關(guān)于全息照相白光再現(xiàn)方法的深入研究

文/鄧宇，吉林建筑大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理中心

關(guān)于全息照相白光再現(xiàn)方法的深入研究

文/鄧宇，吉林建筑大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理中心

針對(duì)目前工科院校中所開設(shè)的全息照相實(shí)驗(yàn)，大多只能激光再現(xiàn)的現(xiàn)狀, 設(shè)計(jì)了一種全新的光路，記錄白光再現(xiàn)反射體全息圖，克服了傳統(tǒng)白光攝制方法只能拍攝類似硬幣的扁平物體的不足，這種光路用于實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中，可方便地提升全息照相實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的層次,并且極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

全息照相;白光再現(xiàn);光路改進(jìn)

全息照相是信息光學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一,在全息顯示、全息干涉度量、全息光學(xué)元件、全息信息存儲(chǔ)、全息信息處理、全息顯微術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ),同時(shí)也是現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ),通過物理實(shí)驗(yàn),不但有助于學(xué)生對(duì)基本物理原理的理解,更有助于架起理論與實(shí)踐的橋梁。目前,大多數(shù)工科院校都開設(shè)了全息照相這個(gè)實(shí)驗(yàn)題目,然而大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都停留在第二代全息照相技術(shù)的基礎(chǔ)上,即激光記錄、激光再現(xiàn)。這雖然有助于學(xué)生對(duì)全息原理的理解,并且較大程度地保證實(shí)驗(yàn)成功率,但因?yàn)樵佻F(xiàn)受光源的限制,制約了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性,且實(shí)際上全息照相技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展,教學(xué)內(nèi)容卻仍停留在第二代全息照相水平上,顯然與現(xiàn)代科技的發(fā)展很不協(xié)調(diào)。本文針對(duì)目前工科院校中所開設(shè)的全息照相實(shí)驗(yàn)存在的上述問題,利用反射體全息圖可用白光再現(xiàn)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新穎的白光再現(xiàn)全息圖攝制光路,可以拍攝較大的三維模型。

1 原理

全息照相術(shù)是一種用光學(xué)方法在視覺上再現(xiàn)原物清晰立體像的典型技術(shù),這種技術(shù)利用光的干涉和衍射現(xiàn)象,將物體的全部信息以干涉條紋形式記錄在介質(zhì)上,當(dāng)用再現(xiàn)光照射這種介質(zhì)時(shí),就能再現(xiàn)一個(gè)逼真的三維立體像,按所用再現(xiàn)光源分類,全息圖可分為激光再現(xiàn)全息圖與白光再現(xiàn)全息圖兩類,早期的透射式全息圖需要用激光再現(xiàn),而目前通常的白光再現(xiàn)全息技術(shù)只能拍攝類似硬幣的小面積浮雕立體圖表面,在顯示領(lǐng)域失去了極大的優(yōu)越性,需要深入研究和改進(jìn)。體積全息圖是獲得白光再現(xiàn)全息圖的一種方式,按干涉條紋形成的方式,分透射型和反射型兩種,在反射全息圖中,物光與參考光從干版的兩側(cè)入射到干版上,二者疊加發(fā)生干涉,經(jīng)顯影、定影制備而成,反射全息圖中,物光與參考光的干涉面幾乎與介質(zhì)表面平行,由于參考光與物光在乳膠層干涉的結(jié)果,導(dǎo)致處理后的全息圖中的銀粒密度是按余弦規(guī)律變化的層狀結(jié)構(gòu),且平行于玻璃片基,銀層的間距d滿足[1]

2dsin(θ/2)=λ

波前再現(xiàn)時(shí),全息圖對(duì)光的衍射作用類似于三維光柵的衍射,一部分光被反射衍射,另一部分透射衍射,在反射光中,為了獲得明亮的再現(xiàn)像,要求經(jīng)相鄰銀層反射的光所經(jīng)歷的光程差剛好差一個(gè)光波波長(zhǎng),即滿足布喇格條件

2dsinΨ=＋λ

式中Ψ為入射光與銀層間的夾角,λ為光在記錄介質(zhì)內(nèi)傳播的波長(zhǎng),當(dāng)Ψ=θ/2時(shí)得虛像,當(dāng)Ψ=π+θ/2時(shí)得實(shí)像,再現(xiàn)時(shí)只有波長(zhǎng)滿足布喇格條件的光波才能被反射,并同位相疊加而成像,其它波長(zhǎng)的光則被透射過去,因此,理論上不會(huì)發(fā)生由于各種波長(zhǎng)的像相混疊而導(dǎo)致的像模糊。

