激光全息照相技术及其应用前景

激光全息照相技术及其应用前景激光全息照相技术及其应用前景 摘摘 要要 简述了激光全息照相的技术 总结出拍摄激光全息照片的条件 指出了激光 全息照相的注意事项 并给出了激光全息照相的应用前景 关键词关键词 激光全息照相 记录 再现 干涉 光栅 衍射 1 引言引言 激光全息照相是利用激光的相干性原理 将物体对光的振幅和位相反射 或透 射 情况同时记录在感光板上 也就是把物光的所有信息全部记录下来 形成三维 空间的立体图像 这种照相技术与常规的照相方法相比有独特的优点 它对疑 难痕迹物证的检验 特别是无反差痕迹的检验 保留痕迹物证的检验具有重要的 推广使用价值 在全息照相中 感光片记录的不是图像 而是光波 2 激光全息照相的理论分析激光全息照相的理论分析 2 1 全息照相的记录全息照相的记录 如图1所示 是漫反射全息照相拍摄 记录 的光路 分束镜将激光光束分成两 束 一束激光经平面镜 扩束镜照射到被摄的物体上 经物体的漫反射 照 1 M 1 L 射到全息干板E上 称为物光 另一束激平面镜 扩束镜直接照射到全息 0U 2 M 2 L 干板E上 称为参考光 两束光将在全息干板上产生干涉 形成干涉条纹 RU 图图1 全息照相的记录光路全息照相的记录光路 设物光波 1 0 0 0 ix y Ux yA x ye 参考光波 2 0 ix y R r Ux yA x ye 式中 分别为物光波参考光波的振幅和初相位 当两光波发生干涉 o A r A o 其合成光波为 3 oRU x yUx yUx y 合成光强为 I x yU x y U x y oRoRUx yUx yUx yUx y 4 22 oo ii ororor Ax yAx yA A eA A e 式中各项的物理意义 第一项为物光波的光强分布 第二项 2 o Ax y 为参考光波光强分布 第三项 第四项是交叉项 由物光波和参考光波干 2 r Ax y 涉产生 记录下来之后 形成了干涉图像 光栅 它包含有物光波的振幅和相 位信息 2 2 物光波的再现物光波的再现 记录有物光波全部信息的干板经显影 定影即成为一张全息图片 将其放 回拍摄时的原光路图中 仅用参考光将其照明就可以观察到物像的再现 图图2 全息干板的曝光特性曲线全息干板的曝光特性曲线 图2 是全息干板的曝光特性曲线 曲线上的a b段为线性工作区 我们在记 录拍摄全息图片时可以适当控制干板的曝光量和显影的时间 使得显影后的全息 图振幅的透过率与曝光量成线性关系 即透过率 5 oo ttHtTI 式中 为未曝光干板的振幅透过率 和T分别为全息干板感光度和曝光时 o t 间 I为物光波和参考光波的合光强 用原参考光照射全息图时 经过全息图的衍 射后的透射光波为 22 o oo itTI R r iii roororor U x yUtA e A etT AAA A eA A e 6 2 2222 oo iiii orrorroro tTAA eTA A eTA A eTA A e 由 6 式中可以看出透过全息图片的光波由四项内容组成 第一项 是沿再现光方向上的透射光 振幅是再现光的 2 i orr tTAA e 倍 这是零级衍射光 2 or tTA 第二项 也是沿再现光方向上的透射光 由于A0 不是常数使得项 2i or TA A e 透射光有一定的扩散 但由于一般较小很多 因此这项可以忽略 o A r A 第三项 是沿原物光波方向的透射光 也就是原来物光波的波前 2 o i ro TA A e 再现光 我们沿着此项光波方向观察 感觉到好像在原物处 原物已取走 依然有 一个与原物完全一样的三维物体存在 这是一个没有畸变 放大率为1的一个虚像 若再现不是原来的参考光 此项光波产生的像有畸变 大小也会有变化 从衍 射的角度来看是 1级的衍射光 第四项 式中是物光波的共轭光波 它 2 2 o i ro TA A e 22 o ii ro TA eA e o i o A e 表示的是与原物光传播方向相反的光 是一束会聚光 在全息图前可观察到实象 的作用是使共轭物光波偏离原方向2 角 是物光与参考之间的夹 22i r A e o i o A e 角 所以此光波在偏离原物光2 角方向上形成一个实像 图图3 观察虚像观察虚像 全息图的观察方法如图3 所示 原物虚像的观察比较简单 只要将处理后的全 息图放在原处用参考光波 照明 沿着原物光波的方向观察即可以看到原物的 RU 虚像 若想得到一个没有畸变的实像则用原参考光的共轭光波 来照明全息图 然 RU 后用一块毛玻璃在如图4所示被摄物处移动可接收到实像 3 激光全息照相的拍摄要求激光全息照相的拍摄要求 为了拍出一张满意的全息照片 拍摄系统必须具备以下要求 3 1 光源必须是相干光源光源必须是相干光源 通过前面分析知道 全息照相是根据光的干涉原理 因此要求光源必须具有很 好的相干性 激光的出现 为全息照相提供了一个理想的光源 这是因为激光具 有很好的空间相干性和时间相干性 实验中采用He Ne激光器 用其拍摄较小的 漫散物体 可获得良好的全息图 图图4 观察实象观察实象 3 2 全息照相系统要具有稳定性全息照相系统要具有稳定性 由于全息底片上记录的是干涉条纹 而且是又细又密的干涉条纹 所以在照相 过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊 甚至使干涉条纹无法记录 比如 拍 摄过程中若底片位移一个微米 则条纹就分辨不清 为此 