采用多种光路实现高级全息摄影

郑文礼 武珂名 王德佳 赵 鑫 王晨蕾

（河北民族师范学院物理与电子工程系 河北承德 067000）

全息照相是六十年代发展起来的一门立体摄影和波阵面再现的新技术。它是通过相干光在空间中叠加而发生干涉的原理制作全息图。在近代物理实验教学中，全息照相作为一项实验内容对本科生开设，要求学生了解全息照相的基本原理、学习静物全息照相的拍摄方法、了解再现全息物象的性质和方法。由于全息照相能够把物体表面上发出的光波的全部信息（即光波的振幅和位相）记录下来，并能完全再现被摄物光波的全部信息，因此，它在精密计量、无损检验、信息存贮和处理、遥感技术和生物医学等方面有着广泛的应用[1]。本实验在原始全息照相光路的基础上采用“漫射照明制作全息图”和“多光源照明制作全息图”，通过运用K9玻璃、毛玻璃片及在光路中增加一条物光光路等操作，将被摄物体面积增大、亮度增强，从而获得拍摄范围更广、亮度更加清晰的全息片。我们将“使用漫射照明制作全息图”和“使用多光源照明制作全息图”作为全息照相的拓展实验，既能加深学生对光的干涉、衍射的理解，也能使学生更加深入地了解全息摄影技术。

一、全息照相实验原理

全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助于参考光波与物光波的相互作用，记录下两种光波在记录介质上的干涉条纹。这种干涉条纹同时保存了物光波（从物体反射的光波及位相信息，记录了干涉条纹的全息照片可以看作复杂的衍射光栅。当用于原参考光波相同的光再照射该光栅时，其衍射波能重现原来的物光波，在照片后原物的位置就可以观察到原被摄物的三维图像。

二、设计实验

在图1原始全息照相实验光路中，激光束经分光镜后分成两束相干光束。其中一束相干光经反射镜反射后均匀地照射在被摄物体上，再从物体表面反射到全息干板上的感光底板上，这束光称为物光。另一束相干光通过反射镜反射后直接投射到全息干板的感光底板上，这束光称为参考光。物光与参考光在全息干板感光底板上叠加发生干涉后将形成许多明暗不同、疏密不同的条纹。感光底板经过曝光将这种图像记录下来，再经过显影、定影、漂白处理后，我们就可以得到一张全息片。

图1 原始全息照相光路图

（一）漫射照明制作全息图

图2 漫射照明制作全息图实验光路图

漫射照明制作全息图是在原始全息照相光路的基础上进行如下改进的：

1.用K9玻璃代替半透半反透镜。使用半透半反透镜得到的透射光（物光）与反射光（参考光）光强比为1∶1，使用K9玻璃得到的透射光（物光）与反射光（参考光）光强比为9∶1，因此，我们在实验中使用K9玻璃可以增强物光，从而使全息图更加清晰。

2.使参考光依次经过扩束镜、反射镜、磨砂玻璃后到达物体上。磨砂玻璃能够使物光更加分散[2]，得到的全息图摄影范围将更大，进行全息再现时便于观察。

在图2漫射照明制作全息图实验光路中，我们要根据实际需要来选择扩束镜的焦距。我们选用了凸透镜作为扩束镜，其中扩束镜L1的焦距为45mm、扩束镜L2的焦距为4.5mm。

（二）多光源照射制作全息图

图3 多光源照明制作全息图实验光路图

我们在多光源照明制作全息图的光路中仍使用K9玻璃，此外在原始光路基础上增加了一条物光光路[2]，从而使被摄物的每一部分都有物光均匀照射，拍摄出不仅范围大而且更加清晰的全息图。

在图3多光源照明制作全息图实验光路中，扩束镜L1、扩束镜L2、扩束镜L3的焦距分为45mm、4.5mm、6.2mm。

三、实验结果与讨论

（一）漫射照明制作全息图

1.实验数据

（1）时间

曝光80s；显影2.5min；

定影5min；漂白视情况而定即可。

（2）光程

①物光束光程：13+20+15+13+14+15=90cm

图4 漫射照明制作全息图实验图

②参考光束光程：

13+38+16+21=88cm

（3）物光束与参考光束夹角：

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

2.实验结果

我们通过大量的实验，对光路不断调整，最终得到了如图5清晰的全息图。

图5 漫射照明全息图

（二）多光源照明制作全息图

1.实验数据

（1）时间

曝光t=20s；显影2.5min；

定影5min；漂白视情况而定即可。

（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

②参考光束光程：17+43+33=94cm

图6 多光源照明制作全息图实验图

（3）物光束与参考光束夹角：θ=arccos[(112+332-252)/(2×11×33]≈35°

2.实验结果

我们通过大量实验，得到了运用多光源照明下制作出的全息图，如图7。由此可以清晰地看出，运用多光源照明拍摄出的全息图清晰度及拍摄范围大大提高。

图7 多光源照明全息图

四、实验影响因素

全息照相实验的实验步骤较为复杂，环节繁多，这也意味着该实验对实验环境和实验条件要求严格。因此，要想使实验获得成功就必须满足诸多条件，下面将影响该实验实现的因素归纳如下：

1.系统的稳定性：保证系统的稳定性是完成该实验的一个首要条件。实验要在全息防震台上进行，学生在实验过程中避免说话、走动等，保证安静的实验环境。

2.物光与参考光的光程差：全息照相常用的激光器是He-Ne激光器(波长为632.8nm)，由于激光谱线有一定宽度Δλ≈0.002nm，相应的相干长度L=λ2/Δλ=20cm。为保证物光和参考光发生干涉，我们在布置光路时必须使两条光束的光程差不大于相干长度，一般常使两者光程大致相等。

3.物光与参考光的夹角：干涉条纹间的间距d= λ/2sin(θ/2)，因此，物光与参考光的夹角越大，则条纹间距越小，对干板的分辨率要求就越高，受环境振动干扰影响越大。此外，夹角θ也决定着物像再现时的观察窗视角的大小，如果θ太小则不易进行物像的再现和观察，因此物光和参考光的夹角不能过大也不能过小[3]。

4.物光与参考光的光强比： 如果两光的光强相等，受全息照相的记录介质的影响，会使干板衍射效率降低；若物光比参考光的光强大，条纹会比较显著，产生晕轮光，使光通量降低，实验也难以实现。一般二者光强比约为1∶2 ～1∶5。

5.曝光、显影时间：曝光、显影时间的长短影响着全息干板的图像质量。时间太短，则干涉条纹不明显，得不到衍射光栅；时间太长，干板会变成黑色，无法使光发生透射。

五、结束语

本实验的完成使全息照相的实验内容得到了拓展。实验内容的丰富及实验方法的多样性能够增强学生实践和探求知识的能力。在实际教学中，该方案可以提升实验教学内容。学生通过设计实验，探求多种实验方法得到拍摄全息图的实验光路，从而加深学生对全息照相实验原理的理解，更好地掌握静物全息照相的拍摄以及再现全息物象和方法。