全息照相技术原理及应用研究教材.docx
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全息照相技术原理及应用研究教材
邯郸学院本科毕业论文
题目全息照相技术原理及应用研究
学生赵少翼
指导教师史淑惠副教授
年级2010级
专业物理学
二级学院数理学院
（系、部）
邯郸学院数理学院
2014年05月
郑重声明
本人的毕业论文（设计）是在指导教师的指导下独立撰写完成的。
如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。
特此郑重声明。
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毕业论文（设计）作者（签名）：
年月日
全息照相技术原理及应用研究
摘 要
1948年，英国科学家丹尼斯·伽柏提出了全息术，意在提高电子显微镜的分辨率。
最初他用汞灯来拍摄，但是由于光源的相干性和强度都比较差，所以没有拍摄出理想的效果，由于光源的问题，全息术发展缓慢。
1960年随着激光的问世，全息术又回到了人们的视线，并且得到了迅猛的发展和广泛的应用。
例如全息立体图像，全息干涉计量。
本文介绍了全息术原理，通过对全息照相实验的具体操作，深刻的了解到了光的干涉和衍射在实际中的应用，加深了对全息术这一技术的理解。
通过对全息应用的介绍，了解了目前全息术在一些领域的应用，并对全息术的发展前景有了一定的认识。
关键词：
全息原理全息实验全息应用
Theprincipleandapplicationofholographictechnologyresearch
ZhaoShaoyiDirectedbyassociateprofessorShiShuhui
Abstract
In1948,theBritishscientistDennisGaborholographyisproposed,toimprovetheresolutionoftheelectronmicroscope.Initiallyhemercurylamptoshoot,butduetothecoherencelightsourceandthestrengthispoor,sothereisnofilmingtheidealresult,becauseofthelightsourceoftheproblem,theslowdevelopmentofholography.In1960,withtheadventoflaser,holographyreturnedtothelineofsightofpeople,andobtainedtheswiftandviolentdevelopmentandextensiveapplication.Theholographicstereoimages,forexample,holographicinterferometry,etc.werediscussed.Thispaperintroducestheprincipleofholography,theholographicexperimentofconcreteoperation,aprofoundawarenessoflightinterferenceanddiffractionintheactualapplication,deepenedtheunderstandingoftheholographytechnology.Throughtheintroductiontoholographicapplication,understandthecurrentholographyinsomeareasofapplication,andprospectonthedevelopmentofholographyhaveacertainunderstanding.
KEYWORDS：
HolographicprincipleHolographicexperimentHolographicapplication
摘要.....................................................................I
Abstract....................................................................II
前言.....................................................................1
1全息照相的原理...........................................................2
1.1全息照相的历史.........................................................2
1.2全息照相的过程.........................................................2
1.2.1全息记录过程.......................................................2
1.2.2全息再现过程.......................................................3
1.2.3基本公式...........................................................3
1.2.4物象关系...........................................................4
