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实验9全息照相doc

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  实验9 全息照相技术 实验目的 了解全息照相的基本原理。 观察全息照相的主要特点。 学习拍摄全息图与再现立体图像的方法 实验仪器 氦氖激光器及电源,防震台,分光镜,扩束镜,全反镜,干版架,带有磁铁的支架,全息干版和冲洗设备。 实验原理 1948年,英国物理学家伽伯(D.Gabor,1900—1979)为了提高电子显微镜的分辨能力,发明了一种利用干涉和衍射和照相新技术。他不是记录物体的平面影像,而是记录物体上各点光的完全信息——振幅和位相,因此后来称这种技术为全息技术。由于当时没有强的相干光源,全息术在最初的十年间发展非常缓慢。1960年高强度相干光源激光问世,1962年利思(E.N.Leith)等人利用激光做光源,成功地进行了三维物体光波波前的记录和重建,全息技术进入了迅速发展时期。1971年伽伯也因全息术的发明而荣获诺贝尔物理奖。现在,全息术已成为一门仍在不断发展的新技术学科,并得到越来越多的应用。 一 全息照相的原理和方法 全息照相是一种能够记录光波全部信息的新技术,它完全不同于普通的照相成像原理,而是采用一种无透镜的二步成像法进行拍摄和再现,其再现图像有许多优异的特点。目前全息照相在干涉计量、信息存储、光学信息处理、无损检测、立体显示、生物学、医学及国防科研等领域中已经获得相当广泛的应用。 1.全息照相和普通照相的主要区别 普通照相是运用几何光学中透镜成像的原理,把被拍摄物体的像成在一张感光底片上,冲洗以后,就得到一张记录了物体表面光强分布的平面图像。像的亮暗和物体表面反射光的强弱一一对应,也就是说普通照相仅记录了物光中的振幅信息,不能反映出物光光波的位相信息,所以普通照片上像没有立体感。 而全息照相则是一种无透镜成像方法,它利用光的干涉原理在全息干版上记录被摄物体光波的全部信息——振幅和位相,所以称为全息照相。全息照片再现时,所看到的物体是立体的,而且形象逼线.全息照片的获得——光的干涉 由惠更斯—菲涅耳原理可知,自物体散射(或透射)的光波可看作是由物体上的各物点(如几个物点)发出的球面波叠加而成,其表达式为: 其中:表示自物体上第个物点发出的矢径,、为光波的圆频率和波长,,为第点发出光波的初位相和振幅。光波表达式中包含有振幅和相位两种信息,通过光的干涉,能以干涉条纹的形式记录这两种信息。图9-1是拍摄全息照片的光路图。 1.He-Ne激光器; 2.电快门; 3.分光镜; M1、M2.全反镜; L1、L2.扩束镜; 4.物体; 5.全息干版 图9-1 拍摄漫反射物体全息图光路 由激光器发出的激光束,通过分光镜分成两束:一束称物光,它是经过透镜扩束后射向物体,再由物体反射后投向全息干版;另一束经反射镜反射和透镜扩束后直接照到全息干版上,称为参考光。由同一束激光分成的两束光具有高度的时间相干性和空间相干性,在干版上相遇后,发生干涉,形成干涉条纹。由于被摄物体发出的物光波是不规则的,这种复杂的物光波是由无数物点发出的球面波叠加而成,因此在全息干版上记录的干涉图样,是一个由无数组干涉条纹形成的集合,最终形成一个肉眼不能识别的全息图。 全息照相,是采用了一种将相位关系转换成相应振幅关系的方法,把位相关系以干涉条纹明暗变化的形式记录在全息干版上。现以比较简单的例子来说明这一过程是如何完成的:设有两束平面单色光,以某一夹角投射到屏上,则形成一组平行、等距的干涉条纹,干涉条纹上各点的明暗主要决定于两光波在该点的相位关系(和两光波的振幅也有关):如在某些地方两列波以相同位相到达,它们的振幅叠加,形成亮条纹;如两列光波以相反位相到达.则振幅相减,形成暗条纹;其他地方,随相位差的不同,而有不同的亮度。 当由复杂物体反射的不规则光波与参考光波相干涉时,形成的干涉条纹也是不规则的。