全息照相影響因素研究

王 浩，劉相梅

(齊齊哈爾大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

全息照相是一種可以記錄光全部信息的成像技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)攝像，照相機(jī)只能靠記錄光反射的強(qiáng)弱來(lái)記錄光的振幅信息，而全息照相則是在記錄光的振幅信息同時(shí)記錄下光的頻率以及光的相位[1]。這三種要素包含了光的全部信息，決定了光的強(qiáng)度、顏色和所成像的形狀。因此全息照相技術(shù)所得到的其實(shí)是一個(gè)具有三維立體感的像，呈現(xiàn)出對(duì)比于照相機(jī)二維成像更為清晰、具體、全面的影像。并且，全息成像更容易保存，不易被腐蝕。擁有以上特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)的全息照相技術(shù)在現(xiàn)如今的生活、醫(yī)療、國(guó)防領(lǐng)域都得到了廣泛地應(yīng)用。

全息照相技術(shù)其主要原理應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域知識(shí)，具備可操作性強(qiáng)、安全性高、探索性強(qiáng)等特點(diǎn)，所以全息照相也被作為一項(xiàng)大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)。在全息照相實(shí)驗(yàn)中主要應(yīng)用光的干涉原理，在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作過(guò)程中有很多影響因素，本文在參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，依據(jù)其影響因素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)成果，總結(jié)出一些影響全息照相有關(guān)因素，旨在為全息照相實(shí)驗(yàn)提供相關(guān)借鑒。

1 全息照相實(shí)驗(yàn)原理

全息照相是一個(gè)應(yīng)用了光的干涉疊加原理和光的衍射原理進(jìn)行影像再現(xiàn)的過(guò)程，即全息成像是通過(guò)光的干涉把光的振幅信息，光的頻率信息，光的相位信息記錄在全息干板上，再通過(guò)后期顯影，定影等操作的一系列過(guò)程[2]。實(shí)驗(yàn)光路圖如圖1所示，圖中D為DH-HN250型氦氖激光器，頻率為5 mW，由其發(fā)出激光后經(jīng)M分束器，分成第一束光經(jīng)光路L1至反光鏡S1反射至擴(kuò)束器N1到達(dá)被攝物O，再由被攝物O將光反射到全息干板；第二束光經(jīng)光路L1至反光鏡S2反射至擴(kuò)束鏡N2到達(dá)全息干板處。

圖1 全息照相光路圖

根據(jù)光的干涉原理，設(shè)經(jīng)由L1光路傳播到被攝物處光為物光，其光路O(x,y)表示為：

O(x,y)=O0(x,y)exp[iθ0(x,y)]

經(jīng)由L2光路傳播至于板處為參考光，其光路R(x,y)為：

R(x,y)=R0(x,y)exp[iθR(x,y)]

由光的疊加原理得：

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

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

而最后呈現(xiàn)在干板上的是兩束光光強(qiáng)平方和I(x,y)[3]，即：

+O0R0exp[-iθ0-θR]

以上便是全息照相中根據(jù)光的干涉和疊加原理列出的表達(dá)式，在上式中θ表示物光和參考光至干板處所成的夾角；并且最后還可以轉(zhuǎn)化為與光相位有關(guān)的表達(dá)式。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，物光與參考光在干板上形成相互干涉的明暗條紋，從而記錄下被攝物體反射光的一系列振幅，頻率，相位信息，再通過(guò)光的衍射完成全息照相。

對(duì)于全息照相的影響因素研究便是根據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件以及上述數(shù)學(xué)表達(dá)式的相關(guān)量進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論。

