1、包头师范学院2012 -2013 学年第一学期期末考试课试卷考试科目 光学信息技术原理及应用 成绩 院系物理科学与技术学院专业 物理 级 10 姓名 张艳有 任课教师签名： 院系负责人签名： 全息摄影的介绍及其应用前景物理科学与技术学院 10 级物理系 1 班 张艳有 1009320036摘要 本文通过对全息摄影的介绍，来展现这种特殊照相技术与其他传统照相方式相比的优势和相关的应用，以及在特殊场合的应用。关键字 全息摄影；激光光源；三维立体一、全息摄影的百科名片全息摄影亦称：“全息照相” ，一种利用波的干涉记录被摄物体反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术。全息摄影是通过一束参考光和
2、被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干涉条纹而成。全息摄影不仅记录被摄物体反射光波的振幅（强度） ，而且还记录反射光波的相对相位。二原理其 第 一 步 是 利 用 干 涉 原 理 记 录 物 体 光 波 信 息 ， 此 即 拍 摄 过 程 ： 被 摄 物 体在 激 光 辐 照 下 形 成 漫 射 式 的 物 光 束 ； 另 一 部 分 激 光 作 为 参 考 光 束 射 到 全 息 底片 上 ， 和 物 光 束 叠 加 产 生 干 涉 ， 把 物 体 光 波 上 各 点 的 位 相 和 振 幅 转 换 成 在 空间 上 变 化 的 强 度 ， 从 而 利 用 干 涉 条 纹 间 的 反 差 和
3、 间 隔 将 物 体 光 波 的 全 部 信 息记 录 下 来 。 记 录 着 干 涉 条 纹 的 底 片 经 过 显 影 、 定 影 等 处 理 程 序 后 ， 便 成 为 一张 全 息 图 ， 或 称 全 息 照 片 ； 其 第 二 步 是 利 用 衍 射 原 理 再 现 物 体 光 波 信 息 ， 这是 成 象 过 程 ： 全 息 图 犹 如 一 个 复 杂 的 光 栅 ， 在 相 干 激 光 照 射 下 ， 一 张 线 性 记录 的 正 弦 型 全 息 图 的 衍 射 光 波 一 般 可 给 出 两 个 象 ， 即 原 始 象 （ 又 称 初 始 象 ）和 共 轭 象 。 再 现 的
4、图 像 立 体 感 强 ， 具 有 真 实 的 视 觉 效 应 。 全 息 图 的 每 一 部 分都 记 录 了 物 体 上 各 点 的 光 信 息 ， 故 原 则 上 它 的 每 一 部 分 都 能 再 现 原 物 的 整 个图 像 ， 通 过 多 次 曝 光 还 可 以 在 同 一 张 底 片 上 记 录 多 个 不 同 的 图 像 ， 而 且 能 互不 干 扰 地 分 别 显 示 出 来 。 全 息 原 理 是 “一 个 系 统 原 则 上 可 以 由 它 的 边 界 上 的 一 些 自 由 度 完 全 描 述 ”， 是 基 于 黑 洞 的 量 子 性 质 提 出 的 一 个 新 的 基
5、 本 原 理 。 其 实 这 个 基 本 原 理 是 联系 量 子 元 和 量 子 位 结 合 的 量 子 论 的 。 其 数 学 证 明 是 ， 时 空 有 多 少 维 ， 就 有 多少 量 子 元 ； 有 多 少 量 子 元 ， 就 有 多 少 量 子 位 。 它 们 一 起 组 成 类 似 矩 阵 的 时 空有 限 集 ， 即 它 们 的 排 列 组 合 集 。 全 息 不 全 ， 是 说 选 排 列 数 ， 选 空 集 与 选 全 排列 ， 有 对 偶 性 。 即 一 定 维 数 时 空 的 全 息 性 完 全 等 价 于 少 一 个 量 子 位 的 排 列 数全 息 性 ； 这 类
6、似 “量 子 避 错 编 码 原 理 ”， 从 根 本 上 解 决 了 量 子 计 算 中 的 编 码错 误 造 成 的 系 统 计 算 误 差 问 题 。 而 时 空 的 量 子 计 算 ， 类 似 生 物 DNA 的 双 螺旋 结 构 的 双 共 轭 编 码 ， 它 是 把 实 与 虚 、 正 与 负 双 共 轭 编 码 组 织 在 一 起 的 量 子计 算 机 。 这 可 叫 做 “生 物 时 空 学 ”， 这 其 中 的 “熵 ”， 也 类 似 “宏 观 的 熵 ”， 不 但 指 混 乱 程 度 ， 也 指 一 个 范 围 。 从 “源 于 生 活 ”来 说 ， 应 该 指 。 因 此
