全息照相實(shí)驗(yàn)中圖像采集數(shù)碼裝置的應(yīng)用

朱江轉(zhuǎn)，羅鍛斌

(華東理工大學(xué)，上海 200237)

全息照相實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)光路的自行搭建、調(diào)節(jié)，底片的曝光、顯影和定影，以及全息底片的再現(xiàn)觀察。所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生動(dòng)手能力、觀察能力以及協(xié)作能力的鍛煉和提高是非常有幫助的。同時(shí)，為了得到理想的全息底片和成功觀察到自己拍攝的物體，切身體驗(yàn)全息照相相對(duì)于普通照相的獨(dú)特性質(zhì)(如立體感強(qiáng))，學(xué)生對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)充滿興趣。這也使全息照相實(shí)驗(yàn)成為非常受學(xué)生喜歡的實(shí)驗(yàn)之一。

全息拍攝是在合適的全息干版上記錄物光和參考光在其上的干涉條紋。高質(zhì)量的全息圖對(duì)拍攝系統(tǒng)有一定的要求。如何指導(dǎo)學(xué)生順利完成全息實(shí)驗(yàn)，以及如何讓學(xué)生在有限的教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)拍攝出質(zhì)量較好的全息底片，很多物理實(shí)驗(yàn)教師結(jié)合各自的教學(xué)經(jīng)歷，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不同環(huán)節(jié)，如全息拍攝光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性要求［1-2］(防震性能好的平臺(tái)，以及曝光時(shí)的走動(dòng)和說(shuō)話對(duì)拍攝效果的影響)、光路布局［3-5］(物光和參考光的光程差、物光和參考光投射到干版的夾角、物光和參考光的強(qiáng)度等)、曝光時(shí)間、顯影時(shí)間等方面進(jìn)行了分析研究［6-8］，總結(jié)了不少讓大家受益的方法和經(jīng)驗(yàn)［9-13］。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于不同的學(xué)生有不同的實(shí)驗(yàn)條件(如光路、光強(qiáng)、曝光時(shí)間、顯影液濃度、顯影時(shí)間、顯影溫度、干版沖洗質(zhì)量等)，最后得到的底片質(zhì)量也各不相同。這些顯影后的干版，灰度不一，清晰度也各不相同。這些對(duì)于全息照相實(shí)驗(yàn)的最后一個(gè)“再現(xiàn)”環(huán)節(jié)將有不同的影響。“再現(xiàn)”環(huán)節(jié)是學(xué)生最有成功感的一個(gè)環(huán)節(jié)，而往往由于學(xué)生拍攝光路(物光和參考光位置)、顯影或者對(duì)“再現(xiàn)”過(guò)程的理解等原因，看不到底片“再現(xiàn)”所形成的三維虛像。如何讓學(xué)生比較快地觀察到再現(xiàn)虛像，針對(duì)“再現(xiàn)”環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中做了一個(gè)改進(jìn)，引入CCD等圖像觀測(cè)和采集輔助數(shù)碼裝置對(duì)再現(xiàn)虛像進(jìn)行觀察。

圖1 “再現(xiàn)”過(guò)程觀察光路

人之所以能看到物體，是因?yàn)閺奈矬w發(fā)出或反射的光波被人眼所接收。所以如果要想從全息圖上看原來(lái)物體的像，直接觀察是看不到的，而只能看到復(fù)雜的干涉條紋。要看到原來(lái)物體的像，必須使全息圖再現(xiàn)原來(lái)物體發(fā)出的光波，這個(gè)過(guò)程就稱為全息圖的再現(xiàn)過(guò)程，它所利用的是光柵衍射原理。再現(xiàn)過(guò)程的觀察光路如圖1所示。一束從特定方向或與原來(lái)參考光方向相同的激光束(通常稱為再現(xiàn)光)照射全息圖。全息圖上每一組干涉條紋相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的光柵，它使再現(xiàn)光發(fā)生衍射，沿著衍射方向透過(guò)全息圖朝原來(lái)被攝物體的方位觀察時(shí)，就可以看到一個(gè)完全逼真的三維立體圖像［14］。

但在實(shí)驗(yàn)中由于學(xué)生全息底片質(zhì)量、觀察方向等問(wèn)題，有不少學(xué)生并不能直接看到虛像。在實(shí)驗(yàn)室演示時(shí)，用CCD取代人眼的位置，如圖1所示，學(xué)生只要通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)CCD，改變其相對(duì)于底片的夾角，便可比較方便地看到被攝物體的虛像，而且還避免了被激光束直接照射眼睛的危險(xiǎn)。而在具體的“再現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，對(duì)于每一個(gè)學(xué)生，可以利用手機(jī)攝像頭的拍攝功能，非常方便地觀察和記錄自己所拍攝的物體的虛像，如圖2所示。而拍攝的全息圖中的虛像，教師可以要求學(xué)生打印出來(lái)附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，從而可以作為評(píng)判學(xué)生全息照相實(shí)驗(yàn)成績(jī)的一個(gè)比較可靠的判據(jù)。

圖2 全息再現(xiàn)過(guò)程中用手機(jī)攝像頭拍攝的兩個(gè)物體虛像

在全息照相實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，在“再現(xiàn)”過(guò)程中引入CCD等圖像觀測(cè)和采集輔助裝置對(duì)再現(xiàn)虛像進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明，利用CCD輔助裝置演示“再現(xiàn)”過(guò)程，非常方便和直觀，有助于學(xué)生理解。而在學(xué)生具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用具有拍攝功能的數(shù)碼裝置(如手機(jī))，可以比較方便地觀察到被拍攝物體的虛像。同時(shí)，利用這些數(shù)碼裝置，可以避免學(xué)生被激光束直射眼睛的危險(xiǎn)，而這些數(shù)碼裝置記錄的物體，也可用于教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)判。

［1］李春芳.振動(dòng)及曝光時(shí)間對(duì)全息照相實(shí)驗(yàn)的影響［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012，10(2):18-20.

［2］余劍敏，吳水生，殷海兵，等.測(cè)量不同的振動(dòng)對(duì)全息照相實(shí)驗(yàn)的影響［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23(2):23-26.

［3］譚佐軍，桂榮，曹煒，等.對(duì)全息照相實(shí)驗(yàn)的研究與改進(jìn)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007，20(2):6-8.

［4］肖怡安.激光全息照相景深拓展實(shí)驗(yàn)探討［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2013，33(1):36-39.

［5］肖怡安.全息照相中的景深［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2001，14(1):18-20.

［6］房若宇.激光全息照相實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，26(5):57-59.

［7］楊曉梅.激光全息照相實(shí)驗(yàn)中相關(guān)問(wèn)題的討論［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2008，21(3):20-24.

［8］張影，李亞林.淺談全息照相實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2008，21(3):58-60.

［9］黃水平，張飛雁，張易，等.全息照相實(shí)驗(yàn)實(shí)像的優(yōu)化拍攝與再現(xiàn)［J］.大學(xué)物理，2010，29(2):40-42.

［10］秦穎，李琦.全息照相實(shí)驗(yàn)的技巧［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2004，17(1):40-43.

［11］張敏，郜超軍.全息照相實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探討［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2005，18(1):13-14.

［12］王鳳鵬，尹真，王形華.全息照相實(shí)驗(yàn)研究型教學(xué)探索［J］.物理與工程，2009，19(4):29-31.

［13］鄭瑞華，姜澤輝，趙海發(fā).全息照相實(shí)驗(yàn)中像的觀察［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012，25(3):72-74.

［14］張兆奎，繆連元，張立.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京:高等教育出版社，2011:260-262.