1、综合性实验项目：激光全息照相实验指导书项目负责人： 实验四、激光全息照相实验学时：4实验类型：综合性实验所属课程名称：信息光学实验指导书名称：光学信息处理实验相关理论课程名称：信息光学、光学、数字图像处理（一）教学目的与要求1. 目的：（1）了解全息照相的发展过程及应用，比较全息照相与普通照相的区别。（2）理解全息照相的原理及特点。（3）掌握高对比度、高信噪比全息图的记录方法。（4）学会利用 Matlab 软件编写无透镜傅里叶数字全息图的强度再现方法。（5）进一步熟悉光路的调整方法。2. 要求：（1）实验过程中不允许碰光学隔振平台；（2）不允许用手触摸光学元件表面；（3）实验中不允许大声说话和
2、走动；（4）认真撰写实验报告并回答相关问题；（5）实验完毕关掉光源、计算机，并及时在实验记录本上签字，拖地后再离开。（二）实验安排1. 课前预习：（1）全息照相原理及方法。（2）菲涅耳衍射公式。（3）无透镜傅里叶变换全息的记录光路。（4）初步学习 Matlab 软件基础知识。2. 实验过程：（1）教师提问问题（全息的含义、全息照相的原理及关键技术） ，检查学生预习情况。（2）教师强调讲解：a) 全息照相原理、高质量全息图的记录条件及方法、无透镜傅里叶变换全息的优点及光路调节要求。b) 无透镜傅里叶变换数字全息的再现方法及 Matlab 编程。（3）教师进行光路调节演示及数值再现演示。（4）学生
3、实验，教师现场指导。3. 实验后：（1）实验器材规整、签字。（2）打扫卫生。（3）撰写实验报告。（三）实验教学内容1. 全息照相的原理和方法（1）前言全息照相的基本原理是以光波的干涉和衍射为基础的，1948 年物理学家伽伯 (D1Gabor)首先提出一种无透镜两步成像法，称做波前再现或全息术，1964 年利思(Lefth)等成功地获得三维图象的全息照片。1960 年激光器的问世促进了全息术的发展，成为科学技术上一个崭新的领域。激光全息摄影技术正飞速发展，并在干涉计量学、无损检测、信息处理、遥感技术、生物医学、国防工程等科技领域获得广泛的应用，有着广阔的发展前景。目前全息技术的应用已涉及到各个领
4、域：军事上模拟真实目标，进行驾驶训练；艺术上可以复制历史文物，制作全息首饰、全息肖像、全息风景；工业上制作防伪商标；科学上用于全息干涉计量、测量诊断技术等。全息图记录了物光波的全部信息，再现时可看到一个逼真的三维图象，立体感强。全息图上的每一点都携带有被摄物的全部信息，全息摄影图具有可分割性，分割后的每一小块干板都可再现完整的物体象。一张全息干板可重叠摄制多个全息图。（2）原理人眼视物的简单机理光是电磁波，在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度 E0。一列单色光波可表示为 E = E0cos(t-2r+0)物体上的每一点都向空间各个方向发出光波:透射波、反射波、散射波等，统称为物波。物波携
5、带着物体的信息，如颜色、明暗、凹凸等。这些信息在物波的函数中用频率 f (= 2f)、振幅 E0、相位(t-2+0)表示。人眼之所以能看到物体，是因为人眼接受到物体各部分所发出的物波。物波所能到达的任一点，都包含有物体上各部分所有的信息，所以尽管眼睛的瞳孔直径很小，却仍能观察到物体的全貌。如果能将物波保存下来，即使物体不存在了，只要物波还在，人们仍能看到物体。用照相的办法就可以保存物波。但普通照相只能存储物波中振幅的信息，丢失了相位的信息。全息照相则能把物波的全部信息存储起来。普通照相及其缺陷光可以引起照相底片(感光材料)上乳胶层的化学变化，而且这化学变化的深度随入射光的强度增大而增大。因而照
6、相底片可以“感受”(记录)光强的分布，不同的光强在底片上反映为不同的浓淡；但是底片不能“感受”相位的分布，不同的相位在底片上并无区别。基于几何光学成像原理的普通照相，是通过照相机镜头使物体成像于底片上，底片只记录了光强(振幅)分布，反映了物体各部分的明暗。而对相位的差别则不能分辨，也就无法反映物体表面的凹凸和距底片的远近，从而失去了立体感。全息照相的物理思想普通照相所不能记录的相位分布在全息照相中是如何被记录的？它的创造性的思想就是：把感光材料所不能“感受”的相位分布，利用光的干涉现象，使之转化为底片能记录的光强分布。具体地说，把来自物体的光波称为物光(O 光)，再引入一束与之相干的参考光(R