2 全息照相實(shí)驗(yàn)影響因素研究

由前文分析全息照相實(shí)驗(yàn)的基本原理可知，從光的干涉疊加原理角度出發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)有很多因素會(huì)對(duì)最終成像結(jié)果造成影響。因此，在實(shí)驗(yàn)操作之前便對(duì)可能存在的干擾因素進(jìn)行預(yù)設(shè)：物光和參考光所成夾角；曝光時(shí)間；被攝物體大小、顏色等。為了把外界振動(dòng)影響因素控制在最小，使用具有磁性材料的實(shí)驗(yàn)裝置將各項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)備固定在金屬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。但由于實(shí)驗(yàn)室外界噪音和實(shí)驗(yàn)室外人員走動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)無(wú)法徹底消除，因此我們的實(shí)驗(yàn)都是在具有這些影響的情況下進(jìn)行。

2.1 物光和參考光夾角對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

根據(jù)全息照相基本原理，整個(gè)過(guò)程最后成像是由于物光與參考光在干板上相互干涉。并且，對(duì)于光的干涉疊加原理分析可知條紋之間間隔與物光和參考光所成夾角有直接關(guān)系[4]。對(duì)于角度范圍就要從考慮兩束光的相干性角度出發(fā)，當(dāng)兩束光之間夾角越小，干涉條紋越明顯，成像清晰度就越高，當(dāng)角度為90°不會(huì)產(chǎn)生干涉[5,6]。但在實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作中，10°的物光和參考光所成夾角不易調(diào)節(jié)，由于角度過(guò)小實(shí)驗(yàn)器材容易造成誤差；而當(dāng)物光和參考光所成夾角入射角度大于40°時(shí)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件要求苛刻，細(xì)微振動(dòng)都會(huì)造成成像效果不理想或成像失敗。因此，在預(yù)設(shè)角度中選擇20°～50°，每隔5°進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將全息影像照片記錄下來(lái)，應(yīng)用圖片清晰度評(píng)定軟件對(duì)圖片進(jìn)行測(cè)評(píng)，依據(jù)評(píng)定的綜合函數(shù)結(jié)果，繪出圖2的參考光和物光夾角與清晰度函數(shù)關(guān)系圖。

圖2 參考光和物光夾角與清晰度關(guān)系

為了更直觀(guān)觀(guān)察在不同物光和參考光所成夾角的入射角度下全息照相實(shí)驗(yàn)最后成像結(jié)果。選用“1元”硬幣帶有數(shù)字“1”的一側(cè)；在明室條件下選取20°、30°、40°、50°，拍攝四組最后全息像照片，如圖3所示。

經(jīng)過(guò)觀(guān)察對(duì)比，在四組照片中，物光和參考光所成夾角為20°得到的全息照相成像效果為：有“1元”硬幣基本輪廓，但輪廓邊緣較暗；中間“1”字圖樣清晰可見(jiàn)，除此以外周?chē)?xì)節(jié)小字部分成像不明顯；整體成像效果一般，還原效果不理想。在物光和參考光所成角度為30°進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所拍攝的成像照片中：依然保持“1元”硬幣基本輪廓清晰，輪廓邊緣略顯明亮，中間“1”字清晰可見(jiàn)并有凹凸感，邊緣細(xì)節(jié)小字可見(jiàn)但不清楚。當(dāng)將被攝物體載臺(tái)擺至40°角度位置時(shí)，得到成像效果較好，硬幣周?chē)喞逦梢?jiàn)，中間“1”有較好立體感，并相對(duì)于30°時(shí)有明顯變化，邊緣小字能清楚辨別，整體成像效果較為理想，還原度較高。在最后50°的全息實(shí)驗(yàn)照相成像中，因角度增大，存在外界振動(dòng)的干擾，整體成像水平雖然沒(méi)有40°效果理想，但對(duì)比30°與20°要高。

20°全息成像

30°全息成像

40°全息成像

50°全息成像圖3 物光參考光夾角對(duì)全息像的影響

以上便是在保證基本實(shí)驗(yàn)條件一致，經(jīng)過(guò)相同的處理后，通過(guò)改變物光和參考光所成夾角對(duì)全息照相影響的探究。通過(guò)分析觀(guān)察，得出全息照相在物光和參考光夾角為40°時(shí)，光的信息記錄完整，成像效果整體清晰。

