全息摄影实验实验报告.docx
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全息摄影实验实验报告
全息摄影实验实验报告
全息照相实验实验报告
物理与光电工程学院
光电信息技术实验报告
姓名:
张皓景学号:
20111359069
班级:
光信息科学与技术专业2011级2班实验名称:
全息照相实验任课教师:
裴世鑫
一、实验目的
1（了解光学全息照相的基本原理及其主要特点。
2（学习全息照相的拍摄方法和实验技术。
3（了解全息照相再现物像的性质、观察方法。
二、实验仪器
三、实验装置示意图
45底片
图1全息照相光路
四、实验原理
全息照相是一种二步成像的照相技术。
第一步采用相干光照明，利用干涉原理，把物体
在感光材料（全息干版）处的光波波前纪录下来，称为全息图。
第二步利用衍射原理，按一定条件用光照射全息图，原先被纪录的物体光波的波前，就会重新激活出来在全息图后继续传播，就像原物仍在原位发出的一样。
需要注意的是我们看到的“物”并
不是实际物体，而是与原物完全相同的一个三维像。
1（全息照相的纪录——光的干涉
由光的波动理论知道，光波是电磁波。
一列单色波可表示为:
x?
Acos（?
t?
?
?
2?
r
?
）
（1）
式中，A为振幅，ω为圆频率，λ为波长，φ为波源的初相位。
一个实际物体发射或反射的光波比较复杂，但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光波的叠加:
x?
?
Acos（?
it?
?
i?
i?
1
n
2?
ri
?
i
）
（2）
因此，任何一定频率的光波都包含着振幅（A）和位相（ωt+φ-2πr/λ）两大信息。
全息照相的一种实验装置的光路如图
（1）所示。
激光器射出的激光束通过分光板分成两束，一束经透镜扩束后照射到被摄物体上，再经物体表面反射（或透射）后照射到感光底片（全息干版）上，这部分光叫物光。
另一束经反射镜改变光路，
再由透镜扩大后直接投射到全息干版上，这部分光称为参考光。
由于激光是相干光，物光和参考光在全息底片上叠加，形成干涉条纹。
因为从被摄物体上各点反射出来的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各处的干涉条纹也不相同。
强度不同使条纹明暗程度不同，相位不同使条纹的密度、形状不同。
因此，被摄物体反射光中的全部信息都以不同明暗程度和不同疏密分布的干涉条纹形式记录下来，经显影、定影等处理后，就得到一张全息照片。
这种全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通过高倍显微镜才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉条纹。
由于干涉条纹密度很高，所以要求记录介质有较高的分辨率，通常达1000条线,毫米以上，故不能用普通照相底片拍摄全息图。
2（全息照相的再现——光的衍射
由于全息照相在感光板上纪录的不是被摄物的直接形象，而是复杂的干涉条纹，因此全息照片实际上相当于一个衍射光栅，物象再现的过程实际是光的衍射现象。
要看到被摄物体的像，必须用一束同参考光的波长和传播方向完全相同的光束照射全息照片，这束光叫再现光。
这样在原先拍摄时放置物体的方向上就能看到与原物形象完全一样的立体虚像。
如图2所示把拍摄好的全息底片放回原光路中，用参考光波照射全息片时，经过底片衍射后有三部分光波射出。
0级衍射光——它是入射再现光波的衰减。
+1级衍射光——它是发散光，将形成一个虚像。
如果此光波被
观察者的眼睛接收，就等于接收了原被摄物发出的光波，因而能看到原物体的再现像。
-1级衍射光——它是会聚光，将在与原物点对称的位置上形成物体的再现虚像的共轭实像。
3（全息照相原理的数学描述
下面对全息照相原理作一简单的数学描述。
设全息底片所在平面为xy平面，物光在底片上的振动表达式为
图2
E0（x,y）?
A0（x,y）cos[?
t?
?
0（x,y）]（3）
参考光为
ER（x,y）?
AR（x,y）cos[?
t?
?
R（x,y）]（4）
为方便起见，采用复数形式表示，写成
E0（x,y）?
A0（x,y）ei?
0（x,y）ei?
tER（x,y）?
AR（x,y）ei?
R（x,y）ei?
t
对于相干波的叠加，真正起作用的是振幅和相位，常用复振幅来表示，即省去时间相位因子eiωt，剩下的部分既含振幅，又含随空间变化的相位，把它称为复振幅。
于是，在底片上任一点物光和参考光复振幅分别为
O（x,y）?
A0（x,y）ei?
0（x,y）（5）R（x,y）?
AR（x,y）ei?
R（x,y）（6）
相干叠加后的合成光场为
H（x,y）?
R（x,y）?
O（x,y）（7）
干涉条纹的光强为
I?
HH?
?
[O?
R][O?
?