7、 光)，让参考光和物光同时照在底片上。在底片上的各点处，R 光相位都相同，而 O 光的相位不相同，从而 O 光与 R 光在各处的相位差也不同，经干涉后各处的条纹亮暗程度就不同。这样底片就可以在记录下物光振幅分布的同时，也记录下了其相位分布，即记录下了物光的全部信息，这就是全息照相的重要物理思想。本实验就是从实践上实现这一物理思想的。全息照相的实验过程：记录和再现全息照相的记录光的干涉激光束照射物体产生物光束，另一束激光作为参考光束，使两束光在空间相遇，从而发生干涉，感光材料置于其中某一平面处，记录下该平面处的干涉条纹，即全息图。 (1)220(,)IxyurRuru其中 、 分别为物光波和参考
8、光波在全息图平面的复振幅分布。式（1）(,)uxy,r中第一、二项为 0 级衍射项，第三项为原始像（即+1 级像） ，第四项为共轭像（即-1级像） 。全息照相的再现光的衍射由于全息干版上记录的并不是物体的几何图样，因而直接观察只能看到许多明暗不同的条纹、小环和斑点等干涉图样，要看到原来物体的像，必须使全息图再现原来物体发出的光波，这个过程就称全息图的再现过程，它所利用的是光栅衍射原理。再现过程的观察光路如图 1 所示，一束从特定方向或与原来参考光方向相同的激光束(通常称为再现光) 照射全息图，全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅，按光栅衍射原图 1 全息图的再现理，再现光将发生衍射，其+
9、1 级衍射光是发散光，与物体在原来位置时发出的光波完全一样，将形成一个虚像，与原物体完全相同，称为真像；-1 级衍射光是会聚光，将形成一个共轭实像；称为膺像。当沿着衍射方向透过全息图朝原来被摄物的方位观察时，就可以看到那个逼真的三维立体图像(虚像)。当用原始参考光再现时，全息图平面的光波场复振幅分布为：（2）20()rIRurru利用衍射公式对上式进行衍射积分计算即可获得物体的像光场分布，从而获得强度和位相再现像。2. 实验器材：高精度隔振平台、He-Ne 激光器、CCD 、提升器、分束器、半波片、衰减器、扩束准直滤波系统、显微物镜、反射镜、各种底座、支架、计算机等。3. 实验步骤（1）调整光
10、路：按图 2 所示光路布置各光学元件，调节时要注意：图 2 无透镜傅里叶变换数字全息记录光路示意图调整光学元件支架，使光路中各光学元件的光学中心共轴。沿光路前后移动扩束镜的位置，使扩束后的光均匀照亮被摄物体和全息干版，光斑不能太大，以免浪费能量。物光和参考光的光程差要尽量小，一般常使两者光程大致相等。物光和参考光束间的夹角在 23之间为宜。物光和参考光的光强比要合适，一般取 1：2 到 1：5。杂散光要尽可能减弱：可采取遮挡的方法。无透镜傅里叶变换全息记录光路的调节要点：参考点源尽可能与物体在同一平面 内，并使得其与物平面中心连线与水平方向成 45角，且离开物平面中心的距离要适当（通过全息图频
11、谱可以判断） 。（2）全息图的拍摄：光路调好后，选择适当的曝光时间进行曝光；拍摄期间不能触碰隔振平台，且不要说话、不要走动，并尽量屏住呼吸；观察所拍摄的全息图，若黑白对比度明显，说明全息图信噪比较高；将拍好的全息图存入计算机。（3）全息图的再现：光学全息的再现方法：将拍摄好的全息图进行显影、定影后放回原处，挡住物光，用原参考光照射全息图，即可在适当的方位看到栩栩如生的三维物体，且位于物体原位置处。数字全息的再现方法：根据光的衍射公式及全息原理，利用计算机在 Matlab 环境下进行编程，可计算得到物体的强度像和位相像，实现物光场的三维再现。在全息图的数值再现过程中，可向学生讲解及展示全息图的频
12、谱分布及频谱滤波以消除 0 级及不需要的 1 级衍射像。（4）回答问题：全息照相有哪些重要特点?与普通光学全息相比，数字全息有哪些优点？（四）学生应达到的实验能力与标准1. 深入理解激光全息照相的原理与技术。2. 学会正确调节光路，获得良好的平面光波及球面光波。3. 能够获得高信噪比、高对比度且满足尼奎斯特抽样定理的高质量全息图。4. 能利用 Matlab 软件处理对无透镜傅里叶变换及像面数字全息图进行再现。（五）考核与成绩评定1. 实验完毕及时给予成绩评定，成绩等级分为：优秀、良好、中等、及格、不及格五个等次。2. 评定依据：按照预习占 20%、实验操作 50%、实验报告 30%进行评定。（六）实验报告要求1. 内容齐全：包括实验日期、实验者姓名及学号、实验名称、实验目的、实验器材、实验原理、实验步骤、实验数据及处理、实验结果及问题讨论。2. 格式要求：按照规定逐条撰写，要求字体清晰、书写整洁，图表用刻度尺、铅笔制作。3. 独立完成实验报告：实验数据真实可靠，杜绝伪造、抄袭。同组者，实验原始数据可以相同，但报告的其它内容不能完全一致。2011 年 4 月