2.2 曝光時(shí)間對(duì)全息照相實(shí)驗(yàn)影響

全息照相實(shí)驗(yàn)中最重要的部分—全息干板。本實(shí)驗(yàn)采用的是鹵化銀全息干板，該干板對(duì)紅光敏感，性能穩(wěn)定，超細(xì)微粒的銀鹽乳膠有很高的感光靈敏度和分辨率，衍射效率高，反差系數(shù)大，膠層涂抹均勻，性能穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的通用性，適合各種全息攝影。因?yàn)楣怆娮优c全息干板上的乳膠顆粒反應(yīng)的特性，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氦氖激光器對(duì)它的曝光時(shí)間間隔長(zhǎng)短，同樣也會(huì)影響最后全息成像是否成功，所以曝光時(shí)間是全息照相實(shí)驗(yàn)中一項(xiàng)重要的影響因素[7]。因此，為了能夠更好地進(jìn)行曝光時(shí)間對(duì)全息照相實(shí)驗(yàn)影響因素的探究，結(jié)合相關(guān)資料與實(shí)驗(yàn)條件，在保證光路物光入射角度40°的情況下，經(jīng)過(guò)相同顯影，定影過(guò)程，在5～15 s范圍內(nèi)每隔1 s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)拍攝照片進(jìn)行清晰度測(cè)評(píng)，根據(jù)最終測(cè)評(píng)的綜合函數(shù)數(shù)據(jù)，制成曝光時(shí)間與清晰度關(guān)系折線(xiàn)圖，如圖4。

圖4 曝光時(shí)間與清晰度關(guān)系

選擇曝光時(shí)間分別為5 s、10 s、15 s三組時(shí)間拍攝照片，如圖5所示。

通過(guò)對(duì)所拍攝的三種不同曝光時(shí)間的全息像照片觀(guān)察，曝光5 s的全息像，再現(xiàn)“1元”硬幣時(shí)，大致輪廓清晰，中間“1”字也可以明顯辨別，但細(xì)節(jié)表現(xiàn)模糊，整體不明亮；當(dāng)曝光時(shí)間延長(zhǎng)至10 s時(shí)，成像效果就較為理想，不僅輪廓清晰可見(jiàn)，而且整體立體感也較強(qiáng)，除“1”字外細(xì)節(jié)部分顯像也明顯；但當(dāng)把曝光時(shí)間再延長(zhǎng)至15 s時(shí)，即使時(shí)間也延長(zhǎng)，但在這一過(guò)程中，受外界振動(dòng)影響明顯，所以成像再現(xiàn)時(shí)，其整體輪廓、細(xì)節(jié)成像表現(xiàn)、立體感都不如10 s效果好。這是由于長(zhǎng)時(shí)間曝光，會(huì)使全息干板上反應(yīng)完全，感光量強(qiáng)，全息像再現(xiàn)就清晰；當(dāng)曝光時(shí)間短，干板上感光量弱，全息像再現(xiàn)就會(huì)模糊[4]；可若曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致最后全息像再現(xiàn)依舊不理想。其主要原因有兩點(diǎn)：一是會(huì)造成光的透射率變低；二是過(guò)長(zhǎng)曝光時(shí)間會(huì)使振動(dòng)干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較大[8]。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，全息干板的曝光時(shí)間是本實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)重要影響因素，在曝光時(shí)間的選擇和控制上，既要考慮到有充足的時(shí)間使光電子與乳膠顆粒充分反應(yīng)，又要注意控制合適曝光時(shí)間降低外界振動(dòng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)的干擾。

5 s全息成像

10 s全息成像

15 s全息成像圖5 曝光時(shí)間對(duì)全息像的影響

2.3 被攝物自身對(duì)于全息照相成像影響

在以上的實(shí)驗(yàn)中，均采用直徑為25.00 mm的1元硬幣作為被攝物，因?yàn)槠浣饘儋|(zhì)地對(duì)光的反射效果較好，并且選用帶有“1元”圖案的一面，圖案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)參考光與物光角度為40°，曝光時(shí)間設(shè)置在10 s時(shí)成像效果最理想。