干涉条纹的间距,由布喇格条件可以推得: (9-1) 式(9-1)中为参考光束和物光束投射到干版时,两者之间的夹角,为光波波长。在物光和参考光夹角大的地方,条纹细密,夹角小的地方,条纹稀疏。 由波的叠加原理可知,干涉条纹的明暗对比度(即反差)和两相干光的振幅有关:如两振幅相等,则反差最大;如振幅一大一小,则反差小。在全息照相中,干涉条纹的反差决定物光和参考光的振幅,即条纹的反差包含有物光波振幅的信息。 由上可知,物光波中的振幅和位相信息以干涉条纹的反差和明暗变化的形式被记录下来,物光波的方向以条纹的间距和走向被记录下来,所以,物光波的全部信息均以干涉条纹的形式被记录下来。 3.全息照片的再现——光的衍射 感光以后的全息干版,经显影、定影等处理得到的全息照片上,记录的是无数干涉条纹,相当于一个“衍射光栅”,故在观察时必须采用—定的再现手段。一般是用相同于拍摄时的激光作照明光,它与底片的夹角同拍摄时参考光与底片的夹角。这样,照明光经全息照片(即“光栅”)便 发生衍射,得到一列 沿照明方向传播的零 级衍射光波和二列— 级衍射波。由全息照 片产生的二列一级衍 射波,它们有重要的 区别,其中一列—级 衍射波似乎是由原处 的原物体发出的,如果 R.拍摄时原参考光;1.复位的全息照片;2.再现三维虚物; 这个光波被人眼所接收, 3.虚物的共轭实像;4.观察者 图9-2 全息照相再现光路 就等于看到原物体的再现立体像,如图9-2所示。显然,这是—个虚像。 另一列—级衍射波形成原物体再现虚象的共轭实像,位置在观察者一边,如果在这个位置放一像屏,那么无需用透镜,就能在屏上直接得到一实像(要能看到实像,拍摄时必须满足一定的光路条件)。 二 全息照相的主要特点和拍摄条件 1.拍摄系统的技术要求 全息拍摄是在全息干版上记录物光(o光)与参考光(r光)在其上的干涉条纹,为了照出合乎要求的全息图,对拍摄系统有一定的要求。 (1)要求全息拍摄的光学系统具有很高的机械稳定性 在全息干版上的干涉条纹可达条/毫米数量级,而曝光期间干涉条纹相对干版的位移若大于1/2条纹间距时,拍摄完全失败。所以拍摄用的所有光学元件必须牢固地用磁铁吸在具有防震性能的平台上,曝光时不要走动,不要大声说话,不要碰着防震台。 (2)采用良好的相干光源 全息拍摄是干涉记录,光源的相干性直接影响着物光和参考光的干涉效果,所以,全息拍摄必须采用良好的相干光源。常用的小型He-Ne激光器,其功率输出1~2mW,可用来拍摄较小的漫反射物体,并可获得优良的全息图。 (3)高分辨率的感光版 分辨率是指每毫米能记录的条纹数。在全息拍摄中,干涉条纹很细密,每毫米干涉条纹数大于1000条;而普通照相底片每毫米只能记录几十至几百条。所以,必须有高分辨率的全息感光版(干版)作为记录媒介。对于常用的乳胶型感光材料,主要是对其分辨率和灵敏度的要求。因为全息干涉条纹的间距取决于物光和参考光的夹角,夹角越大,条纹越是细密。目前使用的Ⅰ型全息干版,分辨率可达3000条/毫米左右,能满足一般的拍摄要求,但使用时夹角以小于45°为宜。Ⅰ型全息干版专门用于He-Ne激光(波长为632.8nm),对绿光不敏感,所以可在暗绿灯下操作。 感光材料的灵敏度往往随分辨率的提高而降低,所以全息干版的感光速度要比普通的胶卷慢得多,一般需要几十秒甚至几分钟,具体时间由激光器功率、被摄物体大小和表面反光性能决定。 (4)合理的光路 在上述条件达到的情况下,布置合理的光路也是获得优质全息图的关键。因此,在排光路时应注意:受光源的相干长度限制,光路中应尽量减小物光与参考光的光程差,将光程差控制在光源的相干长度(几厘米)之内,最好是等光程拍摄。物光和参考光投射到干版上的夹角要适当,一般取30°~45°为宜。这是因为干版上条纹的间距可表示为,如果小,就大,对于版的分辨率要求不高。但是,当这样拍成的全息图再现时,由于衍射角与条纹间距的关系为,大则衍射角小,各级衍射光分得不开,观察时很不方便。所以,在注意干版分辨率的同时,又要兼顾级衍射角大一些,夹角要适当。