1、河北大學(xué)2013屆本科生學(xué)年論文（課程設(shè)計(jì)）引言我們看到的世界是三維的、彩色的，這是因?yàn)槊總€(gè)物體發(fā)射的光被人眼接受時(shí)，光的強(qiáng)弱、射向和距離、顏色都不同。從波動(dòng)光學(xué)的觀點(diǎn)看，是由于各物體發(fā)射的特定的光波不同，光的特征主要取決于光波的振幅、相位、和波長(zhǎng)。如果能看到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三維像，這就是全息術(shù)。全息術(shù)誕生到現(xiàn)在60年來(lái)取得了很大的進(jìn)展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于近代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中。1948年，丹尼斯·蓋伯提出一種記錄光波振幅和相位的方法，隨后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一想法，即全息術(shù)，并制成世界上第一張全息圖。全息術(shù)在剛開(kāi)始的十多年中進(jìn)展緩慢，直到激光的出現(xiàn)使得全息術(shù)獲得巨大

2、進(jìn)展?？偨Y(jié)全息照相的發(fā)展，可以分為四個(gè)階段：第一階段是用水銀燈記錄同軸全息圖，這時(shí)是全息照相的萌芽時(shí)期，主要原因是沒(méi)有好的相干光源，再現(xiàn)像和共軛像不能分離；第二階段是用激光記錄、激光再現(xiàn)的全息照相，能夠把原始像和共軛像分離；第三階段是激光記錄、白光再現(xiàn)的全息照相，主要有反射全息、象全息、彩虹全息及合全息；第四階段是當(dāng)前所致力的方向，就是白光記錄全息圖。參考文獻(xiàn)1呂廣娟、張孝林、段新超.白光再現(xiàn)全息照相J.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2006，19（1）2全息照相的原理全息照相是一種二步成像的照相技術(shù)，它利用物光和參考光在感光膠片上進(jìn)行干涉疊加形成全息照片，在運(yùn)用衍射原理使之再現(xiàn)，因此全息照相的過(guò)程包括全息記

3、錄和全息再現(xiàn)兩個(gè)過(guò)程。2.1全息記錄2-1圖全息記錄如圖1所示，激光器射出的激光束通過(guò)分束鏡分成兩束，一束光經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后直接投攝到感光底片上，這束光稱為參考光，另一束光經(jīng)反射鏡反射及擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后射到被攝物體上，在經(jīng)過(guò)物體反射到感光板上，這束光稱為物光。兩束光將在感光板上產(chǎn)生干涉，形成干涉條紋。設(shè)物光波：參考光波：式中分別為物光波參考光波的振幅和初相位。當(dāng)兩束光波發(fā)生干涉，其合成光波為：合成光強(qiáng)為：式中各項(xiàng)物理意義：第一項(xiàng)是物光波產(chǎn)生的光強(qiáng)分布，第二項(xiàng)是參考光波的光強(qiáng)分布，第三項(xiàng)是干涉項(xiàng)它使光強(qiáng)在感光板上產(chǎn)生明暗相間的條紋。干涉條紋的反襯度記錄了物光波的振幅分布，干涉條紋的幾何特征記錄了物光波

4、的相位特征。2 趙凱華、鐘錫華.光學(xué)：下冊(cè)M.北京：北京大學(xué)出版社，19942.2全息再現(xiàn)2-2圖全息再現(xiàn)感光板記錄的并不是物體的幾何圖形，而是物光波的振幅和相位的全部信息的不規(guī)則的干涉圖樣。必須用一個(gè)與參考光束相同的光波（即再現(xiàn)光）去照射全息圖，才能看到所照射物體的全息像。再現(xiàn)過(guò)程如下：設(shè)再現(xiàn)光復(fù)振幅分布為，全息圖的振幅透過(guò)率為，則透過(guò)全息圖的光場(chǎng)為：由上式可知透過(guò)全息圖片的光波由四項(xiàng)內(nèi)容組成。3張三慧.波動(dòng)與光學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，2001第一項(xiàng)是被衰減的再現(xiàn)光，透過(guò)全息圖形成背景光，是零級(jí)衍射波。第二項(xiàng)是再現(xiàn)光方向上的透射光，但由于A0一般較AR小很多，因此此項(xiàng)可以忽略。第三項(xiàng)是一

