全息照相影响因素研究

王 浩，刘相梅

(齐齐哈尔大学 理学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

全息照相是一种可以记录光全部信息的成像技术，相对于传统摄像，照相机只能靠记录光反射的强弱来记录光的振幅信息，而全息照相则是在记录光的振幅信息同时记录下光的频率以及光的相位[1]。这三种要素包含了光的全部信息，决定了光的强度、颜色和所成像的形状。因此全息照相技术所得到的其实是一个具有三维立体感的像，呈现出对比于照相机二维成像更为清晰、具体、全面的影像。并且，全息成像更容易保存，不易被腐蚀。拥有以上特点和优势的全息照相技术在现如今的生活、医疗、国防领域都得到了广泛地应用。

全息照相技术其主要原理应用光学领域知识，具备可操作性强、安全性高、探索性强等特点，所以全息照相也被作为一项大学近代物理实验。在全息照相实验中主要应用光的干涉原理，在这项实验的实际操作过程中有很多影响因素，本文在参考相关实验结果后，依据其影响因素设计实验，总结实验成果，总结出一些影响全息照相有关因素，旨在为全息照相实验提供相关借鉴。

1 全息照相实验原理

全息照相是一个应用了光的干涉叠加原理和光的衍射原理进行影像再现的过程，即全息成像是通过光的干涉把光的振幅信息，光的频率信息，光的相位信息记录在全息干板上，再通过后期显影，定影等操作的一系列过程[2]。实验光路图如图1所示，图中D为DH-HN250型氦氖激光器，频率为5 mW，由其发出激光后经M分束器，分成第一束光经光路L1至反光镜S1反射至扩束器N1到达被摄物O，再由被摄物O将光反射到全息干板；第二束光经光路L1至反光镜S2反射至扩束镜N2到达全息干板处。

图1 全息照相光路图

根据光的干涉原理，设经由L1光路传播到被摄物处光为物光，其光路O(x,y)表示为：

O(x,y)=O0(x,y)exp[iθ0(x,y)]

经由L2光路传播至于板处为参考光，其光路R(x,y)为：

R(x,y)=R0(x,y)exp[iθR(x,y)]

由光的叠加原理得：

U(x,y)=O(x,y)+R(x,y)

=O0(x,y)exp[iθ0(x,y)]+R0(x,y)exp[iθR(x,y)]

而最后呈现在干板上的是两束光光强平方和I(x,y)[3]，即：

+O0R0exp[-iθ0-θR]

以上便是全息照相中根据光的干涉和叠加原理列出的表达式，在上式中θ表示物光和参考光至干板处所成的夹角；并且最后还可以转化为与光相位有关的表达式。在实验过程中，物光与参考光在干板上形成相互干涉的明暗条纹，从而记录下被摄物体反射光的一系列振幅，频率，相位信息，再通过光的衍射完成全息照相。

对于全息照相的影响因素研究便是根据相应实验条件以及上述数学表达式的相关量进行分析，结合实验结果得出结论。

2 全息照相实验影响因素研究

由前文分析全息照相实验的基本原理可知，从光的干涉叠加原理角度出发，可以发现有很多因素会对最终成像结果造成影响。因此，在实验操作之前便对可能存在的干扰因素进行预设：物光和参考光所成夹角；曝光时间；被摄物体大小、颜色等。为了把外界振动影响因素控制在最小，使用具有磁性材料的实验装置将各项试验设备固定在金属实验台。但由于实验室外界噪音和实验室外人员走动产生的振动无法彻底消除，因此我们的实验都是在具有这些影响的情况下进行。

