全息照相实验中图像采集数码装置的应用

朱江转，罗锻斌

(华东理工大学，上海 200237)

全息照相实验是大学物理实验中的一个重要实验。这个实验的内容包括实验光路的自行搭建、调节，底片的曝光、显影和定影，以及全息底片的再现观察。所以这个实验对于学生动手能力、观察能力以及协作能力的锻炼和提高是非常有帮助的。同时，为了得到理想的全息底片和成功观察到自己拍摄的物体，切身体验全息照相相对于普通照相的独特性质(如立体感强)，学生对这个实验充满兴趣。这也使全息照相实验成为非常受学生喜欢的实验之一。

全息拍摄是在合适的全息干版上记录物光和参考光在其上的干涉条纹。高质量的全息图对拍摄系统有一定的要求。如何指导学生顺利完成全息实验，以及如何让学生在有限的教学实验时间内拍摄出质量较好的全息底片，很多物理实验教师结合各自的教学经历，在实验教学的不同环节，如全息拍摄光学系统的机械稳定性要求［1-2］(防震性能好的平台，以及曝光时的走动和说话对拍摄效果的影响)、光路布局［3-5］(物光和参考光的光程差、物光和参考光投射到干版的夹角、物光和参考光的强度等)、曝光时间、显影时间等方面进行了分析研究［6-8］，总结了不少让大家受益的方法和经验［9-13］。

在实验教学过程中发现，由于不同的学生有不同的实验条件(如光路、光强、曝光时间、显影液浓度、显影时间、显影温度、干版冲洗质量等)，最后得到的底片质量也各不相同。这些显影后的干版，灰度不一，清晰度也各不相同。这些对于全息照相实验的最后一个“再现”环节将有不同的影响。“再现”环节是学生最有成功感的一个环节，而往往由于学生拍摄光路(物光和参考光位置)、显影或者对“再现”过程的理解等原因，看不到底片“再现”所形成的三维虚像。如何让学生比较快地观察到再现虚像，针对“再现”环节出现的问题，在实验中做了一个改进，引入CCD等图像观测和采集辅助数码装置对再现虚像进行观察。

图1 “再现”过程观察光路

人之所以能看到物体，是因为从物体发出或反射的光波被人眼所接收。所以如果要想从全息图上看原来物体的像，直接观察是看不到的，而只能看到复杂的干涉条纹。要看到原来物体的像，必须使全息图再现原来物体发出的光波，这个过程就称为全息图的再现过程，它所利用的是光栅衍射原理。再现过程的观察光路如图1所示。一束从特定方向或与原来参考光方向相同的激光束(通常称为再现光)照射全息图。全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅，它使再现光发生衍射，沿着衍射方向透过全息图朝原来被摄物体的方位观察时，就可以看到一个完全逼真的三维立体图像［14］。

但在实验中由于学生全息底片质量、观察方向等问题，有不少学生并不能直接看到虚像。在实验室演示时，用CCD取代人眼的位置，如图1所示，学生只要通过转动CCD，改变其相对于底片的夹角，便可比较方便地看到被摄物体的虚像，而且还避免了被激光束直接照射眼睛的危险。而在具体的“再现”实验操作过程中，对于每一个学生，可以利用手机摄像头的拍摄功能，非常方便地观察和记录自己所拍摄的物体的虚像，如图2所示。而拍摄的全息图中的虚像，教师可以要求学生打印出来附在实验报告中，从而可以作为评判学生全息照相实验成绩的一个比较可靠的判据。

图2 全息再现过程中用手机摄像头拍摄的两个物体虚像

在全息照相实验教学过程中，在“再现”过程中引入CCD等图像观测和采集辅助装置对再现虚像进行观察。实验教学表明，利用CCD辅助装置演示“再现”过程，非常方便和直观，有助于学生理解。而在学生具体的实验过程中，利用具有拍摄功能的数码装置(如手机)，可以比较方便地观察到被拍摄物体的虚像。同时，利用这些数码装置，可以避免学生被激光束直射眼睛的危险，而这些数码装置记录的物体，也可用于教师对学生实验成绩的评判。

［1］李春芳.振动及曝光时间对全息照相实验的影响［J］.实验科学与技术，2012，10(2):18-20.

［2］余剑敏，吴水生，殷海兵，等.测量不同的振动对全息照相实验的影响［J］.大学物理实验，2010，23(2):23-26.

［3］谭佐军，桂荣，曹炜，等.对全息照相实验的研究与改进［J］.大学物理实验，2007，20(2):6-8.

［4］肖怡安.激光全息照相景深拓展实验探讨［J］.物理实验，2013，33(1):36-39.

［5］肖怡安.全息照相中的景深［J］.大学物理实验，2001，14(1):18-20.

［6］房若宇.激光全息照相实验技术的改进［J］.大学物理实验，2013，26(5):57-59.

［7］杨晓梅.激光全息照相实验中相关问题的讨论［J］.大学物理实验，2008，21(3):20-24.

［8］张影，李亚林.浅谈全息照相实验教学［J］.大学物理实验，2008，21(3):58-60.

［9］黄水平，张飞雁，张易，等.全息照相实验实像的优化拍摄与再现［J］.大学物理，2010，29(2):40-42.

［10］秦颖，李琦.全息照相实验的技巧［J］.大学物理实验，2004，17(1):40-43.

［11］张敏，郜超军.全息照相实验的教学探讨［J］.大学物理实验，2005，18(1):13-14.

［12］王凤鹏，尹真，王形华.全息照相实验研究型教学探索［J］.物理与工程，2009，19(4):29-31.

［13］郑瑞华，姜泽辉，赵海发.全息照相实验中像的观察［J］.大学物理实验，2012，25(3):72-74.

［14］张兆奎，缪连元，张立.大学物理实验［M］.北京:高等教育出版社，2011:260-262.