要求全息实验台是防震 的 全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上 另外 气流通过光路 声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化 因此 在曝 光时应该禁止大声喧哗 不能随意走动 保证整个实验室绝对安静 我们的经验是 各 组都调好光路后 同学们离开实验台 稳定一分钟后 再在同一时间内爆光 得到较 好的效果 3 3 物光与参考光应满足物光与参考光应满足 物光和参考光的光程差应尽量小 两束光的光程相等最好 最多不能超过2cm 调光路时用细绳量好 两束光之间的夹角要在30 60 之间 最好在45 左右 因为夹角小 干涉条纹就稀疏 这样对系统的稳定性和感光材料分辨率的要求较低 两 束光的光强比要适当 一般要求在1 1 1 10 之间都可以 光强比用硅光电池测 出 3 4 使用高分辨率的全息底片使用高分辨率的全息底片 因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹 所以需要高分辨率的感 光材料 普通照相用的感光底片由于银化物的颗粒较粗 每毫米只能记录 50 100个条纹 激光全息干板其分辨率可达每毫米3000条 能满足全息照相的要 求 3 3 5 5 全息照片的冲洗过程全息照片的冲洗过程 冲洗过程也是很关键的 我们按照配方要求配药 配出显影液 停影液 定 影液和漂白液 上述几种药方都要求用蒸馏水配制 但实验证明 用纯净的自来水 配制 也能获得成功 冲洗过程要在暗室进行 药液千万不能见光 保持在室温 20 左右进行冲洗 配制一次药液保管得当可使用1个月左右 4 4 激光全息照相的应用前景激光全息照相的应用前景 全息照相是一种不用普通光学成像系统的录像方法 是20世纪60年代发展起 来的一种立体摄影和波阵面再现的新技术 由于全息照相能够把物体表面发出 的全部信息 即光波的振幅和相位 记录下来 并能完全再现被摄物体光波的全部 信息 因此 全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用 1 常规的照相技术只能记录物体对光振幅反射或透射能力所形成的亮度分 布 不能记录物体间对光位相的反射或透射情况 因此无振幅反差的痕迹检验 特 别是物体间位相差所形成的亮度分布 常规照相技术无法检验 而全息照相既能记 录物体间对光振幅反射或透射的亮度分布情况 又能记录物体间对光位相反射或 透射的亮度分布情况 能有力地揭露肉眼观察不到的由位相差变化而显示的犯罪 细节 2 常规照相只能表现物体的二维空间 三维空间的现场情况必须通过多组不 同角度拍摄互相进行补充 比较繁琐 全息照相却能反映三维空间的景物分布 立 体感强 层次分明 全方位表现现场的景物分布 3 指纹识别 全息照相是快速 准确识别指纹特征的最有效的方法 它利 用相关匹配滤波片把指纹信息转换成光强变化 被检指纹若与指纹库中某一指 纹完全一致 则产生最大光强 若不一致 则挡去一部分光而减弱光强 全息照相 系统与电子计算机处理系统相比 有以下优点 a无需事先画出指纹的视频波 b允 许多个库存指纹和潜指纹同时进行比较 c以较简单的光学装置代替复杂的数学 运算过程 利用指纹识别的原理还可以制造一种全息指纹锁 具体制作过程如 下 先将进入人员的纹指拍成全息片存入指纹存贮器中 当人员进入时 只要把手 指按在开锁装置的压板上 电脑会自动校对指纹 指纹对上门就打开 如果是陌生 人的指纹 则指纹与全息片上的图像有区别 锁非但不会打开 相反会发出警报 这种全息锁既安全又不存在丢失钥匙的危险 非常适合机要部门使用 4 常规照相对物证的保密性较差 拍出的底片在可见光下是可以判读的 而 全息底片必须通过相干光源 在特殊的光路下才能观察到底片的内容 因此 全息 底片具有良好的保密性能 5 常规照相底片如果破损 如撕破 断开 就无法进行补救 而全息底板即使 破损 分开的底板仍包含全部信息 发布通辑令 就可以将已照好的全息底板分成 多块 在各地同时发出 缩短寄送时间 加快通辑令的迅速传播 6 常规显微照相 为了提高显微镜的分辨本领 镜头的数值孔径尽量大一些 结果高分辨显微镜的景 深必然很小 所以只能看到几乎是一个平面上的物 想看一个三维物体就要多次调 焦 而全息显微镜对立体物做出全息图 然后通过全息图显现物的三维像 解决了 一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾 此外 光学显微镜都是由许多光学原件 主 要是透镜组成 它存在像差 衍射极限 使得光学显微镜的分辨本领不能达到很高 根据全息照相的原理 在记录物体和显示物体影像时 可以不采用透镜 避免了像 差影响而达到很小的衍射极限 全息照相的视野只与记录材料的分辨本领和尺 寸有关 因而可以获得更大的视野 如果在拍摄和显示时 采用不同波长的激光器 可 以实现图像放大 由于波长的不同 衍射角不同 这等于将全息图作了相应调整 例如 若用电子束或X射线来拍摄全息片 然后用波长较长的可见光来显示 就相当于使 原来很小的物体像变成视角很大的图像 因此可以获得很大的放大率 这使得全 息显微照相可以大大提高分辨本领和像的质量 7 信息贮存 一般全息图的记 录介质是感光乳剂 它通过受光乳剂的黑度来记录振幅分布 同样也可以用铌酸锂 单晶来记录 在1 大小的这种单晶内 可以贮存1000幅全息图 这 3ib L N O