型雙光路拍攝的全息圖質量好，成像效果佳，立體感更強，盡可能保留了物體的全部信息，適合用于拍攝既有可透光部分又有不可透光部分的物體，特別是對于拍攝由于損壞變質導致部分不可透光的透明歷史文物具有重要的意義。

4.2 其他影響因素的作用效果

（1）拍攝不同材質的物體所需的曝光時間一般不同，因此，筆者通過大量實驗，分析并尋找可透光部分和不可透光部分成像效果均最佳時所需的曝光時間。本實驗使用GS-I型全息干板作為記錄介質，使用功率為2.23mW，波長為632.8nm的氦氖激光器，當曝光時間為15s時，全息圖的質量最佳。（2）物光和參考光的夾角作為影響成像效果的重要因素。實驗探究發現，當透射物光與參考光的夾角為20°～30°、反射物光與參考光的夾角為25°～35°時，成像效果最佳。（3）全息圖的成像質量還與物光和參考光的光強比有關，實驗探究發現，當反射物光、透射物光、參考光的光強比約為1∶1∶1時，全息圖的質量最佳。在本實驗中，選用不同分光比的分光鏡，上述圖1中，選用分光鏡1的分光比為T ∶R =7∶3，分光鏡2的分光比為T ∶R =5∶5，即三路光的分束比為3∶3.5∶3.5，近似看成1∶1∶1。

本實驗使用GS-I型全息干板作為記錄介質，當改用其他記錄介質時，根據干板和實際光源的特征，曝光時間需要稍作調整。

5 結語

基于傳統的單光束干涉和一般的雙光束干涉全息照相，本文設計了一種新型的兼具透射與反射的雙光束干涉混合型光路，用以實現對同時具備可透光與不可透光兩個部分的物體的全息圖拍攝，使物體兩個部分均能完整且立體地呈現，全息像整體輪廓更分明、層次感更強，細節更豐富;通過光場理論分析和大量的實驗探究，不斷提高全息圖的成像質量，當透射物光與參考光的夾角為20°～30°，反射物光與參考光的夾角為25°～35°，反射物光、透射物光與參考光的光強比約為1∶1∶1時，全息圖整體成像效果最佳。