1.3全息照相的特点.........................................................4
1.4全息图的分类...........................................................5
1.4.1光学制作全息图.....................................................5
1.4.2计算机制作全息图...................................................6
2全息照相的实验以及改进...................................................6
2.1全息照相的条件.........................................................6
2.2全息照相实验...........................................................6
2.2.1实验原理...........................................................7
2.2.2实验步骤...........................................................7
2.3影响全息照相实验成功的因素.............................................8
2.4全息照相的实验技巧探究.................................................8
3全息照相技术的应用.......................................................9
3.1全息光学元件...........................................................9
3.2全息立体测量...........................................................9
3.3全息投影...............................................................9
3.4其他方面应用..........................................................10
3.5全息照相的发展前景....................................................10
结束语.....................................................................11
参考文献...................................................................12
致谢.......................................................................13[单击此处，执行“插入／引用／索引和目录”命令插入目录］[单击此处，执行“插入／引用／索引和目录”命令插入目录］
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前 言
“全息”来自于希腊字“holos”，它的意思是全部的信息。
把一束激光分为两束，经过加工处理一束光会带有物体的信息，称为物光。
另一束光经扩束后直接照射到记录介质，称为参考光，在光程差相等的情况下，两束光在记录介质处相干叠加产生干涉条纹，这些全都会被记录下来。
再通过原参考光的照射，因为光的衍射原理，就可以再现出原物光波，它带有原物体全部的信息包括振幅和相位，所以可以看到一个和原物体一模一样的三维立体图像，整个过程就称为全息术。
全息术是在1948年由英国科学家丹尼斯·伽柏提出的。
起初他是为了提高显微镜的分辨率，原理是用胶片把未聚焦的电子波记录下来，再通过可见光的照射再现出原物体。
1948年，伽柏用汞光灯代替了电子波，拍摄出了历史上第一张全息图，但是由于汞光源的相干性差，而又找不到合适的光源，全息术的发展受到了极大地限制。
直到60年代激光发射器的出现赋予了全息术新的生命，由于有了激光这一光源全息术得到了突飞猛进的发展,成为了现代科技非常重要的一部分，例如全息投影、全息存储、全息干涉计量、全息防伪等等。
相信全息术在未来的世界里所占的比重会越来越大。
1全息照相的原理
1.1全息照相的历史
1948年，丹尼斯·盖伯提出全息术，起初是为了提高电子显微镜的分辨率，虽然他并没有用电子波证实，但用可见光证实了，并且制成了世界上第一张全息图[1]。
从第一张全息图到激光发明之前，全息术一直找不到合适的光源，并且全都是同轴全息图。
被称为第一代全息图。
第一代全息图有两个问题，一是因为同轴的原因而产生的孪生像，另一个是汞灯的相干性太差，无法得到效果很好的照片，所以十几年间全息术发展缓慢。
1960年激光的发明，为全息术提供了一高强度相干性强的光源。
1962年利思和乌帕特尼克斯提出了用倾斜的参考光照射全息图，被称为离轴全息术。
离轴全息术解决了孪生像的问题，并且使得全息术在立体成像、干涉计量等应用方面得到了发展，这是全息术发展的第二个阶段。
第三代全息术是用激光记录白光再现。
由于是白光再现所以在日常用品上得到了广泛的应用，其中尤其以全息膜压、全息防伪最为突出。
在不久的将来，将会出现第四代全息术，它将会是白光记录白光再现。