繼參考光與物光夾角、曝光時(shí)間間隔的研究之后，猜想被攝物自身對(duì)于全息照相成像的影響因素，例如：被攝物的大小與顏色。于是，選用與之前1元硬幣相同材質(zhì)，但直徑為19 mm的1角硬幣，直徑為22.50 mm的1元硬幣和20.50 mm的5角硬幣分別在參考光與物光夾角40°的條件下，曝光10 s進(jìn)行正反兩面全息照相實(shí)驗(yàn)；與1元硬幣進(jìn)行對(duì)比觀(guān)察，并將所有硬幣的正面數(shù)字成像進(jìn)行如圖6所示的圖像清晰度函數(shù)對(duì)比。結(jié)合圖片清晰度評(píng)定綜合函數(shù)數(shù)據(jù)分析,在物光與參考光夾角為40°，曝光時(shí)間設(shè)置在10 s的理想實(shí)驗(yàn)情況下，全息成像清晰度函數(shù)數(shù)值隨硬幣直徑增大而增大。

圖6 物體尺寸與清晰度的關(guān)系

圖7分別給出了兩種硬幣正面與背面的全息圖像。

從圖7中可以看出1元圖片輪廓較為清晰，光線(xiàn)分布均勻，主要菊花圖案還原再現(xiàn)仍有凹凸感，周?chē)?xì)節(jié)處理上也清晰可見(jiàn)，整體成像還原立體感較強(qiáng)；而小直徑的1角硬幣雖然有其基本輪廓，但整體圖像光線(xiàn)較暗并且成像模糊，背面蘭花圖案難以觀(guān)察，成像效果遠(yuǎn)不如直徑較大的1元硬幣理想。

最后，我們還研究了被攝物自身顏色對(duì)全息圖像的影響，選用同材質(zhì)直徑20.50 mm的金黃色與銀色“5角”硬幣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依舊保證在較好角度和合適的時(shí)間間隔，在后期處理操作相同的情況下，拍攝所得成像照片如圖8所示。從圖中可以看到，相比銀色5角硬幣，黃色5角硬幣外部基本輪廓不完整，整體光線(xiàn)較暗，硬幣除中心處5字圖案可見(jiàn)，其他細(xì)節(jié)小字基本觀(guān)察不到，成像效果遠(yuǎn)不如銀色5角硬幣。

1元硬幣正面全息影像

1元硬幣正面全息影像

1角硬幣正面全息影像

1角硬幣背面全息影像圖7 直徑不同的兩種硬幣全息圖像

黃色5角硬幣正面

銀色5角硬幣正面圖8 不同顏色硬幣的全息影像

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，被攝物體尺寸和顏色對(duì)全息成像也產(chǎn)生一定的影響，在被攝物體的選擇和控制上，既要考慮到物體尺寸的大小，又要注意被攝物體的顏色感光性問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)首先探究了物光和參考光夾角、曝光時(shí)間對(duì)全息像的影響，結(jié)果表明在物光參考光夾角40°，曝光時(shí)間10秒時(shí)所呈的全息圖像最為清晰。此外，對(duì)于被攝物本身大小、顏色的影響因素猜想，通過(guò)實(shí)驗(yàn)也得到了驗(yàn)證。在四種材質(zhì)相同的硬幣中，直徑較大的硬幣全息成像結(jié)果理想；對(duì)于材質(zhì)相同，尺寸一樣的硬幣，銀色硬幣全息成像更為清晰。

總之，針對(duì)全息照相實(shí)驗(yàn)的影響因素研究有助于全息成像在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，對(duì)于推進(jìn)相關(guān)方面的進(jìn)一步探索有著積極作用，并希望本研究為改進(jìn)全息照相實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出借鑒與參考。