2.1 物光和参考光夹角对实验的影响

根据全息照相基本原理，整个过程最后成像是由于物光与参考光在干板上相互干涉。并且，对于光的干涉叠加原理分析可知条纹之间间隔与物光和参考光所成夹角有直接关系[4]。对于角度范围就要从考虑两束光的相干性角度出发，当两束光之间夹角越小，干涉条纹越明显，成像清晰度就越高，当角度为90°不会产生干涉[5,6]。但在实验实际操作中，10°的物光和参考光所成夹角不易调节，由于角度过小实验器材容易造成误差；而当物光和参考光所成夹角入射角度大于40°时，实验环境条件要求苛刻，细微振动都会造成成像效果不理想或成像失败。因此，在预设角度中选择20°～50°，每隔5°进行实验，将全息影像照片记录下来，应用图片清晰度评定软件对图片进行测评，依据评定的综合函数结果，绘出图2的参考光和物光夹角与清晰度函数关系图。

图2 参考光和物光夹角与清晰度关系

为了更直观观察在不同物光和参考光所成夹角的入射角度下全息照相实验最后成像结果。选用“1元”硬币带有数字“1”的一侧；在明室条件下选取20°、30°、40°、50°，拍摄四组最后全息像照片，如图3所示。

经过观察对比，在四组照片中，物光和参考光所成夹角为20°得到的全息照相成像效果为：有“1元”硬币基本轮廓，但轮廓边缘较暗；中间“1”字图样清晰可见，除此以外周围细节小字部分成像不明显；整体成像效果一般，还原效果不理想。在物光和参考光所成角度为30°进行实验所拍摄的成像照片中：依然保持“1元”硬币基本轮廓清晰，轮廓边缘略显明亮，中间“1”字清晰可见并有凹凸感，边缘细节小字可见但不清楚。当将被摄物体载台摆至40°角度位置时，得到成像效果较好，硬币周围轮廓清晰可见，中间“1”有较好立体感，并相对于30°时有明显变化，边缘小字能清楚辨别，整体成像效果较为理想，还原度较高。在最后50°的全息实验照相成像中，因角度增大，存在外界振动的干扰，整体成像水平虽然没有40°效果理想，但对比30°与20°要高。

20°全息成像

30°全息成像

40°全息成像

50°全息成像图3 物光参考光夹角对全息像的影响

以上便是在保证基本实验条件一致，经过相同的处理后，通过改变物光和参考光所成夹角对全息照相影响的探究。通过分析观察，得出全息照相在物光和参考光夹角为40°时，光的信息记录完整，成像效果整体清晰。

2.2 曝光时间对全息照相实验影响

全息照相实验中最重要的部分—全息干板。本实验采用的是卤化银全息干板，该干板对红光敏感，性能稳定，超细微粒的银盐乳胶有很高的感光灵敏度和分辨率，衍射效率高，反差系数大，胶层涂抹均匀，性能稳定，具有很强的通用性，适合各种全息摄影。因为光电子与全息干板上的乳胶颗粒反应的特性，所以在实验过程中氦氖激光器对它的曝光时间间隔长短，同样也会影响最后全息成像是否成功，所以曝光时间是全息照相实验中一项重要的影响因素[7]。因此，为了能够更好地进行曝光时间对全息照相实验影响因素的探究，结合相关资料与实验条件，在保证光路物光入射角度40°的情况下，经过相同显影，定影过程，在5～15 s范围内每隔1 s进行实验，将实验拍摄照片进行清晰度测评，根据最终测评的综合函数数据，制成曝光时间与清晰度关系折线图，如图4。

图4 曝光时间与清晰度关系

选择曝光时间分别为5 s、10 s、15 s三组时间拍摄照片，如图5所示。

通过对所拍摄的三种不同曝光时间的全息像照片观察，曝光5 s的全息像，再现“1元”硬币时，大致轮廓清晰，中间“1”字也可以明显辨别，但细节表现模糊，整体不明亮；当曝光时间延长至10 s时，成像效果就较为理想，不仅轮廓清晰可见，而且整体立体感也较强，除“1”字外细节部分显像也明显；但当把曝光时间再延长至15 s时，即使时间也延长，但在这一过程中，受外界振动影响明显，所以成像再现时，其整体轮廓、细节成像表现、立体感都不如10 s效果好。这是由于长时间曝光，会使全息干板上反应完全，感光量强，全息像再现就清晰；当曝光时间短，干板上感光量弱，全息像再现就会模糊[4]；可若曝光时间过长，会导致最后全息像再现依旧不理想。其主要原因有两点：一是会造成光的透射率变低；二是过长曝光时间会使振动干扰对实验影响较大[8]。