这就可以使全息术不单单只能在暗的实验室中制作，它将全息术完全走进人们的生活，这将是一场视觉的革命。
1.2全息照相的过程
1.2.1全息记录过程
全息记录过程利用的是光的干涉原理。
在空间中两束或者几束频率相等相位差恒定的光，在空间中相遇发生叠加，在一些区域波峰和波峰相遇，光是始终加强的，在另一些区域光是始终减弱的[2]。
记录过程中时，把一束激光用分束镜分为两束，所以就可以保证这两束光频率相等。
一束光经过物体的反射或者透射后均匀照射到记录介质上，另一束光直接照射到记录介质上。
这样在记录介质上两束光就会发生干涉形成干涉条纹，这样物体的信息就被记录了下来。
记录介质上的亮暗分布表示了物光振幅的大小，干涉条纹的纹路、相邻条纹之间的间隔、记录的是物光的相位信息[3]。
1.2.2全息再现过程
全息再现过程是利用的光的衍射原理。
空间中的光在传播的时候如果遇到障碍物，会不只是沿直线传播，它会表现出波的性质，部分光会进入阴影区。
全息再现过程就是用用一束光照射已经拍摄完成的全息图，这束光要和记录时的参考光完全一样，因为记录介质上是一部分一部分的干涉条纹，光照射到上面就会发生衍射，随着条纹间间距的不同，光经过衍射后的角度也不一样，所有的衍射光就好像是原物体传播过来的，所以就好像在原位置看到了被摄物一样。
通过变动位置，可以看到物体的不同位置，和看到真实的物体一模一样。
只是看到的是个虚像。
1.2.3基本公式
所有光的波动方程都可以表示为：
，其中
为振幅，
为相位。
o
设O为发出物光的光源，设参考光在a处的波动方程为：
，物光在O点的波动方程为：
，物光在a点处的波动方程为：
。
参考光和物光的相位差：
由干涉知：
处为暗条纹，解得
。
处为明条纹，解得
设a、b为相邻的两暗纹，由干涉知；a、b两处的物光与参考光都反相。
因为a、b两处的参考光相同，所以其物光的波程差为
。
有几何关系知：
，
由此可知：
当
不同时，物光与参考光形成的干涉条纹的间距也不同，而
的大小又可以反映出物光光波的相位[4]。
再根据条纹的方向即可确定出物体的前后、上下、左右的位置。
1.2.4物象关系
全息照相原理和普通照相原理不同，所以拍摄出来的照片也不同。
普通照片拍出来的是被摄物的像，而全息照片拍摄出的是一些干涉条纹。
要想观察全息图上记录的像，必须要用一束光照射全息图，这束光要和记录时候的参考光一样，根据惠更斯-菲涅尔原理：
这束光经过全息图上两条纹间a和b，相当于两个新波源，经过空隙的衍射后光进入人眼，会使人感到光是在原来被摄物位置发出的，所有的发光点集合到一起，观察者就可以在原来被摄物位置看到一个完整的三维立体虚像。
1.3全息照相的特点
1.三维立体性：
全息照相再现出一个与原物体一样的立体的像。
普通相片只是记录下来的只有光的强度，而全息照片可以记录下物光的所有信息。
即使是近几年新出现的立体电影，它的根本原理也只是普通的二维平面像，它只是根据人眼观察的特点，把两个平面图像叠加起来，通过眼镜让观众两个眼睛看到两幅不同的像，两个像叠加产生立体感。
全息照相再现的是和原物体一模一样的立体像，在不同的方向，观察者看到的信息也不相同，这是其他技术无法比拟的。
2.可分割性：
全息术中用的是两束光干涉来记录物体的信息。
记录时候物体上每一点都当做一个光源，这一点的信息会被记录到整个记录介质上，所以记录介质上每一点都记录着整个物体的信息，而普通照片是物体一部分对应着照片上的一部分。
普通相片中相片的某一部分损坏之后，我们就不能知道这一部分所记录的信息，全息照片不同，如果全息照片不小心打碎，其中每一个碎片都可以通过原参考光照明再现整个图像。
只是分辨率不如整体时候的好。
1.4全息图的分类
1.4.1光学制作全息图
光学记录全息图指在实验室中用感光材料作为记录介质来记录物光和参考光干涉条纹。
1.透射全息图
全息记录中，当物光和参考光在记录介质的同侧照射到记录介质上，两束光的干涉面和记录介质垂直。
再现时，用参考光照射全息图一侧，观察者在另一侧观察可以看到一个虚像，这种全息图称为透射全息图。
2.反射全息图
全息记录中，当物光和参考光在记录介质的两侧照射到记录介质上，物光和参考光成180°角，两束光的干涉面和记录介质平行，这种全息图称为反射全息图。
3.同轴全息图与离轴全息图
用一束光照射透明体，用这种透射光作为参考光，散射光为物光，物光和参考光在同一条直线上，这种全息图称为同轴全息图。
因为这种全息图同轴的原因，再现时容易出现孪生像问题。
随着激光的出现，利思和乌帕特里克斯利用激光的高相干性提出了离轴全息图，用一束倾斜的参考光入射，解决了孪生像的问题[5]。
4.彩虹全息
彩虹全息术是由S.A.本顿发明的，它全息术历史上的一次突破，它把激光记录激光再现变成了激光记录白光再现，使全息术走出了实验室，进入到了人们的日常生活。
彩虹全息根据人眼只能分辨水平方向视差的特点，牺牲了竖直方向的信息，降低了对光源的要求，所以可以在白光下再现。
彩虹全息图用通过真实物体记录下来的。
它的特点是在记录过程中在适当位置增加了一个狭缝，意在限制再现光波，实现白色再现单色像。
再现时候，白光光源放在原参考光源的地方。
白光被色散通过狭缝。
所以眼睛在不同高度就看到不同颜色的像，特别是当几种颜色的光同时进入眼睛时，可以看到连续变化的颜色，就像彩虹一样，所以称为彩虹全息术。
1.4.2计算机制作全息图
计算机制作全息图不需要在暗室做一系列的实验，它是完全用计算机制作而成。
首先用计算机计算出全息图各点两束光叠加后的复振幅，然后绘制一幅大型的全息图，随后用相机把全息图缩小到合适的尺寸。
计算机全息图制作起来较为繁琐，但是它可以制作出实验室无法拍摄出的全息图，甚至一些假想的物体。
