第二节 全息照相的一般原理

一、光的干涉现象

　　上面我们已谈到全息照相是利用光的干涉原理把物体的信息记录下来的。而光的干涉现象可通过以下实验加以说明，如图5－1所示。



图5－1 光的干涉现象

　　当用一单色光点光源同时照明彼此相距很小的两小孔S₁和S₂时，在相距小孔一定距离r处的接收屏M上可观察到明暗相间的条纹。如果我们把S₁、S₂看作两个单独的光源，那么由于它们来自同一光源S，所以它们是振动方向相同、频率相同的两列单色光源，我们把这种两列或两列以上光波在叠加区出现强度极大和极小、稳定分布的现象称为光的干涉。所以，所谓光的干涉，就是两束频率相同、在相遇点有相同的振动方向和固定的位相差的相干光波交叠在一起时，在它们的交叠区域，各点的光强度与各光波单独存在时的光强度之和不一致，出现有些地方的光强度近于零，而另一些地方的光强度则较各光波单独存在时的光强度之和大得多的、因波的叠加而引起的光强度重新分布的现象。产生干涉现象的两列光波称为相干光波。产生相干波的光源称为相干光源。激光是相干性好的光源，而白炽灯、溴钨灯及脉氙灯等均为非相干光源。

二、全息照相原理与分类

　　（一）全息照相原理

　　一般地说，当两束相干光的位相相同时，合成光源的振动（相应的光强）就增强，反之，光波的振动就减弱。而光的位相是随位置变化的，因此，光波的振动增强和减弱也随位置而变化。这样，在两束光的交叠处就产生强弱相间的干涉条纹。条纹的分布情况反映了合成光波的位相在不同位置的变化情况。因此，利用两束光的干涉所产生的干涉条纹可以有效地把位相的变化情况记录下来，全息摄影就是利用光的干涉把景物散射光波以干涉条纹的形式记录在感光胶片（或干版）上。就是说，全息摄影可以把光波的振幅和位相都记录在感光片（或干版）上。就是说，全息摄影可以把光波的振幅和位相都记录在感光片（或干版）上，即把物体的全部信息都记录下来，因而具有获得立体图像的许多优点。

　　全息照相分为两步。第一步利用干涉法拍摄全息图（全息照片），如图5－2（a）所示。从激光器发出的相干光束，被分束镜分成两束光，一束光照明到被摄物体，从物体上反射或散射的物光射到感光胶片上。另一部分光束投射到反射镜，被反射的光波直接照射到感光胶片上，这束光称为参考光。物光与参考光在胶片上迭加干涉，产生的干涉图样即记录了物体振幅和位相的全部信息。这张具有干涉图样的胶片经过适当曝光与冲洗处理后，就是一张全息图（全息照片）。这一拍摄过程就是一个记录或储存信息（或波前）的过程。

　　第二步是利用衍射原理进行物体的再现（重现）。由于全息照片记录的是两相干光相互干涉的结果，因此，与原来的被摄物体毫无相似之处。然而，当把全息图放回原处，用相干参考光（此时称为再现光束）照明全息图时，如图5－2（b）所示，这张具有干涉图样的全息图宛如一块复杂的光栅将发生衍射，在这些衍射光波中包含着原来的物光波，观察者迎着物光波方向即可观察到一个逼真的、立体感很强的物体再现像。这是一个物光波前再现亦即成像的过程。不过，如果再现光束和原来的参考光束同向，得到的物像是虚像。如果用原相干光反向照射全息图，则得到的物像是实像。如果不用激光而用白光去照射，由于白光是由多种波长的光混合而成的，全息照片上的干涉条纹，就要同时对各种波长的光发生衍射。因而，全息照片上会出现很多重叠错位的像，使人无法看清楚。当然，如果我们在全息图的拍摄过程中采用诸如彩虹全息和反射式傅立叶变换全息等记录技术，则可以获得白光照明再现原物像的白光全息。