7、 ，所 有 的 位 置 和 时 间 都 是 范 围 。 位 置 “熵 ”为 面 积 “熵 ”， 时 间 “熵 ”为 热力 学 箭 头 “熵 ”。 其 次 ， 类 似 N 数 量 子 元 和 N 数 量 子 位 的 二 元 排 列 ， 与 N数 行 和 N 数 列 的 行 列 式 或 矩 阵 类 似 的 二 元 排 列 ， 其 中 有 一 个 不 相 同 ， 是 行 列式 或 矩 阵 比 N 数 量 子 元 和 N 数 量 子 位 的 二 元 排 列 少 了 一 个 量 子 位 ， 这 是 否 类似 全 息 原 理 ， N 数 量 子 元 和 N 数 量 子 位 的 二 元 排 列 是 一 个
8、可 积 系 统 ， 它 的 任何 动 力 学 都 可 以 用 低 一 个 量 子 位 类 似 N 数 行 和 N 数 列 的 行 列 式 或 矩 阵 的 场论 来 描 述 呢 ？ 数 学 上 也 许 是 可 以 证 明 或 探 究 的 。 1、 反 德 西 特 空 间 ， 即 为 点 、 线 、 面 内 空 间 ， 是 可 积 的 。 因 为 点 、 线 、面 内 空 间 与 点 、 线 、 面 外 空 间 交 接 处 趋 于 “超 零 ”或 “零 点 能 ”零 ， 到 这里 是 一 个 可 积 系 统 ， 它 的 任 何 动 力 学 都 可 以 有 一 个 低 一 维 的 场 论 来 实 现
9、 。 也就 是 说 ， 由 于 反 德 西 特 空 间 的 对 称 性 ， 点 、 线 、 面 内 空 间 场 论 中 的 对 称 性 ，要 大 于 原 来 点 、 线 、 面 外 空 间 的 洛 仑 兹 对 称 性 ， 这 个 比 较 大 一 些 的 对 称 群 叫做 共 形 对 称 群 。 当 然 这 能 通 过 改 变 反 德 西 特 空 间 内 部 的 几 何 来 消 除 这 个 对 称性 ， 从 而 使 得 等 价 的 场 论 没 有 共 形 对 称 性 ， 这 可 叫 新 共 形 共 形 。 如 果 把 马 德西 纳 空 间 看 作 “点 外 空 间 ”， 一 般 “点 外 空 间
10、 ”或 “点 内 空 间 ”也 可 看 作类 似 球 体 空 间 。 反 德 西 特 空 间 ， 即 “点 内 空 间 ”是 场 论 中 的 一 种 特 殊 的 极限 。 “点 内 空 间 ”的 经 典 引 力 与 量 子 涨 落 效 应 ， 其 弦 论 的 计 算 很 复 杂 ， 计 算只 能 在 一 个 极 限 下 作 出 。 例 如 上 面 类 似 反 德 西 特 空 间 的 宇 宙 质 量 轨 道 圆 的 暴涨 速 率 ， 是 光 速 的 8.88 倍 ， 就 是 在 一 个 极 限 下 作 出 的 。 在 这 类 极 限 下 ，“点 内 空 间 ”过 渡 到 一 个 新 的 时 空
11、， 或 叫 做 pp 波 背 景 。 可 精 确 地 计 算 宇 宙弦 的 多 个 态 的 谱 ， 反 映 到 对 偶 的 场 论 中 ， 我 们 可 获 得 物 质 族 质 量 谱 计 算 中 一些 算 子 的 反 常 标 度 指 数 。 2、 这 个 技 巧 是 ， 弦 并 不 是 由 有 限 个 球 量 子 微 单 元 组 成 的 。 要 得 到 通 常意 义 下 的 弦 ， 必 须 取 环 量 子 弦 论 极 限 ， 在 这 个 极 限 下 ， 长 度 不 趋 于 零 ， 每 条由 线 旋 耦 合 成 环 量 子 的 弦 可 分 到 微 单 元 10 的 -33 次 方 厘 米 ， 而
12、 使 微 单 元 的数 目 不 是 趋 于 无 限 大 ， 从 而 使 得 弦 本 身 对 应 的 物 理 量 如 能 量 动 量 是 有 限 的 。在 场 论 的 算 子 构 造 中 ， 如 果 要 得 到 pp 波 背 景 下 的 弦 态 ， 我 们 恰 好 需 要 取 这个 极 限 。 这 样 ， 微 单 元 模 型 是 一 个 普 适 的 构 造 ， 也 清 楚 了 。 在 pp 波 这 个 特殊 的 背 景 之 下 ， 对 应 的 场 论 描 述 也 是 一 个 可 积 系 统 。 三全息摄影和普通摄影的区别和特点1.区别在普通摄影中,照相机拍摄的景物，只记录了景物的反射光的强弱，也
13、就是反射光的振幅信息，而不能记录景物的立体信息。而全息摄影技术，能够记录景物反射光的振幅和相位。在全息影像拍摄时，记录下光波本身以及二束光相对的位相，位相是由实物与参考光线之间位置差异造成的。 从全息照片上的干涉条纹上我们看不到物体的成像，必须使用具有凝聚力的激光来准确瞄准目标照射全息片，从而再现出物光的全部信息。一个叫班顿的人后来又发现了更为简便使用白光还原影像的方法，从而使这项技术逐渐走向实用阶段。2.显著的特点a、 再造出来的立体影像有利于保存珍贵的艺术品资料进行收藏。 b、 拍摄时每一点都记录在全息片的任何一点上，一旦照片损坏也关系不大。 c、 全息照片的景物立体感强，形象逼真，借助激