物光、参考光在干版上的光强比要合适,一般是1︰1~1︰10,根据物体表面反射情况和拍摄内容确定,用光强测定仪测或直接用眼睛估测干版架上白屏的照度即可。为减少干扰,光路中尽量减少光学元件。 2.全息照相的主要特点 (1)体视特性 使全息图再现物光时,所看到的物体是一幅完全逼真的三维立体像。当我们从不同的角度观察时,就好像面对原物体一样,可以看到物体的正面和被遮的侧面。图9-3所示就是从不同角度观察同一张全息图时物体像的视差特性。 图9-3 全息照片的视差特性 (2)具有可分割性:因为全息照片上每一点都有可能接收到物体各点来的散射光,即记录来自物体各点的物光波信息。反过来说,物体上每一点的散射光可照射到全息干版的各点,所以把全息照片分成许多小块,其中每一小块都可以再现整个物体。但面积越小,再现效果越差。这一特点使全息照相在信息存储方面开拓了应用的领域。 (3)多重记录性 全息照相曝光一次后,只有稍微改变干版的方位(如转一小角度),就可在同一干版上进行二次、三次曝光(在分辨率和总曝光量许可的情况下),再现时,就可从不同的角度观察各自的拍摄内容,相互不影响。 (4)物像亮度、大小可调性 由于再现物光是再现光的一部分,所以,再现光强,物像就亮;用不同波长的激光再现,或者沿再现光方向改变全息图的位置,就可看到不同大小的物像。 三 全息照相再现实像的条件和特点 1.宽光束再现实像的条件 在通常全息照相实验中,参考光一般为点光源产生的宽光束(发散光束),再现时,常用原参考光照射,此时,可产生一个虚像、一个实像;但也可产生两个虚像,这完全由光路条件决定。由全息照相成像理论可知,用原参考光照射,形成实像的条件是:。和分别表示参考光点光源和物体到全息干版平面的垂直距离。不满足上述条件,只能产两个虚像。要观察实像,在光路布置上,是必要条件。另外,还必须满足充分条件,即物体和参考光与全息干版的相对位置必须合理安排,使会聚光形成的实像不落在形成虚像的衍射光中,也不被零级透射光所淹没。由于再现实像的光强度一般不大,同时在某一定位置才能成像清晰。直接用眼睛观察,—般人不经过练习,不容易看到。用纸或屏观察,往往由于形成虚像的衍射光和零级衍射光的干扰,也不容易分辨和观察。 2.细光束再现实像的判别 为了观察实像,在通常条件下,细光束(未经扩束的激光束)照射全息干版较为方便。条件是细光束的入射方向应同拍摄时的参考光方向。此时,在全息图零级衍射光两侧的一定位置可用纸或屏看到一个“实像”和一个“伪实像”。因为全息干版上每一点都能接受物体各点的散射光,所以全息干版上每—点都记录了整个物体的信息。用细光束照射任—点,理所当然,可再现整个物体的三维立体像。由全息照相成像理论可知,实像是膺像,膺像和原物的关系如同镜像对称关系。如果被拍物体是正立的,则再现实像也是正立的,并且在某—位置最清晰。要观察真正的实像,应迎着衍射光,往实像位置观察,看起来较为不便。而用屏观察,是将一空间立体像在一平面上呈现,不能同时看到清晰的全貌,但容易看。由于是细光束再现,再现虚像有衍射光,可形成倒立的“伪实像”,此“像”无最清晰的位置。“伪实像”是指它貌似实像,事实上不是真正的像。因为由成像理论可知,像点和物点应是一一对应的,且均是同心光束。关于这些问题的理解。可结合实验报告做些讨论,由于篇幅所限,只能简要提示。 四 全息照相的应用 几十年来,全息技术发展极为迅速,现已涉及国民经济的各个领域。光学计算、光互连和信息存储是当前光学研究的前沿课题,全息技术也在发挥相当的作用。下面简要介绍几个和要方面的应用。 1.全息干涉计量技术 由于全息照相不但可以单次记录和再现一个物体物光波的波前,还可以在同一张干板上先后记录物体变化前后的两个不同物光波的波前,而同时再现的两个物光波波前,由于干涉而形成干涉条纹,这些干涉条纹和物体变化的信息—一对应,从而形成一种由干涉条纹反过来研究物体变化的全息干涉计量技术。这种技术由于是非接触测量,又是以波长为单位的精密测量,比常规的干涉计量要优越;对被测物和光学元件加工质量要求低;可比较物体变化前后的不同,因此,为实时检测、无损检测带来很大的方便,从而在工业和科研方面得到广泛的应用。 