混合型雙光束干涉全息照相的設(shè)計(jì)與探究

林澤蕓　葉沛林　余俊龍　鄭曉璇　盧志豪　彭軍

關(guān)鍵詞 全息照相;雙光束干涉;混合型雙光路;成像效果

1 基本原理與設(shè)計(jì)目的

由物體發(fā)出的光攜帶有物體空間結(jié)構(gòu)和顏色信息，在其傳播過程中形成了所謂“波前”，只要把這個(gè)波前記錄下來，并設(shè)法讓其重現(xiàn)，就可以進(jìn)行三維顯示，這就是基于波前再現(xiàn)的三維顯示，全息照相技術(shù)正是運(yùn)用了該原理進(jìn)行成像的[1]。全息照相利用參考光與物光產(chǎn)生干涉，以干涉條紋的形式把物光的全部信息記錄下來，包括振幅和相位。當(dāng)用原參考光照射全息圖時(shí)，透過全息圖能在原放置物體的位置看到與原物體一樣的三維立體像[2]。

在單束物光與參考光干涉的基礎(chǔ)上，為了使全息圖承載更豐富更完整的光信息，可以用兩束物光與一束參考光進(jìn)行干涉，成像效果更清晰立體[3]。大多數(shù)雙光束干涉光路采用兩束透射物光或者兩束反射物光，這樣的光路只能用于拍攝可透光物體或者不可透光物體。若想要拍攝既有可透光部分又有不可透光部分的物體時(shí)，例如：因受損變質(zhì)導(dǎo)致部分不可透光的透明歷史文物，上述的雙光束干涉光路都不適用。因此，本文設(shè)計(jì)了一種反射透射混合型雙光束干涉光路來拍攝全息圖，實(shí)現(xiàn)同時(shí)拍攝反射與透射的全息照相，記錄更全面的物體信息。

3 光路設(shè)計(jì)與探究

3.1 光路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)光路時(shí)，需要考慮的因素包括：

（1） 對于混合型的被攝物，不能采用一般單光束干涉的光路來拍攝全息圖;

（2） 為了保證照明的質(zhì)量，設(shè)計(jì)光路時(shí)應(yīng)盡量避免大角度反射;

（3） 考慮到干涉條件，物光和參考光的夾角、光強(qiáng)比、光程差應(yīng)符合相干條件及干板記錄條件[6];

（4） 光路設(shè)計(jì)不應(yīng)過于緊湊，同時(shí)考慮擴(kuò)束器的位置，避免過多遮擋光源，影響拍攝成像效果。

3.2 探究方案

在設(shè)計(jì)的反射透射混合型雙光束干涉光路上，使其中的透射光主要經(jīng)過被攝物的可透光部分，反射光以較小入射角照亮被攝物的不可透光部分表面，實(shí)現(xiàn)雙光束干涉，完整記錄下被攝物的所有信息，經(jīng)過曝光、顯影、定影、烘干等一系列操作，得到全息圖，用原參考光再現(xiàn)觀察物像。另外，設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)一：在原設(shè)計(jì)的光路的基礎(chǔ)上，擋住透射光，使只有一束反射物光與參考光進(jìn)行干涉疊加，拍攝全息圖，方法同上，各參數(shù)保持一致;設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)二：在原設(shè)計(jì)的光路的基礎(chǔ)上，擋住反射光，使只有一束透射物光與參考光進(jìn)行干涉疊加，拍攝全息圖，方法同上，各參數(shù)保持一致。對比分析三個(gè)光路所拍攝的全息圖的成像效果。

在初步對比分析的基礎(chǔ)上，通過控制變量，改變其他影響因素，如曝光時(shí)間、光強(qiáng)比、物光與參考光的夾角等[7]，多次拍攝全息圖，根據(jù)成像效果找到最佳拍攝條件組合。

3.3 反射透射混合型雙光路

考慮上述因素，初步設(shè)計(jì)出反射透射混合型雙光路，并通過實(shí)驗(yàn)，不斷調(diào)整、優(yōu)化光路，最終得出如圖1所示光路：（注：圖中未畫出三個(gè)擴(kuò)束器所在的位置）

