实验全息照相 普通摄影是利用照相机将物体发出（或反射）的光波记录在感光材料上，由干它只记录 了物体光波的强度因子（振幅信息），而失去了反映物体景深的位相因子（空间信息），因而 普通照片看上去是平面的，失去了原有物体的立体感，所以普通照片不能完全反映被摄物传 的真实面貌。 为了得到物体的直实像，我们必须同时记录物体光波的全部信息一一振幅和位相。全息 摄影就是利用光的干涉和衍射原理，引进与物体光波相干的参考光波，用干涉条纹的形式记 录下物体光波的全部信息。即利用干涉原理把物体上每一点的振幅和位相信息转换为强度的 函数，以干涉图样的形式记录在感光材料上。经过显影和定影处理，干涉图样就固定在全息 干板（胶片）上了，这就是我们通常所说的三维全息照片。通过光的衍射即可再现物体的三维 立体像。 【实验目的】 (1)了解全息摄影的基本原理、实验装置以及实验方法。 (2)掌握激光全息摄影和激光再现的实验技术 (3)通过观察全息图像的再现，弄清全息照片和普通照片的本质区别。 【实验原理】 物体发出的光包含光的振幅和光的位相两大部分信息，即 O(x.y)=O(x.y)exp-jo(x,y) (40-1) 其中：O(x,y)为振幅，xplj(x,y列为位相。普通摄影只能记录物体光波的振幅信息，而 位相信息xp-jx,y全部丢失，因此照片没有立体感。数学表达式为 I=O(x,y)expl-jx,y)=O2 (40-2) 实际上没有任何一种感光材料可以直接记录光波的位相，在全息摄影中我们利用光的干 涉原理来记录光波的振幅和位相信息。 如图40-1所示， 激光器L发出的激光由分束镜BS将 光线一分为二，透射光线经反射镜h反射再经过扩束后照射在被摄物体上，这束光线称为 物光(O光)：反射光线经反射镜M山反射再经过扩束后直接照射在感光材料上，因而称为参考 光(R光)：两束光线在P处相干并形成干涉条纹，这些条纹记录了物光的所有振幅和位相信 息。 M 激光器 扩束镜C 扩束镜C 分束镜BS 全息干板P 图40-1拍摄全息照相光路图 1
-1- 实验 全息照相 普通摄影是利用照相机将物体发出（或反射）的光波记录在感光材料上，由于它只记录 了物体光波的强度因子（振幅信息），而失去了反映物体景深的位相因子（空间信息），因而 普通照片看上去是平面的，失去了原有物体的立体感，所以普通照片不能完全反映被摄物体 的真实面貌。 为了得到物体的真实像，我们必须同时记录物体光波的全部信息——振幅和位相。全息 摄影就是利用光的干涉和衍射原理，引进与物体光波相干的参考光波，用干涉条纹的形式记 录下物体光波的全部信息。即利用干涉原理把物体上每一点的振幅和位相信息转换为强度的 函数，以干涉图样的形式记录在感光材料上。经过显影和定影处理，干涉图样就固定在全息 干板(胶片)上了，这就是我们通常所说的三维全息照片。通过光的衍射即可再现物体的三维 立体像。 【实验目的】 （1）了解全息摄影的基本原理、实验装置以及实验方法。 （2）掌握激光全息摄影和激光再现的实验技术。 （3）通过观察全息图像的再现，弄清全息照片和普通照片的本质区别。 【实验原理】 物体发出的光包含光的振幅和光的位相两大部分信息，即： O(x, y) = O(x, y)exp[− j(x, y)] (40-1) 其中： O(x, y) 为振幅， exp− j(x, y) 为位相。普通摄影只能记录物体光波的振幅信息，而 位相信息 exp[− j(x, y)] 全部丢失，因此照片没有立体感。数学表达式为： 2 2 I = O(x, y)exp[− j(x, y)] = O (40-2) 实际上没有任何一种感光材料可以直接记录光波的位相，在全息摄影中我们利用光的干 涉原理来记录光波的振幅和位相信息。如图 40-1 所示，激光器 L 发出的激光由分束镜 BS 将 光线一分为二，透射光线经反射镜 M2 反射再经过扩束后照射在被摄物体上，这束光线称为 物光(O 光)；反射光线经反射镜 M1反射再经过扩束后直接照射在感光材料上，因而称为参考 光(R 光)；两束光线在 P 处相干并形成干涉条纹，这些条纹记录了物光的所有振幅和位相信 息。 图 4 0-1 拍摄全息照相光路图 全息干板P 扩束镜C2 扩束镜C1 分束镜B S K He-Ne 激光器 M2 O M1