常用方法有:两次曝光法、时间平均法和实时法。动态测量可用脉冲全息干涉技术。 全息干涉计量技术可测量各种振动物体(如:叶片、扬声器、膜片,各种机械及零件)的振型;测量各种热源的温度场、气体的密度场;无损检测轮胎、飞机机翼中蜂窝结构,导弹火药柱外覆层,压力容器外壳,航空雷达罩胶结质量,检查复命材料表层结构,电铸件表层质量和印刷线路板焊点质量的好坏;可对材料的泊松比、弹性模量、悬臂梁挠度和材料表面质量进行测量;可用全息光弹性方法对模型试件的应力进行分析等。 2.全息显示技术 全息照相的最主要优点是能栩栩如生地再现三维物体像,这对传统的照相技术是—大突破,倍受人们青睐,在各种展览会、商品广告宣传中得到应用。但通常全息图的再现必须在暗室中用相干光按一定方式再现,且再现的物体是单色的,失去原来物体彩色面貌;同时一般只能再现静止三维像,没有动感;另外,全息图的拍摄也很费工费料。针对上述不足之 处,人们又不断进行新的追求。例如,为了改变用相干光源再现带来的不便,人们对拍摄技术进行改进,实现了用白光再现的像面全息、彩虹全息;为了使全息图能再现物体的运功,又相近于电影原理,把一幅幅静止画面用全息方法记录在宽度很窄的条形范围内,这样描述 个运动状态的—千幅电影胶卷画面,按条状方式被连续记录在一整块全息胶片上,通过白光再现,人眼就能看到物体的三维运动像;在开拓防伪制品的研究中,为了改变全息图的手工操作,实现机械化生产,提高生产效益,模压全息技术又迅速发展起来,两维、三维全息防伪制品由于现代化生产,价格大大降低;为了获得物体再现的真实色彩,而不是彩虹息的假色彩,用2~3种不同波长的激光器和采用对相应波长都能很好感光的记录材料,人们又拍出了真彩色全息图;具有三维立体显示,且连续动态的全息电影自70年代以来,好些国家都已积极开展研究,全息显示技术正以它独特的艺术魅力不断深入发展,得到广泛的应用。 3.全息存储、全息光学元件和光互连 传统的全息存储一般分两步进行:首先是把很多张大面积两维分布的文字图形信息,用缩微摄影方法一幅幅记录在胶片上,然后把每—幅缩微资料通过傅里叶变换全息变换在直径约1mm的圆面上,并用细光束激光干涉记录下来,这样在15cm×5cm的干版上可记录上千幅图像文字资料。再现时,只要用细光束激光按一定方向照射每一记录斑点,即可立刻投射出两维的大面积文字资料信息,因此全息存储有大容量、高密度、保密性好,可靠性高,能两维平行处理信息,比电子学方法有更快的记录和再现速度等优点。随着人们对电子计算机愈来愈高的要求,全息存储技术又展现了美好的前景,因为信息不但可以大容量、高密度存储在记录介质的同—平面内,也可在记录材料内分层立体记录,这样信息容量有望可大幅度提高。随着人们对存储材料和相关元器件的研究开,光学体全息数据存储技术将在大容量记录数据存储及高速信息传输和处理领域发挥重要作用。 全息光学元件是用全息照相方法制作的光学元件,如全息透镜、全息光栅等,它们可作为分光、准直、成像元件使用。作用机理是物理光学中光的干涉和衍射,不同于常用光学元件是基于光的折射、反射的几何光学原理。常用的光学元件是玻璃制品,加工不方便,价格高且笨重,而全息光学元件制作容易,成本低,重量轻,某些光学特性也是常规光学元件达不到的,因此全息光栅和全息透镜得到愈来愈广泛的应用。一种全息平视显示器在飞机上得到应用。它只允许某一波长的光波强烈反射,而其他波长的光被透过,将它安装在飞行员前窗适当位置,可使飞行员既看到前方目标,又可同时监视各个仪表盘的示数,而不必改变视线,保证安全、舒适地操纵飞机。 互连是指电子计算机中各处理器之间、各芯片之间,各芯片逻辑门之间的相互连接,也称互连通信。计算机各部分之间,人脑各区域之间,正是靠复杂的互相连接才能形成一个整体,对各种信息进行快速处理。 电子计算机要进一步提高运行速度和信息存储容量,目前受制于越来越大的互连数,用电子学方法已无力解决。