5、級(jí)衍射波，是一衰減的和原物光波完全相同的波面，為光波的準(zhǔn)確再現(xiàn)，逆著光波可以看到一逼真的立體圖像，此像為虛像。第三項(xiàng)是-1級(jí)衍射波所形成的與初像共軛的全息實(shí)像。這樣就可以看到衍射光形成的兩個(gè)全息像，一實(shí)一虛。所看到的景物具有立體感，猶如現(xiàn)實(shí)中的物體一樣。3全息圖的特點(diǎn) 全息照相的原理決定了它有以下特點(diǎn)：（1） 三維性。因?yàn)槿D記錄的是光波的全部信息，既振幅與相位同時(shí)記錄在全息片上，圖像具有顯著的視差特性，可以看到逼真的三維圖像。而普通的圖像只是記錄了振幅，得到的是二維平面圖像。（2） 可分割性。全息照片被打碎后，它的任何一個(gè)碎片都能再現(xiàn)完整的被拍物體信息。因?yàn)槿⒄障噙^(guò)程中，物面和像面之間是

6、點(diǎn)面對(duì)應(yīng)的關(guān)系。形成的全息照片中每一個(gè)局部都包含了物體各點(diǎn)的信息。（3） 信息容量大。可以轉(zhuǎn)動(dòng)底片角度拍攝多次。再現(xiàn)時(shí)作同樣轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度可以出現(xiàn)不同圖像，也可以不轉(zhuǎn)動(dòng)底片而改變被拍物體的狀態(tài)進(jìn)行多次曝光，再現(xiàn)時(shí)可以互補(bǔ)干擾的出現(xiàn)不同的圖像。（4） 亮度可變性。全息圖的亮度隨再現(xiàn)光的亮度改變而改變。再現(xiàn)光愈強(qiáng)，象的亮度愈大，反之愈暗。（5） 可放大或縮小。因?yàn)檠苌浣桥c波長(zhǎng)有關(guān)，用不同波長(zhǎng)的光照射全息圖，再現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)放大或者縮小。4 全息照相應(yīng)用全息照相是一種不用普通光學(xué)成像系統(tǒng)的照相方法，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種立體攝影和波陣面再現(xiàn)的新技術(shù)。由于全息照相能夠把物體表面發(fā)出的全部信息記錄

7、下來(lái)，并能完全再現(xiàn)被攝物體的全部信息。因此，全息技術(shù)在科技、文化、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、藝術(shù)、商業(yè)、及軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。4 于美文.全息光學(xué)及其應(yīng)用M.北京：北京理工大學(xué)出版社，19964.1制作全息光學(xué)元件4.1.1全息光柵最簡(jiǎn)單的全息圖是兩個(gè)平面光波相干疊加而得到的全息圖，這種全息圖是一組平行等間距的直條紋，它與刻劃光柵可起相同的作用，故稱全息光柵。條紋的疏密與兩束光之間的夾角有關(guān)，只要改變夾角，就可以得到不同光柵常數(shù)的光柵。全息光柵制作方法簡(jiǎn)單、成本低；美譽(yù)周期性誤差，雜散光少，對(duì)環(huán)境要求低。4.1.2全息濾波片 用夾角接近，且垂直于記錄介質(zhì)表面的兩平面波相干疊加制得的全息圖就是一張

8、濾光片。當(dāng)某復(fù)色光入射時(shí)，只有滿足布喇格衍射條件的某波長(zhǎng)的光才能再現(xiàn)出來(lái)，從而起到濾光作用，單波半寬度較干涉濾光片窄。4.1.3全息透鏡 用兩球面光波，或者一平面光波和一球面光波相干疊加所制得的全息圖就是一個(gè)全息透鏡。這種全息圖的透鏡作用，類似于菲涅耳波帶片的作用。4.1.4全息掃描器 可以由照相得到，但大多數(shù)情況下有計(jì)算機(jī)產(chǎn)生。通常是把一記錄介質(zhì)分割成若干等分，每一部分都是按所需要的兩束相干光疊加而得到全息圖。再現(xiàn)時(shí)，用一束已知的光照射全息圖，同時(shí)按一定規(guī)律移動(dòng)這個(gè)全息圖，就會(huì)在預(yù)定的位置得到再現(xiàn)光而且隨著全息圖的移動(dòng)，再現(xiàn)光的方向不斷改變著，所以把它叫作全息光偏析器。4.2全息存儲(chǔ)全息存儲(chǔ)