数学表达式为： 物光为： O(x.v)=O(x.v)exp[-io(x.v) 参考光为： R(x,y)=R(x,y)exp[-jw(x.y)] 两光相干后总光强为： I=O(x.y)+R(x.y) =O(x.y)+R(x.y+0(x.y)R*(x.y)+0*(x.y)R(x.y) (40-3) =O(x.y)+R(x.y)+2R(x.y)O(x.y)coslv(x.y)-(x.y)] 式(40-3)说明全息图中包念着物光的振幅和位相信息，它们全部被记录在感光材料上， 并以干涉条纹的形式表现出来。感光材料（全息干板或胶片）经过曝光、显影和定影后，即 可得到一张菲涅耳全息图。 将制作好的全息图放回原处，遮挡住物光(O光)并取走被摄物体，用原参考光照明，则 透过这张全息图的光强为： I,=IR(x,y)exp[-jw(x,y)]=O(x,y)+R(x.y)R(x,y)exp[-jv(x,y)] =R(O2+R2)exp[-jw(x.y)]+R2O(x.y)exp[-jo(x.y)] (40-4) +R"exp[-2jw(x,y)lO(x,y)exp[jo(x.y)] 式(40-4)中的第二项与 原物光光波只相差一个系数 R,这说明通过全息图的出射 包含原物光的全部信息 。所 以我们透过全息图可以看到在 全息照片 原来放置物体的地方有物体的 1级 虚像，就像物体没有被取走 滋光束 样。如图402所示。物体的 像具有明显的视差效应， 0级 们通过全 时，就像通 过一个 1级 察真实物体一样，具有强烈的 三维立体感。当人眼在全息图 前面左右移动成上下移动时， 虚像 实像 我们可以看到物体的不同部 位。即使全 息干板破损、变小 但原物光的信息还保存在干沙 图40-2全息照相再现光路图 条纹之中，所以我们通讨参老 光的照射同样可以看到物体的虚像，只是大小发生了变化。 虚像是由全息图的-】级衍射光所形成的。另外还有直接透射光0级光)，我们可以在 直接透射光的对面用 毛玻璃屏观看物体的实像，而且远离全息图也可观察到 全息图的 1级 衍射光形成被摄物的实像，如图40-2所示。观察实像还可用参考光R的共轭光心照射全息图， 这时我们看到的实像是“悬浮”在干板之外，如图40-3所示。 -2
-2- 数学表达式为： 物光为： O(x, y) = O(x, y)exp[− j(x, y)] 参考光为： R(x, y) = R(x, y)exp[− j(x, y)] 两光相干后总光强为： ( , ) ( , ) 2 ( , ) ( , ) cos[ ( , ) ( , )] ( , ) ( , ) ( , ) * ( , ) *( , ) ( , ) ( , ) ( , ) 2 2 2 2 2 O x y R x y R x y O x y x y x y O x y R x y O x y R x y O x y R x y I O x y R x y = + + − = + + + = + (40-3) 式（40-3）说明全息图中包念着物光的振幅和位相信息，它们全部被记录在感光材料上， 并以干涉条纹的形式表现出来。感光材料（全息干板或胶片）经过曝光、显影和定影后，即 可得到一张菲涅耳全息图。 将制作好的全息图放回原处，遮挡住物光( O光 )并取走被摄物体，用原参考光照明，则 透过这张全息图的光强为： exp[ 2 ( , )] ( , ) exp[ ( , )] { }exp[ ( , )] ( , ) exp[ ( , )] ( , ) exp[ ( , )] ( , ) ( , ) ( , ) exp[ ( , )] 2 2 2 2 2 R j x y O x y j x y R O R j x y R O x y j x y I IR x y j x y O x y R x y R x y j x y t + − = + − + − = − = + − （40-4） 式（40-4）中的第二项与 原物光光波只相差一个系数 R，这说明通过全息图的出射 光包含原物光的全部信息。所 以我们透过全息图可以看到在 原来放置物体的地方有物体的 虚像，就像物体没有被取走一 样。如图 40-2 所示。物体的虚 像具有明显的视差效应，当人 们通过全息图观察物体的虚像 时，就像通过一个“窗口”观 察真实物体一样，具有强烈的 三维立体感。当人眼在全息图 前面左右移动或上下移动时， 我们可以看到物体的不同部 位。即使全息干板破损、变小， 但原物光的信息还保存在干涉 条纹之中，所以我们通过参考 光的照射同样可以看到物体的虚像，只是大小发生了变化。 虚像是由全息图的−1 级衍射光所形成的。 另外还有直接透射光(0 级光)，我们可以在 直接透射光的对面用毛玻璃屏观看物体的实像，而且远离全息图也可观察到。全息图的 +1 级 衍射光形成被摄物的实像，如图 40-2 所示。观察实像还可用参考光 R 的共轭光 R 照射全息图， 这时我们看到的实像是“悬浮”在干板之外，如图 40-3 所示。 图 40-2 全息照相再现光路图