由于光的传输有高度平行性,可达到极高的密集程度而不受空间尺寸限制;具有极强的抗电磁干扰能力;传播速度之快使传播距离长短的差异几乎可以忽略;光学器件功耗低,带宽大,能实现动态互连,因此光互连已逐渐发展成一门]新学科,在电子计算机的进一步发展中,在光学神经网络和光计算的研究中,全息存储和全息元件将起十分重要的作用。如多焦点全息透镜能使光源发出的信号,快速同时达到各接收点,实现低损耗的光互连。 实验步骤 1.熟悉实验环境 ⑴ 了解防震台的结构 ⑵ 了解光源及所用光路元件的性能和调节方法 ⑶ 了解干版的装夹方法 ⑷ 冲洗设备的位置 2.调整光路 ⑴ 按图MP-4-1布置拍摄光路。 ⑵ 调节各元件等高,并使激光束与台面平行,拿去扩束镜、,打开激光器调好光路,使物光和参考光的光程约为,干版架和物体间距在。 ⑶ 调节屏的方位及光路方向,使物光光束、参考光光束(投射到干版中心线)的夹角约为之间,再调节各元件位置和方向,使物光、参考光光程大致相等(光程差小于)。 ⑷ 调节反射镜的倾角(微调时可分别调节上下螺丝),使物光光束(用强光点)照在物的中间位置。调节反射镜的倾角(微调上边螺丝可使光点上下移动,调节下边螺丝可使光点左右移动),使参考光照在干版夹上的白屏中间。 ⑸ 放上扩束镜,调节其上下、左右、前后位置,使光团均匀照射在被照物体,物体反射光最强部分照射在白屏上。把扩束镜放上,调节其上下、左右、前后位置,使光团均匀照在白屏。轮换挡住物光、参考光,分别目测白屏上两光的光强,调节扩束镜(、)远近,使白屏上物光和参考光的光强比为之间。 3.拍摄和干版的冲洗处理 ⑴ 光路布置好后,把所有的元件底座固定(把底座开关转向ON位置),关闭所有的光源,将干版从暗盒取出来,将干版的药面朝向物体,取下夹上的白屏,换上干版,稳定1分钟后,开启光源,对干版进行曝光,曝光时间约为秒,再关闭光源。[ 注意:曝光时要绝对保持安静和稳定,不要讲话,不要走动,背向台面,不要碰台面,以免拍摄失败 ]。 ⑵ 曝光后,取下干版,用黑纸把干版包住并放入暗盒,进入暗室,在暗室中进行显影、停影、定影及冷风干燥等过程。 显影:用D—76显影液。 温度() 显影时间:(约秒) [ 显影时将曝光后的干版均匀地浸入显影液中,药膜面朝上,并不停地搅拌显影液,可在弱绿光下观看是否显影充分 ] 停影:用清水冲洗干版 定影:用酸性定影液,定影时间分钟 [ 药膜面朝上,定影时也要不停地搅拌定影液 ] 用清水冲干 冷风干燥,此时的干版就是全息图。 4.再现虚像和实像的观察及讨论 取下物体及、,把拍摄好的干版装在原干版架上观察虚像和实像。 ⑴眼睛迎着原物光波方向(即级衍射方向),就可看到原物体处有被拍物体逼真的立体虚像。仔细观察虚像,当改变角度时虚像有什么不同,由此可得到什么结论? ⑵用白屏挡住一部分全息图,你看到的是再现像的全部还是局部?改变挡住的面积,看到的虚像有何不同?为什么? ⑶平移全息底片,使其向光源靠近或远离,观察像有什么变化? ⑷将拍好的全息照片放在日光灯(或阳光)下观察再现结果,在实验报告中给予讨论。 ⑸分析拍摄成功或失败的原因。 5.实验结束后,整理好仪器,保持整洁。 数据记录及讨论要求 激光器种类: He-Ne激光器GY-11 波长: 防震台:WSZ-1型 物光、参考光光程: 物光与参考光的中心线夹角: 条纹间距: 物光与参考光在全息干版上的照度比: 拍摄对象: 曝光时间: 显影液种类:D—76显影液 显影液温度: 显影时间: 定影液种类:酸性定影液 定影液温度: 定影时间: 思考题 1.全息照相有什么特点? 2.为了拍好一张好的全息照片,实验中应注意哪些问题? 3.如果一张好的全息干版部分被损坏,还能使用吗?为什么? 4.全息照片上干涉条纹的间距由什么决定?条纹的明暗(即反差)由什么决定?条纹的形状间隔和走向反映了什么? 注意事项 激光器工作于直流高压状态,人体不要触及高压部位,不要直视激光束。 有关仪器按要求操作,不能用手触摸各光学元件表面。 光路调节时,白屏处的参考光光场处不要出现干涉条纹。 1

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