9、是利用全息照相的技術(shù)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的。這一概念是Dennis Gabor在1984年為提高電子顯微鏡的分辨率而提出的。他的最大優(yōu)點(diǎn)是超高密度，不僅如此，全息存儲(chǔ)還具有極大的提升潛力，只要控制芯片具有足夠強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，全息存儲(chǔ)技術(shù)甚至可以提供高達(dá)1000TB的容量。相比之下，目前硬盤(pán)的最大容量才2TB，這個(gè)容量只相當(dāng)于全息存儲(chǔ)的“立方體糖塊”的一個(gè)小碎片所提供的存儲(chǔ)能力。全息存儲(chǔ)技術(shù)將可成為最有希望的新一代存儲(chǔ)技術(shù)。原因是：（1）全息存儲(chǔ)具有存儲(chǔ)容量大的優(yōu)勢(shì)。5 陶世荃等.光全息存儲(chǔ)M.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998（2）全息存儲(chǔ)具有極大的冗余性，存儲(chǔ)介質(zhì)的局部缺陷和損傷不會(huì)引起信息

10、丟失。（3）全息存儲(chǔ)具有數(shù)據(jù)讀取速率高和可并行讀取的特點(diǎn)。近年來(lái)隨著光電技術(shù)和器件的發(fā)展，全息存儲(chǔ)的理論和方法的發(fā)展使這項(xiàng)技術(shù)日趨成熟，但是全息圖的壽命問(wèn)題仍有待解決。4.3全息干涉測(cè)量全息干涉測(cè)量是將不同物光，在不同的時(shí)間記錄在同一張全息干板上，然后利用全息術(shù)的空間波前再現(xiàn)原理，非接觸的對(duì)物體表面進(jìn)行三維測(cè)量而獲得信息。全息干涉測(cè)量廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)、物體形變位移測(cè)量、應(yīng)力應(yīng)變分析、振動(dòng)分析等領(lǐng)域。目前我國(guó)全息干涉測(cè)量設(shè)備方面主要發(fā)展有6 李明.激光全息技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)研究J.激光雜志，2005，26（6）：1315：（1）用于測(cè)試火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧化特性的YSCI型離子瞬態(tài)激光全息測(cè)試

11、儀；（2）用于激光熱核聚變稠密等離子體電子密度測(cè)量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外線激光全息探測(cè)儀；（3）包括記錄、再現(xiàn)、圖像處理三部分的瞬態(tài)激光全息干涉儀測(cè)試系統(tǒng)；（4）用于航空、航天、石油化工等部門(mén)常用的膜盒進(jìn)行位移檢測(cè)的激光全息光柵精密測(cè)試系統(tǒng)。4.4顯示全息該技術(shù)在激光透射全息圖片的基礎(chǔ)上制作各種類型的全息圖片，如白光透射、反射全息圖片等，這些圖片可用于投影、室內(nèi)裝修、舞臺(tái)布景、建筑等；7 陳勇、劉東輝.全息照相及其應(yīng)用J.塔里木農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16（3）8 王賢鋒.全息術(shù)的歷史和發(fā)展J.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2007，19（5）：1811829 楊帆、楊寧.激光全息照相技術(shù)及其應(yīng)用前景J.中州大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25（2）：107108再如以動(dòng)態(tài)顯示的全息術(shù)、層面X照相術(shù)、3DCAD技術(shù)、3D動(dòng)畫(huà)片等充分展示了全息術(shù)的創(chuàng)造性魅力和藝術(shù)美。4.5模壓全息把全息圖片壓印到一定的材料上，用白光再現(xiàn)時(shí)，可以得到色彩艷麗而逼真的三維圖像。模壓全息的制作過(guò)程分為三個(gè)階段:激光攝制原片全息圖；電成型制金屬模板；模壓復(fù)制。模壓圖片技術(shù)含量高，并帶有保密性，可以防止復(fù)制，將全息防偽標(biāo)志記錄、存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)移到護(hù)照、信用卡、及化妝品、酒類、家電等產(chǎn)品上可以起到防偽作用。5結(jié)論本文介紹了全息照相的原理