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 混合型雙光路拍攝與對照實(shí)驗(yàn)的比較

如圖2所示，圖（a）為被攝物體，選用帶有花紋的硬幣及可透光的浮雕花朵組合作為拍攝物，這兩部分物體的材質(zhì)不同，分別對應(yīng)被攝物的不可透光與可透光部分。

圖（b）反映對照實(shí)驗(yàn)一，在只有反射物光作用的光路中，被攝物只有不可透光的硬幣可以看到清晰物像。對可透光的浮雕花朵，大部分照明光透射過去，只有極少部分光經(jīng)過反射到達(dá)干板，成像效果差。圖（c）反映對照實(shí)驗(yàn)二，在只有透射物光作用的光路中，被攝物只有可透光的浮雕花朵可以看到物像，而不可透光的硬幣看不到物像，丟失了硬幣的信息。

圖（d）為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的反射透射混合型雙光路拍攝的全息圖，可以清晰看到整個(gè)被攝物的像，無論是可透光部分還是不可透光部分，其輪廓和圖案都比只有單光路拍攝的效果更清晰、更立體，層次感更強(qiáng)，保留更多細(xì)節(jié)。

綜合上述分析，對于拍攝可透光與不可透光混合型物體的全息圖，用單光束干涉的光路拍攝的全息圖物體信息記錄不全面，成像不完整;而用反射透射混合型雙光路拍攝的全息圖質(zhì)量好，成像效果佳，立體感更強(qiáng)，盡可能保留了物體的全部信息，適合用于拍攝既有可透光部分又有不可透光部分的物體，特別是對于拍攝由于損壞變質(zhì)導(dǎo)致部分不可透光的透明歷史文物具有重要的意義。

4.2 其他影響因素的作用效果

（1）拍攝不同材質(zhì)的物體所需的曝光時(shí)間一般不同，因此，筆者通過大量實(shí)驗(yàn)，分析并尋找可透光部分和不可透光部分成像效果均最佳時(shí)所需的曝光時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)使用GS-I型全息干板作為記錄介質(zhì)，使用功率為2.23mW，波長為632.8nm的氦氖激光器，當(dāng)曝光時(shí)間為15s時(shí)，全息圖的質(zhì)量最佳。（2）物光和參考光的夾角作為影響成像效果的重要因素。實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)透射物光與參考光的夾角為20°～30°、反射物光與參考光的夾角為25°～35°時(shí)，成像效果最佳。（3）全息圖的成像質(zhì)量還與物光和參考光的光強(qiáng)比有關(guān)，實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反射物光、透射物光、參考光的光強(qiáng)比約為1∶1∶1時(shí)，全息圖的質(zhì)量最佳。在本實(shí)驗(yàn)中，選用不同分光比的分光鏡，上述圖1中，選用分光鏡1的分光比為T ∶R =7∶3，分光鏡2的分光比為T ∶R =5∶5，即三路光的分束比為3∶3.5∶3.5，近似看成1∶1∶1。

本實(shí)驗(yàn)使用GS-I型全息干板作為記錄介質(zhì)，當(dāng)改用其他記錄介質(zhì)時(shí)，根據(jù)干板和實(shí)際光源的特征，曝光時(shí)間需要稍作調(diào)整。

5 結(jié)語

基于傳統(tǒng)的單光束干涉和一般的雙光束干涉全息照相，本文設(shè)計(jì)了一種新型的兼具透射與反射的雙光束干涉混合型光路，用以實(shí)現(xiàn)對同時(shí)具備可透光與不可透光兩個(gè)部分的物體的全息圖拍攝，使物體兩個(gè)部分均能完整且立體地呈現(xiàn)，全息像整體輪廓更分明、層次感更強(qiáng)，細(xì)節(jié)更豐富;通過光場理論分析和大量的實(shí)驗(yàn)探究，不斷提高全息圖的成像質(zhì)量，當(dāng)透射物光與參考光的夾角為20°～30°，反射物光與參考光的夾角為25°～35°，反射物光、透射物光與參考光的光強(qiáng)比約為1∶1∶1時(shí)，全息圖整體成像效果最佳。