14、光器可以在各种展览会上进行展示，会得到非常好的效果。四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： 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，所以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。 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
15、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。 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 3060之间，最好在45左右，因为夹角小，干涉条纹就稀，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
16、 11110 之间都可以，光强比用硅光电池测出。 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50100 个条纹，天津感光胶片厂生产的 I 型全息干板，其分辨率可达每毫米3?000 条，能满足全息照相的要求。 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在右进行冲洗，配制一次药液保管得当可使用一个月左右。
17、五 特点和优势其显著的特点和优势有如下几点 1 再造出来的立体影像有利于保存珍贵的艺术品资料进行收藏。 2 拍摄时每一点都记录在全息片的任何一点上，一旦照片损坏也关系不大。 3 全息照片的景物立体感强，形象逼真，借助激光器可以在各种展览会上进行展示，会得到非常好的效果。六 全 息 摄 影 的 日 常 生 活 和 特 殊 场 合 的 应 用在生活中，也常常能看到全息摄影技术的运用。比如，在一些信用卡和纸币上，就有运用了俄国物理学家尤里丹尼苏克在 20 世纪 60 年代发明的全彩全息图像技术制作出的聚酯软胶片上的“彩虹”全息图像。但这些全息图像更多只是作为一种复杂的印刷技术来实现防伪目的，它们的感
18、光度低，色彩也不够逼真，远不到乱真的境界。研究人员还试着使用重铬酸盐胶作为感光乳剂，用来制作全息识别设备。在一些战斗机上配备有此种设备，它们可以使驾驶员将注意力集中在敌人身上。把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来，展出时可以真实地立体再现文物，供参观者欣赏，而原物妥善保存，防失窃，大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照。小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰，它可再现人们喜爱的动物，多彩的花朵与蝴蝶。迅猛发展的模压彩虹全息图，既可成为生动的卡通片、贺卡、立体邮票，也可以作为防伪标识出现在商标、证件卡、银行信用卡，甚至钞票上。装饰在书籍中的全息立体照
19、片，以及礼品包装上闪耀的全息彩虹，使人们体会到 21 世纪印刷技术与包装技术的新飞跃。模压全息标识，由于它的三维层次感，并随观察角度而变化的彩虹效应，以及千变万化的防伪标记，再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合，把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌顶点。 早在激光出现以前，1948 年伽伯为了提高电子显微镜的分辨本领而提出了全息的概念，并开始全息照相的研究工作。1960 年以后出现了激光，为全息照相提供了一个高亮度高度相干的光源，从此以后全息照相技术进入一个崭新的阶段。相继出现了多种全息的方法，不断开辟全息应用的新领域。伽伯也因全息照相的研究获得 1971 年的诺贝尔物理学奖金。 最早的全息摄影作品转机出现在一位美国合伙人的加入之后。他所拥有的机器能将“终极”母版上的全息图像复制到杜邦公司制造的某种聚合体材料上。尽管这些图像还达不到“终极”胶片上的图像水准，但却远比从前的聚合体材料上的全息图像好多了。伴随着这种杜邦材料上的全息图像的大规模生产，使用“终极”胶片的工业化生产也是指日可待。参考文献和相关网址1http:/ http:/ http:/ http:/