图5－2 全息记录与再现原理

（a）全息图的记录光路 （b）全息图的再现光路与像

　　（二）全息照相的分类

　　全息图的类型可从不同观点来分类，下面根据其主要特征加以说明：

　　1．按制作全息图的方法分类

　　目前制作全息图的方法有两种：光学记录全息图和计算机制作全息图。

　　光学记录全息图采用在感光材料上记录参、物光波的干涉条纹的方法。计算机制作全息图是先用计算机计算出在全息图上抽样点的参考光和物光叠加后的复振幅，然后采用一种编码技术，用计算机绘图仪绘制放大的全息图，再用精密相机缩小到应有的尺寸。这种全息图在制作时较为复杂，但可以制作出实际上不存在的假想物体的全息图，并通过再现的方式显示出设想的物体来。例如可用计算机设计制作出某种汽车的全息图，再现该汽车的三维像。

　　2．按照全息图复振幅透过率系数（或反射系数）分类

　　如果全息图的振幅透射系数是一个实函数，即T＝（X，Y），则称这种全息图为振幅型全息图；如果全息图的振幅透射系数是一个复数，即T＝

　　，则称这种全息为混合全息；如果全息图的振幅透射系数仅是位相因子

　　的函数，则称其为位相全息图。

　　实际记录材料有振幅型、位相型和混合型三种。位相型记录材料又分为浮雕型和折射型。如果记录介质在曝光和处理以后厚度改变，折射率不变，它被称为浮雕型；反之，如记录材料的厚度不变，折射率改变，则称它为折射型。

　　用全息干版制作的全息图，在显影处理以后是振幅全息图；如果经过漂白处理以后则变为位相全息图或混合型的全息图。

　　3．按全息图的结构分类

　　全息图中干涉条纹的结构与参考光的方向和波形密切相关。以平面参考和物波为例，如图5－3所示，物光波和参考波自记录介质的一侧入射，这样记录的全息图称为透射全息图，此时记录介质中的条纹面接近垂直于表面。当物光波和参考光波自两侧入射到记录介质上时，如图5－4所示，在记录介质中条纹面平行于表面，这样记录的全息图称为反射全息图。反射全息图需要用较厚的记录介质才能记录下多层条纹面。



图5－3 透射全息的结构



图5－4 反射全息图的结构

　　4．按参考光波和物光波主线的方向来分类

　　按照参、物光波主光线的方向又有同轴和离轴全息图之分。同轴全息图在记录时物体中心和参考光源位于通过全息图中心的同一条直线上[见图5－5（a,b）]，以球面波型参、物波为例，设物体为一点光源，参考光波是球面波，其同轴全息图的干涉条纹是一组同心圆环或椭图。离轴透射全息图在记录时，物体和参考光与全息图中心不在同一条直线上[见图5－5(c)]，它的条纹形状为回转圆锥面线的一部分。



图5－5 三种全息图的记录光路

(a)同轴，光轴垂直于全息图 (b)同轴，光轴不与全息图垂直 (c)主轴全息

　　5．按物体与感光材料（胶片或干版）、傅立叶透镜间的位置关系分类

　　全息图以可分为夫琅和费全卢图和菲涅耳全息图。设物面上的坐标为（x₂,y₂），物面与全息图的距离为，则满足条件：x²₀+y²₀/2z₀《λ的为夫琅和费全息如图5－6所示；而如果满足条件为：[(x/x₀)²+(y-y₀)²]²《λ的则为菲涅耳全息，如图5－2所示。



图5－6 夫琅和费衍射

　　此外根据有无透镜及物体与感光材料（胶片或干版）、傅立叶透镜的位置关系等还可分为傅立叶变换全息图、无透镜傅立叶全息图、像面全息图、二维全息图、三维全息图、二维／三维全息图等。

[时间：2001-08-08  作者：张逸新 唐正宁 钱军  来源：《防伪印刷》·第五章 全息印刷技术]