R?
]（8）
式中为H为H的共轭复数。
为使关系式简洁，各量中的x，y均省略。
将上式展开得
?
22
I?
A0?
AR?
A0ARei（?
0?
?
R）?
A0ARe?
i（?
0?
?
R）
经简化后上式可简写为
22I?
A0?
AR?
2A0ARcos（?
0?
?
R）（9）
这正是干涉条纹光强的表达式。
上式表明，光强I（x，y）包含了物光波的全部信息（振幅和相位）。
采用适当的两光波强度比，感光底片经曝光并进行线性冲洗后，就得到一张全息照片。
假定用照明光R′（x，y）照射全息图，设再现光在全息图上的复振幅为
R?
（x,y）?
AR?
（x,y）ei?
R?
（x,y）
如把全息照片看作衍射屏，则透过全息照片后衍射波的复振幅为
U（x,y）?
R?
（x,y）t（x,y）（10）
式中t（x，y）为全息照片的复振幅透射率，对于经线性处理的全息照片，复振幅透射率与曝光时的光强成线性关系，即
t（x,y）?
t0?
?
I（x,y）（11）
于是，透过全息照片后衍射波的复振幅
U（x,y）?
R?
（x,y）[t0?
?
I（x,y）]
将I（x，y）值代入得
U?
U0?
U?
1?
U?
1（12）
式中第一项U0除了系数（t0+βAo2+βAR2）外，与再现光相同，为零级衍射波，代表照明光的
透射波，形成一个背景象，从物光重现的角度来看，可以不予考虑。
第二项U+1为+1级衍射波，当再现光和参考光完全相同时，即AR′=AR=AR，φR′=φR，则+1级衍射波在全息照片上的复振幅为U?
1?
?
R?
R?
O?
?
AR?
ARe
i（?
R?
?
?
R）
O?
?
A2O
与原物光只差一个常数因子，实现了原物光的再现。
观察者将在原物体所在位置上看到逼真的立体虚像，在不同的角度看到物体不同的侧面。
第三项U-1为-1级衍射波，当再现光是参考光时，则-1级衍射波在全息照片上的复振幅为
U?
1?
?
R?
R?
O?
?
AR?
ARei（?
R?
?
?
R）O?
?
A2ei2R?
O?
与原物光的共轭波O,（x，y）除相差一个常数因子外，还多一个位相因子ei2φR，表示衍射波会聚于以全息照片为对称面的原物体的对称位置上，观察者将在此位置上看到一个实像，在实像中的那些细节与虚像是相反的。
篇二:
物理实验-全息照相-实验报告
物
理实验报告
班级__信工C班___组别______D______
姓名____李铃______学号_1111000048_
日期___2013.3.6___指导教师___张波____
【实验题目】_________全息照相
【实验目的】
1.了解全息摄影的基本原理、实验装置以及实验方法;2.掌握激光全息摄影和激光再现的实验技术;3.通过观察全息图像的再现，弄清全息照片和普通照片的本质区别
【实验仪器】
防震全息台，氦—氖激光器，扩束透镜，分束棱镜（或分束板），反射镜，毛玻璃屏，调节支架，米尺，计时器，照相冲洗设备等。
【实验原理】
全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。
两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。
所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。
人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹，但如果用激光去照射它，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。
全息图种类很多，有菲涅耳图、夫琅和费图、傅立叶变换全息
图、彩虹全息图、像全息图、体积全息图等。
不管哪种全息图都要分成两步来完成，即用干涉法记录光波全息图，称波前记录;用衍射原理使原光波波前再现，称波前再现。
1.全息照相的过程
物体发出的包含振幅和位相信息的光可以用下式表示:
其中:
信息，而位相信息
为振幅，为位相。
普通摄影只能记录物体光波的振幅全部丢失，因此照片没有立体感。
数学表达式为:
实际上没有任何一种感光材料可以直接记录光波的位相，在全息摄影中我们利用光的干涉原理来记录光波的振幅和位相信息。
如右图
所示，激光器L发出的激光由分束镜BS将光线一
分为二，透射光线经反射镜M2反射再经过扩束后
照射在被摄物体上，这束光线称为物光（O光）;反
射光线经反射镜M1反射再经过扩束后直接照射在
感光材料上，因而称为参考光（R光）;两束光线在
P处相干并形成干涉条纹，这些条纹记录了物光的
所有振幅和位相信息。
数学表达式如下:
物光为:
参考光为:
两光相干后总光强为:
两光相干后总光强的表达式说明全息图中包念着物光的振幅和位相信息，它们全部被记录在感光材料上，并以干涉条纹的形式表现出来。
感光材料（全息干板或胶片）经过曝光、显影和定影后，即可得到一张菲涅耳全息图。