【实验仪器】 +级 Laser:氦氖激光器，M和M:全反镜，BS: 分束镜，C:扩束镜，P:全息干板及支架，O: 被摄物体，K:光开关。另外准备直尺、钢卷尺 用来调整光路以及光强测量仪，曝光定时器，暗 房设备等备用。 【实验内容】 0级 (1)按图40-1布置好光路（在某些特殊情 况下由实验室给出)。 (2)打开激光器电源开关，点燃激光，当光 图40-3全息实像的再现 线强度稳定后开始调整光路：①调整光束等高： ②用自准直法调整各光学元件，使其表面与激光束垂直。 (3)调整分束镜BS使物光和参考光的光程基本相等，同时使两光束之间的夹角小于50° (一般可在20°~50°之间选择，角度稍大些为好，这样再现时+1级衍射光和0级光以及-1级 衍射光可以分得开些，便于观察虚像)，并且使物光和参考光的光强之比在1：2~1：9之 间，通常根据物体表面漫反射的情况来定，一般选择1：4左右为宜。可用光强测量仪在固 定全息干板的位置处测量，也可用毛玻璃放在这一位置，通过目测来大致判断物光与参考光的 比例。 (4)在全息干板支架上固定白屏或毛玻璃，调节扩束镜C,使物光均匀地照射在被摄物 体上，调节物体的方位使物体漫反射光的最强部分均匀地照射在白屏上。调节扩束镜C2使 参考光均匀地照射在整个白屏上。这时物光和参考光在白屏上完全重叠。 (5)完全挡住光源。拿掉全息干板支架上的白屏，换上全息干板，并将药膜面（手感发 涩)朝着光的方向安装在全息千板支架上。稳定1~2min后开始曝光，曝光时间可根据物光 和参考光的强度选择合适的曝光时间（几秒到几十秒）。 (6)将曝光后的全息干板在暗室内进行常规的显影、停显、定影、水洗、干燥等处理， 即可得到一张漫反射的三维全息图。 (7)将冲洗好的全息图放回到干板支架上，拿去被摄物体，挡住物光，用原参考光照明 全息图，在其后面观察重现的虚像。我们可以看到在原来放置被摄物体的地方有一虚像，人 眼上下左右缓慢地移动，可以看到物体的各个部位。将全息图挡去一部分，观察虚像有何变 化。 【思考题】 (1)全息摄影与普通摄影有何区别？ (2)全息摄影为何要将激光束分为物光和参考光？为什么光程要基本相等？ (3)将全息图挡去一部分，为何再现图像仍然完整无缺？这时再现图像中包含的信息是 否减少了？如果全息片不小心打碎了，用其中一小块来实现图像再现，试问对再现图像会有 什么影响？请说明理由。 (4)试说明如何用参考光R的共轭光R'来观看全息图像？ -3-
-3- 【实验仪器】 Laser：氦氖激光器，M1 和 M2 ：全反镜，BS： 分束镜， C：扩束镜， P：全息干板及支架， O： 被摄物体， K：光开关。另外准备直尺、钢卷尺 用来调整光路以及光强测量仪，曝光定时器，暗 房设备等备用。 【实验内容】 （1）按图 40-1 布置好光路（在某些特殊情 况下由实验室给出）。 （2）打开激光器电源开关，点燃激光，当光 线强度稳定后开始调整光路：①调整光束等高； ②用自准直法调整各光学元件，使其表面与激光束垂直。 （3）调整分束镜 BS 使物光和参考光的光程基本相等，同时使两光束之间的夹角小于 50 （一般可在 20 ~ 50 之间选择，角度稍大些为好，这样再现时+1 级衍射光和 0 级光以及-1 级 衍射光可以分得开些，便于观察虚像），并且使物光和参考光的光强之比在 1 ：2 ~ 1 ：9 之 间，通常根据物体表面漫反射的情况来定，一般选择 1 ：4 左右为宜。可用光强测量仪在固 定全息干板的位置处测量，也可用毛玻璃放在这一位置,通过目测来大致判断物光与参考光的 比例。 （4）在全息干板支架上固定白屏或毛玻璃，调节扩束镜 C1 使物光均匀地照射在被摄物 体上，调节物体的方位使物体漫反射光的最强部分均匀地照射在白屏上。调节扩束镜 C2 使 参考光均匀地照射在整个白屏上。这时物光和参考光在白屏上完全重叠。 （5）完全挡住光源。拿掉全息干板支架上的白屏，换上全息干板，并将药膜面（手感发 涩）朝着光的方向安装在全息干板支架上。稳定 1 ~ 2min 后开始曝光，曝光时间可根据物光 和参考光的强度选择合适的曝光时间（几秒到几十秒）。 （6）将曝光后的全息干板在暗室内进行常规的显影、停显、定影、水洗、干燥等处理， 即可得到一张漫反射的三维全息图。 （7）将冲洗好的全息图放回到干板支架上，拿去被摄物体，挡住物光，用原参考光照明 全息图，在其后面观察重现的虚像。我们可以看到在原来放置被摄物体的地方有一虚像，人 眼上下左右缓慢地移动，可以看到物体的各个部位。将全息图挡去一部分，观察虚像有何变 化。 【思考题】 （1）全息摄影与普通摄影有何区别？ （2）全息摄影为何要将激光束分为物光和参考光？为什么光程要基本相等？ （3）将全息图挡去一部分，为何再现图像仍然完整无缺？这时再现图像中包含的信息是 否减少了？如果全息片不小心打碎了，用其中一小块来实现图像再现，试问对再现图像会有 什么影响？请说明理由。 （4）试说明如何用参考光 R 的共轭光 R 来观看全息图像? 图 40-3 全息实像的再现 +级 H R 0 级