例如可以通过计算机可以制作出一种物体的全息图，可以再现这个物体的三维影像，在向客户介绍这种新物体的时候给人一直观的印象，尽管这种物体还没有生产出来。
2全息照相的实验以及改进
2.1全息照相的条件
光学器件
数量
型号
氦氖激光器
1
曝光定时器
1
分束镜
1
50%
反射镜
2
全反射镜
扩束镜
2
40倍
被摄物
1
小陶瓷
全息干板
1
暗室
1
所用仪器
2.2全息照相实验
2.2.1实验原理
全息照相采用激光作为光源，并将这束光用分束镜分为两束，扩束后一束直接照射到全息干板上，另一束由被摄物的反射然后照射到全息干板。
两束光在全息干板上想干叠加发生干涉，全息干板上各点的感光程度随着两束光强度的位相关系变化而变化。
所以全息干板上不仅记录了物体的光强，也记录了物体的相位信息。
直接观察全息干板，只能看到像指纹一样的一圈圈的条纹，只有经过原参考光的照射才能观察到图像。
2.2.2实验步骤
把仪器按下图摆放
实验步骤
1.①调整光路把物光光程和参考光光程调到相等 ②用扩束镜将物光扩散到均匀照射到物体，参考光束也调整到可以均匀照射到全息干板上。
③调整照射到干板上物光和参考光束的夹角，一般调整在30°~45°左右。
④调整照射到干板上两束光的光强比，一般控制物光和参考光光强比在1:
3~1:
5之间。
2.调整合适的曝光时间，一般实验不用按文献要求的2~3分钟，曝光20s~60s即可。
3.调整曝光定时器，取下白屏装上全息干板。
将药面对着参考光物光的方向，静止一段时间等实验台稳定即可进行拍摄。
4.将全息干板放入显影液中，显影时间按具体情况而定。
显影完后用清水清洗，然后放在定影液中定影，取出后用清水清洗、晾干。
2.物象再现
用光束照射全息干板的正面。
使这束光和原参考光束一样，透过干板观察再现的图像。
被摄物与再现物象
2.3影响全息照相实验成功的因素
1. 在曝光过程中有轻微的振动或微小的位移。
由于全息干板记录的是物光和参考光的干涉条纹，任何轻微的震动位移都会导致干涉条纹的模糊不清，甚至使干涉条纹无法记录在干板上，无法得到清晰的像。
2. 没有把参考光和物光的光程差调整合适。
参考光和物光的光程差必须要尽可能的相等,不然无法发生正常干涉。
3. 没有把参考光和物光的夹角调整合适。
设全息干板干涉条纹的间距为d，光源波长为λ。
根据干涉原理，d与参考光和物光之间的夹角θ关系为
，而干板分辨率η与d的关系为
。
由上式可以看出，θ越大，所得到的干涉条纹间距就越小，所以对干板分辨率的要求就越高，所以θ角不能太大。
而夹角θ又和观察全息图再现像时的视角有关，夹角越小，能观察到再现像的范围就越小，所以夹角θ也不能太小。
4. 实验光路太多的使用反光镜导致光强不够，影响两束光的干涉效果。
5. 没有控制好曝光时间。
曝光时间过长长,导致干板太黑,光线无法透过干板，曝光时间过短，无法在干板上形成清晰的干涉条纹。
6. 在清水清洗过程中没有控制水温，影响干板效果。
7. 显影定影时间不合适。
显影时间过长，导致干板变黑，影响观察。
2.4全息照相的实验技巧探究
1.在曝光时候，必须尽量保证拍摄系统静止不动，所以一般全息照相试验室都设置在一楼并且全息台下重新用钢筋水泥浇灌抗震地基，来提高该全息试验成功率[6]。
试验台采用磁力光具座、增强紧固螺钉、减震泡沫、不变形的钢板等措施，试验中不要走动和说话[7]。
2.全息干板必须在黑暗环境下取出，取出干板后，用两手指触摸干板边缘两面，较涩的一面为药面。
3.曝光时间的长短和激光器的功率有关，对于功率较大激光器，可减少曝光时间，反之可适当增加曝光时间，一般曝光时间为20s~60s。
如果被摄物是瓷器，可使瓷器尽量离干板近一些，如果被摄物是硬币则可使硬币适当离干板远一些，具体视被摄物的感光程度而定。
4.显影液用D-19显影液，温度控制在20°，显影时将干板整个放进显影液，药面向下并轻轻搅动显影液，在暗绿光灯下一直观察干板，看到干板变灰即可取出。
用清水清洗干板，冲洗干净后放入定影液定影2min左右，之后清洗、晾干。
3全息照相技术的应用
3.1全息光学元件
1.全息光栅：
全息光栅是全息图中最普通的一中，它是由两束平面光发生干涉叠加而成的条纹。
它的特点是一列一列的间隔相等的直条纹，和用机器刻划的光栅效果一样，所以叫做全息光栅。
记录时只要两束光夹角不同，全息图上的条纹间距也会随着改变。
它比刻划光栅相比有制作简单、不需要特别精密的仪器、成本较低等特点；不会因为划痕原因有其他的散光干扰，对环境的要求比较低。
2.全息透镜：
全息透镜和全息光栅相比制作过程复杂一点。
用一束平面波和一束球面波干涉或者用两束球面波干涉即可制成全息透镜。
全息透镜可以由计算机知道的方法制得，但是由全息法制得比较简单，成本比较低所以大多是由全息法制得。
全息透镜有许多特别的特点，这些特点使它在光学中有无可替代的位置。
例如,利用反射全息图的特点可以制成一种既可以起透射作用又可以起反射作用的全息透镜,这在军用仪器减轻重量和小型化方面起很大的作用。
还有一种短焦距的透镜，它还可以在光学实验研究中同时做到分光和扩束。
3.全息扫描器：
以全息术为基本原理，它的构成比较简单，所用成本比较低。
它可以由照相法得到，但大部分都是由计算机制成的全息图。
它的原理是把记录介质分成若干等份，在每一份上都制成一个全息图。
再现时候有规律的移动，经过参考光的照射就可以在计划好的地方呈现一幅幅的三维图像，所以全息扫描器又叫做全息光偏折器。
3.2全息立体测量
全息立体测量又称为全息干涉计量，是利用全息术得方法来进行干涉计量，是目前用到全息术最多的一个地方。
全息干涉计量不用接触物体表面对物体进行立体三维测量，而且可以测量很多一般测量方式无法办到的事情
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