综合以上实验结果分析，全息干板的曝光时间是本实验的一项重要影响因素，在曝光时间的选择和控制上，既要考虑到有充足的时间使光电子与乳胶颗粒充分反应，又要注意控制合适曝光时间降低外界振动对于实验的干扰。

5 s全息成像

10 s全息成像

15 s全息成像图5 曝光时间对全息像的影响

2.3 被摄物自身对于全息照相成像影响

在以上的实验中，均采用直径为25.00 mm的1元硬币作为被摄物，因为其金属质地对光的反射效果较好，并且选用带有“1元”图案的一面，图案结构简单。结合上述实验结果发现当参考光与物光角度为40°，曝光时间设置在10 s时成像效果最理想。

继参考光与物光夹角、曝光时间间隔的研究之后，猜想被摄物自身对于全息照相成像的影响因素，例如：被摄物的大小与颜色。于是，选用与之前1元硬币相同材质，但直径为19 mm的1角硬币，直径为22.50 mm的1元硬币和20.50 mm的5角硬币分别在参考光与物光夹角40°的条件下，曝光10 s进行正反两面全息照相实验；与1元硬币进行对比观察，并将所有硬币的正面数字成像进行如图6所示的图像清晰度函数对比。结合图片清晰度评定综合函数数据分析,在物光与参考光夹角为40°，曝光时间设置在10 s的理想实验情况下，全息成像清晰度函数数值随硬币直径增大而增大。

图6 物体尺寸与清晰度的关系

图7分别给出了两种硬币正面与背面的全息图像。

从图7中可以看出1元图片轮廓较为清晰，光线分布均匀，主要菊花图案还原再现仍有凹凸感，周围细节处理上也清晰可见，整体成像还原立体感较强；而小直径的1角硬币虽然有其基本轮廓，但整体图像光线较暗并且成像模糊，背面兰花图案难以观察，成像效果远不如直径较大的1元硬币理想。

最后，我们还研究了被摄物自身颜色对全息图像的影响，选用同材质直径20.50 mm的金黄色与银色“5角”硬币进行实验，依旧保证在较好角度和合适的时间间隔，在后期处理操作相同的情况下，拍摄所得成像照片如图8所示。从图中可以看到，相比银色5角硬币，黄色5角硬币外部基本轮廓不完整，整体光线较暗，硬币除中心处5字图案可见，其他细节小字基本观察不到，成像效果远不如银色5角硬币。

1元硬币正面全息影像

1元硬币正面全息影像

1角硬币正面全息影像

1角硬币背面全息影像图7 直径不同的两种硬币全息图像

黄色5角硬币正面

银色5角硬币正面图8 不同颜色硬币的全息影像

综合以上实验结果分析，被摄物体尺寸和颜色对全息成像也产生一定的影响，在被摄物体的选择和控制上，既要考虑到物体尺寸的大小，又要注意被摄物体的颜色感光性问题。

3 结 语

本实验首先探究了物光和参考光夹角、曝光时间对全息像的影响，结果表明在物光参考光夹角40°，曝光时间10秒时所呈的全息图像最为清晰。此外，对于被摄物本身大小、颜色的影响因素猜想，通过实验也得到了验证。在四种材质相同的硬币中，直径较大的硬币全息成像结果理想；对于材质相同，尺寸一样的硬币，银色硬币全息成像更为清晰。

总之，针对全息照相实验的影响因素研究有助于全息成像在各个领域中的应用，对于推进相关方面的进一步探索有着积极作用，并希望本研究为改进全息照相实验教学提出借鉴与参考。