2.全息相片的再现过程:
将制作好的全息图放回原处，遮挡住物光（
则透过这张全息图的光强为:
）并取走被摄物体，用原参考光照明，
上式中的第二项与原物光光波只相差一个系数R，这说明通过全息图的出射光包含原物光的全部信息。
所以我们透过全息图可以看到在原来放置物体的地方有物体的虚像，就像物体没有被取走一样。
如右图所示。
物体的虚像具
有明显的视差效应，当人们通过全息图观察物体的虚像时，
就像通过一个“窗口”观察真实物体一样，具有强烈的三维
立体感。
当人眼在全息图前面左右移动或上下移动时，我们
可以看到物体的不同部位。
即使全息干板破损、变小，但原
物光的信息还保存在干涉条纹之中，所以我们通过参考光的
照射同样可以看到物体的虚像，只是大小发生了变化。
【实验内容】
（1）在全息干板支架上固定白屏或毛玻璃，调节扩束镜C1使物光均匀地照射在被摄物体上，调节物体的方位使物体漫反射光的最强部分均匀地照射在白屏上。
调节扩束镜C2使参考光均匀地照
射在整个白屏上。
这时物光和参考光在白屏上完全重叠。
（2）完全挡住光源。
拿掉全息干板支架上的白屏，换上全息干板，并将药膜面（手感发涩）朝着光的方向安装在全息干板支架上。
稳定1~2min后开始曝光，曝光60秒。
（3）将曝光后的全息干板在暗室内进行常规的显影、停显、定影、水洗、干燥等处理，即可得到一张漫反射的三维全息图。
（4）将冲洗好的全息图放回到干板支架上，拿去被摄物体，挡住物光，用原参考光照明全息图，在其后面观察重现的虚像。
我们可以看到在原来放置被摄物体的地方有一虚像，人眼上下左右缓慢地移动，可以看到物体的各个部位。
将全息图挡去一部分，观察虚像有何变化。
注意事项:
曝光时注意不要碰台面;不要坐着进行实验，以免眼睛灼伤。
【原始数据】
【数据处理】
【实验数据分析】
【思考题】
1.普通照相与全息照相的区别是什么,
答:
普通的照相利用透镜成像原理，在感光胶片/器件上记录反映被摄物体表面光强变化的表面像，从照片中看到的拍摄物是平面的。
而全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两
束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。
两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同，因而全息照相不仅记录了被摄物体的反射光波强度（振幅），还记录了反射光波的相位信息。
用激光照射，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。
2.为什么每一个碎片都能产生完整的像,
答:
全息照相是由单色光（一般用激光）的衍射条纹组成的，每个面积上都记录有“全部信息”。
篇三:
全息照相实验报告（完全版）
实验5.5全息照相
实验分析:
在这次光学实验中，拍出来的全息照片图像模糊，而且曝光范围小，基本算失败，对此我觉得我们必然在某处有错误，或者是由于实验仪器造成，因此我展开分析，实验失败原因可能有:
1.在曝光过程中有振动或位移，由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹,而这些条纹非常细,在曝光过程中,极小的振动和位移都会引起干涉条纹的模糊不清,甚至使干涉条纹完全不能记录下来。
2.没有更好的调整好参考光和物光的光程差。
参考光和物光的光程差不能太大也不能太小,不能大于所用激光的相干长度,否则两者不能相干,无法在全息干板上获得干涉条纹。
3.没有更好的调整好参考光和物光的夹角。
假设全息干板上干涉条纹的间距为d,光源波长为λ。
根据干涉原理,d与参考光和物光之间的夹角θ关系为,而干板分辨率η与d的关系为。
可以看出,θ愈大,所记录的干涉条纹就越细,对干板的分辨率要求越高,故夹角θ不能太大。
而夹角θ对全息图再现像时的观察窗（视角）有影响,夹角大,可在较大范围内从不同角度观察物象,反之,
观察窗
则小,因此夹角θ也不能太小。
4.光路中使用过多反光镜导致光强过小，从而影响干涉效果。
5.曝光时间没有控制得很好，曝光时间太长,导致干板太黑,光线的透过率降低。
?
?
6.在用清水清洗干版时水温没有严格控制在30C-32C，影响
实验结果。
7.在显影定影时，冲洗时间不够，导致成像范围过小，成像不清晰。
实验结论:
实验中获得清晰的再现像的关键是要选用具有良好的相干性和稳定性的激光作为光源。
光路的调整更是至关重要的。
一个好的光路，既要使物光和参考光能够发生干涉，还要保证干涉条纹间隔清晰，反差合适。
所以要首先调整好物光和参考光的光程，以保证干涉能够发生，然后再调整物光与参考光束之间的夹角及物光和参考光的光强比，保证全息照片的清晰度和反差。
另外，在
曝光时系统要稳定。
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