實(shí)際中全息圖相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的光柵，它在白光照射下會(huì)多少會(huì)產(chǎn)生一些色散，使各個(gè)波長(zhǎng)的像相互交疊，從而導(dǎo)致像模糊，而再現(xiàn)像的色模糊量與全息圖的色散率、光源線度及像到全息圖的距離有關(guān)，當(dāng)該距離趨向于零時(shí)，色散模糊量也趨向于零。這就是為什么白光再現(xiàn)記錄全息圖時(shí)，要選擇扁平物體貼近于記錄的介質(zhì)上，才能拍攝出清晰的像，為了克服這個(gè)限制條件，需要對(duì)光路改進(jìn)，在物光光路中加入透鏡成像部分，使成像位置處于記錄介質(zhì)即全息干版位置，相當(dāng)于物光來(lái)自于全息記錄平面，同時(shí)包括該平面前后附近區(qū)域，由于透鏡成像既能放大也能縮小，因此對(duì)所拍攝的三維模型體積有很大的選擇余地，再經(jīng)顯影定影烘干后，即可用白光源再現(xiàn)出單色像,是制作白光再現(xiàn)全息圖的一種好方法。[2]

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

自氦氖激光器輸出的光經(jīng)分光鏡分為兩束,兩束光的光強(qiáng)比控制在1：7左右,其中反射的一束較弱,經(jīng)平面鏡的再次反射和擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后投射到全息底片上,構(gòu)成參考光部分。透射的一束經(jīng)過一個(gè)透鏡擴(kuò)束變成一束光斑較大的近似平行光,投射到物體上并形成漫反射作，再經(jīng)過一個(gè)透鏡成像到全息底片所在平面構(gòu)成物光部分，其入射方向與參考光相反，二者在全息干版內(nèi)部相互干涉形成記錄條紋，采用這種光路拍攝全息圖時(shí),參考光與物光的最終相對(duì)強(qiáng)度比為1：1，漫反射式全息片的制作過程就是讓物光束和參考光束分別從照相底板的兩面進(jìn)入乳膠層，在乳膠層處干涉，干涉條紋被記錄下來(lái)。

實(shí)驗(yàn)步驟：開始實(shí)驗(yàn)前，激光器預(yù)熱大約10分鐘。

擺好光路，為避免參考光太強(qiáng)，激光束要經(jīng)過一次反光鏡后才打到干板上。

（1）預(yù)熱好后，關(guān)閉激光器，在暗環(huán)境下，放置好被測(cè)物體與干版。

（2）打開激光器，讓干版曝光20S后，關(guān)閉激光器。

（3）暗環(huán)境下，將底片置于25度左右的清水中30S，再置于異丙醇中300S，作為顯影及定影。

（4）經(jīng)過清水沖洗1分鐘后,用烘干機(jī)將底片烘干。

（5）利用白光觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：經(jīng)過一周的實(shí)驗(yàn)總結(jié)，吸取上一周實(shí)驗(yàn)的教訓(xùn)，再三設(shè)計(jì)好光路，嚴(yán)格控制曝光時(shí)間和水溫，持續(xù)用異丙醇沖洗直至有較明顯成像才用烘干機(jī)吹干。成像結(jié)果清晰可見，如有模糊,分析其原因有：（1）參考光比物光強(qiáng)，導(dǎo)致成像不清晰。（2）參考光與物光夾角過大，導(dǎo)致干涉成像范圍不集中。（3）水洗時(shí)間過短。（4）顯影定影時(shí)沖洗力度過猛。經(jīng)多次摸索經(jīng)驗(yàn),才可以順利制成能夠在白光如太陽(yáng)光下觀察的全息底片,在未鍍?nèi)槟z的一面可以看到清晰的綠色成像，理論上是單色的，實(shí)際上由于再現(xiàn)光中包含各種波長(zhǎng)，經(jīng)色散作用能看到類似彩虹一樣的像。[3]

3 結(jié)論

通過上面的光路改進(jìn)，使全息照相這個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)得到更趨近實(shí)用的升級(jí)換代，而實(shí)驗(yàn)裝置新添加的元件很少，光路簡(jiǎn)單易懂，只需在目前普遍采用的激光全息攝制光路中多加兩塊凸透鏡，就可攝制白光再現(xiàn)全息圖，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容層次，在實(shí)際教學(xué)過程中明顯提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，使學(xué)生對(duì)該項(xiàng)技術(shù)有了進(jìn)一步的了解，并且能夠通過一次認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)過程制作出一份屬于自己的能隨時(shí)欣賞的作品，獲得了很好的教學(xué)效果。

[1]華南理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理教研組.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),下冊(cè)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社,2000

[2]王仕.信息光學(xué)理論與應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社,2003

[3]陳家璧,蘇顯渝.光學(xué)信息技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社,2000

鄧宇（1970—）,吉林建筑大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)部,講師,專業(yè)為原子核物理與核技術(shù)。